Introduction à la physico-chimie de
l’atmosphère
Manuela CirtogMaître de conférences à l’université de Paris Est à Créteil (UPEC)
Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA)UMR-CNRS 7583, Universités Paris-Est Créteil et Paris Diderot
Contact: [email protected]
Approches
couplées:
Observations/
Simulation
expérimentale/
Modélisation
} 5
thématiques
scientifiques
1 département
technique
PLAN DU COURS
1 – Structure et composition de l’atmosphère 2 – Sources3 – PuitsLa pollution atmosphérique
Le système Terre
D ~ 3390 km
T ~ 210 K
Psol ~ 600 Pa
d/soleil ~ 1,6 UA*
* UA : unité astronomique ~ 150.106 km1 année lumière ~ 63246 UA
MARS
D ~ 6371 km
T ~ 287 K
Psol ~ 1013 hPa
LA TERRE
Un système complexe autorégulé ?
Lithosphère Atmosphère
Hydrosphère
Biosphère
* !Particularité du système terrestre un système hors équilibre …es de Gaïa, James E. Lovelock, 1990
Réservoir (boite, compartiment)
Quantité M de matière dont certaines caractéristiques physiques, chimiques ou biologiques peuvent être considérées homogènes (ex: Atmosphère, Biosphère, …)
Cycle
Système constitué d'au moins 2 réservoirs et dans lequel
une partie de matière est échangée
Flux
Quantité de matière transférée par unité de temps d'un réservoir vers un autre
Source/puits
Flux de matière entrant (E)/sortant (S) d'un réservoirEtat d’équilibre : S(E) – S(S) = 0
LE SYSTEME ATMOSPHERIQUE
Structure et composition de l’atmosphère
Atmosphère = l'enveloppe de gaz et de poussières microscopiques entourant le globe terrestre
Profil vertical de température L’atmosphère se décompose en différentes couches caractérisées par des variations de température et de pression :
Troposphère ( 8-15 km)Gradient négatif de température Phénomènes météorologiques –mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux (convection thermique, mélange vertical rapide, vents)
Stratosphère ( 45-50 km)Gradient positif de température (T augmente jusqu’à 0° C)Absorption du rayonnement UV par O3 (chauffage)
Mésosphère ( 80 km)Gradient négatif de température (jusqu'à -80° C)Émission infrarouge du CO2
Thermosphère ( 350 km)Gradient positif de températureRayonnement UV < 175 nm absorbé par N2 et O2
Variation de la pression
0 km : 1013 hPa
1 km : 900 hPa
2 km : 794 hPa
3 km : 700 hPa
10 km : 265 hPa
Profil vertical de pression
La pression de l’atmosphère décroit de façon exponentielle avec l’altitude (loi de l’hydrostatique / fluide immobile (ex en TD)
Variation de la pression avec l’altitude :
La pression est la force exercée par un fluide par unité de surface A:
𝑃 =𝐹
𝐴(unité: 1 N.m-2 = 1 Pa)
Nb de molécules par unité de volume d’un constituant stable décroît avec l’altitude en fonction de la pression 90% de la masse d’air se trouve dans la troposphère
Profil vertical de pression
Variation de la pression au niveau du sol
La pression moyenne de l’atmosphère au niveau de la mer est:P = 1013.102 Pa = 1013 hPa = 1 atm
La pression moyenne à la surface terrestre est légèrement inferieure à la pression au niveau de la mer due aux reliefs.
