2.4.3.1 Effet de serre
Phénomène de l’effet de serre :
L’effet de serre est un phénomène physique naturel. La terre reçoit la majeure partie de son énergie du soleil sous forme de rayonnement. Une grande partie de ce rayonnement solaire incident traverse l’atmosphère pour atteindre la surface de la terre. La Terre absorbe une partie de cette énergie et en renvoie une partie dans l’atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge. Le rayonnement infrarouge sortant à une longueur d’onde supérieure à celle du rayonnement solaire incident et peut donc être absorbé par certains gaz dans l’atmosphère.
Les principaux gaz émis par l’activité humaine et qui absorbent le rayonnement infra-rouge, sont le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), et le protoxyde d’azote (NO2). Ces gaz (dit gaz à effet de serre) piègent une partie des rayonnements infrarouges et les renvoient à nouveau vers la surface de la terre sous forme de chaleur, ce qui provoque un effet de réchauffement connu sous le nom «d’effet de serre ». Ainsi la température de la terre est de +15°C au lieu de -18°C.
L’effet de serre est un phénomène physique naturel. La terre reçoit la majeure partie de son énergie du soleil sous forme de rayonnement. Une grande partie de ce rayonnement solaire incident traverse l’atmosphère pour atteindre la surface de la terre. La Terre absorbe une partie de cette énergie et en renvoie une partie dans l’atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge. Le rayonnement infrarouge sortant à une longueur d’onde supérieure à celle du rayonnement solaire incident et peut donc être absorbé par certains gaz dans l’atmosphère.
Les principaux gaz émis par l’activité humaine et qui absorbent le rayonnement infra-rouge, sont le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), et le protoxyde d’azote (NO2). Ces gaz (dit gaz à effet de serre) piègent une partie des rayonnements infrarouges et les renvoient à nouveau vers la surface de la terre sous forme de chaleur, ce qui provoque un effet de réchauffement connu sous le nom «d’effet de serre ». Ainsi la température de la terre est de +15°C au lieu de -18°C.
Remarque
Bien que le rayonnement solaire soit interrompu la nuit, l’effet de serre ne s’arrête pas. En effet, la nuit la terre se refroidit en émettant un rayonnement infrarouge vers le vide de l’espace. Sans atmosphère ce rayonnement serait suffisant pour refroidir la terre jusqu’à des températures de l’ordre de -130°C. Par conséquent une nuit nuageuse sera moins froide qu’une nuit étoilée.
Figure 9 : L'effet de serre (Source GIEC / GR)
Les gaz à effet de serre (GES) possèdent un Potentiel de Réchauffement Global (PRG), grandeur permettant de mesurer l’effet de serre de chacun des gaz, par rapport au CO2, pris comme référence PRG(CO2)=1.
Pouvoir de réchauffement global des principaux gaz à effet de serre
D’autres gaz contribuent également à l’effet de serre :
• Les gaz halogénés : les chlorofluorocarbones (CFC), les hydrofluorocarbures (HFC), les perfluorocarbures (PFC), et les hydrochlorofluorocarbures (HCFC) qui proviennent des aérosols et des réfrigérants.
• Les gaz précurseurs de l’ozone troposphérique : On appelle la troposphère aussi « la basse atmosphère », cette couche est constitué essentiellement de diazote (N2), de dioxyde de carbone (CO2), de dioxygène (O2) et d’argon (gaz inerte). L’ozone (O3) peut également se former dans cette partie de l’atmosphère, notamment par transfert dynamique de la stratosphère (environ 10%). Dans cette couche de l’atmosphère l’ozone est un polluant secondaire issu de l’action des radiations solaires de longueur d’onde inférieure à 290 nm sur diverses substances chimiques, dites polluants primaires au cours de réactions complexes. Ces précurseurs sont principalement des oxydes d’azote (NO et NO2) et des substances carbonées (monoxyde de carbone CO) et composés organiques volatils ( COV).
L’Ozone stratosphérique :
• Les gaz halogénés : les chlorofluorocarbones (CFC), les hydrofluorocarbures (HFC), les perfluorocarbures (PFC), et les hydrochlorofluorocarbures (HCFC) qui proviennent des aérosols et des réfrigérants.
