Chimie atmospherique et pollution de l’air

Composition de l’atmosphère 

L’atmosphère est une enveloppe gazeuse qui entoure et protège la planète Terre. Elle absorbe les rayonnements ultraviolets du soleil et réchauffe la surface de la Terre en retenant la chaleur et réduit ainsi les différences de température entre le jour et la nuit. Elle est composée essentiellement de deux gaz, l’azote à 78% et l’oxygène à 21%. Les 1% restants sont des composés divers : argon, dioxyde de carbone, autres gaz rares et vapeur d’eau près du sol.

L’atmosphère est constituée de cinq couches différentes qui sont (Figure I-1) :
– la troposphère (0 – 16 km)
– la stratosphère (16 – 48 km)
– la mésosphère (48 – 80 km)
– la thermosphère (80 – 600km)
– et l’exosphère

Ces couches sont de taille variable, et possèdent des profils de température différents en fonction de l’altitude. Les deux couches les plus importantes pour l’homme et donc pour la vie sur Terre sont la troposphère et la stratosphère.

La troposphère
La troposphère est la zone de l’atmosphère située entre la surface du globe et une altitude d’environ 8 à 15 kilomètres, selon la latitude et la saison. La troposphère est limitée par la tropopause dont l’altitude varie. Ainsi elle est plus épaisse à l’équateur (13 à 16 km) qu’aux pôles (7 à 8 km). Elle représente à elle seule 90% de la masse totale de l’atmosphère et contient la totalité de la vapeur d’eau. C’est dans cette zone que se produit la plupart des phénomènes météorologiques, comme la formation de nuages ainsi que les mouvements de masses atmosphériques. Elle est caractérisée par son gradient de température qui diminue avec l’altitude : 7°C environ tous les kilomètres. Ainsi sa température varie de 15°C à – 56°C au niveau de la tropopause, frontière entre la troposphère et la stratosphère.

Le déplacement des masses d’air est principalement dû aux gradients de température. Les masses d’air se trouvant au niveau du sol vont être réchauffées par les rayonnements du soleil, ce qui va ainsi rendre l’air moins dense. L’air ainsi réchauffé peut s’élever et gagner des altitudes plus élevées, générant la formation de cellules de circulation d’air. On parle alors d’un mélange vertical. S’il y a des ascendances à un endroit sur la terre, il faut compenser ces ascendances par des descendances. Les circulations en cellules proviennent donc directement de la conservation de la masse et du fait que si l’air monte à un endroit, il doit redescendre pour que l’on retrouve toujours la même masse d’air sur la Terre. En se réchauffant, l’air se dilate ce qui abaisse sa densité par rapport à celle de l’air froid. Par conséquent, l’élévation de l’air va créer des zones de basse pression au niveau du sol. En montant, l’air se refroidit et redescend vers le sol, créant ainsi des zones de haute pression. Ce gradient de pression entraîne la formation des vents horizontaux. Ces mouvements d’air horizontaux se font toujours des zones à haute pression vers les zones à basse pression afin d’obtenir un équilibre .

Les circulations d’airs verticaux et horizontaux favorisent l’homogénéité chimique de la troposphère pour les espèces ayant une longue durée de vie, et participe à son équilibre thermique . Cette homogénéité chimique de la troposphère explique pourquoi certains composés stables se retrouvent dans des zones du globe où aucune émission de ces espèces n’a eu lieu. C’est notamment le cas de substances anthropogéniques comme les composés organiques volatils (COV).

La stratosphère
La stratosphère est située entre 6 et 16 km pour sa limite inférieure (tropopause) et 50 km d’altitude pour sa limite supérieure (stratopause) par rapport à la surface de la Terre et selon sa latitude sur le globe. Elle s’étend en moyenne entre 12 et 50 km. Elle est caractérisée par une plus faible variation de la température avec l’altitude que dans la troposphère, de -56°C à -3°C. Cette augmentation de température est due à l’absorption des rayons ultraviolets (UV) dommageables (UV-B) provenant du soleil par la couche d’ozone (O3) qui s’étend de 20 à 50 km d’altitude. Elle renferme la quasi-totalité de l’ozone atmosphérique.

La mésosphère
Située entre la stratosphère et la thermosphère, la mésosphère est caractérisée par une décroissance de la température avec l’altitude, avec un passage de -3°C à – 100°C. Elle est située à 50 km (stratopause) d’altitude et s’étend jusqu’à 90 km d’altitude (mésopause). Elle est séparée de la stratosphère par la stratopause.

La thermosphère
La thermosphère est située au-dessus de la mésosphère et est caractérisée par une forte croissance de la température avec l’altitude, pouvant atteindre une température de 1500°C. Elle s’étend jusqu’aux confins de l’exosphère, vers 500 km. Plus l’altitude est élevée, moins les molécules lourdes sont abondantes. Ainsi, l’azote moléculaire, très peu réactif et donc non dissocié, reste majoritaire jusqu’à environ 200 km. Puis, l’oxygène atomique devient le constituant principal de la très haute atmosphère. La thermosphère terrestre est située entre 85 et 600 km d’altitude.

L’exosphère
L’exosphère se trouve entre 640 et 10000 km. Dans cette couche, la collision entre les particules est rare, car la densité de particules est extrêmement faible. La température peut aller jusqu’à 730°C.

