Par Dr. Dejene Ayele TESSEMA environnementale

Par Dr. Dejene Ayele TESSEMA

African Virtual university Université Virtuelle Africaine Universidade Virtual Africana

environnementale

NOTE

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License (abréviation « cc-by »), Version 2.5..

I. Chimie environnementale ____________________________________ 3 II. Cours et connaissances requises ______________________________ 3 III. Le temps _________________________________________________ 3 IV. Le matériel _______________________________________________ 3 V. Justification du cours _______________________________________ 3 VI. Vue générale du module _____________________________________ 4 6.1 Aperçu _______________________________________________ 4 6.2 Plan ____ _____________________________________________5 6.3 Représentation graphique ________________________________ 6 VII. Objectifs générale __________________________________________ 7 VIII. Les objectifs spécifiques d’apprentissage ________________________ 7 IX. Activité d'enseignement et apprentissage ________________________ 8 X. Activité apprentissage ______________________________________ 13 XI. Glossaire ________________________________________________ 89 XII. Lectures obligatoires _______________________________________ 90 XIII. Liens utiles ______________________________________________ 93 XIV. Synthèse du module _______________________________________ 98 XV. Évaluation sommative ______________________________________ 99 XVI. Références _____________________________________________ 106 XVII. Auteur principal du module ________________________________ 107 XVIII. Rapport étudiant ________________________________________ 107

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Par Dr. Dejene Ayele Tessema

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Avant de suivre ce cours, les étudiants doivent réviser les chapitres précédents de leur cours d’introduction à la chimie.

- Loi des gaz parfaits et propriétés des gaz - Solutions et unités de concentration - Équilibre chimique

- Équilibre ionique

- Réactions acide-base et équilibre acido-basique

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Chapitre I. L’environnement (25 hrs)

Chapitre II Chimie atmosphérique et pollution de l’air (35 hrs) Chapitre III. Chimie et pollution des eaux (35 hrs)

Chapitre IV. Chimie et pollution des sols (25 hrs)

0=4H[tYPLS

Pour chaque chapitre de ce module, les étudiants ont besoin

- D’un ordinateur avec accès à internet, pour pouvoir accéder aux liens et aux ressources gratuites pertinentes

- Du CD-Rom qui accompagne ce module par des lectures supplémentaires et qui donne les réponses aux exercices de chaque activité d’apprentissage.

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De quoi parle-t-on ?

Les grandes quantités de substances chimiques produites par les industries moder- nes ont permis à l’humanité d’accéder à un niveau et à une qualité de vie inégalés.

Cependant, cela a entraîné une dégradation de l’environnement. Pour améliorer la qualité de l’environnement, les gens ont besoin d’un certain niveau de connaissance en chimie environnementale. Les professeurs de chimie se doivent donc de connaître les enjeux environnementaux et de les transmettre à la société civile par le biais de leurs étudiants.

L’objectif général de ce cours est d’acquérir une compréhension des processus chimi- ques fondamentaux, qui sont au centre d’une série de problèmes environnementaux, et d’utiliser cette connaissance pour évaluer ces problèmes de manière critique.

Les objectifs spécifiques sont de :

- Comprendre la chimie de la couche d’ozone stratosphérique et les processus importants intervenant dans la diminution de la couche d’ozone;

- Comprendre la chimie des processus troposphérique, ci-inclus le smog pho- tochimique et les pluies acides;

- Comprendre les principes physiques de base de l’effet de serre ainsi que l’origine et le devenir des gaz à effet de serre

- Comprendre la nature, la réactivité et le devenir environnemental des subs- tances chimiques organiques toxiques

- Comprendre les implications sociétales de certains problèmes environnemen- taux.

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6.1. Aperçu du module

Ce module met en application les principes fondamentaux de la chimie pour compren- dre l’origine, devenir et la réactivité des différents composés dans des environnements naturels et pollués. Les différentes subdivisions du milieu environnemental seront abordées dans la première partie. Les conséquences possibles d’une surexploitation des ressources naturelles seront expliquées pour permettre une appréciation des conséquences catastrophiques des actes de négligence humaine. Les parties suivantes mettront l’accent sur l’hydrosphère, l’atmosphère et les sols. Les questions environne- mentales abordées incluront les strates de l’atmosphère et les réactions chimiques qui y ont lieu, la diminution de la couche d’ozone, les polluants atmosphériques et leur origine, le réchauffement planétaire et les pluies acides, le changement climatique, l’eau et ses propriétés, les réactions chimiques dans les plans d’eau, la pollution des eaux et les sources des polluants, les sols, leurs formation, leurs caractéristiques et leu pollution.

6.2 Plan du module

Chapitre I L’environnement (25 hrs) Introduction

Consommation des ressources naturelles

Accroissement de la population et environnement Environnement et urbanisation

Environnement et industrialisation

Chapitre II Chimie atmosphérique et pollution de l’air (35 hrs) Chimie atmosphérique

Introduction

Atmosphère terrestre

Température et strates atmosphériques

Caractéristiques des principales régions de l’atmosphère Pollution de l’air

&ODVVL¿FDWLRQGHVSROOXDQWVDWPRVSKpULTXHV Principales sources des polluants atmosphériques Pollution atmosphérique et pluies acides

Pollution atmosphérique et diminution de la couche d’ozone Réchauffement planétaire

Solutions au problème

Chapitre III Chimie et pollution des eaux (35 hrs) Chimie de l’eau

Propriétés de l’eau

Réaction chimiques dans les plans d’eau Gaz dissouts dans l’eau

Phénomènes acide-base dans l’eau Réactions de complexation dans l’eau Pollution des eaux

Qualité de l’eau

Nature et type des polluants de l’eau Caractérisation des eaux usées Contrôle de la pollution des eaux Exigences pour la qualité de l’eau

Chapitre IV Chimie et pollution des sols (25 hrs) Chimie des sols

Introduction

Composition de sols Formation des sols Caractéristiques des sols

&ODVVL¿FDWLRQGHVVROV Érosion des sols Pollution des sols

Origine de la pollution des sols Effet de la pollution des sols Contrôle de la pollution des sols

6.3 Représentation graphique Graphic Organizer

Environmental Chemistry

Soil Pollution

Atmospheric chemistry Aquatic

chemistry

Air pollution Water

pollution

Soil Chemistry

=00 6IQLJ[PMNtUtYHS

Ce cours parle des problèmes environnementaux et des principes chimiques sous- jacents. Son objectif est de vous permettre d’utiliser les connaissances chimiques pour comprendre les problèmes environnementaux. Le but de ce cours est de vous aider à comprendre, du point de vue d’un chimiste, comment améliorer la qualité de l’environnement

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Objectifs d’apprentissage 1. L’environnement

Familiariser les étudiants avec les subdivisions du milieu et expliquer les conséquences SRVVLEOHVG¶XQHXWLOLVDWLRQH[FHVVLYHGHVUHVVRXUFHVQDWXUHOOHVD¿QG¶DPpOLRUHUODSULVH

de conscience des conséquences catastrophiques des actes de négligence.

2. Chimie et pollution de l’air

Expliquer la composante gazeuse de l’environnement, les variations verticales dans la température de l’atmosphère et la chimie responsable des variations observées, les processus comme la diminution de la couche d’ozone, l’effet de serre et le ré- chauffement planétaire

3. Chimie et pollution des eaux

Permettre une compréhension fondamentale des processus chimiques organiques et inorganiques déterminant la composition de l’environnement aquatique et le devenir des polluants dans un environnement aquatique

4. Chimie et pollution des sols

Familiariser les étudiants avec les principaux composants des sols et la manière dont ils sont formés. Introduire certaines caractéristiques importantes des sols, leur FODVVL¿FDWLRQHWOHVGLIIpUHQWHVVRXUFHVGHSROOXWLRQGHVVROV

0?(J[P]P[tZK»LUZLPNULTLU[L[

K»HWWYLU[PZZHNL

Pré-requis

TITRE : Pré-requis pour le cours de chimie environnementale

JUSTIFICATION : Ce test est destiné à évaluer le niveau actuel de vos connaissances en chimie. Sa réussite est une condition préalable pour un apprentissage réussi de ce module