P = 984 hPa
La pression atmosphérique à la surface terrestre varie très légèrement dans le temps et l’espace. Ces variations de pression jouent un rôle déterminant en météorologie. En effet les différences de pression induisent une force donnant naissance aux déplacements des parcelles d’air le vent, les ouragans, etc
Composition chimique de l’atmosphère • Constituants gazeux
• Composés majeurs (99%) N2 (78%) O2 (21%) H2O ( ~ quelques 5 - 6 %, concentration très variable
contrôlée par les phénomènes d’évapo-condensation)
• Composés minoritaires « traces » (<1%) - Ar, CO2, Ne, He, CH4, Kr, CO, H2O, …
• Particules solides ou liquides en suspension: taille comprise entre
10-3 et 100 µm
Aérosols, hydrométéoresGouttelettes, poussières, suies…
Les composes minoritaire « trace »et unités utilisées en chimie atmosphérique
• Fraction molaire ou rapport de mélange 𝑿𝒊 (en
relatif)
𝑋𝑖 =Nombre de mole de gaz iNombre de moles d’air (unité : mole.mole-1)
Ex: 78% d’N2 dans l’air : XN2 = 0,78 mol.mol-1
Avantages: donne directement l’abondance relative des espèces; conservative lorsque la parcelle d’air change de T et P (élévation d’une parcelle d’air)
1% = une partie par 100 = 10-2 mol.mol-1
1 ppm = une partie par million = 10-6 mol.mol-1
1 ppb = une partie par billion = 10-9 mol.mol-1
1 ppt = une partie par trillion = 10-12 mol.mol-1
• Concentration moléculaire en Nombre
/cm3 (en absolu) (𝐶𝑖)
𝐶𝑖 =Nombre de molécules du composé 𝑖
Volume d’air
(unité: molécules.cm-3)
• Concentration en masse
𝐶𝑚, 𝑖 =Masse du composé 𝑖
Volume d’air (unité: kg.m-3)
Dans l’atmosphère : mg/m3 - µg/m3
𝐶𝑖 et 𝐶𝑚, 𝑖 ne sont pas conservés lorsque P et/ou T
changent
Rapport de mélange des espèces « traces » dans l’air sec
Grande variabilité dans l’espace et le temps de la composition chimique atmosphérique
Rapport de mélange
Cx =Quantité de x
Volume
Emissions (sources de x)
Dépôt (Puits de x)
Transformations chimiques (sources et/ou puits de x)
Advection (transport horizontal)
Turbulence (transport vertical)
Hauteur de la couche de mélange
Distribution des espèces tracedans l’atmosphère
Principales sourcesDéfinition: Flux de matière entrant
Emissionsnaturelles
Emissionsanthropiques
COMPOSITION (espèces « traces »)
Espèce trace Formule concentration Sources
Dioxyde de carbone CO2 360 ppm Combustion, océan, biosphère
Méthane CH4 1.7 ppm Biogénique et anthropique
Hydrogène H2 0.55 ppm Biogénique et anthropique
Protoxyde d’azote N2O 0.31 ppm Biogénique et anthropique
Ozone (strato) O3 0.5 – 10 ppm Photochimique
Ozone (tropo) O3 10 – 500 ppb photochimique
Monoxyde de
carbone
CO 50 – 200 ppb Photochimique et anthropique
Espèces nitrées NOy 10 ppt – 1 ppm Sols, anthropique
Formaldéhyde HCHO 0.1 – 1 ppb Photochimique
Radical hydroxyl OH 0.1 – 1 ppt photochimique
…
Ozone troposphérique (O3 )
Dioxyde d'azote (NO2 )
Acide nitrique (HNO3 )
Acide sulfurique (H2SO4 )
Composés organiques
péroxyacylnitrate (PAN)
aldéhydes (HCHO, …)
Aérosols organiques
secondaires
Polluants secondaires
ém
iss
ion
ém
iss
ion
Transformations chimiques (oxydation)
NO + NO2
hydrocarbures
aldéhydes, …
Polluants primaires
Composés organiques volatils (COV)
Oxydes d'azote (NOx)
Particules
Métaux
Dioxyde de soufre (SO2)
Oxydes de carbone (CO, CO2)
Distribution des espèces trace (polluants) dans l’atmosphère
Cx =Quantité de x
Volume
Émissions (sources de x)
Déposition (puits de x)
Transformations chimiques (sources et/ou puits de x)
Advection (transport horizontal)
Turbulence (transport vertical)
Hauteur de la couche de mélange
=grandeur caractérisant
l’exposition au polluant x
Principal puit:Dépôt
Dépôt = transfert de l’atmosphère vers la surface de la Terre
• Dépôt sec
Absorption ou adsorption des gaz (ou des particules) à la surface. La vitesse de dépôt dépend : - de paramètres atmosphériques : vent, turbulence … - de la végétation : type de sol, humidité de surface …
• Dépôt humide
Élimination d’espèces dissoutes via impaction de gouttelettes (pluie, brouillard, neige) sur le sol. Dépend directement de la solubilité de l’espèce considérée. Difficile à estimer, compte tenu : - de la variabilité naturelle des précipitations - de la variation des paramètres physico-chimique qui conditionnent directement la solubilité des espèces (pH, distribution en taille des gouttelettes, …)
Avant l’apparition de l’homme, émission de nombreuses espèces chimiques par la végétation, les volcans et la mer instauration d ’un « équilibre » naturel.
