La pollution atmosphérique et sa surveillance

Dans cet article, on illustrera les principaux polluants à surveiller pour évaluer la qualité de l’air extérieur (c’est-à-dire à l’extérieur, car pour évaluer la qualité de l’air intérieur, il faut en ajouter d’autres) avec le « bricolage », une opération qui peut consister, par exemple, à rejoindre un réseau de comptage collaboratif en achetant la boîte de capteur correspondant ou à construire une petite station de mesure fixe ou mobile.

Disons tout de suite qu’il faut distinguer les deux grandes catégories de polluants atmosphériques, qui sont les particules et les gaz. Aux premiers appartiennent les fameuses particules (PM10), les PM2,5 et une fraction appelée carbone noir. Le second est principalement le dioxyde d’azote (NO2), le dioxyde de soufre (SO2), le monoxyde de carbone (CO), l’ozone troposphérique (O3).

Au minimum, un des polluants de chaque catégorie devrait être surveillé. Si nous ne devions choisir que deux polluants à surveiller, le choix se porterait sur les PM2,5 (ou PM10) et le dioxyde d’azote ; si nous ne devions en choisir qu’un, alors les PM2,5 (ou PM10). En fait, les particules fines constituent la classe de polluants la plus dangereuse pour la santé humaine parmi celles qui sont répertoriées.

Ce n’est donc pas une coïncidence si de nombreux pays du monde entier surveillent les particules (PM), le dioxyde d’azote (NO2), le dioxyde de soufre (SO2), le monoxyde de carbone (CO) et l’ozone troposphérique (O3), en calculant des indices de qualité de l’air pour ces polluants. L’indice américain de la qualité de l’air, par exemple, est basé sur les cinq polluants réglementés par le Clean Air Act américain.

L’indice européen de qualité de l’air est également basé sur les 3 polluants d’intérêt majeur en Europe : les particules (PM10), le dioxyde d’azote (NO2), l’ozone troposphérique (O3). Et il pourra bientôt prendre en compte 3 polluants supplémentaires : le monoxyde de carbone (CO), les particules fines (PM2,5) et le dioxyde de soufre (SO2).

L’indice italien de la qualité de l’air, disponible sur la plate-forme informatique en ligne MonIQA, mesure la concentration des polluants suivants pris en compte : particules fines (PM10), particules fines (PM2,5), dioxyde d’azote (NO2), monoxyde d’azote (NO), ozone (O3), monoxyde de carbone (CO), dioxyde de soufre (NO2) et benzène (N6H6). En pratique, il y a aussi le monoxyde d’azote et le benzène. Les limites de référence prévues par la législation italienne (décret législatif 155/2010). C’est pourquoi, il est important de surveiller tous ces polluants.

PM10 (ou poussière fine)

PM est synonyme de matière particulaire, le terme désignant un mélange de particules solides et de gouttelettes liquides présentes dans l’air. Certaines particules, comme la poussière, la saleté, la suie ou la fumée, sont suffisamment grosses ou sombres pour être visibles à l’œil nu. Les PM10, en particulier, sont constituées de particules inhalables d’un diamètre inférieur à 10 micromètres (un cheveu humain a un diamètre d’environ 70 micromètres).

Les PM10, également appelées particules, comprennent généralement des particules de tailles et de formes diverses, qui peuvent être composées de centaines de produits chimiques différents. Certaines sont émises directement à partir d’une source, comme les chantiers de construction, les routes non pavées, les cheminées de diverses usines ou les incendies, tandis que la plupart des particules se forment dans l’atmosphère à la suite de réactions complexes de produits chimiques tels que le dioxyde de soufre, les oxydes d’azote, l’ammoniac ou les COV.

Les constituants chimiques courants des PM10 comprennent les sulfates, les nitrates, l’ammonium, d’autres ions inorganiques, tels que les ions sodium, potassium, calcium, magnésium et chlore, le carbone organique et élémentaire, la matière crustale, l’eau liée aux particules, les métaux (dont le cadmium, le cuivre, le nickel, le vanadium et le zinc) et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Il contient également des composants tels que des allergènes et des composés microbiens.