Questions

1. Une solution contient 15 g de glucose (sucre de table) et 60 g d’eau. Quel est le pourcentage (masse/masse) de la solution de glucose

a) 20% b) 2% c) 0.2% d) 5%

2. Quelle est la molarité d’une solution de 100 ml préparée à l’aide de 11 g de CaCl₂ et d’eau ?

a) 0,1 M b) 0,01 M c) 11,0 M d) 1,0 M

3. Une solution a une concentration [H₃O⁺] de 1 x 10^-5. Quelle est la [OH^-] de cette solution ?

a) 1,0 x 10^-5 b) 1,0 x 10^-8 c) 1,0 x 10^-9 d) 1,0 x 10^-7

4. Une solution d’ammoniaque a une [OH^-] de 1 x 10^-3. Quel est le pH de cette solution ?

a) 8 b) 11 c) 3 d) 1.0 x 10^-11

5. Quel est le nom de la partie de la Terre sur laquelle vivent les êtres humains et de laquelle ils extraient leur nourriture, minéraux et combustibles ?

a) l’environnement b) la géosphère c) l’atmosphère d) la biosphère

 /HSURFHVVXVSDUOHTXHOOHVSODQWHV¿[HQWO¶pQHUJLHVRODLUHHWOHFDUERQHGX

CO₂ atmosphérique sous la forme d’une biomasse hautement énergétique, représentée par {CH₂O} est connue comme :

DOD¿[DWLRQEODFDUERQDWDWLRQVRODLUHFODWUDQVSLUDWLRQGODSKRWRV\Q- thèse

7. Quand un mélange de gaz est en contact avec la surface d’un liquide, la solu- bilité d’un gaz donné dans le liquide

a) est proportionnelle à la température du liquide

b) est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz en contact avec le liquide c) est proportionnelle à la pression totale exercée par le mélange de gaz d) aucune de ces réponses

8. Quel est le produit gazeux formé par la combustion complète de combustible fossile ?

a) le dioxyde de carbone b) le monoxyde de carbone c) le carbone d) l’azote 9. Quel gaz de l’atmosphère contribue le plus au réchauffement planétaire ?

a) le dihydrogène b) le diazote c) le dioxyde de carbone d) le monoxyde de carbone

10. Laquelle de ces propositions entraîne une diminution de la couche d’ozone?

a) augmentation de la consommation des combustibles fossiles b) augmentation du smog photochimique dans les villes

c) augmentation de la température des océans liée au réchauffement global d) augmentation de l’utilisation des produits chimiques dans les réfrigérateurs

et les bombes aérosols

11. Quel est la preuve la plus probable du réchauffement planétaire ? a) augmentation de la sécheresse dans des régions d’Afrique b) augmentation de la calotte glacière au Pôle Sud

c) amincissement des anneaux de croissance des arbres en Europe du Nord d) diminution des stocks de poissons dans l’océan Atlantique

12. La norme de qualité de l’air pour le monoxyde de carbone (basées sur une me- sure durant 8 heures) est de 9 ppm. Quand cette norme est exprimée en mg/m³ à 1 atm et 25 °C, cette valeur est de :

a) 0,01 mg/m³ b) 37 mg/m³ c) 0,009 mg/m³ d) 10,3 mg/m³

13. L’atmosphère terrestre est une couche de gaz entourant la planète et retenue autour de la Terre par la gravité. Parmi les gaz suivants, lequel est présent en plus grande quantité ?

a) le dioxygène b) le diazote c) le dihydrogène d) le dioxyde de carbone 14. La solubilité du carbonate de calcium peut être calculée comme suit :

En condition d’équilibre dans l’eau, et en absence d’air, le pH du CaCO₃ = 9,95 et la [Ca²⁺] = 1,26 x 10^-4, alors qu’en présence d’air, le pH = 8,40 et la [Ca²⁺] = 3,98 x 10^-4. Quelle est la cause de l’augmentation de la [Ca²⁺] observée ?

a) dissolution du CaCo₃ par le CO₂ atmosphérique dissout dans l’eau b) déplacement de l’équilibre vers la droite, à cause d’une augmentation de

pression

c) déplacement de l’équilibre vers la droite, dû à la dissolution du CO₂ atmos- phérique

d) aucune de ces réponses

15. Quand on se déplace du niveau de la mer vers des altitudes supérieures, la température de l’atmosphère

a) diminue petit à petit b) augmente petit à petit

c) diminue et augmente tour à tour d) reste constante

16. Laquelle des propositions suivantes est une raison de s’inquiéter de la réduc- tion de la concentration d’ozone stratosphérique ?

a) augmentation des cas de cancer liée à l’augmentation des rayons UV attei- gnant la surface de la Terre

b) augmentation de l’ozone troposphérique, qui cause un risque pour la santé chez l’Homme

c) effet des rayons UV sur les cyanobactéries, une bactérie de laquelle nom- bre de plantes économiquement importantes dépendent pour leur rétention azotée

d) toutes ces propositions

17. La cause de la diminution de la couche d’ozone est associée à

D ODSUpVHQFHGHSURGXLWVFKORURÀXURFDUERQpVHWGHVFRPSRVpVKDORFDUEXUpV

reliés, servant de source au dichlore gazeux b) l’augmentation des gaz à effet de serre

c) l’augmentation des rayonnements solaires UV d) la présence d’oxydes servant de source d’oxygène

18. L’eau possède certaines propriétés uniques. Une de celles-ci détermine le transfert de chaleur entre l’atmosphère et les plans d’eau. Quelle est-elle ? a) l’eau a la constante diélectrique la plus élevée parmi les liquides communs b) l’eau a la plus haute chaleur d’évaporation que n’importe quelle autre subs-

tance

c) l’eau a une densité maximale en tant que liquide à 4°C

d) l’eau a la constante diélectrique la plus élevée parmi les liquides communs 19. Les aldéhydes sont des molécules hautement réactives présentes dans l’envi-

ronnement. Ils peuvent également être produits lors de la transformation de xénobiotiques ou du métabolisme endogène. Laquelle des structures molécu- laires suivantes est un aldéhyde ?

a) b) c) d)

20. La dégradation bactérienne de la biomasse des eaux usées, {CH₂O}, peut se produire en conditions aérobie ou anaérobie. Laquelle de ces équations repré- sente la dégradation anaérobie de la biomasse ?

a) CH₂O + O₂ A CO₂ + H₂O b) 2 CH₂O + O₂ A CO₂ + CH₄ c) 2 CH₂O A CO₂ + CH₄ d) CH₂O A CO₂ + O₂

Réponses

Titre du pré-requis : Test pré-requis pour le cours de chimie environnementale 1. a) 20%

2. d) 1,0 M

3. c) 1,0 x 10^-9 4. b) 11

5. b) la géosphère 6. d) la photosynthèse

7. b) est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz en contact avec le li- quide

8. a) le dioxyde de carbone 9. c) le dioxyde de carbone

10. d) augmentation de l’utilisation des produits chimiques dans les réfrigérateurs et les bombes aérosols

11. a) augmentation de la sécheresse dans des régions d’Afrique 12. d) 10,3 mg/m³

13. b) l’azote

14. a) dissolution du CaCo₃ par le CO₂ atmosphérique dissout dans l’eau 15. c) diminue et augmente tour à tour

16. d) toutes ces propositions

DODSUpVHQFHGHSURGXLWVFKORURÀXURFDUERQpVHWGHVFRPSRVpVKDORFDUEXUpV

reliés, servant de source au chlore gazeux

18. b) l’eau a la plus haute chaleur d’évaporation que n’importe quelle autre substance

19. c)

20. c) 2 CH₂O à CO₂ + CH₄

Remarque pédagogique pour les étudiants

Cher étudiant, le test préliminaire ci-dessus a pour but d’évaluer votre connaissance sur certains concepts généraux de chimie, comme les calculs de concentration, le calcul de pH, la solubilité, les équilibres chimiques, la chimie organique et quelques concepts généraux de chimie environnementale, qui sont indispensables à la com- préhension de ce cours de chimie environnementale. Si vous avez moins de 50% à ce test, il vous est recommandé de réviser les chapitres mentionnés avant de poursuivre l’étude de ce présent chapitre.

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Activité d’apprentissage N° 1 L’environnement

Résumé de l’activité d’apprentissage

Pour donner à l’étudiant un clair aperçu des différentes composantes de l’environ- QHPHQWFHWWHDFWLYLWpG¶DSSUHQWLVVDJHSUpVHQWHXQHYXHG¶HQVHPEOHGHVGp¿QLWLRQV

de l’environnement et des sections qui le constituent. Y sont également abordés les impacts écologiques de l’utilisation non raisonnée des ressources naturelles, les im- pacts environnementaux de l’industrialisation et l’accroissement de la population.

