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PHYSIQUE ET CHIMIE DE L'ATMOSPHÈRE



Texte rédigé à partir du document : « Physique et chimie de l'atmosphère » édition Belin sous la direction de Robert Delmas, Gérard Mégie et Vincent-Henri Peuch

Table des Matières

Présentation rédigée par Guy Brasseur

L'emploi de l'expression « chimie atmosphérique » pour évoquer l'ensemble des processus qui contrôlent la composition de l'atmosphère est très réducteur dans la mesure où les réactions chimiques ne sont qu'un élément de l'ensemble des mécanismes complexes qui déterminent cette composition.

La connaissance de la dynamique atmosphérique et de l'impact du rayonnement solaire sur l'atmosphère est nécessaire pour comprendre la composition chimique de l'atmosphère et son évolution. Les notions de base de physique et de chimie de l'atmosphère permettant une bonne compréhension du système atmosphérique sont : la circulation atmosphérique, le rayonnement et les réactions chimiques et photochimiques en phases homogènes et hétérogènes. A ces notions se rajoutent la compréhension des aérosols atmosphériques, celle des mécanismes d'émission et de transferts aux interfaces et la quantification des principales sources de constituants mineurs atmosphériques. Dans l'étude de la chimie atmosphérique, on distingue la chimie de la troposphère, en mettant l'accent sur la capacité oxydante de celle-ci, et la chimie de la stratosphère, où la problématique principale est la couche d'ozone.

Le domaine de la chimie atmosphérique concerne aussi de nombreuses questions actuelles, en particulier les impacts de l'évolution de la composition chimique de l'atmosphère sous l'action de l'homme. Les impacts de la pollution de l'atmosphère sont nombreux. On peut considérer, d'une part, les impacts sur l'atmosphère elle-même et sur le climat (couche d'ozone, capacité oxydante, changements climatiques) et, d'autre part, les impacts sur la biosphère. Les impacts sur l'atmosphère et le climat jouent sur la pollution urbaine et industrielle à l'échelle locale et régionale, les paléo-environnements (ou ce que le passé peut nous apprendre du futur), ainsi que sur le lien entre la chimie atmosphérique, les changements climatiques et les autres impacts à grande échelle de la pollution atmosphérique. La gestion du milieu atmosphérique permettrait d'influer sur les écosystèmes et sur la santé.

L'étude de la chimie atmosphérique est complexe, car elle nécessite des études en laboratoire (cinétique chimique et spectroscopie), des études de terrain (associant mesures de dynamique et de chimie à différentes échelles), la mise en place de réseaux de surveillance, la réalisation d'observations à grande échelle à partir d'avions ou de satellites et, enfin, la modélisation numérique comme outil intégrateur d'analyse et de prévision. Les outils d'investigation comprennent les instruments et principes de mesure des polluants atmosphériques, la modélisation numérique et la mise en oeuvre de stratégies deétudes qui associent les mesures et les modèles à diverses échelles de temps et d'espace.

Introduction
Rédigée par Robert Delmas (LA)

Notre galaxie a probablement 10 milliards d'années (Ga) et notre système solaire environ seulement la moitié (4,6 Ga). Après la formation de la Terre et de son atmosphère, la température diminuant progressivement en deçà de 100 °C en surface, l'eau (H2O) a commencé à se condenser pour former les océans. L'apparition de l'eau liquide à la surface de la Terre correspond à 3,8 Ga et les océans ont atteint leur volume définitif en une période de temps relativement courte. Après la formation de l'eau liquide, de nombreux gaz ont commencé à se dissoudre, de sorte qu'une grande partie des gaz hydrosolubles a disparu de l'atmosphère. L'atmosphère primitive, après l'apparition de l'eau liquide, était donc composée principalement de diazote (N2), qui a une très faible solubilité dans l'eau (0,029 g.L1). Cette atmosphère devait aussi contenir un certain nombre de composés en quantité limitée, comme le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4, formé par réaction de l'hydrogène dégazé avec le CO2) et l'ammoniac (NH3), mais ne contenait pas de dioxygène (O2). Celui-ci n'a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère, vers 600 millions d'années (Ma), que lorsque son taux de production a commencé à dépasser son taux de consommation par les substances réduites. Si l'on considère les quantités de dioxygène produites depuis l'apparition de la photosynthèse primitive, 96 % sont restés stockés dans la croûte terrestre (58 % sous forme doxydes de fer et 38 % sous forme de sulfates). L'oxygène libre, à l'état moléculaire dans l'atmosphère et dans l'océan, ne représente donc que 4 % de cette production globale.

