La pollution aux particules fines

mardi 24 janvier 2017

La pollution aux particules fines

Suite de notre série sur la pollution de l’air…

Les particules

Le terme particules est une expression générique qui désigne un mélange de polluants solides et/ou liquides en suspension dans un milieu gazeux. La notion d’aérosol désigne à la fois les particules et le gaz dans lequel elles se trouvent en suspension. La taille de ces particules peut s'étendre sur près de 6 ordres de grandeur, de 0,005 et 100 micromètres (1 micromètre µm = 0,001 millimètre) et leur composition chimique est très variable, ce qui en fait l'un des constituants les plus complexes de l'atmosphère.

Celles mesurant moins de 50 micromètres de diamètre (environ) ont une masse tellement faible que la gravité joue très peu sur elles : elles restent en suspension dans l’air ; on les nomme microparticules ou matières particulaires (Particulate Matter, PM) ; elles se comportent en fait comme des gaz. On appelle poussières les particules solides de dimensions et de provenances diverses pouvant rester un certain temps en suspension dans un gaz ; celles supérieures à environ 50 µm finissent par chuter par gravité, et on les qualifie alors de poussières sédimentables.

On peut donc classer les matières particulaires en différentes catégories :

celles comprises entre 10 et 50 micromètres. Elles nous intéressent peu, car elles sont retenues par les voies aériennes supérieures (nez, bouche) ;
les PM₁₀ : particules en suspension dans l’air, d’un diamètre inférieur à 10 micromètres. Entre 2,5 et 10 µm, elles sont appelées particules grossières. Elles sont dites “respirables” ou “inhalables” car elles pénètrent dans les bronches ;
les PM_2.5 : dont le diamètre est inférieur à 2,5 micromètres, appelées « particules fines ». En France, elles représentent environ 60 % des émissions de PM₁₀. Elles pénètrent dans les alvéoles pulmonaires, d’où leur surnom de particules” alvéolaires” ;
les PM_1,0 : dont le diamètre est inférieur à 1,0 micromètre, appelées « particules très fines ». En France, elles représentent environ 70 % des émissions de PM_2,5et donc 45 % des PM₁₀.
les PM_0,1 : dont le diamètre est inférieur à 0,1 micromètre, appelées « particules ultrafines » ou « nanoparticules ». Elles peuvent passer la barrière alvéolo-capillaire et se retrouver dans le sang.

La réglementation anti-pollution ne s’intéresse aujourd'hui qu’aux PM₁₀ et PM_2.5 (Pour les passionnés, voir ici)

L’origine des particules

La complexité des aérosols atmosphériques vient en grande partie du fait qu'il existe une multitude de sources et de procédés de formation, contrairement à la majorité des polluants gazeux.

Les aérosols atmosphériques ont 3 origines principales, illustrées ci-dessous : ils sont d'une part rejetés directement dans l'atmosphère, on parle alors d'aérosols primaires ; ils peuvent d'autre part résulter de transformations chimiques à partir des polluants gazeux présents dans l'atmosphère, ce sont les aérosols secondaires ; enfin, les aérosols qui se sont déposés au sol peuvent être remis en suspension.

Les mécanismes de formation

La distribution en taille des aérosols n’est pas homogène ; elle est liée aux mécanismes de formation, issus de 3 modes principaux :

le mode nucléation (ou Aitken), contient des particules ultrafines, de diamètre inférieur à 0.1 µm ; formées principalement par condensation de vapeurs chaudes au cours de procédés de combustion. Bien que le plus grand nombre de particules atmosphériques apparaissent dans le mode nucléation, ces particules contribuent peu à la masse totale de particules en raison de leur très petite taille.
le mode accumulation contient des particules de diamètre compris entre 0,1 et 2 µm résultant de la coagulation de particules du mode nucléation, ainsi que de la condensation de vapeurs sur les particules existantes, dont la taille augmente alors dans la gamme. Ces fines particules peuvent rester en suspension dans l'atmosphère pendant des jours voire des semaines. Ce mode contribue de façon majeure à la surface et à la masse totale des aérosols dans l'atmosphère.
le mode sédimentation ou grosses particules (ou coarse) contient des particules de plus de 2 µm, formées essentiellement par des procédés mécaniques tels que l'érosion éolienne, les embruns, les opérations de broyage dans l'industrie… Ces particules sont efficacement éliminées par déposition sous l'action de la gravité. Leur durée de vie est donc faible, de quelques heures à quelques jours. Elles contribuent peu à la concentration en nombre des particules, mais contribuent de façon notable à la masse.

formation de particules secondaires

La distribution des particules

On aboutit donc à cette distribution du nombre, de la surface et de la masse des particules :

Les PM₁₀ se distribuent donc schématiquement ainsi :

comprenant donc les PM_2,5 et les particules grossières :

Concentrations typiques

Voici d’ailleurs des concentrations typiques en aérosols :

En ville, on a donc typiquement environ 50 000 particules fines par cm³, et 50 grosses particules.

