Transports de poussières/aérosols jusqu'aux îles Canaries à partir du Sahara (Image Terra/MODIS 17.02.2004).

La révolution industrielle a été à l'origine d'une pollution massive, par aérosols et gaz, de l'air. Ce sont aujourd'hui les moteurs à combustions, l'érosion agricole et les incendies de forêt qui sont les premières sources d'émission

Les incendies de forêt sont une source importante d'aérosols, aux époques sèches ou l'air est plus chargé en poussières, ici en Géorgie, É.-U.

Un aérosol est un ensemble de fines particules, solides ou liquides, d'une substance chimique ou d'un mélange de substances chimiques, en suspension dans un milieu gazeux. Émis par les activités humaines ou naturelles (volcans, incendies de forêt), les aérosols interviennent aussi à l'échelle planétaire et locale dans les phénomènes de pollution de l'air et d'allergies. La pluie, le ruissellement et la flore (arbres notamment) nettoient l'atmosphère d'une grande partie des aérosols. Des particules vivantes (pollens, spores de champignons, bactéries, microalgues) peuvent composer certains aérosols, alors nommés bioaérosols, éventuellement en association peut-être symbiotiques ou opportunistes (Des chercheurs ont par exemple observé et étudié un aérosol microbien formé d'un consortium bactério-fongique (Staphylococcus epidermidis + Penicillium oxalicum, deux microorganismes fréquents dans l'air intérieur)

Dans la vie courante, le terme « aérosol » désigne aussi, par métonymie, le récipient contenant un produit et un gaz propulseur. Le propulseur crée une pression à l'intérieur du récipient ; l'ouverture de la valve de sortie induit l'expulsion du mélange en micro-gouttelettes ou cristaux ou fines particules en suspension dans l'air, c'est-à-dire sous forme d'aérosol.

Aérosols atmosphériques

Divers aérosols naturels contribuent au cycle de l'eau et à la régulation climatique. Ce sont notamment des molécules soufrées produites par les algues océaniques, mais aussi des particules emportées dans l'air par l'érosion éolienne naturelle des sols, ou les incendies naturels de forêt. Les spores et pollens ou des molécules entraînées avec l'évapotranspiration sont également présentes, mais plus localement.

Incidence sur le climat et l’atmosphère

Des aérosols interfèrent avec le climat et l'atmosphère en les modifiant artificiellement, au moins de deux manières :

Certains aérosols sont responsables de ce qu'on appelle le trou dans la couche d'ozone. La diminution de la couche d'ozone est responsable d'une augmentation de l'irradiation de l'atmosphère et de la planète par le rayonnement stellaire (UV solaire notamment) qui a des effets cancérigènes et mutagènes sur le Vivant, mais qui peut aussi agir sur la formation des nuages ; Ces aérosols peuvent indirectement contribuer à en modifier la composition et la nature physique (nucléation en gouttelette de l'eau vapeur), et secondairement l'albédo et donc la température des hautes couches (avec notamment des cirrus artificiels produits par les traînées de condensation d'avions).

Certains aérosols (soufrés notamment), d'origine industrielle ou produits par des incendies de forêts et par la combustion de carburants fossiles, induisent une nucléation des gouttes d'eau et produisent des nuages ou traînées d'avion à des lieux, altitudes et moments où il ne se seraient pas normalement formés.

Concernant les aérosols carbonés, leur impact le plus marqué sur le climat est lié essentiellement à la présence du carbone noir.

On a même montré que les variations d'activité économique et de transport entre la semaine travaillée et le Week- end se traduisait par des variations météorologiques significatives.