L'apparition de dioxygène dans l'atmosphère est le phénomène déterminant qui a permis l'évolution de la biosphère, en initiant de nouveaux processus biochimiques aérobies. La photolyse de O2 dans la stratosphère (au-delà de 15 km d'altitude) a induit la formation de la couche d'ozone qui, grâce à sa capacité d'absorption du rayonnement ultraviolet (UV), a considérablement réduit le flux de ce rayonnement à la surface de la Terre, permettant ainsi le développement d'organismes multicellulaires. Les premiers organismes multicellulaires trouvés dans les sédiments océaniques datent de 680 Ma, mais l'apparition des plantes ne remonte qu'à 400 Ma, soit seulement un peu moins du dixième de l'âge la Terre.

La composition chimique de l'atmosphère actuelle est essentiellement régulée par l'activité de la biosphère, qui contrôle notamment le taux de dioxyde de carbone. À la différence des autres planètes du système solaire, la température moyenne sur la Terre permet la présence d'eau liquide et le développement de formes de vie. Or, la température d'équilibre radiatif de la Terre, liée à la distance au Soleil et à l'albédo de la planète, serait, en l'absence d'atmosphère, de 255 K (soit 18 °C). La présence de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone dans l'atmosphère produit un effet de serre naturel qui élève cette température de 33 K, amenant la température de surface moyenne à 288 K (+15 °C) qui permet l'existence de l'eau dans ses trois états . Le développement des systèmes biologiques est donc le résultat d'un processus d'évolution dans lequel l'effet de serre naturel et la présence de la couche d'ozone sont des éléments déterminants des équilibres fondamentaux de la planète qui permettent l'existence des formes de vie que nous connaissons. On comprend dès lors que les atteintes à ces équilibres par l'action de l'homme, comme l'altération de la couche d'ozone ou l'effet de serre additionnel, constituent des préoccupations sociétales majeures qui ont justifié, depuis plus de 20 ans, le développement de la science, somme toute jeune, qu'est la chimie atmosphérique.

Dynamique atmosphérique et transport
Rédigé par Isabelle Beau (ENM)

La dynamique atmosphérique traite des mouvements de l'atmosphère terrestre et établit les lois physiques qui les gouvernent. Ces lois constituent un ensemble de contraintes auxquelles sont soumis les mouvements, capables de transporter des propriétés physiques ou chimiques d'un point à l'autre de l'atmosphère, comme, par exemple, les mouvements liés à la convection, réalisant ainsi un processus de transport. Le transport pilote les sources et les puits des espèces chimiques atmosphériques : en absence de transport, la composition chimique de l'atmosphère tendrait vers un équilibre photochimique, où production et destruction locales des espèces s'équilibreraient. Par ailleurs, les constantes de temps qui caractérisent les réactions chimiques sont, en partie, déterminées par la distribution de pression et de température, elles-mêmes soumises aux lois de la dynamique atmosphérique. La dynamique joue ainsi un rôle majeur dans la distribution des espèces chimiques dans l'atmosphère. En retour, la distribution des différents constituants atmosphériques et leurs caractéristiques radiatives ont un impact sur la dynamique atmosphérique.

La dynamique atmosphérique et le transport dans deux couches de l'atmosphère sont des caractéristiques de la troposphère et la stratosphère.