Dans une ville industrielle, l’air peut contenir plus de 3 millions de particules par cm³, dans une ville aux activités plus tertiaires autour de 50 000 alors qu’au-dessus de l’océan ou en montagne il n’y en a que quelques milliers, et dans un endroit exempt d’émission seulement 100 à 20 particules par cm³.

Voici la vitesse avec laquelle elles chutent en théorie :

En pratique, les particules ultrafines chutent plus vite, en particulier par accumulation et à cause du lessivage par les précipitations.

Les particules qui restent les plus longtemps dans l’atmosphère sont celles entre 0,1 µm et 1 µm ; elles retombent entre quelques jours et 1 à 2 mois.

Les particules primaires

Les particules primaires sont directement émises dans l'atmosphère, d'une part par les activités humaines, mais également par des sources naturelles.

La fraction grossière des particules primaires est essentiellement formée par des procédés mécaniques tels que l'érosion.

Les plus fines sont émises soit directement sous forme solide, soit sous forme de vapeurs qui condensent très rapidement pour former des particules ultrafines.

Les particules sont donc d'origines naturelle et humaine. Les particules d'origine naturelle proviennent principalement d'éruptions volcaniques et de l'érosion éolienne naturelle ou issues de l'avancée des déserts, les incendies et feux de végétation. Elles sont aussi constituées de formes vivantes microscopiques (bactéries, moisissures…), de pollens…

Les activités humaines en génèrent également d'importantes quantités – en augmentation nette depuis deux siècles. Les particules d'origine humaine sont souvent issues de combustions qui ne sont pas totales, telles que le chauffage (notamment au bois), la combustion de combustibles fossiles dans les véhicules, les centrales thermiques et de nombreux procédés industriels. Ces combustions imparfaites génèrent ce qu'on appelle des imbrûlés. Quand on voit la fumée sortir du cheminée, d'un pot d'échappement ou quand on recrache de la fumée de cigarettes, c'est parce qu'il y a énormément de particules, de plus ou moins petites tailles.

Les particules secondaires

Les particules secondaires ne sont jamais émises directement dans l'atmosphère. Elles ont une origine physico-chimique : elles résultent de la transformation des polluants gazeux présents dans l'atmosphère, tels que le dioxyde d'azote NO₂, le dioxyde de soufre (SO₂), l'ammoniac (NH₃) et les Composés Organiques Volatils (COV). Les vapeurs gazeuses émises dans l'atmosphère se condensent et forment des particules de très petite taille, qui grossissent par coagulation ou fixation de la vapeur d'eau.

Les trois espèces principales d'aérosols secondaires sont :

les sulfates, issus de l'oxydation du SO₂ en acide sulfurique (H₂SO₄) ; on distingue les sulfates marins (sea-sulphate) produit par les vagues, et les sulfates résultant de l'oxydation du SO₂ humain émis par l'industrie et les centrales thermiques (non-sea sulphates, nss-SO₄^2-).
les nitrates, (NO₃^–), résultant de l'oxydation du dioxyde d'azote NO₂ en acide nitrique (HNO₃). Cette réaction peut s'effectuer en phase gazeuse, le nitrate étant alors associé à l'ammonium (NH₄⁺). Elle peut aussi s'effectuer dans la fraction grossière lorsque le nitrate est associé à des sels marins (Na⁺) ou des poussières calcaires (Ca₂⁺).
les composés organiques secondaires, issus de réactions chimiques à partir des COV, émis par les sources humaines, mais aussi biogéniques.

Cette source de particules est difficile à quantifier car la génération des particules secondaires met en jeu des mécanismes complexes, mal connus qualitativement et quantitativement. Elle dépend des émissions des polluants gazeux précurseurs, mais aussi des conditions météorologiques. Elle constitue néanmoins une source importante de particules. Elle peut en particulier donner lieu à des transports continentaux de particules et contribuer fortement au nombre de dépassement de la valeur limite journalière. Il a ainsi été observé que la plupart des épisodes de pollution particulaire survenant en période hivernale et printanière étaient liés à une augmentation de la quantité de nitrates.

