Composition de l'atmosphère
Composition de l'atmosphère
L'atmosphère contient les trois états de la matière : solide, liquide et gazeux. La phase gazeuse est majoritaire.
1. Composition gazeuse
Lorsqu'on parle de la composition gazeuse de l'atmosphère, on parle des gaz qui composent l'air sec, sans eau. Les trois gaz majoritaires (l'azote 78,08%, l'oxygène 20.95%, l'argon 0.93%) représentent presque 100% de l'air sec, et le tout petit reste est composé de gaz traces
Définition : Gaz trace
Un gaz trace est un gaz dont la concentration relative est de l'ordre du ppm (partie par million) voir ppb (partie par billion) ou ppt (partie par trillion)
Le dioxyde de carbone (CO2) est le gaz trace le plus important avec une proportion qui ne cesse d'augmenter 0,04% (ou 400ppm) depuis 2016.
Il y a aussi de l'eau sous forme gazeuse, dont la part dans l'atmosphère est très variable suivant les endroits du globe. L'air humide contient entre 0,1% et 4% de vapeur d'eau dans la troposphère, et il n'y a quasiment plus d'eau dans les autres couches de l'atmosphère. L'air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau que l'air froid
Les gaz traces représentent une toute petite partie de l'air et pourtant ils jouent des rôles extrêmement importants pour le climat de la planète soient à l'échelle locale ou régional. Ce n'est pas la proportion d'un gaz qui définit son rôle et son impact dans l'atmosphère mais ses propriétés physico-chimiques et le temps pendant lequel il va séjourner dans ce compartiment de l'environnement.
A l'échelle planétaire, les principaux polluants gazeux sont des gaz stables ayant des durées de vie supérieures à 5 ans tels que le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), et le protoxyde d'azote (N2O), les gaz halogénés comme les ChloroFluoroCarbures (CFC). On les appelle des gaz à effet de serre, parce qu'ils sont responsables du réchauffement de la planète dû à des causes naturelles ou humaines.
A l'échelle régionale et locale, les polluants gazeux sont émis par la combustion des énergies fossiles: ce sont les oxydes d'azote (NOx), le dioxyde de soufre (SO2), le monoxyde de le monoxyde de carbone (CO), et beaucoup d'hydrocarbures (les "composés organiques volatils" COV). Ces dernières proviennent aussi de sources naturelles. Des problèmes environnementaux ou de santé peuvent arriver lorsque plusieurs de ces gaz coexistent.
Définition : Le temps de résidence atmosphérique
Le temps de résidence atmosphérique (ou temps de vie atmosphérique) est le temps moyen de résidence d'un gaz dans l'atmosphère avant qu'il soit éliminé physiquement ou chimiquement.
Ce temps de vie peut être également estimé comme le temps nécessaire pour un gaz à revenir à une concentration naturelle après une émission anthropique.
Gaz | Temps de vie | Impact |
CO2 | 100 ans | Effet de serre – Réchauffement climatique Pollution de la stratosphère – Destruction de la couche d'ozone |
CH4 | 10 | |
N2O | 120 | |
CFC | 50-100 ans | |
CO | 1 mois | Pollution urbaine et régionale - Impact sanitaire et environnemental |
O3 | < 1mois | |
SO2 | Quelques semaines | |
COV | Minute - mois | |
NOx | 1 jour |
2. Composition liquide
La phase liquide de l'atmosphère est majoritairement constituée d'eau.
La Terre est pour l'instant la seule planète connue à présenter des conditions permettant à l'eau de changer d'état aux températures usuelles. Dans l'atmosphère, on rencontre cette eau liquide sous forme de minuscules petites gouttelettes qui forment les nuages. Elles se forment sur des poussières en suspension (aérosol atmosphérique) et peuvent subir plusieurs cycles d'évaporation-condensation (en moyenne une dizaine) avant de précipiter sous forme de pluie.
Les gouttelettes d'eau atmosphérique forme un milieu principalement inorganique et acide.
Les ions majeurs constituant l'eau de pluie sont Cl-, NO3 -, SO4 2-, HCO3 - ,CO3 2-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4 +.
