Soutenance mémoire
» Notre maison brûle et nous regardons ailleurs. La nature, mutilée, surexploitée, ne parvient plus à se reconstituer et nous refusons de l’admettre. L’humanité souffre. Elle souffre de mal-développement, au nord comme au sud, et nous sommes indifférents. La terre et l’humanité sont en péril et nous en sommes tous responsables. »
C’est par ces mots que Mr Jacques Chirac, le 2 septembre 2002 à Johannesburg devant l’assemblée plénière du Sommet mondial du développement durable, commençait son discours. Le chef d’état dressait dans la suite de son allocution un tableau peu réjouissant de l’état de la planète, reconnaissant les torts de certains et la responsabilité de tous. Si l’on peut discuter longtemps de l’utilité des différents sommets de la Terre, des effets potentiels des accords de Kyoto, et plus généralement des politiques de défense ou respect de l’environnement, ce discours semble au moins montrer que certains de nos « responsables » sont conscients que l’activité humaine est à l’origine de l’état de la planète.
Une influence néfaste de l’homme sur son environnement s’appelle « pollution ». Pollution des eaux, des sols, de l’atmosphère… bien des domaines où la connaissance des mécanismes engendrant la pollution montrent encore de nombreuses lacunes et de grandes incertitudes. Cette connaissance est pourtant essentielle pour lutter efficacement contre ces pollutions. Dans ce cadre, le travail entrepris ici concerne, en première approximation, l’étude de quelques caractéristiques de l’air que nous respirons. Nous sommes donc dans l’atmosphère…
L’atmosphère est un réservoir de gaz et de particules, solides et liquides. Ce réservoir est à l’interface entre l’espace, d’ou provient la lumière du soleil, et la surface du globe. Pour les espèces vivant sur Terre, l’atmosphère joue plusieurs rôles absolument cruciaux pour leur survie : régulation de la température de surface, effet de serre, filtration des rayons UV du soleil, formation des précipitations, respiration… Comprendre l’ensemble des mécanismes entrant en jeu dans le système atmosphérique devient alors fondamental pour prévoir l’avenir de ceux qui en dépendent. Prévoir cet avenir est aussi un enjeu crucial dans la mesure où, on l’a vu, il est désormais acquis que l’homme influence de manière conséquente ces mécanismes, essentiellement par la modification de la composition chimique de l’atmosphère. Le caractère extrêmement complexe du fonctionnement de l’atmosphère oblige logiquement à séparer son étude selon plusieurs catégories, selon ses caractéristiques dynamiques, physiques, chimiques…
L’aérosol atmosphérique
Un aérosol atmosphérique est, par définition, une particule solide ou liquide en suspension dans l’atmosphère. Notons que dans la suite de cet exposé, nous utiliserons indifféremment et par abus de langage les termes « aérosol » et « particule » pour désigner un aérosol atmosphérique. Un aérosol diffère d’un hydrométéore, tel que flocon de neige ou goutte de pluie, par l’impact de la force gravitationnelle sur son destin : ces derniers chutent inexorablement au sol, alors que les aérosols, plus sensibles aux mouvements des masses d’air, restent en suspension plus longtemps. Le temps de résidence, ou temps de vie, d’un aérosol dans l’atmosphère se compte généralement en jours. Les concentrations en masse d’aérosols varient entre quelques µg/m3 ou moins pour les sites de fond (loin de toute source), une dizaine de µg/m3 sur les sites ruraux aux latitudes moyennes, et quelques dizaines (et pouvant dépasser 100 µg/m3 ) sur des sites urbains ou lors d’épisodes de vents de sable, par exemple.
Sources d’aérosols
Il existe plusieurs manières de classer les sources d’aérosol. En terme de processus physico-chimiques, il est intéressant de distinguer les aérosols selon qu’ils sont directement émis (ils sont alors qualifiés de primaires), ou formés dans l’atmosphère par des processus de conversion gaz-particules par exemple (ils sont alors dits secondaires). Une autre grande classification, visant à tenir compte de l’influence de l’homme sur son environnement, consiste à séparer les sources naturelles des sources anthropiques.
Une estimation des émissions majeures de particules . Cependant, cette domination est largement due aux émissions de particules de diamètres supérieurs au micromètre (mode « grossier »). Le bilan en masse des émissions de particules d’un diamètre inférieur au micromètre (mode « fin ») est quant à lui dominé par les émissions anthropiques. Ce constat prend toute son importance dans la mesure ou la plupart des impacts environnementaux des aérosols sont dus aux fines particules, et en particulier les impacts sanitaires liés aux problèmes de pollution par les particules en zone urbaine . Ces impacts sont liés aux propriétés physiques et chimiques de ces particules (propriétés optiques, composition chimique, taille…), propriétés étroitement liées entres elles et découlant de processus de formation et d’évolution. Ceci est généralement imputable à la difficulté qu’ont les auteurs à estimer ces flux plus qu’à une variabilité naturelle réelle (sauf dans le cas des émissions volcaniques). Ces incertitudes reflètent pour les espèces primaires un manque de données à l’échelle globale (concernant l’émission, l’évolution et l’élimination), combiné à une compréhension incomplète des processus de formation pour les espèces secondaires.
Caractéristiques physiques et dépôt
Les différentes espèces chimiques composant les aérosols atteignent la phase particulaire par différents processus. Le diagramme proposé en 1976 par Whitby et Cantrell schématise les modes de formation et d’évolution, ainsi que les tailles d’aérosols qui en découlent. Parallèlement à l’émission directe de particules dans l’atmosphère, les conversions gaz/particules et les processus hétérogènes en phases aqueuse et hydratée jouent un rôle prépondérant dans ces évolutions, à la fois au niveau de la composition chimique et des propriétés physiques. Ainsi, une fois en suspension, les aérosols ne constituent pas des entités stables, ils évoluent. Leurs tailles et leurs compositions, très liées, se trouvent alors modifiées par de nombreux processus complexes dont les principaux sont les échanges avec la phase gazeuse (condensation et évaporation), la coagulation avec d’autres particules, et les réactions chimiques.