Pollution atmosphérique

Ozone atmosphérique
La majeure partie (90 %) de l’ozone atmosphérique se trouve dans la stratosphère où il est produit photochimiquement par la photodissociation de l’oxygène moléculaire sous l’influence du rayonnement solaire ultraviolet de courte longueur d’onde. Cette couche d’ozone stratosphérique joue un rôle bénéfique en agissant comme bouclier vis-à-vis du rayonnement solaire ultraviolet. Des problèmes se posent concernant la décroissance à long terme de l’ozone dans cette couche, et de façon plus localisée l’apparition au printemps de chaque année d’une forte altération au-dessus de l’Antarctique, appelée « trou d’ozone » .

La troposphère contient 10% du contenu total d’ozone, et son origine est double. Il provient des transferts de masses d’air avec la stratosphère, ainsi que des mécanismes de photooxydations d’hydrocarbures, d’oxydes d’azote, de monoxyde de carbone et de méthane. Cette production photochimique liée à des émissions anthropiques (industrie, transports, etc) nuit à la qualité de l’air dans les zones urbaines et en périphérie.

En parallèle de cette augmentation d’ozone dans les basses couches de l’atmosphère, il existe d’autres phénomènes impactant la qualité de notre atmosphère comme l’effet de serre

L’effet de serre
Il existe deux types d’effet de serre. Le premier est l’effet de serre naturel provenant d’un processus naturel et bénéfique. Sans cet effet de serre, la température moyenne sur Terre serait de -18°C au lieu de 15°C. Les gaz à effet de serre dit naturels comprennent la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane et l’oxyde nitreux (N2O). Le second type d’effet de serre est dû à l’homme. Il est à l’origine du réchauffement climatique. Il est causé par l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre « naturels » (combustibles fossiles : CO2, élevage intensif : CH4, engrais azotés : N2O) et émission de nouveau gaz à effet de serre purement industriel (halocarbures et hexafluorure de soufre SF6).

En ce qui concerne le mécanisme d’effet de serre naturel, lorsque les rayonnements solaires arrivent sur terre, 30% sont directement réfléchis avant d’arriver sur terre par les gaz de l’atmosphère, les nuages et les particules en suspension (Figure I-4). Le reste de cette énergie est absorbé par les divers composants de la planète, tels que les sols, océans, atmosphère, puis finalement réémis vers l’espace sous forme de rayonnement infrarouge. En effet, la surface de la Terre et l’atmosphère chauffent et captent l’énergie des rayonnements, et émettent en retour des infrarouges. L’atmosphère est transparente aux longueurs d’onde incidentes venant du soleil, au contraire elle absorbe fortement les rayonnements infrarouges réémis par la Terre. Cette capacité d’absorption des rayonnements IR par l’atmosphère provient de la présence et accumulation de gaz à effet de serre. Ainsi, ils récupèrent l’énergie et chauffent. Tout comme la surface de la terre, ils vont dissiper cette énergie en émettant à leur tour des IR. Une partie retourne vers le sol et le chauffe ainsi une seconde fois (après que le soleil l’ait fait une première fois).

L’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère entraine corolairement une augmentation de l’opacité de l’atmosphère aux rayonnements infrarouge. La proportion de rayonnement IR parvenant à s’échapper vers la haute atmosphère diminue. Ainsi la quantité de rayonnement émis par la surface augmente et donc la quantité de rayonnements absorbés par la surface. La surface de la planète reçoit une quantité d’énergie plus importante ce qui entraîne l’augmentation de sa température moyenne.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHIMIE ATMOSPHERIQUE ET POLLUTION DE L’AIR
I. COMPOSITION DE L’ATMOSPHERE
I.1. La troposphère
I.2. La stratosphère
I.3. La mésosphère
I.4. La thermosphère
I.5. L’exosphère
II. POLLUTION ATMOSPHERIQUE
II.1. Ozone atmosphérique
II.2. L’effet de serre
II.3. Appauvrissement de la couche d’ozone
III. PROCESSUS DE DEGRADATION ATMOSPHERIQUE
III.1. Pouvoir oxydant de la troposphère
III.2. Photodissociation
SACO ET PFC
I. SUBSTANCES APPAUVRISSANT LA COUCHE D’OZONE
I.1. Présentation des composés
I.2. Durée de vie atmosphérique
I.3. Mise en place de réglementation
I.4. Stock et émissions actuels
II. COMPOSES PERFLUORES
II.1. Identité et classement des perfluorocarbones
II.2. Propriétés physico-chimiques
II.3. Utilisation industrielle et domestique
III. REJETS DANS L’ENVIRONNEMENT
III.1. Les sulfonates d’alkyles perfluorés (PFASs)
III.2. Les carboxylates d’alkyles perfluorés (PFCAs)
IV. IMPACT ENVIRONNEMENTAL DES PFCS
IV.1. Concentration dans l’environnement
IV.2. Comportement dans l’environnement
IV.3. Impact sur l’homme
V. PRESENTATION DU SUJET DE LA THESE & JUSTIFICATION DU CHOIX DES CIBLES
V.1. Présentation du sujet de thèse
V.2. Caractéristiques du PFOS
V.3. Caractéristique du PFOA
SPECTROSCOPIE MOLECULAIRE – CONCEPTS ET METHODES
I. GENERALITES
I.1. Équation de Schrödinger
I.2. Approximation Born-Oppenheimer
I.3. Approximation orbitalaire
II. STRUCTURE MOLECULAIRE
II.1. Organisation d’une molécule
II.2. Nature des états excités
II.3. Théorème de Koopmans
III. SPECTROSCOPIE MOLECULAIRE
III.1. Section efficace de photoabsorption
III.2. Transitions électroniques
III.3. Processus de relaxations
IV. CONCLUSION
CONCLUSION

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