¬OD¿QGHFHWWHDFWLYLWpG¶DSSUHQWLVVDJHO¶pWXGLDQWGHYUDLWrWUHFDSDEOHGH - Décrire les différentes sections de l’environnement

- Discuter des conséquences environnementales de l’utilisation des ressources naturelles

- Décrire les impacts environnementaux de l’accroissement de la population et de l’urbanisation

- 'LVFXWHU GHV LQÀXHQFHV GH O¶XUEDQLVDWLRQ VXU OD SROOXWLRQ GH O¶HQYLURQQH- ment

Liste des lectures pertinentes

1. Carl H. Snyder; Chemicals, Pollution, and the Environment, the meaning of pollution, in The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things, third edition, John Wiley & Sons, Inc, 1998

2. Manahan, Stanley E. “Environmental Science, Technology, and Chemistry”

Environmental Chemistry, 2000

3. Environmental Chemistry, http://www.chem1.com/chemed/digtexts.shtml Liste des ressources pertinentes

Un ordinateur avec connexion internet pour accéder aux liens et aux ressources écrites gratuites pertinentes

Un CD-Rom accompagnant ce module pour des lectures supplémentaires et pour YpUL¿HUOHVUpSRQVHVDX[H[HUFLFHVGRQQpVGDQVO¶DFWLYLWpG¶DSSUHQWLVVDJH

Liste des liens utiles

1. Introduction to Environmental Science, in Textbook Revolution: Taking the Bite out of Books at http://www.textbookrevolution.org/earth-sciences

2. Water Resources, Wastewater Treatment, Fossil Fuels, in VIRTUAL CHEM- BOOK, at http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.html

3. Survey of Environmental Geobiochemistry, in Resources for Chemistry Educa- tors, Digital Texts, at http://www.chem1.com/chemed/digtexts.shtml This link provides an overview of “environmental chemistry” in its broadest context:

the chemical evolution and constitution of the lithosphere, hydrosphere, at- mosphere, and biosphere.

Chapitre I – L’environnement (25 hrs) - Introduction

- Utilisation des ressources naturelles

- Environnement et accroissement de la population - Environnement et urbanisation

- Environnement et industrialisation

1.1 Introduction

7RXVOHVIDFWHXUVH[WHUQHVTXLDIIHFWHQWXQRUJDQLVPHSHXYHQWrWUHGp¿QLVFRPPH

l’environnement. Ces facteurs peuvent être d’autres organismes vivants, mais aussi des variables non vivantes, tels l’eau, le sol, le climat, la lumière ou le dioxygène.

/¶HQYLURQQHPHQWQ¶HVWMDPDLVVWDWLTXH'HVIRUFHVSK\VLTXHVPRGL¿HQWFRQWLQXHOOH- ment la surface de la Terre, que ce soit le climat, l’action des vagues ou des phéno- mènes naturels comme les volcans. Dans le même temps, ces forces introduisent des gaz, des vapeurs et de la poussière dans l’atmosphère. Les organismes vivants jouent également un rôle dynamique par leur respiration, leurs excrétions, leur mort et leur décomposition, qui recycle leurs éléments constitutifs dans l’environnement.

Tout comme notre univers physique est divisé en substances solide, liquide et gazeuse, notre environnement physique est, par convenance, divisé en atmosphère, géosphère,

hydrosphère, biosphère, anthroposphère et IDXQHHWÀRUH. Ceci sera illustré dans la suite du cours en utilisant les différentes subdivisions de l’environnement comme des entités séparées.

1.1.1. L’atmosphère

L’atmosphère est l’enveloppe gazeuse qui entoure le corps solide de la planète.

Bien que son épaisseur soit supérieure à 1100 km, environ la moitié de sa masse est concentrée dans les 5,6 km inférieurs.

L’atmosphère

- Est une couche protectrice qui permet la vie sur Terre et la protège de l’envi- ronnement hostile de l’espace

- Est la source du dioxyde de carbone nécessaire à la photosynthèse des plantes et de l’oxygène nécessaire à la respiration

- Fournit le diazote, un composé essentiel des molécules de la vie, nécessaire DX[EDFWpULHV¿[DWULFHVG¶D]RWHHWDX[XVLQHVGHIDEULFDWLRQG¶DPPRQLDTXH

D¿QGHSURGXLUHGXGLD]RWH

- Transporte l’eau des océans vers les terres, agissant donc comme un grand condensateur dans un distillateur géant, mu par l’énergie solaire

- A des fonctions protectrices vitales, vu qu’elle absorbe les rayonnements ultraviolets nocifs du soleil et qu’elle stabilise la température de la planète.

1.1.2. L’hydrosphère

L’hydrosphère est la couche d’eau qui, sous la forme des océans, couvre approxima- tivement 70,8 % de la surface terrestre.

L’eau :

- Couvre environ 70 % de la surface de la Terre et plus de 97 % de cette eau se trouve dans les océans

- Est présente dans toutes les sphères de l’environnement : dans l’océan sous la forme d’un grand réservoir d’eau salée, dans les eaux de surface des terres émergées sous la forme des lacs et des rivières, en dessous de la terre sous la forme d’eau souterraine, dans l’atmosphère sous la forme de vapeur d’eau, dans les calottes polaires sous la forme de glace solide et dans de nombreuses parties de l’anthroposphère : dans les chaudières et les systèmes municipaux de distribution d’eau

- Est un constituant essentiel de tous les organismes vivants et est le milieu à partir duquel la vie a évolué et dans lequel la vie existe

- Transporte l’énergie et la matière entre les différentes sphères de l’environ- nement

- Lessive les constituants solubles des minéraux et les transporte jusqu’aux océans ou les abandonne sous forme de dépôts minéraux à une certaine dis- tance de leur source

- Transporte les nutriments du sol dans le corps des plantes au travers de leurs racines

- Absorbe l’énergie solaire dans les océans. Quand l’eau s’évapore des océans, cette énergie est transportée sous forme de chaleur latente et libérée à l’intérieur des terres. La libération de chaleur latente concomitante fournit une grande partie de l’énergie qui est transportée des régions équatoriales vers les pôles et qui cause tempêtes et ouragans

1.1.3. La géosphère

La géosphère est la partie de la Terre sur laquelle les humains vivent et à partir de laquelle ils extraient la majorité de leur alimentation, des minéraux et des carburants.

Elle est divisée en plusieurs couches : le noyau interne solide, riche en fer, le noyau externe en fusion et la lithosphère, qui est constituée du manteau supérieur et de l’écorce terrestre.

La science de l’environnement s’occupe principalement de la lithosphère.

- La lithosphère s’étend jusqu’à 100 km de profondeur et comprend deux cou- ches, l’écorce terrestre et le manteau supérieur

- L’écorce terrestre (couche externe de la terre) est la couche accessible aux rWUHVKXPDLQV(OOHHVWWUqV¿QHjNPG¶pSDLVVHXUHQFRPSDUDLVRQGX

diamètre de la Terre

Inner core Gutenberg discontinuity Outer core Lower mantle

Transition zone Upper mantle Mohorovich discontinuity

Crust

Asthenosphere Lithosphere Transition zone

Fig 1.1. Inner structure of the earth Fig. 1.1. Structure interne de la Terre

1.1.4. La biosphère

La biosphèreHVWXQHFRXFKHG¶DLUG¶HDXHWGHVROUHODWLYHPHQW¿QHTXLSHXWVXSSRUWHU

la vie. Son épaisseur est d’environ 10 km dans l’atmosphère et va jusqu’au bas-fond océanique. La vie dans la biosphère dépend de l’énergie solaire et de la circulation de la chaleur et des nutriments essentiels.