Les remises en suspension

Le temps de séjour des particules dans l'atmosphère dépend de leur taille. Par mouvement de convection, elles montent en altitude, où elles sont dispersées et diluées. Elles peuvent alors être transportées sur des distances d'autant plus longues que la particule est petite. Elles disparaissent ensuite soit par dépôt sec à la surface du sol et des végétaux, sous l'effet de la gravité, soit par dépôt humide, lors d'événements pluvieux ou neigeux.

Le dépôt sec, ou sédimentation, concerne essentiellement les particules les plus grosses (>5 µm), ainsi que celles proches de la surface, qui se redéposent rapidement (quelques heures). Elles voyagent donc sur des distances assez courtes, généralement inférieures à 500 kilomètres. Lors d'évènements particuliers tels que les tempêtes de sable, elles peuvent néanmoins être transportées sur plusieurs milliers de kilomètres, comme les poussières sahariennes que l'on retrouve parfois en Europe du Nord ou dans les Antilles.

Épisode de pollution transatlantique de sable en Guadeloupe et Martinique en juin 2013

En revanche, les particules fines peuvent rester en suspension dans l'atmosphère pendant plusieurs jours et être transportées en altitude sur de très longues distances.

Le dépôt humide est la principale voie d'élimination des particules, selon deux modes. Les fines particules servent de noyau de condensation sur lesquels se forment les gouttelettes de nuage. Lorsque ces gouttelettes grossissent suffisamment pour qu'il pleuve, les particules sont éliminées avec les précipitations. Lorsqu'il pleut, les gouttes d'eau entraînent également les particules les plus grosses.

Une fois déposées, les particules peuvent ensuite être remises en suspension sous l'action du vent. Dans certaines régions d'Europe marquées par un climat sec et venteux, comme le pourtour méditerranéen, la remise en suspension et le transport de poussières désertiques peuvent constituer une source importante de particules et contribuer sensiblement au nombre de dépassement de la valeur limite journalière.

En zone urbaine, la remise en suspension s'effectue également sous l'action du trafic routier et représente une source importante de particules à proximité d'axes routiers à fort trafic. Selon les études, il est ainsi estimé que la remise en suspension contribue de 20 à 50% aux émissions de particules spécifiquement liées au trafic routier.

Composition chimique des particules

La composition chimique des particules présente donc une très grande variabilité, qui dépend à la fois de la nature et de la proximité des sources d'émission, et également des transformations que les particules subissent dans l'atmosphère.

On définit deux grandes fractions de particules : la fraction inorganique (ou minérale) et la fraction organique.

La fraction minérale (souvent d’origine naturelle) est composée essentiellement de sulfates, de nitrates et d'ammonium. À cela s’ajoutent d’autres espèces, en général présentes en concentration plus faibles, comme certains métaux (plomb, arsenic, cadmium,…) et des sels (embruns marins, …).

En ce qui concerne la fraction organique, on distingue la fraction contenant du carbone élémentaire ou carbone suie (EC ou BC) et la fraction contenant du carbone organique (OC).

Le carbone élémentaire est constitué à quasiment 100% d’atomes de carbone et est chimiquement inerte. Il est majoritairement émis par l’homme au cours des processus de combustion. C'est sa couleur noire qui domine dans l'aérosol de pollution. La suie individuelle est émise sous forme d'une sphère de quelques dizaines de nanomètre, mais elle s'agrège très rapidement à d'autres suies pour former des chapelets de quelques micromètres de longueur. En moyenne, ce black carbon représente de 5 à 10 % de la masse de PM_2.5. Cette contribution peut aller jusqu'à 15 à 20 % sur les sites trafic.

Le cœur de l'aérosol, constitué de carbone élémentaire, est généralement entouré d'une pellicule composée d'un mélange complexe de composés organiques. Cette fraction de carbone organique (OC) est une matrice très complexe, constituée d’une multitude de composés différents appartenant aux grandes familles de la chimie organique que sont les alcanes, les acides carboxyliques, les alcools, les aldéhydes, les cétones, les esters, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les dioxines…, dont certaines sont très toxiques. Certaines espèces se fixent dès leur émission sur les particules, d'autres se forment suite à l'oxydation de précurseurs gazeux tels que les composés organiques volatils (COV).

Enfin, le terme Matière Organique Particulaire (MOP) désigne l'ensemble constitué par le carbone et les autres atomes constituant cette matière (oxygène, hydrogène, azote, soufre…). Cette matière organique particulaire a des origines plus diverses que le carbone élémentaire. Elle peut être d'origine anthropique, essentiellement formée lors des combustions incomplètes, soit directement à l'émission, soit par conversion des gaz présents dans les fumées. Elle peut également être constituée de particules biogéniques primaires, telles que des spores ou des pollens.

