MISE EN PLACE D’UN SYSTEME DE DETECTION DE
POLLUTION ATMOSPHERIQUE EXTENSIBLE INTEGRANT LE MODELE Io

LA POLLUTION ATMOSPHERIQUE

La pollution atmosphérique est une altération de la qualité de l’air pouvant être caractérisée par des mesures de polluants présents dans l’air. Ce chapitre présente la pollution atmosphérique en commençant par les différentes couches atmosphériques et les compositions chimiques de l’air. Suivit des causes et des conséquences de la pollution atmosphérique afin de donner les solutions appropriées. 

L’atmosphère terrestre

L’atmosphère terrestre s’est formée il y a environ 3,5 milliards d’années. C’est une couche de gaz environ 800km d’épaisseur qui enveloppe la terre. Elle a pour rôle de protéger tout être vivant contre les objets célestes qui percutent la Terre. Grâces à elle la vie peut se développer. Il y a 3 milliards d’années, l’atmosphère contenait encore peu d’oxygène. Des réactions chimiques compliquées entre le méthane, l’ammoniac, l’eau et le rayonnement solaire donnèrent naissance à une couche d’ozone. Celle-ci joue un rôle important dans l’évolution de la vie sur Terre [1] Les premières plantes apparurent il y a 2 milliards d’années et transformèrent une grande partie du gaz carbonique en oxygène. Ce processus se poursuit toujours et l’atmosphère d’aujourd’hui contient environ 78% d’azote et 21% d’oxygène. L’atmosphère actuelle est faite d’un mélange de gaz et de particules qui entourent notre planète. L’atmosphère est si mince qu’on peut se représenter son épaisseur relativement à la Terre comme la pelure d’une pomme relativement à l’ensemble du fruit. C’est la force d’attraction de la Terre qui retient l’atmosphère autour du globe.

Les différentes couches de l’atmosphère terrestre

L’atmosphère comporte plusieurs couches. En partant du sol, on trouve la troposphère, la stratosphère, la mésosphère, thermosphère et l’ionosphère. 3 a. La troposphère Zone la plus basse de l’atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d’environ 6 à 18km en fonction de la latitude ou la température décroit avec l’altitude. Elle est plus épaisse à l’équateur qu’aux pôles. La frontière entre la troposphère et la stratosphère s’appelle la tropopause. [2] b. La stratosphère Zone de l’atmosphère d’une planète située au-dessus de la troposphère entre 6-18 et 50km d’altitude où la température augmente avec l’altitude. [3] Elle renferme la quasi-totalité de l’ozone atmosphérique. [2] c. La mésosphère Zone de l’atmosphère, situé entre 50 et 85km d’altitude où la température décroît avec l’’altitude. C’est une zone de transition entre la Terre et l’Espace. [2] En y pénétrant, pour descendre sur Terre, les météorites, satellites, s’échauffent contre les quelques particules d’air qu’ils rencontrent et sont détruits avant d’atteindre le sol, sauf pour les plus grosses pièces. [2] d. La thermosphère C’est la couche située au-dessus de la mésosphère et caractérisée par une forte croissance de la température avec l’altitude. Elle est située entre 85 et 600km d’altitude. Entre 100 et 150km d’altitude, le dioxygène moléculaire absorbe l’ultraviolet solaire de très courtes longueurs d’onde (entre 100 et 200nm). En résulte une augmentation de température avec l’altitude qui oscille entre 300°C et 1600°C selon l’activité solaire. Les températures sont élevées, mais la densité de matière est extrêmement faible. [2] e. L’exosphère L’exosphère est la dernière couche de l’atmosphère terrestre qui se situe au-dessus de la thermosphère, au-delà de 600km. Cette couche se définit comme la région de l’atmosphère où les collisions entre particules sont rares, considérées comme négligeables.  La figure 1.1 représente les différentes couches de l’atmosphère. Figure 1. 1 : Profil vertical de l’atmosphère 