Ces différents processus sont à l’origine des distributions multimodales en taille des aérosols : les particules se regroupent en populations autour de certaines tailles (appelées modes) pouvant évoluer. Il peut exister plusieurs modes dans une même masse d’air. Le regroupement d’une population d’aérosol autour d’une taille est généralement modélisé selon une distribution log-normale (Seinfeld et Pandis, 1998). Notons que selon le sujet d’étude, la distribution de la masse de l’aérosol selon sa taille n’est pas forcément la donnée la plus utile, et l’on peut s’intéresser à la distribution du nombre, de la surface, ou du volume des aérosols en fonction de son diamètre .
En terme de pollution atmosphérique, il est judicieux de s’intéresser à des populations d’aérosols ayant une taille inférieure à un seuil en dessous duquel ces particules présentent une forte capacité à pénétrer les voies respiratoires, et représentent donc un danger potentiel pour la santé. Ainsi, on note TSP (Total Suspended Particulate) la masse totale des aérosols, et PMx (PM pour Particulate Matter) la quantité d’aérosols ayant un diamètre aérodynamique inférieur à x µm. Notons que le diamètre aérodynamique d’une particule quelconque est le diamètre d’une particule sphérique et de densité 1 ayant le même comportement aérodynamique. Actuellement, les études de qualité de l’air concernant l’aérosol sont consacrées aux PM10, PM2,5 voire PM1. En particulier, un réglementation existe en France sur les PM10 , et c’est sur les propriétés de cette population d’aérosol que notre étude se porte.
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Table des matières
RESUME
ABSTRACT
GLOSSAIRE
INTRODUCTION
INTRODUCTION
CHAPITRE I . PROBLEMATIQUE GENERALE ET BIBLIOGRAPHIE : AEROSOL ET MATIERE CARBONEE DANS L’AEROSOL
I.1 . L’aérosol atmosphérique
I.1.1 . Sources d’aérosols
I.1.2 . Caractéristiques physiques et dépôt
I.1.3 . Caractéristiques chimiques
I.2 . La matière carbonée dans l’aérosol
I.2.1 . Carbone organique et élémentaire : définitions
I.2.2 . Mesure de EC et OC dans l’aérosol
I.2.3 . Carbone organique et élémentaire : sources et émissions globales
I.2.4 . Carbone organique et élémentaire : concentrations atmosphériques
I.2.5 . OC primaire et secondaire
I.2.6 . Fraction soluble de OC
I.2.7 . Acides dicarboxyliques
I.3 . Enjeux de l’étude des aérosols et de la matière carbonée contenue dans les aérosols
I.3.1 . Impacts sanitaires et actions des pouvoirs publics
I.3.2 . Impacts climatologiques
I.3.3 . Conclusion
CHAPITRE II . CADRE DE L’ETUDE ET OBJECTIFS
II.1 . Cadre de l’étude : POVA
II.1.1 . Objectifs généraux du programme POVA
II.1.2 . Méthodologie générale de POVA
II.1.3 . Implication et objectifs du LGGE dans POVA
II.2 . Caractéristiques dynamiques des vallées
II.2.1 . Les brises de pente et de vallée
II.2.2 . Phénomènes d’inversions thermiques
II.3 . Caractéristiques physiques, démographiques, économiques et infrastructures routières principales des vallées étudiées
II.3.1 . Vallée de la Maurienne
II.3.2 . Vallée de Chamonix
II.4 . Trafic routier dans les vallées alpines et impact de la fermeture du tunnel du Mont-Blanc
II.4.1 . Problématique générale
II.4.2 . Cas des vallées de la Maurienne et de Chamonix : impact de la fermeture du tunnel du Mont Blanc sur le trafic des poids lourds
II.4.3 . Trafic dans les vallées pendant l’étude POVA
II.5 . Objectifs de ce travail
CHAPITRE III . METHODOLOGIE
III.1 . Sites de mesure
III.2 . Protocoles d’échantillonnage et séries collectées
III.2.1 . Echantillonnage de l’aérosol
III.2.2 . Séries collectées
III.3 . Analyses
III.3.1 . Analyse de la matière carbonée (EC et OC)
III.3.2 . Analyse des espèces ioniques
III.3.3 . Analyse du carbone organique soluble
III.4 . Nombre d’échantillons analysés et limites de détection
III.4.1 . Nombre d’échantillons analysés
III.4.2 . Limites de détection et blancs
III.5 . Conclusion
CHAPITRE IV . BASE DE DONNEES ET EVOLUTION DES CONCENTRATIONS EN PM10
IV.1 . Description de la base de données (hors PM10)
IV.1.1 . Données météorologiques
IV.1.2 . Polluants mesurés par l’AIR-APS, hors PM10
IV.1.3 . Trafic : caractéristiques
IV.2 . PM10 : Concentrations et évolutions durant le suivi continu
IV.2.1 . Introduction
IV.2.2 . Validité des mesures de PM10
IV.2.3 . Aspects régionaux et locaux
IV.2.4 . Caractéristiques des PM10 sur l’ensemble du suivi continu, évolutions saisonnière
IV.2.5 . Liens entre variations des PM10 et paramètres météorologiques
IV.2.6 . Relations entre PM10 et NO et NO2
IV.2.7 . Impact du trafic
IV.3 . Synthèse
CONCLUSION
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