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Particules

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Les particules, aussi appelé particules (PM), aérosols, ou particules fines, sont de minuscules particules solides ou liquides en suspension dans un gaz. Leur taille varie de moins de 10 nanomètres à plus de 100 micromètres de diamètre. Le domaine de la science et de la technologie des aérosols s’est développé pour répondre au besoin de comprendre et de contrôler les aérosols dans l’atmosphère.

Certaines particules, d'origine naturelle, proviennent des volcans, des tempêtes de poussière, des incendies de forêt et de prairies, de la végétation vivante et des embruns. Les activités humaines, telles que la combustion de combustibles fossiles, génèrent également des aérosols. En moyenne sur le globe, anthropique les aérosols (produits par les activités humaines) représentent actuellement environ 10% de la quantité totale d’aérosols dans l’atmosphère.

Les effets de l'inhalation de particules ont été largement étudiés. Alors que des particules relativement grosses sont filtrées dans le nez et la gorge, des particules inférieures à environ 10 micromètres se déposent dans les cavités bronchiques et les poumons, entraînant des problèmes de santé tels que l'asthme, le cancer du poumon, des problèmes cardiovasculaires et la mort prématurée. Il semble également que des particules inférieures à 100 nanomètres puissent traverser les membranes cellulaires et que certaines puissent migrer vers le cerveau. Des mesures sont actuellement prises pour contrôler la quantité d’aérosols anthropiques entrant dans l’atmosphère.

Notation

La notation PM10 est utilisé pour décrire des particules de 10 micromètres ou moins, et PM2.5 représente des particules de diamètre aérodynamique inférieur à 2,5 micromètres; d'autres valeurs numériques peuvent également être utilisées. Cette gamme de tailles représente les échelles allant du rassemblement de quelques molécules à la taille où les particules ne peuvent plus être transportées par le gaz.

Sources

Pollution par aérosols au nord de l'Inde et au Bangladesh - Photo: NASA.

Il existe à la fois des sources naturelles et humaines de particules atmosphériques. Les principales sources naturelles sont la poussière, les volcans et les incendies de forêt. Les embruns marins sont également une source importante de particules, bien que la plupart d'entre elles retombent dans l'océan près de l'endroit où elles ont été émises. Les sources humaines de particules les plus importantes sont les sources de combustion, principalement la combustion de carburants dans les moteurs à combustion interne d'automobiles et de centrales électriques, et la poussière soulevée par le vent provenant de chantiers de construction et d'autres zones où l'eau ou la végétation ont été retirées. Certaines de ces particules sont émises directement dans l'atmosphère (émissions primaires) et certains sont émis sous forme de gaz et forment des particules dans l'atmosphère (émissions secondaires).

En Europe et aux États-Unis, les émissions de particules des véhicules devraient diminuer au cours de la prochaine décennie. Par exemple, d'ici 2005, l'Union européenne introduira des normes plus strictes pour les émissions de particules des véhicules légers de 0,025 gramme par kilomètre et 0,04 gramme par kilomètre.L'État de Californie a mis en place une norme encore plus restrictive en 2004, n'autorisant que 0,006 gramme par kilomètre 0,01 gramme par mille d'émissions de particules. Selon Jacobson, même si les normes californiennes étaient adoptées dans le monde entier, les voitures diesel pourraient encore réchauffer le climat davantage que les voitures à essence de 13 à 54 ans. Les nouveaux pièges à particules introduits par certains constructeurs automobiles européens dans leurs véhicules diesel semblent réduire les émissions de carbone noir à 0,003 gramme par kilomètre, voire 0,005 gramme par mile, même en dessous de la norme californienne.1

BlueTec est une technologie développée pour réduire les émissions de particules des moteurs diesel afin de respecter les normes californiennes les plus strictes.

Composition

La composition des particules d’aérosol dépend de leur source. Poussière de vent2 a tendance à être composé d'oxydes minéraux et d'autres matériaux soufflés de la croûte terrestre. Cet aérosol absorbe la lumière. Sel de mer3 est considéré comme le deuxième contributeur au budget mondial des aérosols et consiste principalement en chlorure de sodium provenant des embruns marins. Les autres constituants du sel de mer atmosphérique reflètent la composition de l'eau de mer et comprennent donc le magnésium, le sulfate, le calcium, le potassium et d'autres ions. En outre, les aérosols de pulvérisation en mer peuvent contenir des composés organiques qui influent sur leur chimie. Le sel de mer n'absorbe pas la lumière.

