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Vous êtes ici : Accueil / Signaux – Bien-être et environnement / Signaux 2013 / Interviews / Une affaire de chimie

Une affaire de chimie

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La chimie de notre atmosphère est complexe. L’atmosphère se compose de couches de densité et de composition chimique différentes. Nous avons interrogé le professeur David Fowler, du Centre pour l’écologie et l’hydrologie au Conseil britannique de recherche sur l’environnement naturel, sur les polluants atmosphériques et les processus chimiques dans notre atmosphère ainsi que sur l’impact sur notre santé et sur l’environnement.
ImaginAIR : C-icatrices...

ImaginAIR : C-icatrices...  Image © Greta De Metsenaere

Tous les gaz sont-ils importants pour l’environnement ?

De nombreux gaz présents dans l’air ne sont pas particulièrement importants du point de vue chimique. Certains gaz traces comme le dioxyde de carbone et l’oxyde d’azote ne réagissent pas facilement dans l’air et c’est la raison pour laquelle on les range dans la catégorie des gaz à longue durée de vie. Le principal composant de l’air, l’azote, est également en grande partie inerte dans l’atmosphère. Les gaz traces à longue durée de vie sont présents à des concentrations sensiblement égales partout dans le monde. Si l’on prend un échantillon dans l’hémisphère Nord et un autre dans l’hémisphère Sud, la différence sera faible en termes de quantité de ces gaz dans l’air.

Cependant, les concentrations des autres gaz comme le dioxyde de soufre, l’ammoniac et les oxydants photosensibles comme l’ozone, sont bien plus variables. Ces gaz constituent une menace pour l’environnement et la santé humaine, et, du fait de leur forte réactivité dans l’atmosphère, ils ne restent pas longtemps dans leur état originel. Ils réagissent rapidement pour former d’autres composés ou disparaissent en se déposant au sol, c’est pourquoi on les désigne comme gaz à courte durée de vie. Ils sont donc présents à proximité des endroits où ils ont été émis ou formés par réaction. Les images satellite révèlent les zones de forte concentration de ces gaz à courte durée de vie, situées essentiellement dans les zones industrialisées.

Dans quelle mesure ces gaz à courte durée de vie peuvent-ils être problématiques pour la qualité de l’air et l’environnement ?

Beaucoup de ces gaz à courte durée de vie sont toxiques pour la santé et pour la végétation. En outre, ils se transforment facilement en d’autres types de polluants dans l’atmosphère, certains sous l’action de la lumière du Soleil. L’énergie solaire peut décomposer un grand nombre de ces gaz réactifs et à courte durée de vie en de nouveaux composés chimiques. Le dioxyde d’azote en est un bon exemple. Il est principalement produit par la combustion de combustibles, que ce soit l’essence des voitures, ou le gaz et le charbon des centrales électriques. Lorsque le dioxyde d’azote est exposé à la lumière du Soleil, il se décompose en deux nouveaux composés chimiques : l’oxyde nitrique et ce que les chimistes appellent l’oxygène atomique.

L’oxygène atomique est tout simplement un atome unique d’oxygène. L’oxygène atomique réagit avec l’oxygène moléculaire (deux atomes d’oxygène formant une molécule O2) pour former de l’ozone (O3), qui est toxique pour les écosystèmes et la santé humaine et qui est l’un des polluants les plus importants dans tous les pays industrialisés.

Mais n’avions-nous pas besoin de l’ozone pour nous protéger des rayonnements du Soleil dans les années 80 ?

C’est exact. Mais l’ozone de la couche d’ozone se trouve dans la stratosphère à des altitudes allant de 10 à 50 km, où il fournit effectivement une protection contre les rayons UV. Alors que l’ozone dans les couches inférieures — communément appelé « ozone au sol » — est, lui, une menace pour la santé humaine, les récoltes et les végétaux sensibles.