Les interactions et rétroactions entre nuages, aérosols, évolutions climatiques et météo sont complexes et mal comprises. Un projet international, EarthCARE (Earth Cloud, Aerosol and Radiation Explorer) impliquant notamment l'ESA (European Space Agency) et la JAXA japonaise, prépare un satellite pour 2013, équipé d'une caméra multi-bandes, d'un radiomètre à large bande, d'un lidar et d'un radar Doppler CPR (Cloud Profiling Radar) en bande W (94 GHz, résolution verticale de 500 m sur 20 km d'épaisseur d'atmosphère). Ce satellite tournera en orbite 3 ans pour étudier ces interactions et mieux les comprendre et les prévoir ; ceci en complément d'une mission satellitaire GCOM (observation du cycle de l'eau et des changements climatiques prévue pour 2010), et d'une mission GPM (observation des précipitations, prévue en 2013).

Les aérosols carbonés

On regroupe sous le nom d'« aérosols carbonés » les aérosols constitués à partir de deux variétés chimiques différentes : le « carbone suie », ou « carbone noir » ((en) « Black Carbon » BC), composé principalement de carbone graphitique de couleur noire, et des composés organiques mesurés en tant que carbone organique ((en) « Organic Carbon » OC). BC est intégralement émis par les sources de combustion tandis que OC comporte à la fois une partie émise (OC primaire, OCp) et une partie formée secondairement par photochimie dans l'atmosphère : aérosols organiques secondaires (AOS,(en) SOA), de deux origines : anthropique (SOAa) et biogénique (SOAb).

En première approche, on peut retenir que les particules résultant de processus chimiques (combustions ou réactions photochimiques) ont des diamètres aérodynamiques inférieurs à 1 micromètre (particules submicroniques). Les particules « submicroniques » se partagent en deux modes :

le « mode de nucléation » (diamètres inférieurs à 0,1 micromètre) ; il regroupe les particules nouvellement formées par nucléation dans l’atmosphère ou directement émises ;

le « mode d’accumulation » (diamètres compris entre 0,1 et 1 micromètre) ; ces particules ont évolué dans l’atmosphère par condensation de gaz et coagulation.

Sources d'aérosols carbonés

Les sources majeures d'aérosols carbonés sont les combustions et la formation secondaire de SOA par photo-oxydation de composés organiques volatils (COV, (en) VOC) dits « COV précurseurs ». La photo-oxydation atmosphérique des composés organiques volatils conduit à la formation d’espèces oxydées, moins volatiles. La nucléation homogène (nucléation en milieu homogène) ou la condensation (sur des particules préexistantes) de ces produits d’oxydation permet d’expliquer la formation des Aérosols Organiques Secondaires ((en) SOA) dans l’atmosphère.

Une part des OCp émises, encore mal caractérisée, provient également directement de la végétation (PBAP – Primary Biogenic Aerosol Particles, aérosols primaires biogéniques), particules supermicroniques (i. e. de diamètre aérodynamique supérieur à 1 micromètre). La végétation émet également des COV biogéniques (COVb), précurseurs d’aérosols organiques biogéniques secondaires (SOAb). L’affinement des méthodes de chimie analytique a permis de déterminer que les aérosols organiques biogéniques secondaires (SOAb) composent 60 % de la fraction organique (OC) des aérosols carbonés présents dans l’atmosphère et ce, même en milieu urbain.

Les combustions impliquées dans les émissions sont aussi bien celles de combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel, transports, chauffage, industrie...) que les combustions de la biomasse (chauffage, feu de bois, feu de forêt, agriculture...).

Le carbone noir est émis dans l'air lorsque des combustibles fossiles et des biocombustibles, tels que le charbon, le bois et le gazole, sont brûlés. Le carbone noir est présent dans le monde entier.

Le carbone noir est lié aux combustions incomplètes de combustibles fossiles et de la biomasse. Il représente une partie des suies, mélanges complexes de particules contenant du carbone noir et du carbone organique. Le carbone noir a un pouvoir de réchauffement de l'atmosphère car il absorbe le rayonnement solaire, peut être transporté à longue distance et se dépose sur les étendues glaciaires en diminuant leur pouvoir réfléchissant (albédo). Le carbone organique au contraire tend à refroidir l'atmosphère. Le carbone noir provoque, par tonne, un réchauffement bien plus important que le refroidissement causé par le carbone organique.