La biosphère

- Est virtuellement contenue dans la géosphère et l’hydrosphère et dans la très

¿QHLQWHUIDFHTXHFHVVSKqUHVRQWDYHFO¶DWPRVSKqUH

- ,QÀXHQFHHWHVWIRUWHPHQWLQÀXHQFpHSDUOHVDXWUHVSDUWLHVGHO¶HQYLURQQH- ment

- ,QÀXHQFHIRUWHPHQWOHVSODQVG¶HDXTXLSURGXLVHQWODELRPDVVHQpFHVVDLUHj

la vie et qui sont l’intermédiaire des réactions d’oxydoréduction dans l’eau - Est impliquée dans les processus d’érosion qui détériorent les roches dans la

géosphère et transforment la matière rocheuse en terre

- (VWEDVpHVXUODSKRWRV\QWKqVHGHVSODQWHVTXL¿[HO¶pQHUJLHVRODLUHK  et le carbone du CO₂ atmosphérique sous la forme de biomasse hautement énergétique, représentée sous la forme {CH₂O}

1.1.5. L’anthroposphère

&¶HVW OH QRP GRQQp j OD SDUWLH GH O¶HQYLURQQHPHQW ©IDLWHª RX PRGL¿pH SDU OHV

KXPDLQVHWXWLOLVpHSRXUOHXUVDFWLYLWpV%LHQV€UFHWWHGp¿QLWLRQUHQIHUPHFHUWDLQHV

ambiguïtés. De façon claire, une usine fait partie de l’anthroposphère, tout comme un bateau transportant les marchandises faites dans cette usine sur l’océan. L’océan sur lequel le bateau navigue appartient à l’hydrosphère, même s’il est clairement utilisé par les humains.

L’anthroposphère :

- A des connections importantes avec la biosphère

- $IRUWHPHQWLQÀXHQFpODELRVSKqUHHWO¶DPRGL¿pHGHPDQLqUHGUDVWLTXH3DU

exemple, la destruction de l’habitat sauvage a entraîné l’extinction d’une grande quantité d’espèces, dans certains cas avant même qu’elles ne soient GpFRXYHUWHV/HJpQLHELRORJLTXHTXLPRGL¿HGHVRUJDQLVPHVDYHFOHVWHFK- nologies de l’ADN recombinant et les méthodes plus anciennes de sélection et G¶K\EULGDWLRQHQWUDvQHQWG¶LPSRUWDQWHVPRGL¿FDWLRQVGDQVOHVFDUDFWpULVWLTXHV

des organismes et entraîneront sans aucun doute des bouleversements encore plus frappants dans l’avenir.

C’est de la responsabilité de l’humanité de faire ces changements de manière intelligente et de protéger et de conserver la biosphère

1.1.6. La flore et la faune

/D IDXQH HW OD ÀRUH VRQW GHX[ WHUPHV FROOHFWLIV SRXU GpVLJQHU UHVSHFWLYHPHQW OHV

animaux et les plantes. Les différentes sections de l’environnement interagissent FRQWLQXHOOHPHQWDYHFODÀRUHHWODIDXQH/¶écosystèmeHVWGp¿QLFRPPHXQHQVHPEOH

d’organismes qui interagissent entre eux et avec leur environnement, dans lequel la matière est échangée de manière cyclique. L’habitat est l’environnement dans lequel vit un organisme en particulier.

Nous avons donc discuté jusqu’à présent des différentes sections de l’atmosphère.

Même si, pour rendre le cours facile, nous avons divisé l’environnement en diffé- UHQWHVVHFWLRQVOHVLQWHUDFWLRQVHQWUHFHVVHFWLRQVVRQWLQ¿QLHV7RXWHVOHVSDUWLHVGH

l’environnement sont sujettes aux changements drastiques causés par l’usage excessif des ressources naturelles par l’homme.

1.2. Consommation des ressources naturelles

'DQVOHVGHUQLHUVGHX[VLqFOHVHWGHPLODUpYROXWLRQLQGXVWULHOOHDPRGL¿pO¶DSSD- rence de la planète à un niveau alarmant en consommant les ressources naturelles, particulièrement les combustibles fossiles. Chaque année, la consommation des ressources naturelles augmente, parallèlement à l’accroissement de la population et à l’augmentation de la qualité de vie.

Dans la suite de ce cours, nous discuterons des conséquences environnementales pos- sibles qui accompagnent la surconsommation des ressources naturelles (combustibles fossiles, bois, eau, terre et énergie) par les êtres humains.

1.2.1 Les combustibles fossiles

Les combustibles fossiles (pétrole, charbon et gaz naturel) sont des substances ri- ches en énergie qui proviennent de plantes et de microorganismes enfouis sous terre depuis longtemps. Ils fournissent la majorité de l’énergie qui alimente les sociétés industrielles modernes. L’essence de nos voitures, le charbon de la plupart des usines électriques et le gaz naturel de nos foyers sont tous des combustibles fossiles.

Les combustibles fossiles sont largement composés d’hydrocarbures qui se sont for- més à partir d’anciens organismes vivants enterrés sous des couches de sédiments, il y a des millions d’années. Ces combustibles sont extraits de l’écorce terrestre et UDI¿QpVHQFDUEXUDQWVHVVHQFHPD]RXWGHFKDXIIDJHRXNpURVqQH&HUWDLQVGHFHV

hydrocarbures peuvent aussi être transformés en matières plastiques, en produits FKLPLTXHVHQOXEUL¿DQWVHWHQG¶DXWUHVSURGXLWVQRQFRPEXVWLEOHV/HVFRPEXVWLEOHV

fossiles les plus utilisés sont le pétrole, le charbon et le gaz naturel.

Une fois extraits et transformés, les combustibles fossiles peuvent être brûlés pour une utilisation directe (déplacement d’une voiture, chauffage d’une maison) ou indirecte (production d’électricité).

Quelles en sont les conséquences ?

Au cours du siècle dernier, la quantité de dioxyde de carbone de l’atmosphère a aug- menté de façon spectaculaire, principalement à cause de la consommation des com- bustibles fossiles. Ceci a entraîné une augmentation de la température de la planète.

Les conséquences d’une telle hausse de température peuvent se révéler dangereuses.

Le niveau de la mer va monter, submergeant complètement un certain nombre d’îles de faible altitude et inondant de nombreuses villes côtières. Cela entrainera également l’extinction de diverses espèces de plantes et d’animaux. Les zones agricoles seront perturbées et les épisodes de sécheresse vont augmenter.

1.2.2 Bois et forêts

Les forêts sont très importantes dans le maintien de l’équilibre écologique. Elles offrent de nombreux avantages environnementaux. En dehors de la production de papier et de bois de construction, les forêts sont un habitat pour la faune sauvage, elles SUpYLHQQHQWOHVFUXHVHWO¶pURVLRQGHVVROVHOOHVSXUL¿HQWO¶DLUHWO¶HDXHWUHQIHUPHQW

une incroyable biodiversité. Les forêts représentent aussi une défense importante contre les changements climatiques. Elles produisent du dioxygène et via la photo- synthèse, consomment du dioxyde de carbone, le composé le plus impliqué dans le réchauffement global, ce qui en limite les effets.

A B

)LJ/DGpIRUHVWDWLRQHQWUDvQHODGpVHUWL¿FDWLRQ

(A) une forêt conservée, (B) Le désert.

Les forêts sont l’habitat d’une grande variété de plantes et d’animaux. Elles ont d’autres fonctions importantes pour l’homme. La canopée (le sommet des arbres) HWOHV\VWqPHUDFLQDLUHVRQWGHV¿OWUHVQDWXUHOVSRXUO¶HDXTXHQRXVSXLVRQVGHVODFV

et des rivières. Quand il pleut, la canopée intercepte et redistribue les précipitations qui, sans cela, causeraient des inondations, de l’érosion et la destruction de la couche arable. Une partie des précipitations coule le long des troncs et ruisselle, alors que le reste percole au travers des branches et des feuilles pour devenir des précipita- tions au sol. La canopée peut également capter le brouillard, ce qui le disperse dans la végétation et dans le sol. Les forêts augmentent également la capacité du sol à emmagasiner de l’eau.

1.2.3. Les sols

Le sol, un mélange de matières minérales, végétales et animales, est essentiel à la croissance de la plupart des plantes et est la ressource primaire des productions agrico- les. De par le monde, l’érosion a ravagé les sols lors des processus de transformation des terres en terres agricoles et de destruction de la végétation, qui retenait l’eau et la terre en place. Dans les pays tropicaux, la déforestation rapide est particulièrement GRPPDJHDEOHGXIDLWTXHOD¿QHFRXFKHGHWHUUHUHVWDQWHHVWIUDJLOHHWHVWUDSLGHPHQW

délavée par les pluies tropicales. Globalement, l’agriculture est responsable de la dégradation de 28 % des près de deux milliards d’hectares de terres dégradées par l’activité humaine, alors que le surpâturage est responsable de 34 % et la déforesta- tion de 29 %.

