Le carbone dans l’air

1. Le carbone dans l’air Un thème de travail pour les sciences expérimentales et l’éducation à l’environnement pour un développement durable dans l’académie de Lyon

2. Le carbone dans l’air L’air est un mélange de gaz dans lequel le carbone est souvent passé sous silence. L’air contient cependant du dioxyde de carbone, du méthane. D’autres gaz sont également présents : le monoxyde de carbone, les chlorofluorocarbones, … Le méthane est le com-posant principal du gaz naturel. C'est le principal constituant du biogaz issu de la fermentation de matières organiques ani-males ou végétales en l'absence d'oxygène. Il est fabriqué par des bactéries qui vivent dans des milieux anaérobies c'est-à-dire sans oxygène. Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz extrême-ment toxique, émis lors d’une mau-vaise combustion. Invisible et ino-dore, il est très difficile à détecter. Site atmo Les CFC (composés non naturels, organo chlorés CF2Cl2, CFCl3, CCl4, CH3Cl, CH3Cl3…) responsables de la destruction de l’ozone stratosphérique. http://fr.ekopedia.org/Air

3. Le carbone dans l’air Le carbone est également présent dans les aérosols contenant des particules solides en suspension (PES) - des suies par exemple - et des liquides (hydrocarbures par exemple). Les particules en suspension constituent un ensemble très hétérogène, compte tenu de la diversité de leur composition, de leur état et de leur taille (de 0,005 à 100 µm). Alors que les grosses particules se déposent rapidement sous l’effet de leurs poids, les petites particules restent en suspension dans l’air, leur vitesse de chute résultant d’un équilibre entre l’action du champ de pesanteur terrestre ou de la force électrique qui agit sur elles, et la résistance du milieu. Les particules de diamètre inférieur ou égal à 10 µm, appelées PM10, peuvent rester en suspension dans l’air pendant des jours, voire des semaines, et être transportées par les vents sur de très longues distances. Les gaz contenant du carbone Un aérosol est un ensemble de particules, solides ou liquides, en suspension dans un milieu gazeux. Les aérosols véhiculent de nombreuses substances telles que les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques, les métaux, le dioxyde de soufre...

4. Le carbone dans l’air On retiendra deux produits : à l’état gazeux, le dioxyde de carbone et à l’état solide, sans que la composition précisée soit prise en compte, les PES. A l’horizon 2015, près de 4 milliards d’individus vivront en zone urbaine (près des 2/3 de la population mondiale). Ce développement spectaculaire de la population citadine va toute fois présenter de fortes disparités à l’échelle du globe ; avec une augmentation quasi nulle pour les pays développés et une augmentation de plus d’un milliard d’individus en Asie ; 300 millions en Afrique. La zone urbaine sera alors responsable de près de 80% des émissions de CO2 dans l’atmosphère et constituera donc la principale source anthropique responsable du réchauffement climatique. L’étude de la composition chimique de l’atmosphère en zones urbaines - qui relevait encore récemment uniquement du domaine de la qualité de l’air - a donc maintenant pris une autre dimension. Il est maintenant avéré que les mégapoles qui représentent un point source très dense, peuvent avoir un impact chimique et climatique régional voire à plus grande échelle. D’après thèse - CEA Les gaz contenant du carbone Pollution atmosphérique au dessus de Paris Incinération d’ordures (Vitry) Les aérosols

5. Le carbone dans l’air On retiendra deux produits : à l’état gazeux, le dioxyde de carbone et à l’état solide, sans que leur composition précise soit prise en compte, les PES. La production Les effets environnementaux Les origines La consommation Les effets environnementaux L’évolution Quels travaux des élèves ?