Les particules secondaires proviennent de l'oxydation de gaz primaires tels que les oxydes de soufre et d'azote en acide sulfurique (liquide) et en acide nitrique (gazeux). Les précurseurs de ces aérosols, c’est-à-dire les gaz dont ils sont issus, peuvent avoir une origine anthropique (issue de la combustion de combustibles fossiles) et une origine biogénique naturelle. En présence d'ammoniac, les aérosols secondaires se présentent souvent sous la forme de sels d'ammonium, tels que le sulfate d'ammonium et le nitrate d'ammonium (les deux peuvent être secs ou en solution aqueuse). En l'absence d'ammoniac, les composés secondaires prennent une forme acide, sous forme d'acide sulfurique (gouttelettes d'aérosol liquide) et d'acide nitrique (gaz atmosphérique). Les aérosols secondaires de sulfates et de nitrates sont de puissants dispersants | diffuseurs de lumière.4 Cela est principalement dû au fait que la présence de sulfate et de nitrate entraîne une augmentation de la taille des aérosols qui dispersent efficacement la lumière.

La matière organique (MO) peut être primaire ou secondaire, cette dernière partie dérivant de l’oxydation des COV; les matières organiques dans l'atmosphère peuvent être biogéniques ou anthropiques. La matière organique influe sur le champ de rayonnement atmosphérique à la fois par la diffusion et par l'absorption de la lumière.

Un autre type important d’aérosols est constitué de carbone élémentaire (EC, également appelé carbone noir, AVANT JC); Ce type d'aérosol comprend un matériau absorbant fortement la lumière et devrait produire un forçage radiatif positif important. La matière organique et le carbone élémentaire constituent ensemble la fraction carbonée des aérosols.5

La composition chimique de l'aérosol affecte directement la manière dont il interagit avec le rayonnement solaire. Les constituants chimiques contenus dans l'aérosol modifient l'indice de réfraction global. L'indice de réfraction déterminera la quantité de lumière diffusée et absorbée.

Processus de retrait

En général, plus une particule est petite et légère, plus elle restera dans l'air. Les plus grosses particules (plus de 10 micromètres de diamètre) ont tendance à se déposer au sol en quelques heures, alors que les plus petites particules (moins de 1 micromètre) peuvent rester dans l'atmosphère pendant des semaines et sont principalement éliminées par les précipitations.

Forçage radiatif des aérosols

Réduction du rayonnement solaire due aux éruptions volcaniques

Les aérosols, naturels et anthropiques, peuvent influer sur le climat en modifiant la façon dont le rayonnement est transmis par l’atmosphère. Les observations directes des effets des aérosols étant assez limitées, toute tentative d'estimation de leurs effets globaux implique nécessairement l'utilisation de modèles informatiques. Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, GIEC, a déclaré: "Alors que le forçage radiatif dû aux gaz à effet de serre peut être déterminé avec un degré de précision raisonnablement élevé, les incertitudes liées aux forçages radiatifs des aérosols restent importantes et reposent dans une large mesure sur les estimations. à partir d’études de modélisation globales difficiles à vérifier à l’heure actuelle ".6

Un graphique montrant les contributions (en 2000, relatives au préindustriel) et les incertitudes de divers forçages est disponible.7

Aérosol de sulfate

L’aérosol sulfaté a deux effets principaux, direct et indirect. L’effet direct, via l’albédo, est de refroidir la planète: la meilleure estimation du forçage radiatif par le GIEC serait de -0,4 watts par mètre carré avec une plage de -0,2 à -0,8 W / m²,8 mais il y a des incertitudes substantielles. L'effet varie fortement sur le plan géographique, la plupart des refroidissements se produisant probablement dans les principaux centres industriels et sous le vent. Les modèles climatiques modernes qui tentent d’attribuer le changement climatique récent doivent inclure le forçage au sulfate, qui semble expliquer (au moins en partie) la légère baisse de la température de la planète au milieu du XXe siècle. L'effet indirect (via l'aérosol agissant en tant que noyau de condensation du nuage, modifiant ainsi les propriétés du nuage) est plus incertain, mais on pense qu'il a un effet de refroidissement.

Carbone noir

Le carbone noir (BC), ou noir de carbone, ou carbone élémentaire (CE), souvent appelé suie, se compose de grappes de carbone pur, de boules squelettiques et de buckyballs. Il s'agit de l'une des plus importantes espèces d'aérosols absorbants dans l'atmosphère. Il convient de le distinguer du carbone organique (CO): molécules organiques groupées ou agrégées, seules ou imprégnant un buckyball EC. Selon les estimations du GIEC, dans le quatrième rapport d’évaluation du TAR, TAR, le BC pour les combustibles fossiles contribue à un forçage radiatif moyen mondial de +0,2 W / m² (contre +0,1 W / m² dans le deuxième rapport d’évaluation du GIEC, SAR ), avec une plage de +0,1 à +0,4 W / m².