1.2.4. L’eau

Les ressources en eau douce propre sont indispensables à différentes activités humai- nes : boire, cuisiner, se laver, irriguer les terres, alimenter l’industrie, mais aussi à la survie des plantes et des animaux. À cause de la surconsommation, de la pollution et de la dégradation des écosystèmes, les réserves d’eau douce, les nappes phréati- ques (eau située sous la surface), les réservoirs et les rivières, subissent de sévères et continuelles pressions environnementales. Plus de 95 % des eaux usées des villes des pays en voie de développement sont libérées non traitées dans les eaux de surface comme les rivières et les ports.

Environ 65 % des réserves d’eau douce sont utilisées par l’agriculture et 25 % sont utilisés par l’industrie. La conservation de l’eau douce nécessite donc une réduction GXJDVSLOODJHFRPPHXQHLUULJDWLRQLQHI¿FDFHHWGHVUpIRUPHVGDQVO¶DJULFXOWXUHHW

l’industrie, ainsi qu’un contrôle strict de la pollution au niveau mondial.

1.2.5. L’énergie

Au cours de l’histoire, les êtres humains ont toujours produit et utilisé de l’énergie. Les hommes utilisent de l’énergie pour la production industrielle, le transport, le chauffage, le refroidissement, la cuisine et l’éclairage. Au niveau mondial, les réserves d’énergie dépendent de différentes ressources. Les combustibles traditionnels, comme le bois de chauffage et les matières fécales animales par exemple, sont une source importante d’énergie dans de nombreux pays en voie de développement. Les combustibles fossiles comptent pour plus de 90 % de la production globale d’énergie, mais leur utilisation pollue l’air et ils sont considérés comme une ressource problématique.

Un des facteurs les plus importants qui aggrave la dégradation de l’environnement est l’accroissement de la population. Les besoins en nourriture et en abris supplémentai- res qui accompagnent l’accroissement de la population va renforcer la déforestation, l’utilisation de plus en plus de terres pour l’agriculture, l’utilisation de fertilisants, l’endiguement des rivières et l’urbanisation. Ces activités contribueront par la suite au déséquilibre écologique global et à la pollution environnementale. Dans le sous- chapitre suivant, nous allons brièvement étudier les impacts de l’accroissement de la population sur l’environnement.

1.3. Environnement et accroissement de la population

La population mondiale augmente à un taux alarmant. Entre 1930 et actuellement, elle est passée de 2 à 5,3 milliards d’individus. Et on s’attend à ce qu’elle dépasse les 8 milliards d’individus en 2050. Les exigences de cette population croissante, couplées au désir de la plupart des gens d’avoir un niveau de vie plus élevé, donneront lieu à une pollution massive à l’échelle mondiale.

Les problèmes environnementaux ont déjà entraîné un manque de nourriture, d’eau douce, d’abri et d’autres ressources essentielles. Alors que les forêts, les terres, l’air et l’eau sont dégradées, les gens qui vivent directement de ces ressources naturelles souffrent le plus de cette pénurie.

La dégradation de l’environnement global est le résultat d’un ensemble de facteurs, incluant la surpopulation et la surutilisation concomitante des terres et des autres ressources. L’élevage intensif, par exemple, épuise la fertilité des sols et diminue le rendement des récoltes. La pollution entraîne également une dégradation de l’environ- nement. Les industries polluantes sont, entre autres, l’industrie minière, la production d’énergie ou la fabrication de substances chimiques. D’autres sources importantes de pollution sont les automobiles et les fertilisants utilisés en agriculture.

Dans les pays en voie de développement, la déforestation a eu des effets environ- nementaux particulièrement dévastateurs. Les populations rurales, particulièrement dans les régions tropicales, dépendent de la forêt qui leur procure de la nourriture et d’autres ressources. La déforestation abîme ou détruit ces réserves. Les forêts ab- sorbent également de nombreux polluants et l’eau des fortes pluies. Sans les forêts, la pollution augmente et les zones déboisées deviennent inutilisables à cause des inondations massives.

La mauvaise gestion des terres et l’accroissement de la population sont des facteurs qui promeuvent une augmentation de l’irrigation, une agriculture incorrecte ou excessive et une augmentation du cheptel. Tout ceci transforme les terres et le sol, diminue les UHVVRXUFHVHWDXJPHQWHOHVULVTXHVGHGpVHUWL¿FDWLRQ

1.4. Urbanisation et environnement

Au cours des dernières années, l’urbanisation des zones rurales s’est accrue. Alors que l’agriculture, les services locaux traditionnels et les industries de petite taille ont cédé la place à des industries modernes, le commerce pratiqué dans les villes attire, pour sa subsistance, les ressources d’un territoire de plus en plus fortement, ainsi que des marchandises qui seront commercialisées ou transformées en produits manufacturés.

L’urbanisation est un des facteurs les plus importants d’aggravation de la dégradation de l’environnement. Dans le sous-chapitre suivant, nous allons brièvement parler des impacts de l’urbanisation sur l’environnement.

Démographiquement, le terme urbanisation sous-entend la redistribution des popu- lations des zones rurales vers les zones urbaines. Le vingtième siècle a été le témoin d’une urbanisation rapide de la population mondiale. En proportion, la population urbaine a fortement augmenté, passant de 13 % (220 millions) en 1900 à 49 % (3,2 milliards) en 2005. Les projections pour l’avenir estiment que cette proportion at- teindra 60 % (4,9 milliards) en 2030.

L’urbanisation est un phénomène naturel associé à la recherche d’emplois, d’édu- cation, d’habitat et de transport. Elle permet de diminuer les dépenses de déplace- ment et de transport. Vivre en ville permet aux individus et aux familles d’avoir les avantages de la proximité, de la diversité et de la compétitivité du marché. Avec XQHSODQL¿FDWLRQFRUUHFWHHWXQHYLVLRQjORQJWHUPHFHPRGHG¶KDELWDWSHUPHWGHV

économies d’échelle qui peuvent réellement réduire les pressions démographiques sur les ressources naturelles et augmenter le rendement énergétique. Vu que les gens vivent à proximité les uns des autres et qu’ils ont besoin de moins d’espace dans les villes, chaque personne a besoin de moins d’infrastructure clef comme les égouts, les lignes électriques et les routes que dans des habitats décentralisés. Cependant, en même temps que les avantages sociaux et économiques de l’urbanisation, viennent un certain nombre de problèmes environnementaux.

Dans les récentes décades, de précieuses terres arables ont dû subir la nouvelle me- nace posée par l’urbanisation des zones rurales. Des terres agricoles de choix ont été morcelées et pavées pour créer des aires de stationnement et des rues. L’extension croissante des villes a nécessité de plus en plus d’autoroutes. Suivant un cercle vicieux continuel, la disponibilité de nouveaux systèmes d’autoroutes a rendu possible un GpYHORSSHPHQWSOXVLQWHQVH/HUpVXOWDW¿QDODpWpODSHUWHGHWHUUHVWUqVSURGXFWLYHV

pour l’agriculture.

De par le monde, les villes comptent pour 75 % de la consommation d’énergie globale, pour 80 % de l’émission des gaz à effet de serre et pour une part disproportionnée de l’utilisation des ressources : nourriture, bois de construction, acier. À cause de cela, l’air de la plupart des villes est pollué du fait de l’industrialisation galopante et à l’augmentation des transports motorisés. La pollution de l’air des villes cause environ un million de décès prématurés chaque année dans le monde.

1.5. Industrialisation et environnement

/HVH[LJHQFHVHWOHVGpVLUHGHODSRSXODWLRQFURLVVDQWHRQWHQWUDvQpXQHLQWHQVL¿FDWLRQ

de l’industrialisation. Ces activités industrielles, réalisées à l’aide de technologies modernes, offrent nourriture, abri et biens de consommation dont les hommes ont besoin pour leur bien-être et leur survie.

Les procédés de fabrication industriels consistent en la synthèse de substances chimi- ques à partir de matières premières, la fonte de métal ou de matières plastiques ou tout autre chose nécessaire à la production d’un produit particulier. Chaque procédé porte en lui un risque de polluer l’air et l’eau et de produire des déchets dangereux.

Au plus tôt les considérations environnementales seront intégrées dans la conception et le procédé de développement, au plus « environnemental » sera le procédé.