6. La production Le dioxyde de carbone La respiration, la fermentation : le dioxyde de carbone est issu de la dégradation des molécules organiques par le métabolisme animal et végétal dans le but de produire de l’énergie. Respiration de graines en germination Décomposition d’une souche Respiration d’un arbre Respiration de petits animaux  Il est possible de mesurer dans le sol des concentrations en CO2 pouvant atteindre des valeurs supérieures à 10000 ppm, c'est à dire 25 fois la concentration en CO2 atmosphérique. Ce CO2 provient de la respiration des racines, et de la respiration ou de fermentations de micro-organismes. Site SVT Aix Marseille

7. La production Le dioxyde de carbone La respiration, la fermentation : le dioxyde de carbone est issu de la dégradation des molécules organiques par le métabolisme animal et végétal dans le but de produire de l’énergie. La précipitation des carbonates : Stalactites, grotte, parc Yosemite,USA La production de dioxyde de carbone par les océans : selon les conditions de température, de pression, l’océan relargue dans l’atmosphère du dioxyde de carbone selon la réaction de précipitation des carbonates. Le CaCO3 qui précipite est utilisé notamment par les organismes à coquille. cascade pétrifiante, vallée de l’Eygues (26) 2 HCO3- + Ca++→CO2 + H2O + CaCO3 le carbonate de calcium précipite par départ de CO2. Ce phénomène se produit en particulier au niveau de la cascade, où l’agitation de l’eau et son mélange avec l’air la mettent en équilibre avec l’atmosphère. Dans les grottes, par dégazage et évaporation de l’eau, le carbonate de calcium précipite et le CO2 s’échappe.

8. La production Le dioxyde de carbone La respiration, la fermentation : le dioxyde de carbone est issu de la dégradation des molécules organiques par le métabolisme animal et végétal dans le but de produire de l’énergie. La précipitation des carbonates : le carbonate de calcium précipite par départ de CO2. Ce phénomène se produit en particulier au niveau de la cascade, où l’agitation de l’eau et son mélange avec l’air la mettent en équilibre avec l’atmosphère. Dans les grottes, par dégazage et évaporation de l’eau, le carbonate de calcium précipite et le CO2 s’échappe. La production de dioxyde de carbone par les océans : selon les conditions de température, de pression, l’océan relargue dans l’atmosphère du dioxyde de carbone selon la réaction de précipitation des carbonates. Le CaCO3 qui précipite est utilisé notamment par les organismes à coquille. Le volcanisme : le dégazage de la lave émet dans l’atmosphère de très grandes quantités de dioxyde de carbone. Par exemple, les trapps du Decan en Inde formés il y a 65 Ma ont atteint une surface de 3.106 km3 ce qui a formé environ 1,6 x 1018 moles de CO2; un taux de CO2 atmosphérique de 1050 ppm (soit 3 fois la teneur actuelle) a été atteint et s'est accompagné d'un rapide réchauffement de la Terre (+ 4 °C). Deux exemples actuels : Sous la coulée de lave du volcan (le Petit Puy de Dôme), de nombreuses sources de gaz carbonique alimentent en permanence le fond de la grotte où s’étend une nappe de dioxyde de carbone (le petit Puy de Dôme est « éteint » depuis 43 500 ans). En août 1986, le lac Nyos (Cameroun), à l’occasion d’un léger séisme, a libéré brutalement un km3 de dioxyde de carbone (d’origine volcanique) provoquant la mort de 1790 personnes et de tous les troupeaux de la vallée. Le lac Nyos La Grotte du Chien

9. La production Le dioxyde de carbone La respiration, la fermentation La précipitation des carbonates La précipitation des carbonates : La production de dioxyde de carbone par les océans Le volcanisme toute combustion, d’herbes, de bois, de pétrole, d’essence, d’ordure ainsi que les productions industrielles (acier, ciment,..) …produit de toute façon du dioxyde de carbone (et de l’eau) – sans parler de tous les produits annexes, toxiques (SO2, NOX, dioxines,…). La combustion : La production de dioxyde de carbone par les océans : 1 t de ciment = 1 t de CO2 1 m3 brûlé produit 1,5 t de CO2 Le volcanisme : Les incinérateurs les cimenteries, l’industrie Les feux de forêt 259.106 t/an 310 g/voiture.km-1 Les foyers des cheminées La circulation Les poids lourds