Depuis l’apparition de l’homme, perturbation de cet équilibre par les activités humaines
(industrie, agriculture, …) = POLLUTION variation de la composition de l’air
modifie suffisamment ses propriétés physiques ou chimiques pour être détectable par les occupants du milieu
Processus thermiques (moteurs, chauffages, réfrigération, …) sont à l’origine de nombreux problèmes environnementaux.
le dioxyde de carbone: 280 ppm (1860) 350 ppm (2000)
Atmosphère : un système en équilibre ? Sources = Puits ?
• Déséquilibre sources ≠ puits les substances gazeuses et particulaires sont présentes en concentration suffisante pour produire un effet mesurable sur l’homme, les végétaux, les animaux ou les matériaux (définition des polluants).
• Les polluants gazeux et particulaires émis par les sources naturelles et anthropiques (par l’activité humaine) dans l’atmosphère engendrent des millions de réactions chimiques
Polluants primaires: directement émis dans l’atmosphère (trafic routier, industries,chauffage, agriculture...)
Polluants secondaires: formés par réaction/transformation chimique dansl’atmosphère
• Les polluants et leurs réactions ont un impact très important sur la qualité de l’air et le changement climatique : Décès liés à la pollution, pluies acides, phénomènes de « smog », réchauffement climatique …“Air pollution is currently estimated to reduce the life expectancy of every person in the UK by an average of 7-8 months” (UK Air Quality Strategy)
Besoin de les mesurer et de comprendre les processus dans lesquels sont impliqués!
Pollution
Ozone troposphérique (O3 )
Dioxyde d'azote (NO2 )
Acide nitrique (HNO3 )
Acide sulfurique (H2SO4 )
Composés organiques
péroxyacylnitrate (PAN)
aldéhydes (HCHO, …)
Aérosols organiques
secondaires
Polluants secondaires
ém
iss
ion
ém
iss
ion
Transformations chimiques (oxydation)
NO + NO2
hydrocarbures
aldéhydes, …
Polluants primaires
Composés organiques volatils (COV)
Oxydes d'azote (NOx)
Particules
Métaux
Dioxyde de soufre (SO2)
Oxydes de carbone (CO, CO2)
CHIMIE + TRANSPORT
Polluants secondaires
Distance
Co
ncen
trati
on Polluants
primaires
Dé
pô
t
Dé
pô
t
Le dioxyde de carbone
Sources anthropiques 310 MT/an
Transports routiers et aériens 120
Milieu tertiaire 100
Industrie et agriculture 40
Centrales thermiques 50
CO2
• gaz indispensable à la vie
• augmentation inquiétante : 0.5 %/an
impact sur l’effet de serre !
Les oxydes de carbone (CO, CO2)
Estimation des émissions dans
l’atmosphère de CO2 par la combustion
des fuels fossiles entre 1850 et 1993.
Contributions relatives des différents
combustibles à l’émission de CO2 dans
l’atmosphère entre 1860 et 1990.
Le monoxyde de carbone (CO)Le monoxyde de carbone (CO) est émis principalement par les activités de transport jusqu’en 2000.
Depuis le secteur résidentielle est le secteur le plus important avec des engins mobiles non routiers (Loisirs / jardinage)
Le résidentiel/tertiaire : solvants, peintures, colles, combustion du bois
Les Particules en suspension
Secteur résidentielle : chaudière
Ozone troposphérique (O3 )
Dioxyde d'azote (NO2 )
Acide nitrique (HNO3 )
Acide sulfurique (H2SO4 )
Composés organiques
péroxyacylnitrate (PAN)
aldéhydes (HCHO, …)
Aérosols organiques
secondaires
Polluants secondaires
ém
iss
ion
ém
iss
ion
Transformations chimiques (oxydation)
NO + NO2
hydrocarbures
aldéhydes, …
Polluants primaires
Composés organiques volatils (COV)
Oxydes d'azote (NOx)
Particules
Métaux
Dioxyde de soufre (SO2)
Oxydes de carbone (CO, CO2)
Chimie des COVUne fois émis dans l’atmosphère, les COV sont oxydés par les oxydants
atmosphériques (OH, NO3, O3) et forment des composés organiques secondaires
(COVO)
Ex : oxydation de l’éthane
CH3CH3 + OH CH3CH2• + H2O
CH3CH2• + O2 CH3CH2O2
•
CH3CH2O2• + NO CH3CH2O
• + NO2
CH3CH2O• + O2 CH3CHO + HO2
Formation de composés tels que les aldéhydes, PAN, ozone, … qui sont
toxiques ! (pollution photooxydante)
+ impact sanitaire direct car beaucoup sont toxiques (ex : benzène)
CH3CHO + h CH3CO•
CH3CO• + O2 CH3C(O)OO•