Les mouvements atmosphériques sont gouvernés par trois forces principales : la gravité, la force de gradient de pression et la force de Coriolis. Les lois d'évolution du fluide atmosphérique sont fondées sur les principes de conservation de la masse, de

la quantité de mouvement et de l'énergie, valables pour des systèmes isolés. La présence d'eau sous toutes ses formes (vapeur, liquide, solide) dans l'atmosphère joue un rôle important dans la dynamique atmosphérique. Selon l'échelle spatio-temporelle des phénomènes atmosphériques étudiés, les équations traduisant l'évolution du fluide atmosphérique peuvent être simplifiées et modifiées. A grande échelle, la distribution verticale de la masse atmosphérique est déterminée par un équilibre entre la force de gravité et la composante verticale de la force de gradient de pression (équilibre hydrostatique) ; sur l'horizontale, les forces de Coriolis et de gradient de pression tendent à s'équilibrer (équilibre géostrophique) ; des équilibres géostrophique et hydrostatique valables à grande échelle découle la relation du vent thermique qui relie le gradient vertical du vent et le gradient horizontal de température. Les circulations troposphériques jouent un rôle important dans les processus. Des fluctuations temporelles autour de l'état moyen proviennent des perturbations et blocages des moyennes latitudes, moussons des régions tropicales. Des phénomènes convectifs existent créant une instabilité de flottabilité. Dans le premier kilomètre à partir de la surface, l'écoulement est modifié par les frottements s'expliquant par des phénomènes de couche limite. La stratosphère ne contient quasiment pas d'eau, il n'y a, dans cette couche, ni convection, ni couche limite. Les processus chimiques y sont, par ailleurs, très actifs favorisés par la circulation générale dans la stratosphère, les dynamiques tropicale et extra-tropicale et les échanges entre la troposphère et la stratosphère.

Interactions matière-rayonnement et transfert radiatif
Rédigé par Olivier Boucher (LOA), Michèle Vesperini (LOA)

Le rayonnement électromagnétique dans les domaines de longueurs donde de l'ultraviolet, du visible et de l'infrarouge joue un rôle fondamental dans de très nombreux processus atmosphériques. Il constitue la source initiale d'énergie pour différents mécanismes physiques et, très logiquement, la plupart des scénarios de changement climatique font intervenir l'énergie radiative. Dautre part, la disponibilité du rayonnement électromagnétique aux fréquences adéquates gouverne les réactions photochimiques. En retour, les mécanismes chimiques influencent la distribution de nombreux constituants atmosphériques, dont les interactions avec le rayonnement au travers des processus d'absorption, d'émission et de diffusion affectent fortement le système climatique. Par ailleurs, les interactions entre la matière et le rayonnement électromagnétique au sens large sont à la base des techniques de télédétection et de certaines mesures in situ des espèces chimiques gazeuses et des aérosols.

Processus physico-chimiques
Rédigé par Bernard Aumont (LISA)

La plupart des espèces émises dans l'atmosphère sont éliminées par des transformations chimiques. L'atmosphère est un milieu oxydant et ces transformations conduisent donc, pour l'essentiel, à une oxydation progressive des éléments (par exemple, du carbone en CO2, de l'hydrogène en H2O, de l'azote en HNO3, du soufre en H2SO4). Du point de vue des bilans, l'oxydant mis en jeu est l'oxygène moléculaire O2. Du point de vue des mécanismes réactionnels, cette oxydation atmosphérique suit des chemins complexes, passant par de nombreuses étapes, notamment de catalyse, et impliquant une multitude d'espèces. Une description complète de l'ensemble de ces étapes est une tâche considérable. Les processus impliqués sont en effet de natures très diverses : oxydation radicalaire en phase gazeuse initiée par le rayonnement solaire, oxydation en phase aqueuse au sein des gouttelettes nuageuses, chimie hétérogène à la surface des aérosols (particules en suspension dans l'atmosphère). De plus, ces transformations impliquent des échelles de temps (donc d'espace) extrêmement variables, de quelques fractions de seconde pour les espèces les plus réactives à plusieurs années pour les moins réactives.