Au cours des 30 dernières années, la production industrielle a été une source majeure de pollution dans les zones urbaines et un moteur important de l’utilisation intensive des ressources

1.5.1 Pollution environnementale faisant suite à l’industrialisation

Essayez de répondre aux questions motivantes suivantes avant de commencer à lire les notes données dans ce sous-chapitre et puis cherchez les réponses dans le texte Avez-vous déjà vu le ciel au dessus d’une grande ville devenir nuageux ? À votre avis, quels sont les composants d’un tel « nuage » ? Comment se forme-t-il ? 1.5.1.1. Le smog et les pluies acides

La pollution atmosphérique est principalement due à l’unique activité humaine : l’utilisation des combustibles fossiles (gaz naturel, charbon, pétrole) pour faire fonctionner les industries et les véhicules à moteur. Ceci entraîne l’émission de com- posés chimiques toxiques, comme le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, les oxydes d’azote, le dioxyde de soufre et de minuscules particules solides, dont le plomb présent dans l’essence des voitures, qu’on appelle des polluants atmosphériques solides. Divers composés organiques volatils ou VOC pour volatile organic chemi- cals sont produits à partir des combustibles incomplètement brûlés et contaminent également l’atmosphère.

Le dioxyde de carbone est l’un des gaz à effet de serre qui contribue de manière si- JQL¿FDWLYHDXUpFKDXIIHPHQWJOREDO/HVpPLVVLRQVGHGLR[\GHGHVRXIUHHWG¶R[\GHV

d’azote sont les principales causes des pluies acides dans de nombreuses parties de la planète. Le dioxyde de soufre et les oxydes d’azote une fois émis dans l’atmosphère sont absorbés par les pluies sous forme d’acide sulfurique et d’acide nitrique. Ces acides sont toxiques pour les poumons et rongent tout ce qui est composé de calcaire, de marbre ou de métal.

Le smog est un type de pollution atmosphérique produite lorsque la lumière du soleil agit sur les gaz d’échappement des voitures pour produire des substances dangereuses comme l’ozone (O₃), les aldéhydes et le nitrate de peroxyacétyle (PAN). Avant l’ère automobile, la majorité du smog provenait de la combustion du charbon. Aujourd’hui,

la combustion de l’essence dans les véhicules à moteur est la source principale du smog dans la plupart des régions du monde. Activés par la lumière du soleil, les oxy- des d’azote et les composés organiques volatils réagissent dans l’atmosphère pour produire le smog photochimique. L’ozone de la basse atmosphère est un poison : il endommage la végétation, tue les arbres, irrite les tissus pulmonaires et attaque le caoutchouc.

Le smog rend les activités d’extérieur désagréables. Les conséquences du smog sont plus aigües chez les jeunes enfants et les personnes âgées qui souffrent d’asthme et GHSUREOqPHVFDUGLDTXHV/HVPRJFDXVHGHVGLI¿FXOWpVUHVSLUDWRLUHVGHVPDX[GH

tête et des vertiges. Dans les cas extrêmes, le smog peut causer une morbidité et une mortalité massives, principalement à cause de l’empoisonnement au monoxyde de carbone.

1.5.1.2 Pollution des eaux et des sols

L’agriculture et l’industrie minière ont profondément contribué à la pollution des eaux et des sols. L’agriculture a rapidement transformé les vastes étendues de forêts et de plaines en terres cultivées.

/¶LQGXVWULH PLQLqUH SHUWXUEH OH UpVHDX DTXLIqUH VRXWHUUDLQ /¶HDX TXL V¶LQ¿OWUH DX

WUDYHUVGHVPLQHVHWGHV¿ORQVPLQLHUVVHSROOXH/DS\ULWHRX)H₂S, est un minerai fréquemment associé au charbon. Dans les mines de charbon, un des effets les plus communs et les plus dommageables sur l’eau a lieu lorsque ce minerai est exposé à O¶DLUHWHVWR[\GpHQDFLGHVXOIXULTXHVRXVO¶DFWLRQGHFHUWDLQHVEDFWpULHVHWDFLGL¿H

les eaux de mine.

Durant le traitement des matières minières, différents procédés de valorisation sont employés pour séparer la fraction utile du minerai, laissant des résidus chargés de nombreuses substances chimiques qui polluent le sol et les plans d’eau des alentours.

Par exemple, les résidus de la valorisation du charbon sont enrichis en pyrite, Fe₂S, qui HVWR[\GpHPLFURELRORJLTXHPHQWHWFKLPLTXHPHQWHWDFLGL¿HOHGUDLQDJHPLQLHUHDX[

de mine acides) qui peut polluer le sol, les eaux de surface et les eaux souterraines.

1.5.1.3. Changements climatiques

Les activités humaines ont atteint un point tel qu’elles affectent défavorablement le climat. Le réchauffement global, dû à l’émission de grandes quantités de dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre dans l’atmosphère, a entraîné des changements FOLPDWLTXHVFRQVLGpUDEOHV'¶DXWUHVJD]SDUWLFXOLqUHPHQWOHVFKORURÀXRURFDUEXUHV

(fréons) qui peuvent détruire l’ozone stratosphérique, ont également un impact sur le réchauffement global.

Évaluation formative

1. La portion de la géosphère qui est en contact direct avec l’atmosphère est

a) le noyau externe b) le manteau inférieur c) le manteau supérieur d) aucune de ces réponses

2. La couche de la géosphère qui est la plus touchée par l’activité humaine est a) la lithosphère b) le manteau supérieur c) le manteau inférieur d) le noyau

externe

 /D FRXFKH GH O¶DWPRVSKqUH UHODWLYHPHQW ¿QH OD JpRVSKqUH HW O¶K\GURVSKqUH

capable de supporter la vie est connue comme

a) l’anthroposphère b) la biosphère c) l’environnement d) la lithosphère 4. Laquelle parmi ces propositions ne contribue pas au réchauffement global ?

a) la déforestation b) l’utilisation de combustibles fossiles comme source d’énergie c) le reboisement d) a & b

5. La dégradation de l’environnement global peut être le fruit de

a) la sous-population b) l’existence de larges zones recouvertes de forêt naturelle c) l’élevage intensif d) la protection de la vie sauvage

6. En comparaison aux zones d’habitation décentralisées, laquelle de ces proposi- tions est un avantage environnemental de l’urbanisation ?

a) réduction des pressions sur les ressources naturelles et augmentation du ren- dement énergétique

b) besoin en infrastructures critiques plus important par personne c) conversion de terres agricoles en rues et en stationnements d) industrialisation rapide et augmentation du transport motorisé 7. Les principales causes des pluies acides dans le monde sont

a) le dioxygène et le dioxyde de carbone b) le méthane et le dioxyde de carbone c) le dioxyde de soufre et les oxydes d’azote d) le monoxyde et le dioxyde de carbone 8. Aujourd’hui, les principales sources de smog sont

a) les fertilisants et les pesticides utilisés dans les pratiques culturales modernes b) les gaz polluants s’évaporant des plans d’eau étendus

c) l’élimination dangereuse de polluants organiques volatils d) la combustion de l’essence dans les véhicules à moteur

9. Laquelle des propositions suivantes n’est pas applicable au smog ? D LOUHQGODUHVSLUDWLRQGLI¿FLOH

b) il cause des maux de tête c) il peut causer la mort d) aucune de ces propositions

10. L’exposition de la pyrite à l’air entraîne la formation

a) de soufre b) d’acide sulfurique c) d’acide nitrique d) d’acide hydrochlorique

Réponses

1. d) aucune de ces réponses 2. a) la lithosphère

3. b) la biosphère 4. b) le reboisement 5. c) l’élevage intensif

6. a) réduction des pressions sur les ressources naturelles et augmentation du rendement énergétique

7. b) le méthane et le dioxyde de carbone

8. d) la combustion de l’essence dans les véhicules à moteur 9. d) aucune de ces propositions

10. b) d’acide sulfurique

Activité d’apprentissage N° 2

Chimie de l’atmosphère et pollution atmosphérique

Résumé de l’activité d’apprentissage

L’atmosphère est un lien direct entre les activités industrielles, la biosphère, la lithos- phère, l’océan et les êtres humains. En tant qu’étudiants en chimie environnementale, YRXVGHYULH]rWUHFDSDEOHG¶DERUGHUDYHFXQKDXWQLYHDXVFLHQWL¿TXHGHVTXHVWLRQV

d’actualité tels les changements climatiques, la pollution atmosphérique, le devenir des émissions industrielles ou la diminution de la couche d’ozone.

