Les particules polluantes de l’air : de quoi s’agit-il ?

encyclopédie de l'environnement

Un article de L’encyclopédie de l’environnement, par Jacques Fontan, le 19/09/2018.

Jacques Fontan est professeur honoraire de l’université Paul Sabatier de Toulouse

Les particules sont une composante majeure des polluants atmosphériques. Elles sont considérées comme une des principales causes de mortalité liées à la pollution. Leur état finement divisé recouvre des appellations ainsi que des propriétés physiques et mécaniques souvent mal connues. Cet article vise à mieux faire comprendre à quoi correspondent les particules présentes dans l’atmosphère et les problèmes qu’elles soulèvent, notamment pour chiffrer leurs effets sur la santé.

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1. De quoi parle-t-on ?

1.1. Particules et aérosols

Une particule est souvent et improprement appelée un aérosol. En réalité le mot aérosol désigne le mélange d’un gaz, en général l’air, et de fines particules solides ou liquides en suspension. Les particules sont donc l’un des constituants d’un aérosol. Pour qu’elles restent en suspension dans le gaz, il faut que leur vitesse de chute soit faible. On admet en général que les particules (sphériques) d’un aérosol ont une dimension (leur diamètre) approximativement inférieure à 100 µm ou 0,1 mm.

1.2. Terminologies utilisées pour différencier les particules

Différents vocables sont utilisés pour décrire des types particuliers d’aérosols, souvent de façon erronée.

  • Les poussières (dust en anglais) sont des particules solides, le plus souvent supérieure à 1 µm, mises en suspension par des procédés mécaniques tels que l’érosion éolienne (exemples : tempête de sable, cendres, poussières de route, pollens).
  • Le terme fumée (en anglais smoke ou fume) s’applique à des particules en général plus fines provenant d’une combustion. En anglais fume désigne aussi des particules très fines provenant de la condensation d’une vapeur.
  • Les brouillards (en anglais : fog et smog) sont formés par une suspension de gouttelettes liquides résultant de la condensation d’une vapeur, ou encore d’une pulvérisation. Dans l’atmosphère près du sol on utilise le terme brouillard lorsque la visibilité est réduite à moins de 1 kilomètre.
  • Les particules ont une dimension souvent supérieure à 5 µm.
  • Les brumes (mist ou haze en anglais), sont constituées par des gouttelettes plus petites ou par des particules solides. Elles correspondent à un trouble de la visibilité moins important que les brouillards, sauf cas exceptionnel de brume sèche dans les régions désertiques ou semi désertiques.

Notons que la langue anglaise, plus riche dans ce domaine que le français, divise les brumes en haze (que l’on peut encore traduire par voile atmosphérique) et mist, et les brouillards en fog et smog. Ce dernier est un mélange de fumées, de polluants et de particules d’eau, que l’on trouve dans les villes polluées. Ce mot-valise est la contraction de smoke et fog.

1.3. Les sigles PM

Les PM 10, PM 2,5 (PM est une abréviation de Particule de Matière) sont des particules présentes dans l’atmosphère dont la dimension est respectivement inférieure à 10 et 2,5 µm. Ces définitions ont été introduites pour prendre en compte le comportement des particules lors de l’inhalation. En effet les particules dont la dimension est supérieure à 10 µm sont majoritairement arrêtées dans le nez et elles ne sont pas considérées comme inhalables. Les PM 2,5 sont encore appelées les fines particules et celles comprises entre 2,5 et 10 µm les grosses particules (coarse particles). Nous verrons plus loin que ces dimensions sont en fait des « diamètres de coupure » (paragraphe 4.2). Environ 50% des particules ont une dimension inférieure au diamètre de coupure.

1.4. Autres terminologies

Les noyaux de condensation nuageuse (abréviation anglaise CCN, pour Cloud Condensation Nuclei) sont les germes autour desquels se condense la vapeur d’eau dans l’atmosphère. Ils ont des dimensions supérieures à quelques dixièmes de micron.

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Les fumées noires sont les particules atmosphériques mesurées en les collectant sur un filtre et en déterminant la réflectivité du filtre par méthode optique. Cette méthode de mesure a longtemps été utilisée pour mesurer la pollution atmosphérique. Les suies sont des particules de carbone provenant en général de combustion sur lesquelles des hydrocarbures ont pu se condenser. Les particules issues des moteurs Diesel ont une proportion importante de suies.

Les particules inférieures à 0,1 µm sont appelées noyaux d’Aitken (expression peu utilisée aujourd’hui), nanoparticules, ou encore particules ultrafines (Lire Combustion du bois et moteurs à explosion en accusation).