Certaines notions physico-chimiques permettent, d'une part, de comprendre comment les transformations chimiques se déroulent et, d'autre part, d'identifier les principaux facteurs qui contrôlent leur vitesse. Ces notions concernent :

  • les principes de base de la cinétique chimique, des réactions photochimiques et de la catalyse,
  • le concept de temps de vie et son influence sur la variabilité spatiale et temporelle des espèces,
  • les processus multiphasiques et les notions de vitesse déchanges de matière entre la phase gazeuse et les phases condensées et de vitesse des réactions en phase aqueuse.

Aérosol atmosphérique et chimie hétérogène
Rédigé par Paolo Laj (LaMP), Christian George (LACE), Nicole Marchand (UP), Karine Sellegri (LaMP)

Les aérosols atmosphériques sont parmi les constituants primordiaux de l'atmosphère. Ils jouent un rôle important sur le bilan radiatif de la Terre et sont également responsables des phénomènes de réduction de visibilité atmosphérique. De plus, les teneurs très élevées de particules fines dans les atmosphères urbaines et péri-urbaines ont un impact sanitaire majeur sur la population, probablement responsable chaque année en Europe de centaines de milliers d'hospitalisations et de dizaines de milliers de décès. Ces teneurs élevées sont, en outre, à l'origine de la détérioration de monuments historiques par l'action de leur acidité sur le calcaire.

Compte tenu de la gravité de leurs effets sur la santé et sur l'environnement, il est indispensable de mettre en place des politiques de réduction et de contrôle des émissions adaptées aux spécificités locales et régionales, ce qui ne peut être entrepris que grâce à une connaissance approfondie des propriétés des aérosols atmosphériques, de leurs sources d'émission, ainsi que des transformations que les particules subissent durant leur transport dans l'atmosphère. Pour comprendre ces phénomènes, il est nécessaire de disposer d'informations sur les propriétés physiques et chimiques de l'aérosol atmosphérique et sur les mécanismes impliqués dans l'évolution d'une population de particules dans l'atmosphère, depuis sa formation jusqu'à son dépôt.

Émissions anthropiques et naturelles et dépôts
Rédigé par Robert Delmas (LA), Dominique Serça (LA)

Le tableau périodique des éléments comporte une centaine d'éléments chimiques, dont plus d'une vingtaine compose l'essentiel de la vie. Six éléments, C, H, O, N, S et P, sont les constituants majeurs des tissus vivants et composent 95 % (en masse) de la biosphère. Même si la circulation de certains éléments lourds est affectée par les organismes vivants, on peut parler de la biogéochimie du vivant comme de la chimie des six éléments légers principaux. Leur circulation dans l'environnement (et notamment à travers l'atmosphère) constitue les cycles biogéochimiques. Les plus importants sont ceux de l'eau (H2O), du carbone et de l'azote, auquel on peut adjoindre le cycle du soufre. Le phosphore présente un intérêt moindre, car cet élément n'a pas de phase gazeuse connue dans l'atmosphère. Ces cycles biogéochimiques déterminent les concentrations des éléments en traces dans l'atmosphère terrestre naturelle. Leur présence dans l'atmosphère est conditionnée par les processus d'émission (sources) et d'élimination (puits) du réservoir atmosphérique. Ces processus sont de natures très diverses, essentiellement physique dans le cas de l'eau, biologique et chimique dans les autres cas (carbone, azote, soufre).

Actuellement, les activités humaines perturbent de manière sensible l'ensemble des cycles biogéochimiques des éléments. L'étude des impacts de ces activités s'appuie sur la physique des échanges de matière entre la surface et l'atmosphère, qui détermine les mécanismes d'émission et de dépôt. Les principales sources des constituants mineurs atmosphériques sont des sources naturelles et celles créées ou modifiées par les activités humaines (sources anthropiques). Des bilans globaux des différentes sources de composés du carbone, de l'azote, du soufre et des aérosols, sont réalisés à partir de diverses méthodologies qui permettent de réaliser les cadastres d'émission, indispensables à tout exercice de modélisation de la chimie atmosphérique.