• Les gaz précurseurs de l’ozone troposphérique : On appelle la troposphère aussi « la basse atmosphère », cette couche est constitué essentiellement de diazote (N2), de dioxyde de carbone (CO2), de dioxygène (O2) et d’argon (gaz inerte). L’ozone (O3) peut également se former dans cette partie de l’atmosphère, notamment par transfert dynamique de la stratosphère (environ 10%). Dans cette couche de l’atmosphère l’ozone est un polluant secondaire issu de l’action des radiations solaires de longueur d’onde inférieure à 290 nm sur diverses substances chimiques, dites polluants primaires au cours de réactions complexes. Ces précurseurs sont principalement des oxydes d’azote (NO et NO2) et des substances carbonées (monoxyde de carbone CO) et composés organiques volatils ( COV).
L’Ozone stratosphérique :
Les différentes couches de l’atmosphère
Comme l’indique la figure ci-dessus, à environ 25 km l’ozone est le composé prépondérant. L'ozone stratosphérique est qualifié de bon ozone car il absorbe le rayonnement UV solaire et nous préserve ainsi contre le risque de cancer cutané et autres mutations génétiques. Il préserve également l'activité photosynthétique des plantes.
La baisse anormale des concentrations d'ozone au pôle Sud au sortir de l'hiver polaire, au moment de l'apparition du soleil a été mise en évidence en 1980. Durant la fin de l'hiver austral, au moment où le soleil apparaît, la teneur en ozone diminue de 40 à 60%. Le déficit maximum se situe vers 20 - 25 km qui correspond au phénomène du « Trou de l’ozone.
Malheureusement cette couche est menacée par l’introduction dans l’atmosphère de particules qui accélèrent la destruction de l’ozone : les radicaux libres (OH•, NO•, Cl•, Br•…). Une forte corrélation entre le déficit en ozone et les concentrations en ClO a été mise en évidence.
La présence des radicaux libres chlore (Cl•) et d’hypochlorite (ClO•) dans la stratosphère est liée à l'émission naturelle de chlorure de méthylène par les océans et aux chlorofluorocarbures (CFC) émis par les activités humaines (combustion de la biomasse). Les CFC sont des molécules très stables.Le monoxyde de carbone (NO•), provient de source naturelle (éclairs, sols naturels) et anthropiques (combustions). Le radical hydroxyde (OH•) est issu de l’eau à l’état gazeux à basse altitude (proximité de la terre-H20 (g)). Ces molécules sont transportées dans la stratosphère où elles libèrent leurs radicaux et perturbent ainsi l'équilibre naturel régissant la présence d'ozone à cette altitude. Ainsi, le phénomène de baisse annuelle des concentrations d'ozone est plus marqué au pôle Sud, qu'au pôle Nord en raison de conditions différentes. Au pôle Sud, un vortex (le terme vortex est utilisé pour désigner un mouvement tourbillonnaire de fluide ou de particules) apparaît pendant l'hiver.
Les températures sont de l'ordre de - 80° à - 100 °C. Les nuages contiennent alors de fins cristaux de glace qui fixent le chlore sous forme d’acide chlorhydrique (HCl) et de perchlorate de nitronium (NO2ClO). Dès que le soleil réapparaît, le rayonnement UV libère les radicaux libres Cl et ClO qui réagissent avec l'ozone rapidement. Au pôle Nord, il n'y a pas formation de Vortex mais formation d'une multitude de trous.La baisse des concentrations d'ozone de la stratosphère pourrait avoir des effets climatiques et biologiques.
La baisse anormale des concentrations d'ozone au pôle Sud au sortir de l'hiver polaire, au moment de l'apparition du soleil a été mise en évidence en 1980. Durant la fin de l'hiver austral, au moment où le soleil apparaît, la teneur en ozone diminue de 40 à 60%. Le déficit maximum se situe vers 20 - 25 km qui correspond au phénomène du « Trou de l’ozone.
Malheureusement cette couche est menacée par l’introduction dans l’atmosphère de particules qui accélèrent la destruction de l’ozone : les radicaux libres (OH•, NO•, Cl•, Br•…). Une forte corrélation entre le déficit en ozone et les concentrations en ClO a été mise en évidence.
La présence des radicaux libres chlore (Cl•) et d’hypochlorite (ClO•) dans la stratosphère est liée à l'émission naturelle de chlorure de méthylène par les océans et aux chlorofluorocarbures (CFC) émis par les activités humaines (combustion de la biomasse). Les CFC sont des molécules très stables.Le monoxyde de carbone (NO•), provient de source naturelle (éclairs, sols naturels) et anthropiques (combustions). Le radical hydroxyde (OH•) est issu de l’eau à l’état gazeux à basse altitude (proximité de la terre-H20 (g)). Ces molécules sont transportées dans la stratosphère où elles libèrent leurs radicaux et perturbent ainsi l'équilibre naturel régissant la présence d'ozone à cette altitude. Ainsi, le phénomène de baisse annuelle des concentrations d'ozone est plus marqué au pôle Sud, qu'au pôle Nord en raison de conditions différentes. Au pôle Sud, un vortex (le terme vortex est utilisé pour désigner un mouvement tourbillonnaire de fluide ou de particules) apparaît pendant l'hiver.