Tous les aérosols absorbent et diffusent les rayonnements solaire et terrestre. Si une substance absorbe une quantité importante de rayonnement, ainsi que de diffusion, nous l'appelons absorbante. Ceci est quantifié dans le Albedo à diffusion unique (SSA), le rapport entre la diffusion seule et la diffusion plus absorption (extinction) de rayonnement par une particule. La SSA tend à devenir unitaire si la diffusion domine, avec une absorption relativement faible, et décroît à mesure que l’absorption augmente, devenant égale à zéro pour une absorption infinie. Par exemple, l’aérosol de sel de mer a une SSA de 1, car une particule de sel de mer se disperse, alors que la suie a une SSA de 0,23, ce qui montre qu’il s’agit d’un important absorbeur d’atosol atmosphérique.

Effets sur la santé

Station de mesure de la pollution atmosphérique à Emden, Allemagne

Les effets de l'inhalation de particules ont été largement étudiés chez l'homme et l'animal et incluent l'asthme, le cancer du poumon, les problèmes cardiovasculaires et la mort prématurée. La taille de la particule est un facteur déterminant déterminant de l'endroit où, dans l'inhalation, la particule s'immobilise. Les particules plus grosses sont généralement filtrées dans le nez et la gorge et ne causent pas de problèmes, mais des particules inférieures à 10 micromètres environ. PM10, peut s'installer dans les bronches et les poumons et causer des problèmes de santé. La taille de 10 micromètres ne représente pas une frontière stricte entre les particules respirables et non respirables, mais la plupart des organismes de réglementation ont convenu de la surveillance des particules en suspension dans l'air. De même, les particules inférieures à 2,5 micromètres, PM2.5, tendent à pénétrer dans les régions d'échange de gaz du poumon et de très petites particules (moins de 100 nanomètres) peuvent traverser les poumons pour affecter d'autres organes. En particulier, une étude publiée dans le Journal de l'American Medical Association indique que PM2.5 conduit à des dépôts de plaque élevés dans les artères, provoquant une inflammation vasculaire et l'athérosclérose - un durcissement des artères qui réduit l'élasticité, ce qui peut provoquer des crises cardiaques et d'autres problèmes cardiovasculaires.9 Les chercheurs suggèrent que même une exposition à court terme à des concentrations élevées pourrait contribuer de manière significative aux maladies cardiaques.

Il est également prouvé que des particules inférieures à 100 nanomètres peuvent traverser les membranes cellulaires. Par exemple, les particules peuvent migrer dans le cerveau. Il a été suggéré que les particules pourraient provoquer des lésions cérébrales similaires à celles observées chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer. Les particules émises par les moteurs diesel modernes (communément appelées particules diesel ou DPM) ont généralement une taille comprise entre 100 et 100 nanomètres. (0,1 micromètres). De plus, ces particules de suie portent également des composants cancérigènes tels que les benzopyrènes adsorbés à leur surface. Il devient de plus en plus évident que les limites législatives pour les moteurs, exprimées en masse émise, ne constituent pas une mesure appropriée du risque pour la santé. Une particule de 10 µm de diamètre a approximativement la même masse qu'un million de particules de 100 nm de diamètre, mais elle est nettement moins dangereuse, car elle n’entre probablement jamais dans le corps humain. Si elle le fait, elle est rapidement éliminée. Des propositions de nouvelles réglementations existent dans certains pays, avec des suggestions pour limiter la surface ou le nombre de particules.

Le grand nombre de décès et d’autres problèmes de santé associés à la pollution par les particules a été démontré pour la première fois au début des années 197010 et a été reproduit à plusieurs reprises depuis. On estime que la pollution par les particules cause 22 000 à 52 000 décès par an aux États-Unis (à partir de 2000).11 et 200 000 décès par an en Europe).

Règlement

En raison des effets des particules sur la santé, divers gouvernements ont fixé des normes maximales. De nombreuses zones urbaines des États-Unis et de l’Europe dépassent toujours les normes en matière de particules, bien que l’air urbain sur ces continents soit devenu en moyenne plus propre en ce qui concerne les particules au cours du dernier quart du vingtième siècle.

États Unis

L’Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis fixe des normes pour les particules10 et PM2.5 concentrations dans l'air urbain. (Voir Normes nationales de qualité de l'air ambiant.) L'EPA réglemente les émissions de particules primaires et les précurseurs des émissions secondaires (NOx, soufre et ammoniac).