L’ozone est un puissant oxydant. Il pénètre dans les végétaux par les petits pores situés sur les feuilles. Une fois absorbé, l’ozone génère des radicaux libres, des molécules instables qui endommagent les membranes et les protéines. Les végétaux possèdent des mécanismes sophistiqués pour combattre les radicaux libres. Mais si un végétal doit consacrer une partie de l’énergie qu’il capte de la lumière du Soleil et à travers la photosynthèse à la réparation des dommages causés aux cellules par les radicaux libres, il ne dispose plus de suffisamment d’énergie pour se développer. C’est pourquoi, lorsque les cultures sont exposées à l’ozone, leur productivité diminue. En Europe, en Amérique du Nord et en Asie, l’ozone fait baisser les rendements agricoles.

La chimie de l’ozone dans le corps humain est assez similaire à la chimie de l’ozone dans l’organisme des végétaux. Mais, au lieu de pénétrer par les pores situés à la surface des végétaux, l’ozone est absorbé par la paroi des poumons. Il crée des radicaux libres dans la paroi des poumons et affecte la fonction pulmonaire. C’est pourquoi les individus pour qui l’ozone représente le plus grand risque sont ceux qui souffrent de gênes respiratoires. Si l’on étudie les statistiques, on constate d’ailleurs que les périodes de pics d’ozone correspondent à une hausse du taux de mortalité journalière.

Puisque ces gaz ont une durée de vie limitée, une réduction drastique des émissions de dioxyde d’azote ne devraitelle pas entraîner une baisse rapide des niveaux d’ozone ?

En principe, oui. Nous pourrions réduire les émissions, et les niveaux d’ozone commenceraient à baisser. Cependant, la production d’ozone ne se limite pas à la région proche de la surface terrestre, elle a lieu jusqu’à une altitude d’environ 10 km. Il y a donc toujours une importante réserve d’ozone dite « de fond » en altitude. Si nous stoppion complètement nos émissions de dioxyde d’azote, il faudrait un mois environ pour retrouver des niveaux naturels d’ozone.

Mais, même si l’Europe prenait des mesures pour lutter contre les émissions, cela ne réduirait pas vraiment notre exposition à l’ozone. Une partie de l’ozone se trouvant en Europe provient des émissions européennes. Mais l’Europe est également exposée à l’ozone en provenance de la Chine, de l’Inde et de l’Amérique du Nord. Le dioxyde d’azote lui-même est un gaz à courte durée de vie, mais l’ozone qu’il crée peut se maintenir plus longtemps et être transporté par le vent autour de la planète. Une décision unilatérale de l’UE réduirait certains des pics d’ozone au-dessus de l’Europe, mais cela n’aurait qu’un impact limité sur le problème global, car l’Europe n’est qu’un contributeur parmi d’autres.

L’Europe, l’Amérique du Nord, la Chine, l’Inde et le Japon ont tous un problème d’ozone. Même les pays qui se développent rapidement comme le Brésil (où la combustion de la biomasse et les véhicules libèrent des gaz précurseurs de l’ozone) ont un problème d’ozone. Les zones les plus propres dans le monde en termes de production d’ozone sont les zones océaniques reculées.

ImaginAIR: Air and health

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

L’ozone est-il la seule source d’inquiétude ?

Les aérosols, l’autre polluant majeur, sont plus importants que l’ozone. Les aérosols, dans ce contexte, ne sont pas ce à quoi pensent en général les consommateurs, c’est-à-dire les déodorants et les produits nettoyants pour les meubles que l’on peut se procurer dans les supermarchés. Pour les chimistes, les aérosols sont de petites particules dans l’atmosphère, pour lesquelles on parle également de matière particulaire (PM). Elles peuvent être solides ou liquides, et certaines de ces particules se transforment en gouttelettes dans l’air humide puis retournent à l’état de particules solides quand l’air redevient plus sec. Les aérosols sont associés à une surmortalité, et les personnes les plus exposées au risque sont celles qui ont des problèmes respiratoires. Les particules dans l’atmosphère ont des répercussions plus importantes que l’ozone sur la santé.

Un grand nombre des polluants générés par les activités humaines sont rejetés sous forme de gaz. Par exemple, le soufre est en général émis sous forme de dioxyde de soufre (SO2) tandis que l’azote est rejeté sous forme de dioxyde d’azote (NO2) et/ou d’ammoniac (NH3). Mais, une fois libérés dans l’atmosphère, ces gaz sont transformés en particules. Ce processus transforme le dioxyde de soufre en particules de sulfate, dont la taille ne dépasse pas une fraction de micron.