BC : carbone élémentaire ; MOP : matière organique particulaire ; COV : composés organiques volatils

Voici également la composition chimique des particules en fonction de leur taille :

Les PM₁₀ sont donc constituées de PM_2,5 et de particules grossières.

Les particules fines PM_2,5 se composent majoritairement d’espèces carbonées (carbone élémentaire et particules organiques) émises lors de combustions incomplètes, ainsi que de nitrates, d’ammonium et de sulfates, qui sont produits par réactions chimiques dans atmosphère.

Elles résultent pour la plupart d’entre elles d’activités polluantes (moteurs diesel, suies, transformation chimique des gaz polluants, déchets de la combustion). En effet, le carbone est un sous-produit des gaz d’échappement et des fumées d’usines car tout foyer où la combustion reste incomplète libère du carbone particulaire. Ainsi, les PM_2,5 sont principalement constituées :

des “particules diesel”. Les moteurs diesel émettent des nanoparticules toxiques d’un diamètre moyen de 0,1 µm, capables d’atteindre les alvéoles pulmonaires. Le diesel dégage une pollution spécifique, visible, des fumées noires et des suies constituées de particules de carbone et imprégnées de diverses substances, en particulier d’hydrocarbures ;
d’autres particules liées au trafic, comme l’usure de la chaussée, des pneumatiques, des garnitures de frein et d’embrayage… ;
des particules de soufre. Ce sont souvent des particules secondaires issues de transformations des particules primaires, comme les sulfates, les nitrates et l’acide sulfurique. Les particules reliées aux oxydes de soufre et d’azote sont extrêmement hygroscopiques c’est-à-dire qu’elles ont une affinité avec l’eau. Elles fixent des molécules gazeuses dangereuses et assurent la formation de brume – comme pour les brouillards toxiques de Londres ou de Los Angeles, appelés smogs (de smoke, “fumée”, et fog, “brouillard”) ;
des composés organiques comme les hydrocarbures HAP, substances mutagènes et cancérigènes ;
des métaux lourds.

Il est également à noter que, hélas, les particules sont de plus en plus petites, notamment du fait des évolutions des moteurs automobiles et des nanotechnologies.

Les particules grossières (entre 2,5 µm et 10 µm) majoritairement constituées de sels de mer, de poussières minérales et dans une moindre mesure de matières organiques. Elles sont principalement produites par des procédés mécaniques (abrasion, chantiers, agriculture, remises en suspension de particules déposées au sol…).

Un cas extrême pour les sels de mer : la composition de particules d’embruns à la Réunion

Soulignons enfin qu’un des composant les plus dangereux pour la santé des PM_2,5 est le carbone suie (ou Black Carbon, BC). Ces particules de carbones mesurent moins de 1 micromètre, représentent 30 % des émissions de PM_1,0 et sont issues des moteurs à combustion (diesel essentiellement), la combustion résidentielle de bois, des centrales électriques, de l’utilisation du fioul lourd et du charbon… Contrairement aux autres particules, qui ont des origines très diverses, le carbone suie est 100 % primaire et essentiellement lié à la pollution du trafic routier local (lire ici). On définit également les microsuies, qui mesurent de 0,05 à 0,1 micromètres et elles sont émises par la combustion du fioul léger (moteurs diesel, chauffage domestique), de l’essence, du kérosène et du gaz. Elles sont essentiellement carbonées, mais peuvent contenir du soufre si le combustible dont elles sont issues en contient (fioul léger, par exemple). Elles pénètrent donc très profondément dans le corps humain. Leur légèreté fait qu’elles contaminent les plus hautes couches atmosphériques et sont donc responsables d’une pollution globale. (Pour les passionnés lire ici). Pour les effets sur la santé, lire ici.

Ratio entre la pollution de proximité et la pollution de fond (indépendanet du trafic) pour les PM₁₀ et le carbone suie

Visualisation de particules

Terminons par la visualisation de certaines de ces particules au microscope :

Particule de suie issue du diesel

Particules de suie

Cette photo montre une image d’un filtre à particules placé le long d’une route par un microscope électronique. Les suies de diesel (en gris sur l’image) sont présentes de manière prédominante sur le filtre. Les particules indiquées en bleu sur l’image sont des poussières de combustion, les particules colorées en rose sont d’origine minérale et les cristaux, en vert, sont des sels.