Le carbone noir est l’un des principaux polluants climatiques à courte durée de vie (la persistance de ces polluants dans l'atmosphère est relativement courte : de quelques jours à quelques décennies, de l'ordre d'une à deux semaines pour le carbone noir). Ces polluants influent fortement sur le réchauffement climatique, ils sont les plus importants contributeurs à l'effet de serre d’origine humaine après le CO2.

Le carbone noir déposé dans la neige, qui absorbe une grande quantité de lumière solaire, a un net impact sur le forçage radiatif total. De plus, la couche qui recouvre la neige et la glace accélérerait la fonte des glaciers aux hautes latitudes boréales, mais aussi ailleurs sur le globe. Comme l’Arctique, les régions alpines pourraient tirer avantage de la réduction des émissions de carbone noir.

Dans les zones de fort rayonnement solaire, les concentrations élevées de carbone noir concourent à la formation des nuages bruns qui recouvrent de vastes régions du globe, en Asie notamment. Ces systèmes obscurcissent la surface de la Terre, réchauffent l’atmosphère et perturbent le cycle hydrologique, ce qui pourrait avoir un effet sur la mousson. Le nuage brun d'Asie a pour origine pour deux tiers la combustion de la biomasse et pour un tiers la combustion de combustibles fossiles.

Concernant l’Europe, le programme scientifique européen Carbosol (2001-2005) a établi que 50 à 70 % de la pollution par les aérosols carbonés en période hivernale avait pour origine la combustion de la biomasse (chauffage au bois, feux de végétaux). Les feux agricoles sont en outre souvent à l’origine des feux de forêt qui sont eux-mêmes une source d’émissions importante de carbone noir.

Si l’on se fie aux projections établies par l’Institut international pour l’analyse des systèmes appliqués, dans le cadre du programme CAFE (Clean Air For Europe - Air pur pour l’Europe -), le chauffage domestique, au bois notamment, sera l’une des principales sources de rejet de matières particulaires et de carbone noir. Les émissions de ce type sont peu réglementées dans de vastes régions de l’Europe. De plus, les petites installations utilisées pour se chauffer au bois sont anciennes et rejettent beaucoup d’aérosols carbonés. Enfin, les poêles et les foyers résidentiels ont une durée de vie assez longue, ce qui retarde l’adoption de technologies plus propres.

Concernant les risques sanitaires, l’OMS n’établit aucune distinction entre les effets des particules qui sont dégagées par la combustion des matières fossiles et ceux des particules produites par la combustion de la biomasse.

Risques sanitaires

L'exposition à certains minéraux (silice, amiante...), à certaines particules organiques (farine, poussière de bois...) et à des agents biologiques aéroportés est associée à divers problèmes de santé [3].

Les aérosols carbonés générés par les combustions peuvent induire notamment des affections respiratoires et le cancer du poumon.

Tous les aérosols atmosphériques (« matières particulaires », PM) sont désormais classées cancérogènes pour l'homme (Groupe 1 du CIRC).

On cherche à produire des modèles et cartographies de risque sanitaire lié à l'exposition des populations aux aérosols de pollution atmosphérique, en France avec le projet CERPA, à partir des concentrations mesurées dans l'air par les réseaux dédiés et AASQA (Associations Agréée de Surveillance de la Qualité de l'Air) et via d'autres techniques (tubes passifs, modélisation météorologique et de chimie et physique de l'atmosphère incluant l'impact des NOx et O3 sur les PM, télédétection, ...).

Un autre enjeu sanitaire est de mieux comprendre et maitriser les conditions de développement des microorganismes (bactéries, champignons, algues) sur les filtres à air (exemple : filtres de CTA), car ils peuvent éventuellement être source de réémission d'aérosols et de bioaérosols différents et potentiellement pathogènes.