Le système chimique stratosphérique
Rédigé par, Franck Lefèvre (SA) Slimane Bekki (SA)

La stratosphère s'étend au-dessus de la tropopause, dont l'altitude varie de 7 km à 16 km des pôles à l'équateur, jusqu'à la stratopause, située à environ 50 km d'altitude. C'est un domaine stratifié et stable verticalement du fait d'un gradient positif de température avec l'altitude. Cette particularité a pour origine le chauffage induit par ce qu'on appelle communément la « couche d'ozone » stratosphérique, qui rassemble près de 90 % de la quantité totale d'ozone contenue dans l'atmosphère terrestre. Bien qu'en faible concentration relative, de l'ordre de quelques molécules d'ozone par million de molécules d'air, l'ozone stratosphérique est d'une importance fondamentale car ce composé est essentiel au maintien de la vie à la surface de la Terre. En effet, en absorbant le rayonnement solaire entre 240 et 320 nm, l'ozone filtre le flux ultraviolet UV-B susceptible de détruire les structures moléculaires des organismes vivants. Des mécanismes chimiques régissent l'équilibre naturel de l'ozone dans la stratosphère, qui sont perturbés sous l'influence des activités humaines.

Le système chimique troposphérique
Rédigé par Gérard Ancellet (SA), François Ravetta (SA)

À la différence de la stratosphère,

la compréhension de l'évolution de la composition chimique de la troposphère nécessite la prise en compte de la proximité des sources d'émission de surface, de la fréquente redistribution des espèces par les phénomènes météorologiques propres à la troposphère et de la réduction significative du rayonnement UV aux longueurs d'onde inférieures à 300 nm. On observe ainsi une grande variabilité de la composition chimique et des paramètres météorologiques (température, vent, humidité) des basses couches de l'atmosphère. L'analyse de la variabilité spatiale et temporelle de la distribution des espèces minoritaires, renseigne sur la réactivité du système chimique troposphérique. Le temps de résidence dans l'atmosphère des gaz émis à la surface, naturellement ou par l'activité humaine comme les oxydes d'azote, les composés halogénés ou les composés carbonés, dépend en premier lieu de la réactivité chimique de la troposphère. Ces composés, influés par le pouvoir oxydant de l'atmosphère, jouent aussi un rôle notable dans la chimie stratosphérique et déterminent pour partie le climat de la planète en contribuant à son bilan radiatif. La description du système chimique troposphérique doit enfin prendre en compte la présence d'eau sous forme condensée et par conséquence les réactions chimiques en phase aqueuse. De même, les particules solides de tailles sub- et super-micrométriques modifient la réactivité de l'atmosphère et permettent l'élimination de certains gaz réactifs du milieu atmosphérique.

La couche limite polluée
Rédigé par Robert Vautard (LMD), Matthias Beekmann (LISA)

La couche limite, est la « tranche d'atmosphère » dans laquelle nous vivons. D'une épaisseur d'un à trois kilomètres, elle est le siège de cette pollution, directement ou quasi-directement influencée par les émissions polluantes que nous y injectons. Contrairement aux impacts climatiques des émissions de gaz à effet de serre qui se manifestent sur des dizaines ou centaines d'années, l'impact des émissions polluantes sur la qualité de l'air dans la couche limite est beaucoup plus rapide : de quelques heures à quelques semaines. Ces temps caractéristiques dépendent des processus physiques et chimiques agissant sur les polluants : la dispersion, les transformations chimiques et le dépôt au sol et sur la végétation.

L'air que nous respirons n'a pas toujours une bonne qualité. Il contient parfois des gaz ou des particules toxiques par leurs propriétés mécaniques ou chimiques. Ce type de pollution, qui affecte directement la santé des hommes, accompagne le développement économique des pays les plus industrialisés. Hormis la « pollution par les feux », présente depuis la préhistoire, la pollution atmosphérique existe depuis le XIXe siècle en Europe. Ce n'est que vers le milieu du XXe siècle que nos sociétés ont pris conscience de ce mal. En effet, à ce moment, les rejets industriels de polluants dans l'atmosphère étaient tels que des épisodes de pollution très graves ont eu lieu, tuant par exemple un millier de personnes à Londres en 1952. Depuis ces événements, nos sociétés ont cherché à surveiller la qualité de l'air et à contrôler les émissions polluantes. Pour certains types de pollution, ce fut un succès incontestable. Pour d'autres, le chemin qu'il reste à parcourir est encore très long avant de respirer un air de bonne qualité.