10. La production Le dioxyde de carbone …………………….. 60 milliards de tonnes.an-1 de C La respiration, la fermentation La précipitation des carbonates …90 milliards de tonnes.an-1 de C La production de dioxyde de carbone par les océans Le volcanisme …………………………………...6 milliards de tonnes tonnes.an-1 de C La combustion Quantité de carbone dans les réservoirs Valeurs en Gt (109 tonnes) Combustibles fossiles : 4000 Gt Eaux marines profondes : 38000 Gt Eaux de surface: 1000 Gt Roches carbonatées : 65.105 Gt Ecosystèmes terrestres : 2200 Gt Atmosphère : 750 Gt EMISSIONS PAR SECTEUR D'ACTIVITE EN TONNES * 83 établissements émettent plus de 10 000 t.an-1 de CO2 en Rhône-Alpes, soit 98 % des émissions des 223 sites soumis à TGAP* Air (8,1 Mt de CO2 en 2000). Les 21 émetteurs au-dessus de 100 kt.an-1 représentent 72 % du total. Transports routiers en France : 350.106 tonnes de dioxyde de carbone par an *TGAP: Taxe générale sur les activités polluantes http://www.rhone-alpes.drire.gouv.fr/environnement/portailenvironnement/BEI2002/air/emissions.html

11. La production Le dioxyde de carbone Les 20 plus gros producteurs de dioxyde de carbone dans la région Rhône Alpes

12. Les effets environnementaux Le dioxyde de carbone Le dioxyde de carbone n’est pas un polluant mais un gaz atmosphérique naturel. La teneur, très faible de 0,03% est cependant en train d’augmenter (0,038% aujourd’hui, en moyenne). Cette augmentation peut induire des modifications importantes du climat de notre planète car le dioxyde de carbone est un gaz dit « à effet de serre ». Les gaz à effet de serre : les CFC, le méthane, le dioxyde de carbone, l’ozone , la vapeur d’eau … C’est cette dernière qui produit l’effet de serre le plus important. L’effet de serre a une importance capitale : il rend la Terre habitable, en réchauffant sa surface (T°moyenne de 13°C au lieu de -20° sans atmosphère). Le rayonnement qui nous parvient du soleil (surface 6000°K) est constitué de 40% de l’énergie dans le domaine visible, c'est-à-dire dans une gamme de longueur d'onde allant de 0,3 µm (violet-bleu) à 0,7 µm (rouge). Cependant, une énergie importante existe après le rouge (infra-rouge) qui représente 50% du rayonnement émis par le soleil. Les 10% restant du rayonnement solaire total sont émis à l'opposé du domaine visible, à des longueurs d'onde plus petites que celles du violet (l'ultra violet). La Terre photographiée en IR, canal vapeur d’eau Un corps à température ambiante émet un rayonnement très différent du soleil : la quasi-totalité est dans l’IR (4µm à 50µm). La Terre réemet l’énergie reçue essentiellement sous forme d’infra-rouge. Si un gaz atmosphérique absorbe les rayonnements dans cette gamme, il réemet cette énergie dans l’atmosphère et contribue à son échauffement.

13. Les effets environnementaux Le dioxyde de carbone Effet de serre modeste mais la teneur en CO2 augmente très vite Effet de serre très fort mais peu de méthane VAPEUR D’EAU METHANE DIOXYDE DE CARBONE Effet de serre très fort : la Terre est habitable Zone d’énergie maximale du rayonnement pics d’absorption

14. L’évolution Le dioxyde de carbone Les modifications du taux de CO2 des 600000 dernières années : l’analyse des bulles d’air contenues dans la glace carottée dans des stations antarctiques permet de donner le taux de dioxyde de carbone passé et d’évaluer les paléotempératures. Stockage des carottes de glace Extraction d’une carotte Un accord franco-italien signé en 1993 a permis la réalisation d'une nouvelle station permanente en Antarctique, édifiée sur le site du Dôme C.Alors que 44 bases se répartissent sur le pourtour du continent antarctique, Concordia est une des trois bases permanentes implantées à l'intérieur du continent. L’épaisseur du dôme de glace est ici de 3309± 22 m; le forage réalisé a été fait sur 3190 m. CONCORDIA Photographies : L.Augustin. Site Planete Terre