Les températures sont de l'ordre de - 80° à - 100 °C. Les nuages contiennent alors de fins cristaux de glace qui fixent le chlore sous forme d’acide chlorhydrique (HCl) et de perchlorate de nitronium (NO2ClO). Dès que le soleil réapparaît, le rayonnement UV libère les radicaux libres Cl et ClO qui réagissent avec l'ozone rapidement. Au pôle Nord, il n'y a pas formation de Vortex mais formation d'une multitude de trous.La baisse des concentrations d'ozone de la stratosphère pourrait avoir des effets climatiques et biologiques.
2.4.3.2 Phénomènes d’eutrophisation
Source principale : (Amiard, 2010
)
Phénomène d’eutrophisation :
Dans de nombreux milieux aquatiques, dulçaquicoles ou marins, les apports anthropiques en nutriments (azote ou phosphore) sont en excès. Ces apports sont principalement d’origine urbaine et surtout agricole. Les nutriments sous forme organique sont minéralisés par les bactéries, avec consommation d’oxygène ; il en résulte une désoxygénation du milieu et une libération de sels nutritifs favorisant la croissance de microalgues et/ou de macroalgues. Certaines de ces algues peuvent être productrices de toxines. La biomasse d’algues produite peut être broutée par les herbivores ; elle peut aussi être exportée lorsque le milieu est ouvert (courants, brassage des eaux …) ou bien encore sédimentée sur le fond des milieux aquatiques créant une pollution organique secondaire. Tout ce processus conduit à une désoxygénation du milieu depuis une hypoxie jusqu’à une anoxie avec, en cas d’anaérobiose , la production de molécules toxiques (CH4, NH3, SH2). Les conséquences sont drastiques pour la faune avec une baisse de la biodiversité pouvant aller jusqu’à une élimination totale des espèces et donc à l’apparition de milieux azoïques .
Les mécanismes d’eutrophisation peuvent se décrire ainsi. Le fonctionnement du milieu aquatique est sous la dépendance d’un certain nombre de paramètres, la température, l’éclairement, la salinité et la dureté du milieu, les oligo-éléments (dont le magnésium qui intervient dans la constitution de la chlorophylle), les éléments chimiques dont l’azote, le carbone, le phosphore et le silicium. Si les conditions physiques du milieu sont favorables, la disponibilité en excès d’éléments nutritifs est à l’origine du développement excessif des producteurs primaires (végétaux supérieurs et algues). La production primaire dépasse alors la capacité des mécanismes naturels de régulation. Ceci est résumé dans le cycle des nutriments présenté dans la figure suivante.
)Phénomène d’eutrophisation :
Dans de nombreux milieux aquatiques, dulçaquicoles ou marins, les apports anthropiques en nutriments (azote ou phosphore) sont en excès. Ces apports sont principalement d’origine urbaine et surtout agricole. Les nutriments sous forme organique sont minéralisés par les bactéries, avec consommation d’oxygène ; il en résulte une désoxygénation du milieu et une libération de sels nutritifs favorisant la croissance de microalgues et/ou de macroalgues. Certaines de ces algues peuvent être productrices de toxines. La biomasse d’algues produite peut être broutée par les herbivores ; elle peut aussi être exportée lorsque le milieu est ouvert (courants, brassage des eaux …) ou bien encore sédimentée sur le fond des milieux aquatiques créant une pollution organique secondaire. Tout ce processus conduit à une désoxygénation du milieu depuis une hypoxie jusqu’à une anoxie avec, en cas d’anaérobiose , la production de molécules toxiques (CH4, NH3, SH2). Les conséquences sont drastiques pour la faune avec une baisse de la biodiversité pouvant aller jusqu’à une élimination totale des espèces et donc à l’apparition de milieux azoïques .
Les mécanismes d’eutrophisation peuvent se décrire ainsi. Le fonctionnement du milieu aquatique est sous la dépendance d’un certain nombre de paramètres, la température, l’éclairement, la salinité et la dureté du milieu, les oligo-éléments (dont le magnésium qui intervient dans la constitution de la chlorophylle), les éléments chimiques dont l’azote, le carbone, le phosphore et le silicium. Si les conditions physiques du milieu sont favorables, la disponibilité en excès d’éléments nutritifs est à l’origine du développement excessif des producteurs primaires (végétaux supérieurs et algues). La production primaire dépasse alors la capacité des mécanismes naturels de régulation. Ceci est résumé dans le cycle des nutriments présenté dans la figure suivante.