Les particules contiennent des solides microscopiques ou des gouttelettes de liquide si petites qu’elles peuvent être inhalées et causent de graves problèmes de santé. Cependant, toutes les particules PM10 ne sont pas les mêmes du point de vue des dommages. Les plus dangereux sont ceux qui transportent des métaux lourds (ou d’autres substances cancérigènes), qui provoquent des cancers du poumon et d’autres maladies pulmonaires très graves (ces dernières surtout chez les enfants et les personnes âgées), des tumeurs « rares ».

PM2,5 (ou particules fines)

Les PM2,5, ou particules fines, sont des particules inhalables d’un diamètre inférieur à 2,5 micromètres, qui sont beaucoup plus dangereuses que les PM10. Les PM 2,5 comprennent également des particules ultrafines, c’est-à-dire des particules d’un diamètre inférieur à 0,1 μm, qui peuvent rester dans l’atmosphère pendant des semaines et parcourir de longues distances. Dans la plupart des endroits en Europe, les PM2,5 constituent 50 à 70 du PM10.

Plus la taille des particules qui la composent est petite, plus elle est dangereuse, car ces particules peuvent pénétrer profondément dans les poumons et certaines peuvent entrer directement dans la circulation sanguine. Pour chaque augmentation de 10 μg/mc de l’exposition annuelle aux PM2,5, la mortalité à long terme pour toutes les maladies, les maladies cardiopulmonaires et le cancer du poumon augmente d’environ 4 %, 6 % et 8 % respectivement.

Les particules fines d’origine artificielle proviennent des voitures et des camions, des usines, des centrales électriques, des incinérateurs, des moteurs, des chaudières, c’est-à-dire de tout ce qui brûle des combustibles fossiles, comme le charbon ou le gaz naturel, ou de la biomasse. Les fumées d’ammoniac et les engrais riches en azote utilisés dans l’agriculture se mélangent également aux émissions industrielles pour former des particules fines souvent sous-estimées, qui ne peuvent être détectées séparément qu’à l’aide d’un microscope électronique.

Enfin, on peut imaginer les conséquences que les particules qui, en plus d’être ultrafines, sont composées des métaux lourds ou d’autres substances cancérigènes peuvent provoquer chez l’homme. Par exemple, celles produites par le traitement à haute température des déchets solides municipaux (même si ce n’est que de leur « partie humide ») contiennent toujours de très faibles quantités de métaux lourds, de substances cancérigènes même si elles sont inhalées, et pas seulement si elles sont prises avec de la nourriture ou de l’eau.

Noir de carbone

Chimiquement, le noir de carbone (BC), ou noir de carbone, est un composant des particules fines (c’est-à-dire des PM ≤ 2,5 μm). Il est constitué de carbone pur sous plusieurs formes apparentées. Elle se forme par la combustion incomplète de combustibles fossiles, de biocarburants et de biomasse, et est émise dans la suie. Curieusement, la fumée ou la suie a été l’un des premiers polluants à être reconnu comme ayant un impact environnemental important, mais l’un des derniers à être étudié par la communauté des chercheurs contemporains sur la pollution de l’air. La suie est composée d’un mélange complexe de composés organiques et le carbone noir est le composant de la suie qui est le principal responsable de son absorption de la lumière visible.

Le carbone noir entraîne une augmentation des maladies et de la mortalité prématurée. Elle a attiré l’attention de la communauté scientifique sur la qualité de l’air en raison des preuves de sa contribution aux effets néfastes sur la santé et le climat. De nombreux composants des particules liées au carbone noir sont actuellement considérés comme responsables d’importants effets sur la santé humaine.

C’est le cas, par exemple, des substances organiques telles que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), connus comme cancérigènes et directement toxiques pour les cellules, ainsi que les métaux et les sels inorganiques. Récemment, les gaz d’échappement des moteurs diesel (composés principalement de particules) ont été classés comme cancérigènes pour l’homme par le Centre international de recherche sur le cancer (AIRC). Cette liste comprend également certains HAP et les expositions connexes, ainsi que l’utilisation domestique de combustibles solides.

Dioxyde d’azote (NO2)

Le dioxyde d’azote (NO2) fait partie d’un groupe de gaz appelés oxyde d’azote (NOx). Bien que tous ces gaz soient nocifs pour la santé humaine et l’environnement, le NO2 est le plus préoccupant. Les autres oxydes d’azote sont l’acide nitreux et l’acide nitrique. Le NO2 est utilisé comme indicateur pour l’ensemble du groupe. En général, les oxydes d’azote (NOx) sont produits par tous les processus de combustion à haute température (systèmes de chauffage, moteurs de véhicules, combustion industrielle, centrales électriques, installations de biogaz ou de biomasse), par l’oxydation de l’azote atmosphérique et, dans une faible mesure, des composés azotés contenus dans les combustibles. Le dioxyde d’azote est principalement un polluant secondaire, qui se forme dans l’atmosphère principalement par l’oxydation du monoxyde d’azote (NO).