2. Les particules dans l’atmosphère

2.1. Polluants primaires et polluants secondaires

Les particules regroupent des polluants primaires et des polluants secondaires (Lire Les pollutions de l’air). Elles peuvent en effet être émises naturellement dans l’atmosphère, mais elles peuvent aussi se former à la suite de réactions chimiques ou photochimiques entre polluants gazeux ou encore par condensation de vapeurs dans l’atmosphère. Les sources primaires sont très diverses, leur origine pouvant être due aux activités humaines mais aussi être naturelle avec des particules provenant des volcans, de l’érosion éolienne, des embruns marins, les pollens, les débris végétaux, etc. Par ses activités, l’homme peut modifier ces émissions naturelles.

2.2. Quelques effets sur l’atmosphère

Les particules modifient les propriétés optiques de l’atmosphère en diffusant ou absorbant la lumière. L’une des manifestations de la pollution est ainsi la diminution de la visibilité. La pollution particulaire agit aussi sur le bilan radiatif de l’atmosphère en rétrodiffusant ou absorbant l’énergie solaire et infrarouge venant du sol ou de l’atmosphère. Les particules interviennent dans la formation des nuages et des brouillards. Sans leur présence, la condensation et la congélation, donnant naissance aux gouttes d’eau ou aux cristaux de glace, se produiraient à des températures plus basses. La condensation homogène, c’est à dire sans noyau de condensation, requiert une sursaturation de 500 %, la sublimation homogène une sursaturation de 3000 %, la congélation homogène une température de –40°C. Au contraire, en présence de particules, la condensation peut se produire pour une humidité inférieure à 100%. Le nombre de gouttelettes dans un nuage ainsi que leur dimension sont ainsi influencés par la présence de particules qui jouent le rôle de noyaux de condensation. Les nuages continentaux se développent sur un spectre de noyaux plus nombreux et plus petits que celui des nuages maritimes. Ils présentent des gouttes plus nombreuses et plus petites qui les rendent moins aptes à précipiter que les nuages maritimes constitués de gouttes moins nombreuses et plus grosses.

2.3. Comment les caractérise-t-on ?

Pour connaître les effets de la pollution particulaire, suivant le but poursuivi, il faudra caractériser de façon plus ou moins précise :

  • La concentration qui suivant les cas s’exprimera en masse ou en surface ou en nombre par unité de volume.
  • La nature chimique des particules, mais dans les réseaux de surveillance de la pollution atmosphérique c’est uniquement la concentration en masse qui est mesurée de façon systématique. C’est cette dernière qui est utilisée dans les études épidémiologiques.
  • Les propriétés des particules dépendent de leur dimension. La répartition suivant la dimension est appelée spectre granulométrique (voir section 3). La mesure de l’ensemble du spectre nécessite des équipements coûteux et sophistiqués.

2.4. Qu’est-ce que la dimension des particules ?

Lorsqu’on parle de la dimension d’une particule sphérique, il s’agit soit de son rayon, soit plus fréquemment de son diamètre.

Plusieurs définitions de la dimension d’une particule s’appliquent lorsque les particules peuvent être observées par microscopie optique ou électronique et qu’elles ont une forme quelconque. La dimension la plus courante est le diamètre du cercle dans lequel on peut inclure la particule ou tout au moins sa projection dans le plan d’observation.

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Très souvent les particules ne peuvent pas être observées au microscope pour diverses raisons. Tout d’abord, au moment de la collecte sur un support, il y a risque de modification de la dimension de la particule. La présence de vapeurs condensées à leur surface ou en volume modifie aussi l’équilibre entre la particule et l’air dans lequel elle est en suspension. La microscopie électronique nécessite que les particules soient mises dans le vide puis bombardées par des électrons ce qui produit très vite l’évaporation de vapeurs condensées et donc modifie les caractéristiques de la particule. Enfin, l’utilisation de la microscopie optique est limitée à des objets de quelques dixièmes de micromètres.

Pour déterminer la dimension des particules on a recours à la mesure d’une caractéristique physique de la particule qui dépend de cette dimension : son coefficient d’agitation thermique (ou mouvement brownien), diffusion de la lumière, mobilité dans un champ électrique, vitesse de sédimentation, etc. On suppose la particule sphérique et on obtient le diamètre équivalent à cette caractéristique physique.

Les particules sont souvent caractérisées par une dimension moyenne mais différentes définitions de la moyenne peuvent être utilisées sans être clairement précisées par les auteurs. Il peut s’agir de la moyenne arithmétique ou de la moyenne géométrique, dont les définitions sont classiques en statistique.

La suite de l’article du professeur Jacques Fontan est ici.

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