Figure 10 : Cycle simplifié des éléments nutritifs en cas d’apports de ceux-ci en excès (modifiée d’après Lacaze, 1996). Les compartiments vivants sont représentés par des cercles, les compartiments inertes par des rectangles.
Conséquence sur les organismes marins :
Dans le cas d’une eutrophisation dans un milieu aquatique dulçaquicole ou marin, il est constaté aussi une production de composés toxiques, par les dinoflagellés (microorganisme unicellulaire aquatique), en particulier en milieu saumâtre et marin et d’hépatotoxines ou des neurotoxines par les cyanobactéries . Les coquillages marins qui concentrent ces composés peuvent alors devenir impropres à la consommation. La pollution organique est différée lors de la minéralisation des végétaux morts (appauvrissement en oxygène, conditions d’anaérobiose avec production d’ammoniac, d’hydrogène sulfuré, de méthane) et dépréciation notable de l’écosystème. Au final ceci aboutit à la destruction d’habitat, par colmatage des fonds de cours d’eau ou de lac.En France, l’un des exemples d’eutrophisation dû à l’excès de nitrates le plus spectaculaire concerne les eaux marines côtières de Bretagne.
Eutrophisation du lac Léman :
L’un des exemples les plus caractéristiques d’eutrophisation des eaux douces par le phosphate est celui du lac Léman. L’eutrophisation dans le lac Léman a débuté à la fin des années 1950. Les concentrations en phosphore étaient de 10 µg.L-1 avant 1960 et ont atteint 90 µg.L-1 vers 1976-1979. Depuis 1979, la diminution est importante. Cette décroissance est liée à la mise en service des stations d’épuration pratiquant la déphosphoration et à la mesure d’interdiction des phosphates dans les produits de lavage textiles en Suisse dès juillet 1986. Il en a résulté une réduction de 40 45 % des quantités de phosphore rejetées dans les eaux superficielles par les réseaux d’assainissement (Rapin et al., 1988). Etudiant le bilan du phosphore dans le bassin versant du Foron, affluent du lac Léman, Dorioz et al. (2004) ont montré que la rétention d’une grande partie du phosphore se fait au niveau des sédiments.
Cliquez ci-dessous pour des exemples de sources d'Eutrophisation.
Dans le cas d’une eutrophisation dans un milieu aquatique dulçaquicole ou marin, il est constaté aussi une production de composés toxiques, par les dinoflagellés (microorganisme unicellulaire aquatique), en particulier en milieu saumâtre et marin et d’hépatotoxines ou des neurotoxines par les cyanobactéries . Les coquillages marins qui concentrent ces composés peuvent alors devenir impropres à la consommation. La pollution organique est différée lors de la minéralisation des végétaux morts (appauvrissement en oxygène, conditions d’anaérobiose avec production d’ammoniac, d’hydrogène sulfuré, de méthane) et dépréciation notable de l’écosystème. Au final ceci aboutit à la destruction d’habitat, par colmatage des fonds de cours d’eau ou de lac.En France, l’un des exemples d’eutrophisation dû à l’excès de nitrates le plus spectaculaire concerne les eaux marines côtières de Bretagne.
Eutrophisation du lac Léman :
L’un des exemples les plus caractéristiques d’eutrophisation des eaux douces par le phosphate est celui du lac Léman. L’eutrophisation dans le lac Léman a débuté à la fin des années 1950. Les concentrations en phosphore étaient de 10 µg.L-1 avant 1960 et ont atteint 90 µg.L-1 vers 1976-1979. Depuis 1979, la diminution est importante. Cette décroissance est liée à la mise en service des stations d’épuration pratiquant la déphosphoration et à la mesure d’interdiction des phosphates dans les produits de lavage textiles en Suisse dès juillet 1986. Il en a résulté une réduction de 40 45 % des quantités de phosphore rejetées dans les eaux superficielles par les réseaux d’assainissement (Rapin et al., 1988). Etudiant le bilan du phosphore dans le bassin versant du Foron, affluent du lac Léman, Dorioz et al. (2004) ont montré que la rétention d’une grande partie du phosphore se fait au niveau des sédiments.
Cliquez ci-dessous pour des exemples de sources d'Eutrophisation.
Cours d'eau eutrophisé
Complément
Voir L'annexe 4 : 
Les voies de transfert des nitrates et des phosphates