Composition chimique de l’air

Aujourd’hui, notre atmosphère est composée d’environ 21% d’oxygène, 78% d’azote, et 1% de faibles quantités de divers gaz. Mais il n’en a pas toujours été ainsi. On estime que l’atmosphère primordiale de la Terre il y a environ 4,5 milliards d’années était plutôt composée en majorité d’hydrogène, d’azote, de dioxyde de carbone (CO2), d’ammoniac (NH3) et de méthane (CH4). 5 Le tableau I nous donne la liste non exhaustive de la composition chimique de l’air. Tableau I : Composition chimique de l’air Gaz constituant l’air sec Pourcentage en volume Azote (N2) 78.09 Dioxygène (O2) 20.95 Argon (A) 0.93 Dioxyde de carbone (CO2) 0.035 Néon(Ne) 1.8 10-3 Hélium (He) 5.24 10-4 Krypton(Kr) 1 10-4 Hydrogène(H2) 5 10-5 Xénon(Xe) 8 10-6 Ozone(O3) 1 10-6 Radon(Rn) 6 10-18 Certains gaz dont les pourcentages en volume sont encore plus faibles n’apparaissent pas. On constate sur ce tableau que trois gaz, l’azote, le dioxygène et l’argon, constituent presque 100 % du total ; les autres gaz ne représentent chimiquement que des traces. Certains de ces gaz à l’état de trace jouent un rôle important. Ainsi, les gaz dits « à effet de serre » limitent les pertes d’énergie par rayonnement de la surface de la Terre, et entraînent donc un réchauffement de la température de notre planète. L’effet de serre est très bénéfique pour la Terre : sans lui, les températures seraient glaciales, peu propices à la vie. Le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4) sont deux gaz impliqués dans cette augmentation de l’effet de serre. L’ozone O3 joue lui aussi un rôle crucial, malgré sa très faible concentration. Son importance réside dans sa capacité à absorber une grande partie des rayonnements ultraviolets en provenance du Soleil et à « protéger » la surface de la Terre de ce rayonnement dangereux. L’ozone se trouve essentiellement en altitude, avec un pic de concentration vers 25 km. C’est la célèbre « couche d’ozone », qui présente malheureusement des trous fluctuants, apparaissant et disparaissant au-dessus des pôles selon le moment de l’année. 6 Il y a un peu d’ozone dans les basses couches, dans l’air que nous respirons. Cet ozone de basse couche est essentiellement produit par les activités humaines. Autant l’ozone d’altitude est bénéfique pour la vie, autant celui près du sol est néfaste pour nous. C’est un gaz irritant, très peu apprécié par nos poumons.