Paléo-environnements et archives glaciaires
Rédigé par Michel Legrand (LGGE)

Parmi les objets témoins de notre environnement passé que sont les sédiments et les coraux marins, les sédiments lacustres, les anneaux d'arbres ainsi que les séries polliniques continentales, les archives glaciaires occupent une place à part en offrant la panoplie la plus large d'informations sur le climat et la composition chimique passée de l'atmosphère terrestre. L'étude des archives glaciaires est motivée par le fait que la documentation de la composition chimique de notre atmosphère n'a débuté que récemment, alors que celle-ci était déjà largement perturbée par les activités humaines. Ainsi, les mesures de gaz à effet de serre ont débuté en 1957 pour le gaz carbonique, en 1978 pour le protoxyde d'azote et en 1983 pour le méthane. Le suivi des teneurs atmosphériques en aérosol anthropique, comme les sulfates liés aux émissions de dioxyde de soufre, est également récent (les deux ou trois dernières décennies). La connaissance de l'état de notre atmosphère telle qu'elle était avant l'intervention humaine est nécessaire pour comprendre (et prédire) la réponse de son fragile équilibre à l'anthropisation. L'étude des archives glaciaires offre également la possibilité d'appréhender le rôle complexe joué par l'atmosphère dans les grands changements climatiques du passé, ce qui contribue à pouvoir anticiper correctement l'importance du changement climatique des prochaines décennies.

Les paramètres environnementaux sont archivés dans la glace apportant un fort potentiel en terme d'échelle de temps couvertes, et d'importance des informations extraites. Les grands forages de glace effectués sur les calottes polaires de l'Antarctique et du Groenland couvrent plusieurs centaines de milliers d'années et contiennent des informations déterminantes pour la compréhension du lien entre la composition chimique de l'atmosphère (teneur en gaz à effet de serre et en aérosol, spéciation de l'aérosol) et les climats passés. D'autres carottes couvrant les derniers siècles en Antarctique, au Groenland, mais aussi dans les Alpes permettent de reconstruire l'histoire de la pollution atmosphérique en gaz à effet de serre et en aérosol. Pour certaines espèces chimiques dont les émissions, les transformations et les dépôts demeurent encore actuellement mal connus, les informations extraites de la glace permettent de tester certaines hypothèses.

Rôle de la chimie atmosphérique dans les changements globaux
Rédigé par Didier Hauglustaine (LSCE), Yves Balanski (LSCE), Daniel Cariolle (CERFACS)

L'impact des activités humaines sur la composition chimique de l'atmosphère est aujourdhui clairement mis en évidence par les observations. La rapidité avec laquelle ces perturbations de la composition chimique interviennent est sans précédent dans l'histoire du climat. Cependant, nous sommes encore loin de comprendre le cycle de tous ces polluants et les échanges complexes existant entre l'atmosphère, la végétation et l'océan. Mais quels sont ces constituants chimiques qui, bien que présents en concentration extrêmement ténue dans l'atmosphère, peuvent perturber le bilan énergétique de notre planète à l'échelle globale ? Le gaz carbonique, ou dioxyde de carbone, CO2, est souvent, et à juste titre, incriminé dans cette problématique des changements du climat. Cependant, de nombreux autres gaz souvent réactifs et particules en suspension dans l'atmosphère jouent également un rôle essentiel dans ces perturbations. Parmi ces gaz, l'ozone troposphérique et stratosphérique semble jouer un rôle clé en participant directement aux perturbations du bilan énergétique et en contrôlant le pouvoir oxydant de l'atmosphère. À travers ces gaz et particules actifs d'un point de vue radiatif, un pont est jeté entre deux problèmes majeurs pour l'environnement : la pollution locale et les changements climatiques globaux. Le défi qui est clairement posé est de comprendre comment le rejet massif de polluants par les activités industrielles et agricoles ou les feux de forêts va modifier la composition de l'atmosphère au cours des prochaines décennies.