Respirer de l’air contenant une forte concentration de NO2 peut irriter les voies respiratoires de l’homme. Ces expositions de courte durée peuvent aggraver les maladies respiratoires, en particulier l’asthme, et entraîner des symptômes respiratoires (tels que toux, respiration sifflante ou difficultés respiratoires), des hospitalisations et des visites aux urgences. Des expositions plus longues à des concentrations élevées de NO2 peuvent contribuer au développement de l’asthme et potentiellement d’autres maladies respiratoires graves.

Le NO2, avec d’autres NOx, réagit avec d’autres produits chimiques présents dans l’air pour former à la fois des particules (PM) et de l’ozone (O3), tous deux nocifs s’ils sont inhalés en raison de leurs effets sur le système respiratoire. En outre, le NO2 et les autres NOx interagissent avec l’eau, l’oxygène et d’autres produits chimiques présents dans l’atmosphère pour former des pluies acides, qui endommagent les écosystèmes tels que les lacs et les forêts. Enfin, les particules de nitrate résultant des NOx rendent l’air nébuleux et difficile à voir à travers.

Dioxyde de soufre (SO2)

Le dioxyde de soufre (SO2) fait partie d’un groupe de gaz appelé oxyde de soufre (SOx). Bien que tous ces gaz soient nocifs pour la santé humaine et l’environnement, le SO2 est le plus préoccupant. D’autres SOx gazeux (tels que le SO3) se trouvent dans l’atmosphère à des concentrations bien inférieures à celles du SO2. Les principales sources d’émissions de SO2 proviennent de la combustion de combustibles fossiles dans les centrales électriques et autres installations industrielles. Les sources d’émissions plus petites comprennent : les processus industriels tels que l’extraction de métaux à partir de minéraux ; les sources naturelles telles que les volcans ; et les locomotives, les grands navires et autres véhicules et équipements lourds qui brûlent du carburant à haute teneur en soufre.

Les émissions de SO2 entraînant de fortes concentrations de ce gaz dans l’air conduisent généralement aussi à la formation d’autres oxydes de soufre (SOx). À des concentrations élevées, le SOx gazeux peut endommager les arbres et les plantes en affectant les feuilles et en diminuant la croissance. Le SO2 et d’autres oxydes de soufre peuvent contribuer aux pluies acides, qui peuvent endommager les écosystèmes et les monuments sensibles.

Les expositions de courte durée au SO2 peuvent endommager le système respiratoire humain et rendre la respiration difficile, en particulier chez les enfants, les personnes âgées et les asthmatiques. Les SOx peuvent également réagir avec d’autres composés dans l’atmosphère pour former de petites particules (PM), qui peuvent pénétrer profondément dans les parties sensibles des poumons et causer des problèmes de santé supplémentaires.

Ozone au niveau du sol (O3)

La molécule d’ozone (O3) est nuisible à la qualité de l’air en dehors de la couche stratosphérique. L’ozone troposphérique, ou « mauvais » ozone, n’est pas émis directement dans l’air, mais est un polluant secondaire créé par des réactions chimiques entre les oxydes d’azote (NOx) et les composés organiques volatils (COV) en présence de la lumière du soleil : c’est le principal produit du « smog photochimique ».

Les émissions des centrales industrielles et électriques, les gaz d’échappement des véhicules, les chaudières industrielles, les raffineries, les usines chimiques, les vapeurs d’essence et les solvants chimiques ne sont que quelques-unes des principales sources de NOx et de COV, les principaux polluants qui produisent cet ozone troposphérique, qui est nocif en raison de ses effets sur les personnes et l’environnement.

L’ozone de basse altitude est plus susceptible d’atteindre des niveaux malsains lors des journées chaudes et ensoleillées en milieu urbain, donc particulièrement en été, mais peut encore atteindre des niveaux élevés pendant les mois plus froids. L’ozone peut également être transporté sur de longues distances par le vent, de sorte que même les zones rurales peuvent connaître des niveaux d’ozone élevés. L’ozone troposphérique peut avoir des effets néfastes sur la végétation pendant la saison de croissance et sur les écosystèmes sensibles.