Pollution de l’air 

Définition La pollution atmosphérique ou pollution de l’air est une altération de la qualité de l’air pouvant être caractérisée par des mesures de polluants que ce soient chimiques, biologiques ou physiques , gazeux, particulaires, radiologiques et parfois liquides présents dans l’air, ayant des conséquences préjudiciables à la santé humaine, aux êtres vivants, au climat, ou aux biens matériels. Ces polluants peuvent être d’origine naturelle ou anthropique (causé par l’homme) et concerne l’air atmosphérique et l’air intérieur des espaces clos (véhicules, maisons, usines, bureaux). Ils constituent généralement des cocktails de polluants tels que des particules en suspension, ou autres substances dont la concentration et les durées de présence suffisent à produire un effet toxique ou écotoxique. Ils peuvent interagir avec la lumière (pollution photochimique). La figure 1.2 montre Antananarivo sous la pollution. Figure 1. 2 : Vue de la pollution atmosphérique à Tana 1.2.2 Causes de la pollution atmosphérique Les émissions d’un seul véhicule routier sont faibles comparativement aux émissions générées par une source industrielle. Mais, dans les régions urbaines, les milliers de véhicules qui circulent quotidiennement sont la source principale d’émissions atmosphériques pour un certain nombre de polluants. La pollution par les véhicules routiers provient de la combustion 7 incomplète du carburant dans le moteur, du carter et de l’évaporation du carburant au niveau du carburateur et du réservoir d’essence. [7] a. Polluants atmosphériques émis à l’échappement La combustion de combustibles fossiles, si elle était parfaite et complète, ne générerait que de la vapeur d’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2), gaz à effet de serre. Comme le processus de combustion n’est jamais parfait, les moteurs des véhicules émettent plusieurs types de polluants atmosphériques à l’échappement tels des composés organiques volatils (COV) (hydrocarbures et carbonyles) et semi-volatiles (ex. des hydrocarbures aromatiques polycycliques : HAP), des oxydes d’azote (NOx), du monoxyde de carbone (CO) et des particules. Des polluants primaires émis à l’échappement, découlent des polluants secondaires suite à des transformations chimiques au contact de l’atmosphère : les NOx et les COV se combinent sous l’effet du rayonnement solaire et forment des oxydants photochimiques (smog) dont la principale composante est l’ozone (O3) troposphérique. Par ailleurs, les NOx, une fois émis à l’atmosphère, sont transportés sur de longues distances et sont transformés en partie en acide nitrique (HNO3), l’un des constituants des précipitations acides. De plus, le contenu en soufre du carburant amène, suite à sa combustion, l’émission à l’échappement de dioxyde de soufre (SO2) et trioxyde de soufre (SO3). Une fois en contact avec l’atmosphère, ces polluants se transforment en sulfates (SO4 2- ) (50%), sous forme de particules, et en acide sulfurique (H2SO4) (50%), principal constituant des précipitations acides. A noter que c’est 97% du contenu en soufre du carburant qui suit ce cheminement. Ainsi, les particules émises à l’échappement des moteurs sont constituées de sulfates (20%), de suies (55%) et d’hydrocarbures imbrûlés (25%). Dans l’atmosphère, les particules secondaires qui sont formées sont essentiellement constituées de sulfates.

Polluant émis par la ventilation du carter

La seconde source d’émissions de polluants, après les gaz d’échappement, se situe au niveau du carter. Avant les années 60, la totalité des vapeurs du carter était émise directement à l’atmosphère. Depuis, l’installation progressive de système de ventilation positive du carter sur les véhicules neufs a limité ce genre d’émissions. Ainsi, les fuites de gaz du carter représentent environ 20% des émissions totales d’hydrocarbures générés par les véhicules. A Madagascar, les voitures neuves sont encore moins nombreuses d’où la concentration des polluants émis par la ventilation. 8 c. Polluant émis par l’évaporation du carburant Une troisième source est liée à l’évaporation des polluants aux endroits où circulent le carburant soit le carburateur et le réservoir. Les émissions par évaporation sont constituées principalement de composés organiques volatils et représentent environ 15% de l’ensemble des émissions d’hydrocarbures générés par les véhicules. Ce sont les véhicules à essence qui génèrent une grande quantité de vapeurs (surtout par temps chaud). Les vapeurs des véhicules sont produites par cinq actions :  Lors de l’arrêt à chaud (« hot soak ») ;  Lors des variations diurnes de température ;  Lors du fonctionnement du véhicule (« running losses ») ;  Par la diffusion du carburant à travers le plastique et le caoutchouc de diverses composantes telles que celles du réservoir d’essence ;  Lors du remplissage du réservoir des véhicules aux stations services. d. Comparaison des pollutions atmosphériques des véhicules à essence versus ceux au diesel Les polluants atmosphériques émis des moteurs à essence et des moteurs fonctionnant au carburant diesel sont similaires mais diffèrent dans les proportions. En règle générale, les concentrations en volume d’hydrocarbures (HC) et de monoxyde de carbone (CO) sont plus élevées pour les véhicules fonctionnant à l’essence qu’un véhicule mû au carburant diesel. La différence la plus grande s’observe avec le CO où les concentrations sont très faibles pour les véhicules au diesel. Des oxydes de soufre (SOx) sont également émis par les moteurs au diesel. Les moteurs au diesel sont les plus grands émetteurs de particules que les moteurs à essence. La quantité de particules émises par les moteurs au diesel (sans système antipollution) est de 50 à 100 fois supérieure (en grammes par kilomètre) à celle émise par les moteurs de véhicules à essence équipés de convertisseur. Et de 10 fois supérieure aux émissions des véhicules à essence dépourvus de convertisseurs catalytiques.