Qu’y a-t-il dans l’air que nous respirons ?

Qu’y a-t-il dans l’air que nous respirons ?

L’Almanach Cousteau de l’Environnement – Boire, manger, respirer – pages 521-524

 

L’air est loin de ne contenir que de l’azote (78%), de l’oxygène (21%), des gaz rares (1%) et un peu de gaz carbonique et d’eau (dans les basses couches de l’atmosphère). On y trouve également des polluants dont  l’origine peut être naturelle (érosion des roches, éruptions volcaniques…) ou anthropique. L’accumulation de ces polluants est néfaste pour les écosystèmes et pour notre santé.

A la fin des années 70, la plupart des polluants de l’air provenaient de la combustion de carburants fossiles (charbon, gaz, pétrole) dans les centrales thermiques, les haut-fourneaux, les chauffages domestiques, les véhicules de transport… La combustion du charbon, source d’énergie de la Révolution Industrielle du XIXème siècle,  produit des poussières de suie, des oxydes de soufre et, lorsqu’elle est incomplète, du monoxyde de carbone. Les gaz d’échappement des automobiles contiennent des oxydes de carbone et d’azote, des hydrocarbures imbrûlés, des particules fines… La plupart de ces composants sont transformés dans l’atmosphère en une multitude de substances plus ou moins nocives. C’est ce qui se passe par exemple dans le célèbre smog photochimique de Los Angeles ou lorsque l’anhydride sulfureux des fumées d’usines se transforme en acide sulfurique responsable des pluies acides. En 1977 aux Etats-Unis, les activités humaines avaient lâché dans l’air près de 194 millions de tonnes de substances nocives, soit une tonne par habitant ! Ces polluants suivent naturellement les courants de masse d’air et peuvent aussi bien rester confinés un certain moment au-dessus d’une zone (ville, région industrielle…) ou se retrouver à des centaines de kilomètres de leur point d’émission. Certains sont toxiques même à faibles concentrations et peuvent se retrouver dans nos poumons qui aspirent tout de même quotidiennement quelque quinze kilogrammes d’air.

Le problème de la pollution de l’air n’est pas nouveau, puisque dès le XIVème siècle, le roi Edouard Ier d’Angleterre interdisait de brûler du charbon lorsque le Parlement siégeait, car sinon l’air était trop enfumé pour que le Gouvernement puisse travailler. Les législations et les progrès techniques qui se sont succédé ont permis de résoudre certains problèmes, mais en ont créé d’autres. Ainsi, l’abandon progressif du charbon a permis de réduire les rejets d’oxydes de soufre et de particules en suspension dans les pays occidentaux à la fin des années 70. Cela n’empêcha pas l’air de la plupart des grandes villes de la planète de devenir irrespirable (Moscou, Sao Paulo, Lexico, Athènes, Hong Kong, Ankara…), ni les émissions d’oxydes d’azote d’augmenter du fait de la démocratisation de l’automobile.

Les oxydes de soufre

Les oxydes de soufre empoisonnent l’atmosphère depuis des siècles. Ils étaient déjà impliqués dans les brouillards de Londres du XIVème siècle et ont été les principaux responsables de la plupart des catastrophes dues à la pollution de l’air (lire article “De l’air ! De l’air !” ). Le soufre est une impureté des combustibles fossiles qui s’oxyde lors de la combustion de ceux-ci. L’anhydride sulfureux (SO2) se combine facilement avec la vapeur d’eau pour former de l’acide sulfureux (H2SO3) qui lui-même s’oxyde en acide sulfurique (H2SO4). Les oxydes de soufre étaient responsables de la couleur jaune caractéristique du ciel des zones sidérurgiques comme au Nord de la Lorraine dans les années 70.  La pollution de l’air au SO2 a été l’une des principales causes de pluies acides à l’origine de la dégradation des arbres, des cultures, des bâtiments, de l’acidification des lacs et des cours d’eau. Combinés aux particules fines en suspension dans l’air, ils forment des aérosols acides qui affectent la santé lorsqu’ils pénètrent à l’intérieur des voies respiratoires, en particulier chez les personnes les plus sensibles (asthme, maladie cardiaque ou pulmonaire chronique). On estimait à la fin des années 70 que 82% de l’anhydride sulfureux présent dans l’atmosphère provenait des combustibles fossiles, principalement des centrales électriques (une plus petite fraction provenait de certains procédés métallurgiques comme la fonte du cuivre). Les émissions d’anhydride sulfureux par les centrales électriques ont bondi de 92% au cours des années 60, ce qui correspondait à une période de forte industrialisation. Elles ont continué d’augmenter dans les années 70, avec la crise pétrolière qui a favorisé l’utilisation du charbon, plus riche en soufre (3%) que le pétrole. Aujourd’hui, la combustion du charbon reste la plus grande source anthropique d’émissions de dioxyde de soufre (50% des émissions globales), devant la combustion de pétrole (25-30%). Il n’est donc pas étonnant que les principaux émetteurs soient les pays utilisant encore massivement l’énergie du charbon, comme la Chine et l’Inde. Si la Chine a réussi, grâce à une réglementation plus stricte, à réduire ses émissions de 75% entre 2007 et 2016, ce n’est pas le cas de l’Inde qui a vu ses émissions progresser de 50% dans la même période et pourrait devenir prochainement le premier émetteur mondial de dioxyde de soufre anthropique (Climate Watch).