L’ozone inhalé par l’homme peut déclencher toute une série de problèmes de santé, en particulier chez les enfants, les personnes âgées et les personnes de tous âges qui souffrent de maladies pulmonaires comme l’asthme, ainsi que chez les personnes qui sont actives en plein air, notamment les travailleurs. En pratique, elle provoque des douleurs thoraciques, de la toux, une irritation de la gorge et une inflammation des voies respiratoires. En outre, elle peut réduire la fonction pulmonaire et endommager les tissus pulmonaires. L’ozone peut aggraver la bronchite, l’emphysème et l’asthme.

Monoxyde de carbone (CO)

Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz incolore et inodore qui peut être nocif s’il est inhalé en grande quantité. Il est libéré lorsque quelque chose est brûlée. Les principales sources de monoxyde de carbone pour l’air extérieur sont les voitures, les camions et autres véhicules ou machines qui brûlent des combustibles fossiles. Il y a aussi une variété d’appareils dans la maison, tels que les poêles à kérosène, les chaudières à gaz non ventilées, les cheminées qui fuient, libèrent du monoxyde de carbone et peuvent affecter la qualité de l’air intérieur. Parfois, lors des froides nuits d’hiver, l’utilisation inappropriée de systèmes de chauffage artisanaux ou improvisés qui libèrent ce gaz est à l’origine d’accidents mortels.

En fait, respirer de l’air contenant une forte concentration de monoxyde de carbone réduit la quantité d’oxygène qui peut être transportée dans le sang vers des organes critiques tels que le cœur et le cerveau. À des niveaux très élevés, possibles uniquement à l’intérieur ou dans d’autres environnements intérieurs, le monoxyde de carbone peut provoquer des étourdissements, de la confusion, une perte de conscience et même la mort.

Toutefois, lorsque les niveaux de monoxyde de carbone sont élevés à l’extérieur, ils peuvent présenter un intérêt particulier pour les personnes souffrant de certains types de maladies cardiaques. Ces personnes ont déjà une capacité réduite à avoir du sang oxygéné dans leur cœur dans des situations où le cœur a besoin de plus d’oxygène que d’habitude. Pendant l’exercice ou en cas de stress, une exposition de courte durée à un taux élevé de monoxyde de carbone peut donc leur causer des douleurs thoraciques appelées angines.

Benzène (C6H6)

Le benzène (C6H6) est présent dans l’air en raison des émissions provenant de la combustion du charbon et du pétrole, des stations-service et des gaz d’échappement des moteurs de véhicules. Le benzène est utilisé comme constituant des carburants, comme solvant pour les graisses, les cires, les résines, les huiles, les encres, les peintures, les plastiques et le caoutchouc, dans l’extraction des huiles de graines et de noix et dans l’impression photographique.

Le benzène est également utilisé dans la fabrication de détergents, d’explosifs, de produits pharmaceutiques et de colorants. Les personnes employées dans les industries qui produisent ou utilisent du benzène peuvent être exposées à des niveaux plus élevés de benzène. La fumée de tabac contient du benzène et, aux États-Unis, elle représente près de la moitié de l’exposition nationale au benzène. En Italie, les véhicules et la circulation sont les principaux contributeurs.

L’exposition aiguë (à court terme) au benzène par inhalation humaine peut provoquer de la somnolence, des vertiges, des maux de tête, une irritation des yeux, de la peau et des voies respiratoires et, à des niveaux élevés, une perte de conscience. L’exposition chronique (à long terme) par inhalation provoque divers troubles sanguins, notamment un faible nombre de globules rouges et une anémie aplastique, dans les milieux professionnels.

Des effets sur le système reproducteur ont été signalés chez les femmes exposées à des niveaux élevés d’inhalation et des effets néfastes sur le développement du fœtus ont été observés lors des essais sur les animaux. Une incidence accrue de la leucémie (cancer des tissus formant des globules blancs) a été observée chez les humains exposés professionnellement au benzène. L’Agence américaine pour la protection de l’environnement (EPA) a classé le benzène comme un cancérigène humain connu pour toutes les voies d’exposition.

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