S’il y a suffisamment d’ammoniac dans l’air, le sulfate réagit pour se transformer en sulfate d’ammoniac. Il y a cinquante ans, le sulfate d’ammoniac était vraiment l’un des composants dominants de l’air en Europe.

Mais nous avons fortement réduit les émissions de sulfate au-dessus de l’Europe, d’environ 90 % depuis les années 70.

Mais, si nous avons effectivement diminué les émissions de soufre, nous sommes loin d’avoir autant réduit les émissions d’ammoniac. En conséquence, l’ammoniac présent dans l’atmosphère réagit avec d’autres substances. Par exemple, le NO2 se transforme en acide nitrique, et cet acide nitrique réagit avec l’ammoniac pour produire du nitrate d’ammonium.

Le nitrate d’ammonium est très volatile. Dans la haute atmosphère, le nitrate d’ammonium est une particule ou une gouttelette, mais, plus proche du sol et lorsqu’il fait chaud, le nitrate d’ammonium se décompose en acide nitrique et en ammoniac, qui se déposent très rapidement à la surface de la terre.

Que se passe-t-il si l’acide nitrique se dépose sur la surface de la terre ?

L’acide nitrique fournit un supplément d’azote à la surface de la terre et agit de manière efficace comme un fertilisant pour les végétaux. Ainsi, l’environnement naturel de l’Europe est fertilisé par l’atmosphère de la même façon que les fermiers fertilisent les terres agricoles. D’une part, le supplément d’azote qui fertilise l’environnement naturel entraîne une acidification et une hausse des émissions d’oxyde d’azote, d’autre part, il stimule la croissance des forêts. C’est donc à la fois une menace et un élément bénéfique. L’effet majeur de l’apport d’azote dans l’environnement naturel est de fournir des nutriments supplémentaires aux écosystèmes naturels. La conséquence est que les végétaux très demandeurs en azote se développent très rapidement et prospèrent au point d’éliminer les espèces à croissance lente. Ce phénomène aboutit à la disparition d’espèces spécialisées, qui s’étaient adaptées à un climat pauvre en azote. Nous pouvons déjà constater un changement de la biodiversité de la flore en Europe sous l’effet de la fertilisation du continent par l’atmosphère.

ImaginAIR: Air and health (flower)

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

« Nous essayons tous de créer, dans notre environnement, les conditions optimales pour garantir notre bien-être. La qualité de l’air que nous respirons a une réelle influence sur nos vies et sur notre bien‑être. »
Cesarino Leoni, Italie

Nous nous sommes attaqués aux émissions de soufre et aux problèmes de la couche d’ozone. Pourquoi n’avonsnous rien fait contre le problème de l’ammoniac ?

Les émissions d’ammoniac proviennent de l’agriculture et particulièrement du secteur de l’élevage laitier intensif. L’urine et le fumier des vaches et des moutons dans les pâturages produisent des émissions d’ammoniac dans l’atmosphère. L’ammoniac est très réactif et se dépose rapidement dans l’environnement. Il forme également du nitrate d’ammonium et contribue de manière importante aux particules dans l’atmosphère, et donc aux problèmes de santé humaine qui y sont associés. La plupart de l’ammoniac que nous rejetons en Europe se dépose en Europe. Pour réduire ces émissions, il faudrait une volonté politique plus forte pour introduire des mesures de contrôle.

Il est intéressant de noter que, dans le cas du soufre, cette volonté politique s’est manifestée de manière très nette. Je pense que cela s’explique en partie par un sens d’obligation morale de la part des pays européens les plus émetteurs vis à vis des pays receveurs nets, à savoir les pays scandinaves, où la majorité des problèmes de dépôt d’acide étaient constatés.

Réduire les rejets d’ammoniac implique de cibler le secteur agricole, sachant que les groupes de pression agricoles exercent une influence relativement importante dans les milieux politiques. Il n’en va pas autrement en Amérique du Nord : le problème des émissions d’ammoniac y est aussi aigu mais rien n’est fait pour essayer de contrôler ces émissions.

David Fowler

Professeur David Fowler, du Centre pour l’écologie et l’hydrologie au Conseil britannique de recherche sur l’environnement naturel

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