气溶胶污染遍及北印度与孟加拉。图片来源：美国太空总署NASA。

气溶胶，又称气胶、烟雾质，是指固体或液体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系，其中颗粒物质则被称作悬浮粒子，其粒径大小多在0.01-10微米之间，根据其生成原因可分为自然源及人为源两种。气溶胶会吸收或散射大气辐射减少到达地表之辐射量，另外也会成为凝结核而影响云的性质，进而改变地球的气候。

气溶胶的种类

天然气溶胶：云、雾、霭、海盐、火山灰等。

生物气溶胶：微粒中含有微生物或生物大分子等生物物质的称为生物气溶胶，其中含有微生物的称为微生物气溶胶。

气溶胶的观测

为太阳常数。

为地面或卫星观测之radiance。

为气胶光学厚度。

气溶胶对环境的影响

火山爆发使太阳辐射降低 CFC对臭氧的影响 臭氧天然存在于地球的高层大气中，形成一个气层，可防止一部分紫外辐射照射到地球上。如果这个大气臭氧层变得更稀薄，则会有更多的紫外线到达地球，可能损害作物，恐怕还可能导致人类的皮癌发生率增加。 20世纪70年代，美国科学家断定，臭氧的浓度正在缓慢降低。来自气溶胶及其他来源的CFC正在上升到高层大气，在那里被紫外线分解。这种作用释放出氯原子，后者与臭氧形成新的化合物。理论上，大气臭氧在此过程中逐渐减少。 这种研究结果引起广泛的注意，1978年美国政府在大部分产品中禁用CFC气溶胶。两年后，美国声明，它打算首先制止所有产品中CFC产量的增长，然后急速削减生产。气溶胶工业辩驳这种行动，宣称臭氧耗竭论有问题。他们还坚持，美国的行动没有国际合作，损害了美国工业而不解决任何问题。到了1981年底，只有加拿大、瑞典和挪威与美国一起禁止CFC气溶胶。欧洲共同市场各国已贯彻缩减使用碳氟化合物喷射剂。 烟雾对大气影响 烟雾可危害多种物质，包括动植物。化学方法产生的一团烟雾可刺痛眼睛并使呼吸困难。如果烟雾产生于大量烧煤和工业排放气体废物的地区，则这种有害气体通常含有二氧化硫和氮的各种氧化物。汽车排气含有燃料的未完全燃烧部分。 有害物质可传播很远。例如，二氧化硫可与大气水分化合而生成硫酸。然而风可将含酸的云吹走许多千米，然后才以污染性酸雨的形式释放出它的水分。 在阳光强烈和风力轻微的地方，所产生的烟雾危害最大。在这种情况下，大气逆温常在一个地区的上空保持一团静止的空气。在逆温中，重空气位于较轻空气的上面并压住它。阳光使一些汽车排出的烟气变为臭氧。停滞空气中的臭氧增多，可导致很多危害。烟雾的有害作用已成为制定防止污染的法律中的主要因素。

气溶胶产品

在气溶胶产品中，将待喷施的产品用一种称为喷射剂的气体保持着压力。待阀门打开，该气体即将该产品以喷雾或泡沫的形式喷出。 在 气溶胶商品中，将气体加压贮存于罐中。该罐封闭后气体充满该产品上面的空间，使用产品时气体即膨胀。随着产品的消耗、压力不断降低。这种类型的气溶胶用于 释放大滴的喷雾，如用于洗衣的预去污机、表面杀虫剂和发动机起动器中。欲得均匀的压力，须将产品与喷射剂相混合，后者可以是一种液体，当使用产品时它急速 蒸发到剩余空间中。如果将一种适当的气体在足够的压力下溶解在产品中，也可获得同样的效果。必须蒸发该气体以保持压力。 采用喷射剂的类型取决于产品的最终用途。食品的常用喷射剂必须无味、无毒。如二氧化碳、氮和氧化亚氮。非食品气溶胶的最常用喷射剂是烃类，通常是丙烷、异丁烷和正丁烷的混合物。合成化合物中的氯氟碳化合物（CFC）类成员也已广泛应用。但它们可危害环境。