Les particules en suspension

Les particules en suspension dans l’air sont d’autant plus dangereuses pour la santé qu’elles sont petites et peuvent pénétrer plus profondément dans l’appareil respiratoire. La fraction inhalable correspond aux particules de moins de 10 micromètres (PM10). Entre 10 et 2,5 microns, les particules peuvent pénétrer dans les parties supérieures du système respiratoire, mais sont généralement éliminées par filtration des cils de l’arbre respiratoire et par la toux. En dessous de 2,5 microns, les particules fines (PM2,5) et ultra fines (PM1,0) peuvent pénétrer jusqu’aux alvéoles pulmonaires. Certaines substances particulièrement toxiques (hydrocarbures polycycliques aromatiques, dioxyde de soufre, métaux lourds…) ne peuvent être éliminées par le mucus des voies respiratoires lorsqu’elles sont fixées sur ces particules. Dans les années 70, les particules en suspension étaient majoritairement issues de processus de fabrication (47%) et de combustion (34%), et polluaient surtout les zones urbaines industrialisées. Depuis, la pollution automobile particulaire a fortement diminué dans les pays riches (même si les moteurs à injection directe tendent à augmenter l’émission des particules les plus fines). Elle a par contre considérablement augmenté dans les pays pauvres ou en forte croissance économique, comme la Chine ou l’Inde. Malgré l’amélioration constante de la motorisation des véhicules et la généralisation des filtres à particules (la Peugeot 607 a été en 2000 le premier modèle équipé de ce système), la pollution de l’air par les particules fines est en augmentation au niveau mondial. Les valeurs limites européennes d’émission de particules par les pots d’échappement sont passées de 140 mg par km parcouru en 1993 (Euro 1) à 4,5 mg/km en 2015 (Euro 6b). L’émission des moteurs essence n’a été réglementée qu’à partir de la norme Euro 5 (2011), avec l’avènement de l’injection directe.

L’oxyde de carbone

Le monoxyde de carbone entre en compétition avec l’oxygène pour se fixer sur l’hémoglobine, réduisant ainsi la capacité de respiration de l’organisme et pouvant provoquer vertiges, maux de tête et mort. Ce gaz n’est dangereux que lorsqu’il se trouve en fortes concentrations à faibles altitudes, principalement dans les grandes villes congestionnées par les embouteillages. Il est donc recommandé de ne pas faire tourner son moteur dans un espace non ventilé. A la fin des années 70, près des deux tiers de l’oxyde de carbone (monoxyde de carbone CO) de l’air résultait d’une combustion incomplète du carburant dans les moteurs à combustion interne. Comme nous l’avons vu dans un précédent chapitre, le monoxyde de carbone est oxydé (transformé en gaz carbonique) dans les pots catalytiques qui ont commencé à équiper les automobiles à partir du milieu des années 70. Avant les lois antipollution une automobile moyenne émettait près de 55 grammes d’oxyde de carbone au kilomètre ; Depuis la norme Euro 4 (2006), ces émissions sont limitées en Europe à 500 mg pour les véhicules diesel, alors que la limite de l’Euro1 en 1993 était de 2720 mg, ce qui montre bien les progrès réalisés par  les constructeurs.