CH3C(O)OO• + NO2 CH3C(O)OONO2 (PAN)
Echelles de la pollution de l’air
Pollution locale (urbaine et industrielle)- Polluants primaires : NOx, VOCs, HAPs, dioxines, particules…- Echelle de temps : 1h - 1 semaine
Pollution régionale et continentale- Polluants secondaires : NO2, O3 tropo, CO, pluies acides- Echelle de temps : 1 jour - 1 mois
Pollution globale- Espèces à longue durée de vie : CO2, CH4, N2O, SF6, CFCs, …
- Echelle de temps : qq mois - 100 années
Concentrations de NOx
Distribution spatiale des NOx
Émissions annuelles de NOx
Émissions
en T/km2
210
105
52
26
13
7
Pollution locale
Distribution spatio-temporelle des NOx
Émissions journalières de NOx
en Ile-de-France
Boulevard périphérique
porte d’Auteuil
Station urbaine "de fond"
Paris 13
Concentrations journalières des NOx
Source : AIRPARIF
Profil journalier moyen en oxydes d’azote observésur l’avenue des Champs-Elysées (année 2000)
jours ouvrables
dimanche
Pollution locale: Pollution particulaire
Effets directs et indirects sur le
transfert radiatif Pénétration dans les voies respiratoires
Santé
Visibilité
Bâtiments
Climat
Ecosystèmes
Impact des aérosols sur l’environnement
Effets directs et indirects sur le
transfert radiatif Pénétration dans les voies respiratoires
Santé
Visibilité
Bâtiments
Climat
EcosystèmesCes impacts dépendent fortement de la composition chimique de l’aérosol : propriétés optiques, hygroscopiques, présence d’espèces toxiques, …
Pollution régionale: Les pluies acides
• Le pH « naturel » d’une pluie (non polluée) est de 5-5.6
• Les pluies dont le pH est inférieur à 4.5 sont considérées comme des pluies acides (terme utilisé pour les précipitations et le dépôt)
• Principaux acides présents dans les pluies : H2SO4, HNO3, HCl, et plus minoritairement H2SO3 et les acides organiques
• H2SO4 et HNO3 résultent de la combustion des combustibles fossiles
• Les émissions de ces composés ont beaucoup baissé dans les régions industrialisées.
• Les pluies acides ont un impact régional car les temps de résidence de ces composés sont de plusieurs jours et peuvent être transportés sur plusieurs 1000s de km.
Impact des pluies acides sur l’environnement
• Milieux aquatiques : dépérissement de la faune et de la flore dans les lacs, rivières
• Végétation : dépérissement des forêts
• Dégradation des monuments
• Impact sanitaire : brouillards acides (fog) dans les zones urbaines (très fortes concentrations acides après évaporation de l’eau)
Los Angeles (années 80): pH = 1.5
Londres 1954 : 4000 décès attribués au brouillard acide où le SO2 a dépassé 2000µg/m3 !
Année 1999
L’ozone : d’abord les zones périurbaines et rurales
Nombre d’heures de dépassement de l’objectif de qualité
Année 2000
Année 2001
Pollution régionale: La pollution à l’ozone troposphérique
Concentration d’ozone en µg/m3
(8 août 2003)
Nombre d’heures où la valeur seuil de 180µg/m3 a été dépassée (1-14 août 2003)
Évolution de l’ozone dans la troposphère libre sur l’Europe
de l’ouest(Source: Marenco et al., 1994)
Tendance à l’échelle globale
L’observation montreune augmentation de laconcentration des gaz àeffet de serre depuis ledébut de la révolutionindustrielle (CO2, CH4,O3 notamment).
Une partie de la radiation IR sortante est absorbée par les gaz à effet de serre et par lesnuages gardant la surface de la terre à une T° ~ 33°C supérieure à ce qu’elle serait sanseffet de serre.
Température moyenne de surface 15°C
au lieu de -18°C
Sans effet de serre la vie n’existerait pas sur notre planète
L’effet de serre
Le rayonnement solaire est laprincipale source d’énergie terrestre.Le bilan énergétique est accompli parune combinaison de processus dont lesprincipaux sont : l’absorption du rayonnement
solaire à la surface l’émission de rayonnement
infrarouge à la surface
Une partie du rayonnement infrarougeest absorbé et ré-émis par certains gazprésents dans l’atmosphère (gaz à effetde serre - H2O, CO2, O3, CH4, …). Durantce processus, une partie de l’énergieradiative est convertie en énergiethermique => réchauffement de latroposphère.