¬OD¿QGHFHWWHVHFWLRQYRXVGHYULH]rWUHFDSDEOH

- D’expliquer la portée de la chimie atmosphérique et de décrire la composition de l’atmosphère terrestre

- '¶H[SOLFLWHUOHVUpJLRQVGHO¶DWPRVSKqUHGp¿QLHVVXUEDVHGHOHXUWHPSpUD- ture

- D’expliciter les caractéristiques des principales régions de l’atmosphère - De décrire les réactions chimiques qui se passent dans l’atmosphère

- 'HGp¿QLUODSROOXWLRQGHO¶DLUHWG¶HQGpFULUHODSURYHQDQFHG¶RULJLQHQDWXUHOOH

ou d’origine humaine

- D’expliquer les différentes façons de classer les polluants atmosphériques - D’expliquer la relation entre pollution atmosphérique et pluies acides - 'HGpFULUHO¶LQÀXHQFHGHODSROOXWLRQDWPRVSKpULTXHVXUODGLPLQXWLRQGHOD

couche d’ozone et le réchauffement global Liste des lectures pertinentes

1. A.R. Meetham. D. W. Bottom, and S. Cayton, Atmospheric Pollution, 3rd ed.

New York: The MacMillan Company, 1964.

2. Carl H. Snyder; Chemicals, Pollution, and the Environment, the meaning of pollution, in The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things, third edition, John Wiley & Sons, Inc, 1998

3. Environmental Issues, http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.

html

4. J. Greyson, Carbon, Nitrogen and Sulfur Pollutants and Their Determination in Air and Water. New York: Marcel Dekker, 1990

Liste des ressources pertinentes

Un ordinateur avec connexion internet pour accéder aux liens et aux ressources écrites gratuites pertinentes

Un CD-Rom accompagnant ce module pour des lectures supplémentaires et pour YpUL¿HUOHVUpSRQVHVDX[H[HUFLFHVGRQQpVGDQVO¶DFWLYLWpG¶DSSUHQWLVVDJH

Liste des liens utiles

1. Global Warming, Acid Rain, Ozone Depletion, in VIRTUAL CHEMBOOK, at http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.html

2. Global Warming and Climate Change, at http://www.gcrio.org/gwcc/index.

htm

Présente une discussion pertinente dans les première et deuxième parties. La première partie traite des mécanismes par lesquels la combustion du charbon, du pétrole et du gaz naturel libère du CO₂ dans l’atmosphère et entraîne le réchauffement global. De plus, elle met également l’accent sur les autres activités humaines qui contribuent au réchauffement global.

La deuxième partie traite des impacts du réchauffement planétaire. Les ques- tions suivantes seront décrites en profondeur : comment le réchauffement, le refroidissement, l’utilisation de l’eau et le niveau des mers seront affectés par OHUpFKDXIIHPHQWJOREDOHWTXHOVVHURQWOHVHIIHWVG¶XQHPRGL¿FDWLRQUDSLGH

et étendue du climat sur les plantes et les animaux dans leur environnement naturel.

Devoirs de lecture

a) Revoyez le chapitre sur la loi des gaz parfaits dans le module de chimie gé- nérale

b) Lisez le chapitre 9 dans le Manahan

F /LVH]OH¿FKLHU:RUG©&RPS5DLUSROOXWDQWVªGDQVOHVOHFWXUHVREOLJDWRLUHV

pour en apprendre davantage sur la formation des oxydes dans l’atmosphère

Chapitre II : Chimie de l’atmosphère et pollution de l’air (35 hrs)

Chimie de l’atmosphère - Introduction

- Atmosphère terrestre

- Température et couches atmosphériques

- Caractéristiques des principales régions de l’atmosphère - Réactions chimiques atmosphériques

Pollution de l’air

- &ODVVL¿FDWLRQGHVSROOXDQWVDWPRVSKpULTXHV - Principales sources de polluants atmosphériques - Pollution de l’air et pluies acides

- Pollution atmosphérique et diminution de la couche d’ozone - Réchauffement planétaire

- Résolution du problème

2.1. Chimie de l’atmosphère

La pollution transforme l’atmosphère terrestre de telle sorte qu’elle laisse

¿OWUHUSOXVGHUD\RQQHPHQWVVRODLUHVGDQJHUHX[/¶DXJPHQWDWLRQGHOD

température, connue sous le nom de réchauffement planétaire, devrait WRXFKHUO¶DSSURYLVLRQQHPHQWPRQGLDOHQQRXUULWXUHPRGL¿HUOHQLYHDX

des océans, rendre les conditions climatiques plus extrêmes et augmenter la propagation des maladies tropicales.

En tant que professeur de chimie, vous êtes censés contribuer à la réso- lution du problème actuel et brûlant qu’est la pollution atmosphérique.

Vous devriez être capable de décrire la composition de l’atmosphère, les principaux contributeurs à la pollution atmosphérique et la façon dont ces polluants s’accumulent dans l’atmosphère. Dans ce chapitre, nous étudierons la chimie de l’at- mosphère et de ses principaux polluants, nous décrirons comment ces polluants sont formés et s’accumulent dans l’atmosphère ainsi que la menace qu’ils représentent.

2.1.1 Introduction

La chimie de l’atmosphère est une branche de la science de l’atmosphère dans la- quelle la chimie de l’atmosphère terrestre et celle d’autres planètes est étudiée.

La composition et la chimie de l’atmosphère sont très importantes pour plusieurs raisons, la première étant que l’atmosphère interagit avec les êtres vivants. La compo- VLWLRQGHO¶DWPRVSKqUHWHUUHVWUHDpWpPRGL¿pHSDUO¶DFWLYLWpKXPDLQHHWFHUWDLQVGHFHV

changements sont dangereux pour la santé humaine, les récoltes et les écosystèmes.

Des exemples de problèmes abordés en chimie de l’atmosphère incluent les pluies acides, le smog photochimique et le réchauffement global. La chimie atmosphérique cherche à comprendre les causes de ces problèmes. En permettant une compréhension théorique, elle rend possible l’évaluation des solutions proposées et des propositions GHPRGL¿FDWLRQVDX[SROLWLTXHVJRXYHUQHPHQWDOHV

2.1.2 Atmosphère terrestre

L’atmosphère terrestre est une couche de gaz entourant la planète Terre et retenue autour d’elle par la gravité. Elle contient environ 78 % d’azote, 21 % d’oxygène, 0,93 % d’argon, 0,04 % de dioxyde de carbone ainsi que d’autres gaz à l’état de trace, en plus de la vapeur d’eau. Ce mélange de gaz est habituellement connu sous le terme

« air ». L’atmosphère protège la vie sur Terre en absorbant les rayonnements solaires UV et en limitant les variations extrêmes de température entre le jour et la nuit.

L’ozone, la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone ne sont que des composants ga- zeux mineurs de l’atmosphère, mais leur effet est très important car ils absorbent le UD\RQQHPHQWVRODLUH/¶R]RQHGHODFRXFKHVXSpULHXUHGHO¶DWPRVSKqUH¿OWUHODOXPLqUH

ultraviolette en dessous de 360 nm, c’est-à-dire celle qui est dangereuse pour les êtres vivants. L’ozone est par contre un polluant indésirable dans la troposphère : il est toxique pour les plantes et les animaux et abîme les matériaux.

Plus on s’éloigne de la terre, plus l’atmosphère devient moins épaisse et disparaît JUDGXHOOHPHQWGDQVO¶HVSDFHH[WUDDWPRVSKpULTXH,OQ¶\DGRQFSDVGHOLPLWHGp¿QLH

entre l’atmosphère et l’espace extra-atmosphérique. Soixante-quinze pour cent de la masse de l’atmosphère se retrouve à 11 km de la surface planétaire.

2.1.3. Température et couches de l’atmosphère

Bien que la pression atmosphérique diminue progressivement avec l’altitude, le SUR¿OGHVWHPSpUDWXUHVHQIRQFWLRQGHO¶DOWLWXGHHVWSOXVFRPSOH[H/DWHPSpUDWXUH

de l’atmosphère terrestre varie avec l’altitude, mais la relation mathématique entre température et altitude varie entre les différentes couches atmosphériques.

-100 - 50 0 50 100 Temper atur e (^oC)

300

200

100

80

60

40

20

0

Hei ght (km )

O zon e lay er

Tropos phere Stratosph ere Mesosp her e Th er mosp here

Tropopau se Stratopause

Mesopau se Ionosp her e

Fig. 2 . 1 Variation of average temperature with altitude.

N2, O2+, O⁺, O N O⁺, O2 , e-

N2, O2+, N O⁺, O2,

(NH4)2SO4

N2, O2, H2O , A r , C O2,

Fig. 2.1. Variation de la température moyenne avec l’altitude

4XDWUHUpJLRQVRQWpWpGp¿QLHVVHORQODFRXUEHGHWHPSpUDWXUHGHOD)LJOD

troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère.