Les hydrocarbures

Les hydrocarbures en suspension dans l’air proviennent de la combustion incomplète de l’essence (58% des émissions) et de l’évaporation de divers produits pétroliers (fuels, solvants, peintures…). A noter que les moteurs diesels, accusés aujourd’hui de tous les maux, émettent peu d’hydrocarbures imbrûlés (moins à 0,03 g/km). Une exposition chronique aux hydrocarbures en suspension dans l’air augmente le risque de maladies dégénérescences et de cancers. Sous l’effet des rayons du soleil, comme dans le smog photochimique de Los Angeles, ils peuvent réagir notamment avec les radicaux libres pour former une multitude de substances chimiques plus ou moins toxiques et participer à la formation d’ozone. L’émission d’hydrocarbures imbrûlés a fortement diminué avec la généralisation des pots catalytiques. Depuis la norme Euro 4 (2006), elles sont  limitées à 100 mg/km pour les véhicules essence et il n’y a pas de limitation pour les diesels.

Les oxydes d’azote

Des oxydes d’azote (NOx), en particulier les monoxydes et dioxydes (NO et NO2), sont générés par la réaction à hautes températures (650°C) entre l’oxygène et l’azote. Ces conditions sont remplies dans les moteurs des automobiles, les centrales électriques ou les hauts fourneaux. Notons que 90% des oxydes d’azote sont produits naturellement (orages, décomposition végétale, microorganismes…). Le monoxyde d’azote  est inoffensif en lui-même. Il se combine à l’oxygène de l’air pour former du dioxyde d’azote, substance chimique qui perturbe les fonctions respiratoires (irritation des poumons, inflammation des voies respiratoires, réduction de la capacité d’oxygénation du sang). Sous l’effet des rayonnements solaires, à l’intérieur des smogs photochimiques, le dioxyde d’azote se transforme en radical libre, un puissant agent oxydant pouvant générer une multitude de substances chimiques, telles que l’ozone. La pollution de l’air par les oxydes d’azote, gaz à effet de serre contribue au dérèglement climatique et est devenu progressivement la principale source des pluies acides, tandis que la pollution par les oxydes de soufre a régressé. Le dioxyde d’azote est le seul polluant majeur de l’air à avoir augmenté aux Etats-Unis et en Europe depuis les années 70. Les émissions d’oxydes d’azote sont limitées en Europe à 60 mg/km pour les véhicules à moteur essence depuis Euro 5 (2011), tandis qu’il faut attendre l’Euro 6b (2015) pour que celles des véhicules diesel passent à 80 mg/km.

Les oxydants photochimiques

Le smog de Los Angeles est très différent de celui de Londres. Le smog de Los Angeles est un brouillard complexe de produits chimiques émis principalement par les pots d’échappement des automobiles (oxydes d’azote, de carbone, hydrocarbures, particules en suspension). Sous l’effet de l’énergie du rayonnement UV solaire, une multitude de réactions chimiques génèrent des composés tels que le dioxyde d’azote et l’ozone. L’ozone (O3) est le produit des réactions complexes entre certains polluants primaires tels que CO, NOx et COV (Composés Organiques Volatils). Il résulte par exemple de la scission du dioxyde d’azote (NO2) en présence d’oxygène (NO2 + λ ->  NO + O ; O2 + O ->  O3). En milieu urbain, les importantes émissions de NOx liées au trafic ont tendance à limiter les concentrations d’ozone (O3 + NO -> O2 + NO2). Dans la haute atmosphère, l’ozone est relativement stable (22 jours) et joue un rôle essentiel en filtrant les rayons UV de forte intensité (lire article “Il y a beaucoup à sauver : la couche d’ozone“). A moins de 2 km d’altitude, l’ozone est instable (2 jours) et se trouve normalement en très faibles concentrations. A partir d’un certain seuil, il peut provoquer une inflammation des voies pulmonaires. Les contrôles antipollution avaient permis de réduire les rejets d’hydrocarbures imbrulés et d’oxyde de carbone au cours des années 70, mais les rejets d’oxydes d’azote ont augmenté.

 

Aujourd’hui, médias et autorités focalisent sur le réchauffement climatique et les émissions atmosphériques de gaz à effet de serre (GES) : dioxyde de carbone, méthane, hémioxyde d’azote (N2O), chlorofluorocarbones (CFC), hydrofluorocarbones (HFC), perfluorocarbones (PFC), hexafluorure de soufre (SF6) et trifluorure d’azote (NF3). La Commission européenne a fixé un plafond d’émissions de GES par les véhicules de 95 grammes de CO2 au kilomètre en 2021 (118 g/km en moyenne en 2016).

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