- Effet de serre
Changement climatique
• Dans les années 70, utilisation des CFC (réfrigérateurs, bombes aérosols)
destruction de la couche d’ozone.
Apparition du « trou » d’ozone stratosphérique dans les années 80
1985 : Première observation du « trou d’ozone » en Antarctique au printemps polaire (octobre)
Responsables : CFC remplacés par les HCFC
« Trou » d’ozone
Data from NASA (TOMS instrument)
Les polluants particulaires et gazeux sont irritants et agressifs et pénètrent plus ou moins loin dans l'appareil respiratoire, induire ainsi des effets respiratoires ou cardiovasculaires (bronchiolites, rhino-pharyngites, cancer du poumon, …)
Impact de la pollution sur la santé
Principaux résultats des évaluations de l'impact sanitaire des particules mesurées par la
commission européenne (programme CAFE - Clean Air for Europe)
Source : L'environnement pour les Européens, Magazine de la direction générale de
l'environnement
- Commission européenne, 2005
Nombre de mois de perte d'espérance de vie moyenne dans
l'UE due aux particules fines (PM2,5)
Source : International Institute for Applied Systems Analysis
Source www.airparif.fr
Impact de la pollution sur la végétation
Les fortes concentrations de certains polluants peuvent conduire à des nécroses visibles sur les plantes. La pollution de l'air peut également entrainer une réduction de la croissance des plantes, même sans dommages visibles (par exemple l'ozone peut provoquer une baisse de la production agricole de céréales comme le blé) ou une résistance amoindrie des plantes à certains agents infectieux.
Source www.airparif.fr
Impact de la pollution sur le bâti
• Bâtiments et statues en calcaire• Statues en bronze et vitraux
Stained-glass of Tours Cathedral (1996)Juda’s Kings statues,
National Museum of Middle-Age, Cluny Hotel, Paris
- Corrosion due au SO2;- Noircissements et encroutements des
bâtiments par les poussières issues de la combustion des produits pétroliers, etc…
Source www.airparif.fr
Impact sur la visibilité
Photos prises au même endroit, à la même heure, deux jours différents (source: Qi Zhang)
Apparition des « smogs photochimiques » corrélés aux périodes de fort ensoleillement et caractérisés par des fortes teneurs en ozone, Nox et particules = pollution photooxydante …
Que dit la loi française en matière de pollution atmosphérique ?
Pollution
Loi sur l’air (C. Lepage) du 30/12/96 :
«la pollution atmosphérique est l'introduction par l'homme, directement ou indirectement, dans l'atmosphère et les espaces clos, de substances ayant des conséquences préjudiciables de nature à mettre la santé humaine en danger, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les changements climatiques, à détériorer les biens matériels, à provoquer des nuisances olfactives excessives »
Glossaire• Valeur limite : niveau à atteindre dans un délai donné et à ne pas dépasser, et fixé sur
la base des connaissances scientifiques afin d'éviter, de prévenir ou de réduire les effets nocifs sur la santé humaine ou sur l'environnement dans son ensemble.
• Valeur cible : niveau à atteindre, dans la mesure du possible, dans un délai donné, et fixé afin d'éviter, de prévenir ou de réduire les effets nocifs sur la santé humaine ou l'environnement dans son ensemble.
• Objectif de qualité : niveau à atteindre à long terme et à maintenir, sauf lorsque cela n'est pas réalisable par des mesures proportionnées, afin d'assurer une protection efficace de la santé humaine et de l'environnement dans son ensemble.
• Niveau critique : niveau fixé sur la base des connaissances scientifiques, au-delà duquel des effets nocifs directs peuvent se produire sur certains récepteurs, tels que les arbres, les autres plantes ou écosystèmes naturels, à l'exclusion des êtres humains.
• Seuil d'information et de recommandation : niveau au-delà duquel une exposition de courte durée présente un risque pour la santé humaine de groupes particulièrement sensibles au sein de la population et qui rend nécessaires l'émission d informations immédiates et adéquates à destination de ces groupes et des recommandations pour réduire certaines émissions.
• Seuil d'alerte : niveau au-delà duquel une exposition de courte durée présente un risque pour la santé de l'ensemble de la population ou de dégradation de l'environnement, justifiant l'intervention de mesures d'urgence.
