Qu’est ce que l’air ? - Qualité de l'air sur l'Ile de La Réunion

Qu’est ce que l’air ?


Texte repris de la Thèse de Doctorat de Laurent MAGI "Chimie Hétérogène Atmosphérique : Etude expérimetale des cinétiques de transfert gaz-liquide" 1998.

Composition de l’Atmosphère

L’atmosphère est généralement considérée comme formant un système gazeux contenant principalement de l’azote, de l’oxygène, de l’argon, du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau. A côté de ces constituants majoritaires, qui représentent plus de 99,5% de la masse de l’atmosphère, coexistent une multitude d’autres composés minoritaires : molécules, atomes ou radicaux dont les concentrations, exprimées en partie par millions, voire en partie par milliards (ou sous multiples), peuvent avoir une influence considérable sur l’équilibre chimique ou radiatif de notre atmosphère. Leurs concentrations respectives dépendent de nombreux paramètres comme la localisation géographique, l’altitude, les saisons ou l’ensoleillement. Nous notons en particulier la présence d’une grande variété d’hydrocarbures (méthanique ou non), d’aldéhydes, d’oxydes d’azote et de soufre, d’acides (chlorhydrique, nitrique, sulfurique, organiques), de radicaux (OH, HO2)...

Le tableau ci-dessous résume succinctement le pourcentage en volume des principaux constituants de l’atmosphère. L’azote, l’oxygène et les gaz rares sont présents dans ces concentrations depuis des millions d’années. La composition de l’atmosphère sèche au voisinage du sol peut être considérée comme invariable. Dans ces conditions la masse molaire de l’air est de M=28.966, et sa masse totale est estimée à 5.13 1010 kg soit un millionième de la masse de la terre.

Composant Formule chimique % en volume
Azote N2 78,1
Oxygène O2 20,9
Argon Ar 0,93
Dioxyde de carbone CO2 0,035
Néon Ne 0,0018
Hélium He 0,0005
Méthane CH4 0,00017
Krypton Kr 0,00011
Xénon Xe 0,00009
Hydrogène H2 0,00005
Oxyde nitreux N2O 0,00005
Ozone O3 0,000001-0,000004

Tableau 1 : composition atmosphérique d’un air sec au niveau du sol dans une zone continentale éloignée.

Bien que l’atmosphère soit principalement constituée de gaz, elle contient néanmoins de la matière condensée. Les tempêtes dans le désert, le blizzard hivernal aux pôles attestent de la capacité de notre planète à produire des quantités significatives de phases condensées liquide ou solide appelés plus couramment les aérosols. Un aérosol est une particule liquide ou solide en suspension dans l’air. Les plus importantes particules liquides en suspension sont les gouttelettes d’eau qui constituent d’une manière très générale les hydrométéores. Pour les particules solides, outre l’état condensé de l’eau sous forme de glace, l’air contient des corps en suspension très divers, provenant pour la plupart de la surface de la terre. Il existe également de la matière condensée hétérogène à la fois liquide et solide. C’est le cas des aérosols marins. Dans les basses couches de l’atmosphère, les aérosols ont une influence sur le bilan radiatif et agissent sur le climat et sur la formation des nuages. Ils interviennent dans les processus de transfert de matière entre les océans et l’atmosphère, dans le transport à longue distance et les mécanismes de dépôt par voie sèche et humide.

Stratification de l’atmosphère

La structure de l’atmosphère telle que nous la connaissons maintenant a presque été entièrement découverte au vingtième siècle. Après bien des controverses, la nomenclature la plus généralement admise actuellement fut recommandée par l’Union Internationale de Géophysique à Helsinki en 1960. L’atmosphère est considérée comme un gaz parfait dont la pression diminue en fonction de l’altitude suivant une loi exponentielle. Cette détente s’effectuant sans échange d’énergie, elle devait conduire à une diminution régulière de la température. Or, cette température décroît jusqu’à 12 km d’altitude en zone tempérée, comme escompté, pour ensuite se maintenir jusqu’à 14 km d’altitude à une température comprise entre 230 K et 240 K dans ce que l’on appelle la tropopause. Puis, dans la stratosphère la température croît légèrement jusqu’à 275 K en raison de l’absorption du rayonnement solaire par l’ozone. La mésosphère s’étend au delà de la stratopause jusqu’à un minimum de température situé vers 80 km qui correspond à la mésopause. Finalement, dans la thermosphère, la température croît constamment. Elle atteint 855 K à 200 km et 1000 K à 750 km dans l’exosphère.

Figure 1 : Structure verticale de l’atmosphère

La limite basse de la troposphère n’est pas la surface de la terre, mais la couche limite. C’est la région de l’atmosphère où les mélanges des émissions à la surface du sol sont fortement turbulents et non homogènes. Cette couche est comprise entre 0.5 et 2 km suivant les régions et les saisons. Ces turbulences augmentent sensiblement les vitesses de mélange, les processus d’oxydation ou les dépôts acides. Après quelques jours, les constituants primaires et secondaires atteignent la troposphère libre où les mélanges passent de l’échelle locale à l’échelle globale.

La division de l’atmosphère en couches est fondée sur l’évolution de la température. Les limites de couches dépendent de la latitude et des saisons. A l’équateur, en effet, l’atmosphère est chaude et humide et les nuages, montent régulièrement jusqu’à des altitudes élevées. La tropopause équatoriale sera parfois haute de 16 km avec une température de 180 à 190 K. Aux pôles, par contre, l’air froid et sec ne manifeste pas les mêmes ascendances qu’à l’équateur, et les caractéristiques principales de la stratosphère sont présentes à des altitudes beaucoup plus basses. En effet, la tropopause polaire ne sera située qu’à environ 8 km.

L’air est indispensable à la vie. Chaque jour ce sont en moyenne 17 m3 d’air qui transitent dans nos poumons.

L’air pur n’existe pas. L’homme y introduit en permanence des quantités plus ou moins importantes de polluants. N’oublions pas que la nature elle même rejette également des polluants de façon continue (dégazages, radioactivité...), ou accidentelle (volcans...).

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