Le pH naturellement acide est du à la solubilisation du CO2 atmosphérique en acide carbonique H2CO3. Les équilibres acido-basiques impliquant la dissolution de l'acide carbonique fixent le pH naturel des pluies vers 5.6.
CO2(g) + H2O(l) = H2CO3(l)
H2CO3 + H2O(l) = HCO3 - + H3O+
HCO3 - + H2O(l) = CO3 2- + H3O+
Définition : Le pH
Le pH est l'opposé du logarithme décimal de la concentration en ions oxonium. pH= -log [H3O+]
La principale pollution anthropique des pluies provient de la dissolution de gaz acides tels que les oxydes d'azote (NOx) et le dioxyde de soufre (SO2) qui lorsqu'ils s'oxydent dans l'atmosphère se transforment en acides inorganiques, respectivement l'acide nitrique (HNO3) et l'acide sulfurique (H2SO4)
NO2(g) + OH(g) = HNO3(l)
SO2(g) + OH.(g) = SO3(g) + H
SO3(g) + H2O(l) = H2SO4(l)
Définition : Pluie acide
Une pluie acide est une pluie dont le pH est inférieur à 5
Dans certains cas extrêmes, comme dans un brouillard en milieu urbain pollué, le pH peut atteindre des valeurs inférieures 2 qui est l'équivalent du pH d'un jus de citron.
3. Composition solide
L'atmosphère contient de toutes petites particules solides ou liquides, appelées aérosols. Leurs tailles varient de quelques nanomètres (0,000000001 mètres) à presque 100 microns (0,0001 mètres, soit l'épaisseur d'un cheveu), c'est pour ça qu'elles sont le plus souvent invisibles à l'œil nu.
Définition : Aérosol atmosphérique
Un aérosol atmosphérique est une particule solide et/ou liquide en suspension dans l'atmosphère dont la taille est inférieure à 100 µm
Les aérosols peuvent être émis directement à partir du sol par des processus physiques (érosion, abrasion, mise en suspension par le vent, action mécanique des vagues) par des sources différentes (aérosols marins, minéraux, volcaniques, biogéniques, anthropiques). Ils sont appelés aérosols primaires. Leur mécanisme de formation induit des particules assez grossières de plusieurs µm dont le temps de séjour dans l'atmosphère varie de quelques heures à quelques jours.
Les aérosols peuvent aussi résulter de ce qu'on appelle des "conversions gaz-particules". Cela signifie que des molécules de gaz s'oxydant dans l'atmosphère deviennent plus lourdes et peuvent s'agglomérer entre elles, jusqu'à grossir suffisamment pour donner une particule (nucléation). Ils sont appelés aérosols secondaires. Leur mécanisme de formation induit des particules très fines dont le diamètre peut démarrer a quelques nanomètres avec un temps de séjour qui peut atteindre plusieurs semaines.
Définition :
Un aérosol primaire est émis directement dans l'atmosphère à partir du sol. Un aérosol secondaire est formé dans l'atmosphère à partir d'une conversion gaz-particules
La pollution anthropique induite par les particules est principalement liée à la combustion des énergies fossiles (industrie, transport). Elle produit majoritairement des aérosols organiques secondaires qui sont à l'origine des brouillards de pollution observés en zone urbaine.
Aérosol naturel | Aérosol anthropique | |
Mode de formation | majoritairement primaire | majoritairement secondaire |
Taille | Taille > µm | Taille <µm |
Composition | Principalement inorganique | Principalement organique |
Durée de vie | Quelques heures à quelques jours | Jusqu'à plusieurs semaines |
Dans le cadre de l'étude de la qualité de l'air, ces aérosols sont classés en fonction de leur "diamètre aérodynamique", qui correspond au diamètre moyen d'une sphère qui posséderait des propriétés aérodynamiques équivalentes. L'appellation "PM10" désigne les particules dont le diamètre est inférieur à 10 micromètres (PM pour Particulate matter en anglais). Le diamètre des particules fines PM2.5 et PM1 sont inférieurs respectivement à 2.5 et à 1 µm.