65
Normes européennes d'émissionLes normes européennes d'émission, dites normes Euro sont des règlements de l‘union européenne qui fixent les limites maximales de rejets polluants pour les véhicules roulants. Il s'agit d'un ensemble de normes de plus en plus strictes s'appliquant aux véhicules neufs. Leur objectif est de réduire la pollution atmosphérique due au transport routier.
NormeMise en servicedes véhicules
Homologation desnouveaux types
Euro 1 1er janvier 1993 1er juillet 1992
Euro 2 1er juillet 1996 1er janvier 1996
Euro 3 1er janvier 2001 1er janvier 2000
Euro 4 1er janvier 2006 1er janvier 2005
Euro 5 1er janvier 2011 1er septembre 2009
Euro 6b 1er septembre 2015 1er septembre 2014
Pour les automobiles particulières, les dates d'entrée en vigueur sont les suivantes :
66
Normes européennes d'émission
Norme Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6b
NOx - - 500 250 180 80
CO 2720 1000 640 500 500 500
HC + NOX 970 900 560 300 230 170
PM 140 100 50 25 5 5
Véhicules à moteur Diesel (mg/km)
Norme Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6b
NOx - - 150 80 60 60
CO 2720 2200 2200 1000 1000 1000
HC - - 200 100 100 100
HCNM - - - - 68 68
PM5 5
Véhicules à moteur essence ou fonctionnant au GPL (mg/km)
67
Polluants Valeurs limites Seuils d'alerte Niveaux critiques
NO2
En moyenne annuelle : 40 µg/m³.
En moyenne horaire :200 µg/m³ à ne pas dépasser plus
de 18 heures par an.
400 µg/m³ en moyenne horaire sur
3 heures consécutives.
NOx
En moyenne annuelle (équivalent NO2) :
30 µg/m³ (protection de la végétation).
SO2
En moyenne journalière (pour la protection de la santé humaine) : 125 µg/m³ à ne pas dépasser plus
de 3 jours par an.
En moyenne horaire (pour la protection de la santé
humaine) : 350 µg/m³ à ne pas dépasser plus de 24 heures par an.
500 µg/m³ en moyenne horaire sur
3 heures consécutives.
En moyenne annuelle et en moyenne
hivernale - du 1er octobre au 31 mars -
(pour la protection de la végétation) :
20 µg/m³.
Norme de qualité de l’air
68
Polluant Valeurs ciblesObjectifs à long terme
Seuil d'information Seuils d'alerte
Ozone(O3)
Pour la protection de la santé :En moyenne sur 8 heures : 120 µg/m³, à ne pas dépasser plus de 25 jours par an (moyenne calculée sur 3 ans).
Pour la protection de la végétation : AOT 40* de mai à juillet de 8h à 20h : 18 000 µg/m³.h (moyenne calculée sur 5 ans).
Pour la protection de la santé :En moyenne sur 8 heures : 120 µg/m³.
Pour la protection de la végétation : AOT 40* de mai à juillet de 8h à 20h : 6 000 µg/m³.h.
en moyenne horaire :180 µg/m³.
Information : 240 µg/m³ en moyenne horaire.
Actions à court terme obligatoires : 240 µg/m³ pendant 3 heures consécutives.
*AOT 40 (exprimé en µg/m³.heure) signifie la somme des différences entre les concentrations horaires supérieures à 80 µg/m³(= 40 ppb ou partie par milliard) et 80 µg/m³ durant une période donnée en utilisant uniquement les valeurs sur 1 heure mesurées quotidiennement entre 8 heures et 20 heures.
Norme de qualité de l’air
69
PbEn moyenne annuelle : 0,5 µg/m³.
PM10
En moyenne annuelle : 40 µg/m³.
En moyenne journalière : 50 µg/m³ à ne pas dépasser plus de 35 jours par an.
COEn moyenne sur 8 heures : 10 000 µg/m³.
C6H6 En moyenne annuelle : 5 µg/m³.
Polluants Valeurs limites Seuils d'alerte Niveaux critiques
Norme de qualité de l’air
70
Polluant Valeurs limites Objectif de qualité Valeur cible
Obligation en matière de
concentration relative à
l'exposition qui doit être respectée en
2015
PM2,5
En moyenne annuelle : 26 µg/m³ pour l'année 2013 et
2014, décroissant linéairement chaque
année pour atteindre 25 µg/m³
en 2015.