Principes et instruments de mesure
Rédigé par Tamara Ménard(INERIS), Emeric Fréjafon (INERIS)

L'atmosphère terrestre contient un grand nombre de composés qui proviennent de sources nombreuses et variées et dont les concentrations sont très variables dans l'espace et dans le temps. Les composés dits primaires sont émis par des sources naturelles ou anthropiques (par exemple : SO2, NOx, CO, COV, métaux, particules). Ils sont transportés, dispersés et subissent des transformations chimiques et des changements de phase dans l'atmosphère, en produisant des composés secondaires sous l'influence des conditions météorologiques. Puis ils se déposent sous forme sèche ou humide. L'ensemble de ces processus et les polluants qui en résultent perturbent l'équilibre planétaire et ont des impacts sur la santé humaine, les écosystèmes et les matériaux.

Dans les années 1950, le smog (contraction de smoke, fumée, et de fog, brouillard) a été mis en évidence dans les zones très polluées, ce qui a contribué à accélérer la prise de conscience et alerté les populations sur les dangers de la pollution de lair. Le lien entre la pollution atmosphérique et la santé publique a été montré par de nombreuses études épidémiologiques. À partir de cette période, des politiques de protection et des législations nationales et européennes ont été développées et ont été harmonisées.

Ainsi, les questions relatives aux impacts de la pollution atmosphérique sur la santé nécessitent des indicateurs pertinents et passent par le développement d'outils opérationnels de surveillance et de prévision. Les substances toxiques, présentes dans l'atmosphère en très faible quantité et non encore réglementées nécessitent des développements métrologiques.

Il y a donc lieu de disposer de mesures précises, spécifiques, de grande résolution, et ce dans une gamme étendue de concentrations. La mise en oeuvre d'une politique d'assurance-qualité comportant des phases essentielles, telles que le calibrage, l'évaluation des instruments et l'organisation de campagnes d'intercomparaisons, est nécessaire. Il faut également disposer de mesures non seulement au sol, mais aussi en altitude à l'aide d'outils adaptés,

pour une meilleure connaissance des distributions spatio-temporelles. Ls principes et les techniques de mesure (in situ ou depuis l'espace par télédétection) des polluants atmosphériques sont très diversifiés.

La modélisation numérique
Rédigé par Vincent-Henri Peuch(CNRM)

Tout comme en météorologie, la modélisation numérique est aujourdhui un des outils importants pour la recherche et les applications dans le domaine de la physico-chimie de l'atmosphère. Qu'est-ce qu'un modèle numérique ? La définition suivante peut être proposée : un ensemble de connaissances ou d'hypothèses physiques et chimiques, traduites sous la forme d'équations mathématiques ou de relations empiriques, et résolues de façon généralement approchée à l'aide de moyens de calcul adaptés. Si l'histoire de la théorie de la modélisation numérique de l'atmosphère est déjà longue de près d'un siècle, une puissance de calcul insuffisante des ordinateurs a longtemps été un frein à sa mise en oeuvre. Dans le domaine de la physico-chimie de l'atmosphère, les premiers modèles tridimensionnels ont vu le jour il y a à peine une quinzaine d'années. La définition donnée laisse entrevoir l'une des finalités importantes de la modélisation : vérifier la validité des hypothèses et des connaissances de l'état de l'art, par confrontation des simulations numériques avec la réalité observée. Les modèles sont donc des outils d'intégration des connaissances très importants et sont des moteurs pour les faire avancer, en contribuant, par exemple, à identifier les principales incertitudes : dans quelles régions de l'atmosphère les modèles présentent-ils les défauts les plus importants ? Peut-on relier ces défauts à la représentation d'un processus particulier ? Etc. De nombreuses motivations justifient la mise en oeuvre de modèles numériques toujours plus complets, détaillés et donc réalistes. Le passage des équations aux codes numériques discrétisés qui sont mis en oeuvre in fine sur ordinateur s'appuie sur trois processus importants : l'advection, la résolution temporelle des systèmes d'équations chimiques, et la représentation du transport et du mélange par les processus convectifs. La résolution des questions sur l'environnement atmosphérique est une application de ces modèles, en particulier, pour la prévision du « temps chimique » en assimilant des données et en développant des modèles couplés chimie-atmosphère.