La troposphère est la région la plus proche de la surface terrestre. C’est la région située entre la surface de la Terre et 7 km d’altitude aux pôles et 17 km à l’équateur, avec certaines variations liées à des facteurs météorologiques. La température de l’air diminue de manière inversement proportionnelle à l’altitude, à un taux approximatif de 6,5 °C tous les 1000 mètres. Le maximum étant atteint à une température moyenne de 56,5 °C sous zéro.

Dans la stratosphère, la température reste constante en fonction de la température dans les 9 premiers kilomètres (couche isotherme) et augmente ensuite.

Au dessus de la stratosphère, dans la région s’étendant de 50 à 80 km, la mésosphère, la température diminue à nouveau. L’atmosphère atteint sa température la plus faible (environ 90 °C sous zéro) dans la couche supérieure de la mésosphère (à une altitude d’environ 80 km).

/¶DWPRVSKqUHVXSpULHXUHHVWFDUDFWpULVpHSDUODSUpVHQFHG¶XQHTXDQWLWpVLJQL¿FDWLYH

d’électrons et d’ions positifs. À cause des conditions de raréfaction, ces ions peuvent exister dans l’atmosphère supérieure pour de longues périodes avant de se recombiner sous la forme d’une espèce neutre. À une altitude supérieure à 50 km, les ions sont

si abondants que la région est appelée ionosphère. La lumière ultraviolette est le principal producteur d’ions dans l’ionosphère. Dans l’obscurité, les ions positifs se recombinent lentement avec des électrons libres. Ce processus est plus rapide dans les régions inférieures de l’ionosphère où la concentration en espèces chimiques est relativement élevée.

La température de l’atmosphère augmente à nouveau dans la thermosphère. Dans cette couche, les températures peuvent atteindre 1200 °C.

Les limites entre ces régions sont appelées tropopause, stratopause, mésopause, et thermopause. En moyenne, la température de l’atmosphère à la surface terrestre est de 14 °C. Les avions volent habituellement au sommet de la troposphère, à une altitude de 10 à 12 km, et le record mondial d’altitude atteinte par un aéronef est de 37,65 km, à peu près au milieu de la stratosphère.

2.1.4. Caractéristiques des principales régions de l’atmosphère 2.1.4.1 La troposphère

C’est la région la plus proche de la surface de la Terre. En dehors de la vapeur d’eau, les composants gazeux principaux de cette région sont le N₂ (78,1 %), l’O₂ (21 %), l’Ar (0,9 %), le CO₂ (0,03 %) et des quantités variables de CH₄, NO₂, H₂, SO₂, Kr, Ne et O₃. Environ 80 % de la masse totale de l’atmosphère sont contenus dans cette couche de l’atmosphère.

Dans la troposphère, la température de l’air chute graduellement avec l’altitude à un taux de 6,5 °C par 1000 mètres, le minimum étant atteint à environ – 56,5 °C.

2.1.4.2. La stratosphère

La stratosphère contient environ 19,9 % de la masse totale de l’atmosphère. Une

¿QHpSDLVVHXUGDQVODSDUWLHVXSpULHXUHGHODVWUDWRVSKqUHFRQQXHFRPPHODFRXFKH

d’ozone) a une très forte concentration en ozone.

/¶R]RQH DEVRUEH GH PDQLqUH WUqV HI¿FDFH OD OXPLqUH XOWUDYLROHWWH GDQV OHV 

– 330 nm. Grâce à cela, l’ozone convertit l’énergie de rayonnement en chaleur et est responsable des maxima de température rencontrés à la limite entre la stratosphère et la mésosphère à l’altitude d’environ 50 km.

Les régions de concentration maximale en ozone se trouvent entre 25 et 30 km d’al- titude dans la stratosphère, où elle peut atteindre 10 ppm. Cependant, les maxima de température sont présents à des altitudes supérieures. Ceci est dû au fait que l’ozone DEVRUEHOHVUD\RQQHPHQWV89GHPDQLqUHWUqVHI¿FDFHHWTXHODSOXSDUWGHFHVUD\RQ- nements sont absorbées dans la couche supérieure de la stratosphère où elles génèrent de la chaleur. Seule une faible fraction atteint les basses altitudes, où l’ozone est plus concentrée, et qui restent relativement froides.

Cette couche est la principale responsable de l’absorption des rayonnements ultravio- lets du soleil. Les températures élevées de la région supérieure de la stratosphère sont dues à ces concentrations localisées de molécules d’ozone. Les molécules d’ozone absorbent la lumière UV, créant l’énergie thermique qui réchauffe la stratosphère.

2.1.4.3. La mésosphère

La couche qui est au dessus de la stratosphère est connue sous le nom de mésosphère.

Cette couche s’étend entre 50 et 80 km. Elle est séparée de la thermosphère par une

¿QHFRXFKHDSSHOpHODPpVRSDXVH

La température diminue progressivement dans la mésosphère et atteint son minimum (environ – 90 °C) à la limite de la mésosphère (à une altitude d’environ 80 km)

2.1.4.4. La thermosphère

Cette partie de l’atmosphère se trouve au delà de 80 km d’altitude. Dans l’espace extérieur de la thermosphère, la majorité des particules se présentent sous la forme d’atomes simples, H, He, O, etc. À des altitudes plus basses (200 – 100 km) se re- trouvent les molécules diatomiques, N₂, O₂, NO etc. Les températures élevées de cette couche sont dues à l’absorption du rayonnement solaire intense par les molécules de dioxygène (O₂).

Dans cette région de l’atmosphère, alors que la température semble extrême, la quantité d’énergie thermique mise en jeu est faible. Il y a peu de molécules capables de stocker la chaleur. (Note : la quantité de chaleur stockée est directement proportionnelle à la quantité de matière).

Dans la thermosphère, l’air est très ténu, les distances entre les molécules de gaz sont LPSRUWDQWHV&HFLUHQGWUqVGLI¿FLOHODPHVXUHGHODWHPSpUDWXUHGHODWKHUPRVSKqUH

avec un thermomètre.

2.1.5. Réactions chimiques dans l’atmosphère

Les deux composantes essentielles de la chimie atmosphérique sont l’énergie de rayonnement provenant du soleil, principalement dans le spectre ultraviolet et le radical hydroxyle HO•. La première de ces composantes rend possible l’accumu- lation d’une très grande quantité d’énergie dans une seule molécule de gaz, ce qui permet l’initiation d’une série de réactions chimiques atmosphériques. La seconde est la forme active intermédiaire la plus importante des phénomènes chimiques at- mosphériques diurnes.

Le dioxyde d’azote, NO₂, est l’une des espèces les plus photochimiquement actives retrouvées dans une atmosphère polluée. Une espèce comme le NO₂ peut absorber la lumière pour produire une molécule excitée.

Une molécule excitée est une molécule qui a absorbé un rayonnement électromagné- tique dans les régions UV ou visible du spectre.

Les molécules excitées, les radicaux libres et les ions comportant des atomes ou des fragments de molécules chargés sont trois espèces relativement instables et réactives que l’on rencontre dans l’atmosphère. Ils sont fortement impliqués dans les processus chimiques atmosphériques.

A) Formation des radicaux libres

Les radicaux libres sont des atomes ou des groupes d’atomes ayant des électrons non appariés. De telles espèces peuvent être produites par l’action du rayonnement électromagnétique riche en énergie sur des atomes ou des molécules neutres. La forte tendance à l’appariement des électrons non appariés rend les radicaux libres hau- tement réactifs. Ils sont impliqués dans les phénomènes chimiques atmosphériques les plus considérables.

Le radical hydroxyle, HO•, est vraiment l’intermédiaire réactif le plus important dans les processus chimiques atmosphériques. Il peut être formé de différentes manières.

Aux altitudes les plus élevées, il est produit par l’hydrolyse de l’eau :

Dans les zones relativement polluées de la troposphère, le radical hydroxyle provient de la photolyse de l’ozone,

Le radical hydroxyle est éliminé de la troposphère en réagissant avec le méthane ou le monoxyde de carbone.

L’atome d’hydrogène produit lors de la seconde réaction réagit ensuite avec l’O₂ pour produire un radical hydroperoxyle qui va à son tour réagir avec un autre radical hydroperoxyle ou hydroxyle

Ou dans une réaction qui va régénérer le radical hydroxyle :