15. L’évolution Le dioxyde de carbone Le taux de dioxyde de carbone durant les 400000 dernières années : des variations cycliques correspondant à des périodes froides et des périodes plus chaudes (glaciaires et interglaciaires) Le taux de dioxyde de carbone durant les mille dernières années : une augmentation brutale (80 ppm en 2 siècles) à comparer à une même augmentation sur 50000 ans pour sortir d’une glaciation et une augmentation dans l’absolu (plus de 360 ppm au lieu de 280). Site ENS-planète Terre D’après doc Gilles DELAYGUE

16. L’évolution Le dioxyde de carbone Le taux de dioxyde de carbone durant les 400000 dernières années : des variations cycliques correspondant à des périodes froides et des périodes plus chaudes (glaciaires et interglaciaires) Le taux de dioxyde de carbone durant les mille dernières années : une augmentation brutale (80 ppm en 2 siècles) à comparer à une même augmentation sur 50000 ans pour sortir d’une glaciation et une augmentation dans l’absolu (plus de 360 ppm au lieu de 280). Le taux de dioxyde de carbone dans le passé lointain : le taux de dioxyde de carbone a varié dans le passé mais c’est la première fois qu’il augmente aussi vite, pratiquement instantanément à l’échelle de l’ère quaternaire. Les effets climatiques dus à l’effet de serre, les effets physiques dus à sa dissolution dans les océans et les effets biologiques sur les végétaux chlorophylliens sont en cours et difficiles à modéliser. RCO2 = Sur la figure, RCO2 représente le rapport entre la valeur de CO2 estimée et 300 ppm. diminution liée à l’installation des végétaux terrestres climat très chaud au secondaire fin du Crétacé : 600 à 900 ppm Pierre Thomas, ENS, d’après Berner, Science, 1997.

17. L’évolution Le dioxyde de carbone Le taux de dioxyde de carbone durant les 400000 dernières années : des variations cycliques correspondant à des périodes froides et des périodes plus chaudes (glaciaires et interglaciaires) Le taux de dioxyde de carbone durant les mille dernières années : une augmentation brutale (80 ppm en 2 siècles) à comparer à une même augmentation sur 50000 ans pour sortir d’une glaciation et une augmentation dans l’absolu (plus de 360 ppm au lieu de 280). Le taux de dioxyde de carbone dans le passé lointain : le taux de dioxyde de carbone a varié dans le passé mais c’est la première fois qu’il augmente aussi vite, pratiquement instantanément à l’échelle de l’ère quaternaire. Les effets climatiques dus à l’effet de serre, les effets physiques dus à sa dissolution dans les océans et les effets biologiques sur les végétaux chlorophylliens sont en cours et difficiles à modéliser. L’évolution future du dioxyde de carbone, des scénarios calculés : Dans tous les cas, la Terre se réchauffe : de 2,5 à 3,5°C dans le cas d’un scénario A1B, et de 1,5 à 2,3°C dans le cas d’un scénario B1. De plus de 5° si on ne fait rien. Certains scénarios privilégient une croissance démographique et économique rapide (scénarios de type A), d’autres considèrent que des mesures environnementales vont être prises (scénarios de type B). Entre le scénario le plus pessimiste, A2 (« on ne fait rien ») et le plus optimiste, B1 (« on met en œuvre des mesures draconiennes contre les émissions de gaz à effet de serre »), plusieurs modèles ont été testés. En 2100, la concentration en CO2 est respectivement de 550 ppm pour le scénario B1, 700 ppm pour le scénario A1B et 840 ppm pour le scénario A2. Dans tous les cas, la Terre se réchauffe : de 2,5 à 3,5°C dans le cas d’un scénario A1B, et de 1,5 à 2,3°C dans le cas d’un scénario B1.