Législation européenne

Dans les directives 1999/30 / CE et 96/62 / CE, la Commission européenne a fixé des limites pour les particules10 dans l'air:

La phase 1

à partir du 1er janvier 2005

Phase 2¹

à partir du 1er janvier 2010

Moyenne annuelle40 µg / m³20 µg / m³
Moyenne journalière (24 heures)

nombre de dépassements permis par an

50 µg / m³

35

50 µg / m³

7

¹ valeur indicative.

Zones affectées

Les villes les plus polluées du monde par PM12
Affaire particulière,
μg / m3 (2004)
Ville
169Le Caire, Egypte
161Pékin, Chine
150Delhi, Inde
128Kolkata, Inde (Calcutta)
125Taiyuan, Chine
123Chongqing, Chine
109Kanpur, Inde
109Lucknow, Inde
104Jakarta, Indonésie
101Shenyang, Chine

La pollution par les particules la plus concentrée a tendance à se produire dans les zones métropolitaines densément peuplées des pays en développement. La principale cause est la combustion de combustibles fossiles par les moyens de transport et industriels.

Les comtés américains violent le premier ministre national2.5 normes, en gros corrélées avec la densité de populationLes comtés américains violent le premier ministre national10 normes

Voir également

  • La pollution de l'air
  • Guerre biologique
  • poussière
  • Gradation globale
  • Le réchauffement climatique
  • Brume
  • Nuage
  • Brouillard

Remarques

  1. ↑ Malgré les faibles émissions de dioxyde de carbone, les voitures diesel pourraient favoriser davantage le réchauffement climatique que les voitures à essence. Stanford News Service. Récupéré le 12 octobre 2007.
  2. ↑ poussière de sol. Groupe d'experts intergouvernemental sur les changements climatiques. Récupéré le 12 octobre 2007.
  3. ↑ Sel de mer. Groupe d'experts intergouvernemental sur les changements climatiques. Récupéré le 12 octobre 2007.
  4. ↑ Sulfates. Groupe d'experts intergouvernemental sur les changements climatiques. Récupéré le 12 octobre 2007.
  5. ↑ Aérosols carbonés (carbone organique et noir). Groupe d'experts intergouvernemental sur les changements climatiques. Récupéré le 12 octobre 2007.
  6. ↑ Discussion sur les incertitudes. Groupe d'experts intergouvernemental sur les changements climatiques. Récupéré le 12 octobre 2007.
  7. ↑ Le forçage radiatif moyen global du système climatique pour l'année 2000 par rapport à 1750. Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat. Récupéré le 12 octobre 2007.
  8. ↑ Aérosol de sulfate. Groupe d'experts intergouvernemental sur les changements climatiques. Récupéré le 12 octobre 2007.
  9. ↑ Pope, Arden C. et al. 2002. "Cancer, mortalité cardiopulmonaire et exposition à long terme à la pollution atmosphérique en particules fines". J. Amer. Med. Assoc. 287:1132-1141.
  10. ^ Lave, Lester B., Eugene P. Seskin. 1973. "Une analyse de l'association entre la mortalité américaine et la pollution de l'air." J. Amer. Association statistique 68:342.
  11. ^ Mokdad, Ali H., et al. 2004. "Causes réelles de décès aux États-Unis, 2000." J. Amer. Med. Assoc. 291:10:1238.
  12. ↑ Pollution de l'air. Ressources du site, Worldbank.org. Récupéré le 12 octobre 2007.

Les références

  • Les aérosols, leurs effets directs et indirects. Le groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat. Récupéré le 12 octobre 2007.
  • Charlton, Jeff. Planification en cas de pandémie: examen des niveaux de protection des respirateurs et des masques. Continuité centrale. Récupéré le 12 octobre 2007.
  • Friedlander, Sheldon K. 2000. Fumée, poussière et brume. New York, NY: Presse d'Université d'Oxford. ISBN 0195129997
  • Hardin, Mary et Ralph Kahn. Aérosols et changement climatique. EO Library, NASA. Récupéré le 12 octobre 2007.
  • Preining, Othmar et E. James Davis (éd.). Histoire de la science des aérosols. Österreichische Akademie der Wissenschaften.

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 16 janvier 2019.

  • Association américaine pour la recherche sur les aérosols.
  • Pollution de l'air Particules.
  • Regarder et lire "Dirty Little Secrets". Documentaire scientifique australien de 2006 sur les effets sur la santé de la pollution par des particules fines provenant des gaz d'échappement des véhicules.

Voir la vidéo: Tout comprendre de la physique des particules (Décembre 2020).

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