En moyenne annuelle : 10 µg/m³.
En moyenne annuelle : 20 µg/m³.
20 µg/m³ pour l'IEM 2015
* IEM 2015 : Indicateur d'exposition moyenne de référence, correspondant à la concentration moyenne annuelle en µg/m³ sur les années 2013, 2014 et 2015.
Norme de qualité de l’air
71
Norme de qualité de l’air
PolluantsValeurs cibles* qui devraient être respectées le 31 décembre 2012
Arsenic 6 ng/m³Cadmium 5 ng/m³Nickel 20 ng/m³Benzo(a)pyrène(utilisé comme traceur du risque cancérogène lié aux Hydrocarbures aromatiques polycycliques -HAP)
1 ng/m³
* Moyenne calculée sur l'année civile du contenu total de la fraction PM10.
La procédure d’alerte
NO2 O3 SO2
Niveau d’info.
200 µg/m3 *
(104 ppb)
180 µg/m3 *
(90 ppb)
300 µg/m3 *
(112 ppb)
Niveau d’alerte
400 µg/m3 *
(208 ppb)
240 µg/m3 * *
300 µg/m3 * *
360 µg/m3 *
500 µg/m3 * *
* : niveau horaire ** : dépassé pendant 3 heures
Comment être informé sur la qualité de l’air ?
L’indice Atmo :
indicateur variant entre 1 (très bon) et 10 (très mauvais) ;
intégrant quatre polluants « basiques » (SO2, NO2, O3, PM10) traceurs des activités
de transport, urbaines et industrielles
Information sur la qualité de l’air
L'indice ATMO concerne toutes les grandes agglomérations de plus de 100 000 habitants.
Cet indice et son mode de calcul sont précisément définis au niveau national par l'arrêté du
Ministère de l'Écologie et du Développement durable du 22 juillet 2004 (qui annule et remplace les
précédents arrêtés relatifs à l'indice de qualité de l'air du 10 janvier 2000 et du 25 juillet 2001).
Cet indice est déterminé à partir des niveaux de pollution mesurés au cours de la journée par les
stations de fond urbaines et périurbaines de l'agglomération.
Le type de site de mesure pris en compte est précisément défini : il s'agit de sites de fond situés
dans les zones fortement peuplées de l'agglomération.
Dans son calcul interviennent : - le dioxyde de soufre
- les poussières
- le dioxyde d'azote
- l'ozone
Pour chaque polluant un sous-indice est calculé.
Chaque sous-indice est déterminé chaque jour à partir d'une moyenne des niveaux du polluant
considéré sur l'ensemble des stations retenues.
Pour les particules, on prend la concentration moyenne journalière sur chaque site.
Pour le dioxyde de soufre, le dioxyde d'azote et l'ozone, c'est la concentration maximale horaire du
jour qui est relevée sur chaque site.
C'est le sous-indice maximal qui est choisi comme indice ATMO final caractérisant la qualité de l'air
globale de la journée considérée.
Qualité de l'air moyenne prévue pour le 05/10/2018 et faible pour le 12/10/2018Indice de l'agglomération de Paris : 6/3dû au(x) polluant(s) : Particules/ Ozone, Particules
Niveaux maximum sur les stations mesurant la pollution ambiante de l'agglomération compris entre :100 µg/m³ et 130 µg/m³ pour l'Ozone (O3) / 70 et 100
90 µg/m³ et 120 µg/m³ pour le Dioxyde d'Azote (NO2) / 70 et 100
35 µg/m³ et 45 µg/m³ pour les Particules (PM10)/ 15 et 25
L’indice ATMO
Information journalière sur la Qualité de l’Air
Un seul indice mais
une répartition
géographique très
variable.
Sur la carte des
indice variant de 1
(très bon) à 5
(mauvais) mais un
indice régional de 5
(ici un cas extrème)
Indice de pollution Moyen prévu pour le 05/10/2018 et faible pour le 12/10/2018Indice de l'agglomération de Paris : 66/42dû au(x) polluant(s) : Particules (PM10) / Dioxyde d’Azote
Niveaux maximum sur les stations mesurant la pollution ambiante de l'agglomération compris entre :100 µg/m³ et 130 µg/m³ pour l'Ozone (O3) / 70 et 10090 µg/m³ et 120 µg/m³ pour le Dioxyde d'Azote (NO2)/ 70 et 10035 µg/m³ et 45 µg/m³ pour les Particules (PM10)/15 et 25
Indice européen
Indice traficpolluants obligatoires : le dioxyde d'azote et les particules PM10polluants complémentaires : le monoxyde de carbone et les particules PM2,5
Indice de fondpolluants obligatoires : le dioxyde d'azote, les particules PM10 et l'ozonepolluants complémentaires : le dioxyde de soufre, le monoxyde de carbone et les particules PM2,5
Les polluants pris en compte sont les suivants :
Comment suivre et qui pour étudier la pollution atmosphérique?