18. La consommation Le dioxyde de carbone L’activité photosynthétique: les végétaux verts consomment – à la lumière - du dioxyde de carbone pour synthétiser leur matière organique ; le phytoplancton marin, les forêts sont les plus gros consommateurs. Hêtraie Algues du phytoplancton Traînée de phytoplancton • la "production" d'une tonne de bois absorbe 1,5 tonne de dioxyde de carbone, • un hectare de forêt consomme 22 tonnes de CO2.an-1, • une poutre en bois de 7m50 a permis l’absorption de 101 tonnes de CO2, • une forêt en croissance stocke efficacement du CO2 , • le bilan annuel d'une forêt en équilibre en terme d'absorption de CO2 est très faible car la fixation de CO2 par photosynthèse est presque exactement compensée par les rejets de CO2 dus à la respiration, aux processus de décomposition de la matière organique (micro-organismes, champignons, insectes…) , • c'est pendant la phase de croissance qu'une forêt reconstitue son stock de biomasse. Grâce à la photosynthèse, elle fonctionne alors comme une véritable "pompe à CO2" qui stocke dans le bois et les sols le CO2 atmosphérique.

19. La consommation Le dioxyde de carbone L’activité photosynthétique: les végétaux verts consomment – à la lumière - du dioxyde de carbone pour synthétiser leur matière organique ; le phytoplancton marin, les forêts sont les plus gros consommateurs. La constitution des roches carbonées : Environs de Price, Utah, USA - Août 1998 - Guy Sabattier www.astrosurf.org Une strate de houille aux USA Les champs pétrolifères du Koweit les roches carbonées – essentiellement houille et pétrole – sont issues de l’accumulation de matière organique (fougères, plancton marin) pendant plusieurs millions d’années. Ces roches ont stocké du carbone(27000 Gt) mais elles sont utilisées actuellement plusieurs centaines de milliers de fois plus vite que leur formation a exigé de temps.

20. La consommation Le dioxyde de carbone L’activité photosynthétique: les végétaux verts consomment – à la lumière - du dioxyde de carbone pour synthétiser leur matière organique ; le phytoplancton marin, les forêts sont les plus gros consommateurs. La constitution des roches carbonées : les roches carbonées – essentiellement houille et pétrole – sont issues de l’accumulation de matière organique (fougères, plancton marin) pendant plusieurs millions d’années. Ces roches ont stocké du carbone(27000 Gt) mais elles sont utilisées actuellement plusieurs centaines de milliers de fois plus vite que leur formation a exigé de temps. La dissolution des carbonates : CO2 + H2O + CaCO3 → 2 HCO3- + Ca++ Le carbonate de calcium est facilement dissous dans une eau riche en CO2. Le fait que la dissolution du carbonate de calcium absorbe du dioxyde de carbone peut paraître contredire l’idée que les roches carbonatées constituent une forme de stockage du CO2 énorme (120.106 Gt). En réalité, sur une échelle de temps brève, le bilan est équilibré et n’influe pas sur le taux de CO2 atmosphérique. Les baisses aux grandes échelles de temps sont dues à l’augmentation de l'altération continentale qui absorbe du CO2 . Au cours de l'histoire de la Terre, la fabrication de calcaire (en surface, suite à l'altération des silicates calciques) a été globalement légèrement supérieure à sa destruction en profondeur (par métamorphisme et subduction). Au cours des temps géologiques, le CO2 atmosphérique a donc baissé, d'un facteur 100 000 à peu près. D’après une réponse de P.Thomas, ENS Lyon Grotte du Bournillon Vercors

21. La consommation Le dioxyde de carbone L’activité photosynthétique: les végétaux verts consomment – à la lumière - du dioxyde de carbone pour synthétiser leur matière organique ; le phytoplancton marin, les forêts sont les plus gros consommateurs. La constitution des roches carbonées : les roches carbonées – essentiellement houille et pétrole – sont issues de l’accumulation de matière organique (fougères, plancton marin) pendant plusieurs millions d’années. Ces roches ont stocké du carbone(27000 Gt) mais elles sont utilisées actuellement plusieurs centaines de milliers de fois plus vite que leur formation a exigé de temps. La dissolution des carbonates : CO2 + H2O + CaCO3 → 2 HCO3- + Ca++ Le stockage de matière carbonée : une tonne de bois représente 1,4 tonne de dioxyde de carbone absorbé par les arbres. Le bilan de stockage est positif pour les arbres en croissance car la fixation par photosynthèse est supérieure à la dégradation par respiration. C'est d'ailleurs pourquoi, suivant les engagements de Kyoto, l‘état et les professionnels du bois se sont fixés pour objectif 25% d'augmentation du volume de bois utilisé dans la construction d'ici 2010.