Stratégie expérimentale
Rédigé par Philippe Ricaud (LA), Christain Elichegaray (ADEME), Céline Mari (LA), Jean-Louis Brenguier (CNRM), Philippe Ciais (LSCE), Jean-Pierre Pommereau (SA), Jean- Baptiste Renard (LPCE)

L'observation et l'étude de la chimie de l'atmosphère restent un défi colossal pour les scientifiques. Un défi puisque l'attente des citoyens est de plus en plus sensible et légitime sur la qualité de l'air d'aujourdhui et le climat de demain. Colossal car la chimie de l'atmosphère concerne la Terre entière, elle évolue rapidement et les phénomènes chimiques et météorologiques impliquent des échelles allant de la molécule, pour les réactions chimiques, au millier de kilomètres, pour le transport de la pollution entre les continents. Aucune méthode ne résout actuellement cette exigence d'une observation continue et simultanée de tous les paramètres pertinents à l'échelle de la Terre. L'exploration de la chimie de l'atmosphère nécessite de coordonner des informations issues de plusieurs sources d'observation : c'est la stratégie expérimentale.

Le XXe siècle a vu l'émergence de nouvelles stratégies expérimentales qui tentent d'intégrer le plus judicieusement possible les observations in situ en réseau ou sur sites instrumentés (avions de recherche ou avions de ligne, stations terrestres en surface ou en altitude, stations maritimes), les observations par télédétection aéroportées et spatiales et la modélisation numérique. Ces stratégies expérimentales varient selon que les objectifs sont de l'ordre de la santé publique (surveillance de la qualité de l'air) ou scientifiques (étude d'un processus mal connu). Cependant, les deux approches ne sont pas exclusives et s'avèrent même souvent complémentaires.

Toute stratégie expérimentale commence par le choix du lieu et du moment les plus propices à l'observation du phénomène à étudier, c'est-à-dire lorsque la signature de ce phénomène dans l'atmosphère est la plus marquée. Par exemple, l'étude des pics de pollution se fait plutôt près des grandes zones urbanisées et pendant l'été, la détection de l'augmentation de la teneur en carbone de l'atmosphère est moins bruitée sur des sites océaniques éloignés de toute émission anthropique directe et nécessite des mesures continues pendant plusieurs années. La stratégie expérimentale repose donc aussi sur la connaissance scientifique héritée des expériences et des découvertes passées. Une fois le lieu et le temps choisis, la stratégie se précise : les scientifiques choisissent les instruments et les systèmes d'observation en fonction de leur complémentarité et de l'objectif scientifique, un peu comme un entraîneur compose son équipe pour remporter un défi sportif !

La démarche du scientifique qui, en combinant adroitement les mesures et en travaillant à leur cohérence, contribue à l'amélioration de la connaissance et de la prévision du temps chimique et du climat. Il est évident que les stratégies expérimentales sont amenées à évoluer rapidement en fonction des changements des réglementations nationales et internationales, de l'amélioration des techniques de mesures, des modèles numériques et surtout des nouvelles interrogations qui ne manqueront pas d'apparaître dans la société du futur.

La réglementation et la gestion du milieu atmosphérique

Des concepts et les moyens réglementaires sont développés pour gérer le milieu et diverses actions sont mises en oeuvre au plan national ou international. Les connaissances et les travaux scientifiques relatifs au fonctionnement de la « machine atmosphérique » sont utilisés pour aider à des prises de décision et mener des actions destinées à préserver la qualité de l'air.

Dernière mise à jour : 14/02/2017
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