22. Les origines Les particules en suspension Les centrales thermiques, les installations de chauffage collectif, individuels, le trafic automobile, produisent des particules solides les moteurs diesel émettent plus de particules, surtout lorsqu’ils sont mal réglés  les procédés industriels et artisanaux spécifiques les centrales thermiques EDF (une vingtaine) produisent environ 5 kt de poussières par an.  quelques quantités de poussières : Les suies des feux : Grande ville par temps sec : 20 - 25 mg.m-3 Grande ville après la pluie : 5 - 10 mg.m-3 Campagne : 0,25 - 4 mg.m-3 Salle de séjour : 8 - 10 mg.m-3 Chambre à coucher : 1 - 2 mg.m-3 Feu en Afrique en 2000 (et nuage de poussières) Feu en Californie en octobre 2003(fichier 2842) Site du Goddard Space Flight Center : http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/ Les particules d’origine volcanique et les poussières soulevées par les vents ne sont pas carbonées. Le diesel dégage une pollution spécifique, visible, des fumées noires et des suies constituées de particules de carbone (Tmoy<>1 µm) et imprégnées de diverses substances, en particulier d'hydrocarbures. En effet, on observe au microscope électronique à transmission qu'elles sont constituées d'agglomérats de microsphérules de carbone, sur lesquelles sont adsorbés les hydrocarbures et les autres espèces minérales.

23. Les effets environnementaux Les particules en suspension Effets climatiques, le danger des aérosols : Les aérosols émis dans les basses couches de l’atmosphère ont un impact environnemental car ils renvoient une partie du rayonnement solaire incident. Ils ont donc un impact sur le bilan radiatif. Effets sur la santé humaine, le danger des particules issues des moteurs diesel : Les particules de taille inférieure au micron sont capables de traverser tout le système de filtrage rhinopharyngé et de déposer dans les poumons des polluants toxiques comme les hydrocarbures polycycliques aromatiques. Les particules provenant aujourd’hui des moteurs diesel présentent, par leur très petite taille ( 3 µm) et leur composition chimique, une nocivité plus marquée que celles qui étaient historiquement associées aux processus de combustion industriels et du chauffage résidentiel traditionnel.

24. Un capteur à PES •  Le matériel : • - un aérateur électrique pour salle de bains, 85 m3/heure, double isolation, diam100  , • - un réducteur de diamètre, conique, PVC pour canalisation, D100/50, • un cordon électrique deux fils, prise   • un tube de colle pour plastique rigide   • une planchette support, aggloméré, • des carrés de tissu blanc 10cm x 10 cm , élastiques, • - une lame de scie à métaux, lime, pince coupante. Les résultats de mesure pourraient être mis en commun sur le site internet de l’académie.  Le capteur fonctionne pendant 8 jours. Au bout de ce temps, on enlève le linge blanc et la teinte est comparée à une échelle de gris qui peut être imprimée sur un transparent afin de faciliter la comparaison.

25. Des mesures de CO2 • On peut utiliser des systèmes ExAO et faire des mesures : • dans la salle de classe en continu, • dans une enceinte en présence d’un végétal chlorophyllien, • dans une enceinte en présence d’animaux, • dans une enceinte avec une combustion (bougie), • dans le sol, en forêt, • dans l’eau d’une mare, en sortie • dans un aquarium, un terrarium,.. Des mesures réalisées en classe, sur le terrain pourraient être mises en ligne sur le site de l’académie et constituer une banque commune de ressources.