A. Les réseaux de surveillance de la QA
Missions des réseaux :
• Surveillance de la qualité de l’air (mesures) pour évaluer l’exposition de la population
• Prévision des épisodes de pollution (modèles)
• Information de la population et des autorités
• Evaluation de l’impact des mesures de réduction
Stratégie :
• Mesure d’un nombre limité de polluants choisis comme indicateurs de pollution
• Mesures régulières (24h/24 – 7j/7) instruments automatisés
• Implantation des stations dans les zones urbaines, périurbaines, rurales pour connaître l’exposition de toute la population
Choix des sites de mesure
• L’implantation des stations répond à la variabilité spatiale des polluants. Il existe plusieurs types de stations :
‒ les stations urbaines, périurbaines
‒ les stations "de trafic"
‒ les stations rurales, régionales
Le réseau AIRPARIF (IdF)
AIRPAIF dispose de plus de 60 stations de mesure (env. 50 stations automatiques permanentes + 15 stations semi-permanentes) réparties sur un rayon de 100 km autour de Paris.
Exemple de stations parisiennes
Place Victor Basch(Paris 14e)
Périphérique (16e)
Polluants mesurés
• Dans les stations automatiques 7j/7 : • NOx
• Ozone
• SO2
• Particules (PM10)
• Dans les stations semi-permanentes (à proximité du trafic) ou de façon ponctuelle à l’aide de laboratoires mobiles :
CO, PM2.5, COV, BTEX, métaux lourds, …
A. Volet recherche
Expériences « classique »
Les chambres de simulation
atmosphériques
Les études de laboratoire
vitesse de réaction, estimation des durées de vie, processus…
• Campagnes de terrain : étudier les processus atmosphériques (interactions entre les composés, processus associant chimie et dynamique)
• Pour cela, on mesure un maximum de polluants et de paramètres, ciblés en fonction de la question scientifique
• Participation de plusieurs équipes de recherche
• Campagnes de terrain généralement ponctuelles (qq semaines)
• Déploiement d’instruments au sol et aéroportés
• Les observatoires :
• suivre l’évolution de la composition chimique de l’atmosphère sur le long terme
• Fournir des sites d’intérêt pour les campagnes de recherche intensives
Observations de l’atmosphère
Observations de l’atmosphère
Les modèles atmosphériques
(Foret et al, 2014)
Comparaison avec les observations : Par ex, comprenons-nous les processus qui
contrôlent les niveaux d’ozone troposphérique ?
POLLUTION ATMOSPHERIQUE
et
METROLOGIE DES POLLUANTS
ATMOSPHERIQUES
Jean-François Doussin
Professeur à l’université
de Paris Est à Créteil (UPEC)
Cours n° 4b
La pollution intérieure
Pourquoi se préoccuper de la pollution
atmosphérique dans les bâtiments?
Une durée d’exposition importante20 à 22 heures par jour, voire plus pour des populations sensibles
(malades, nourrissons, personnes âgées…)
Des effets sur la santé à des degrés divers : Intoxications (CO), allergies (acariens, animaux domestiques), syndrome des bâtiments malsains, nuisances olfactives,…
Des bâtiments mieux isolés et parfois une ventilation insuffisante
De nombreuses sources potentielles :Combustions, matériaux, occupants, équipements,….
Facteurs qui conditionnent la qualité de l’air d’un local
Qualité de l’air extérieur
AIR EXTERIEUR
Transfert plus ou moins important des polluants de l'extérieur vers l'intérieur
En milieu urbain, pour les composés de combustion:
En l'absence de sources intérieures
les niveaux de monoxyde de carbone (CO) et d'azote (NO), sont en général comparables à l'intérieur et à l'extérieur
les teneurs en dioxyde d'azote (NO2), de soufre (SO2) et d ’ozone (O3) sont plus faibles à l'intérieur des locaux en raison de la réactivité de ces composés
IMPORTANT!!
La localisation de la prise d'air neuf pour la ventilation des locaux
Transfert des polluants de l'extérieur vers l'intérieur (**)
Evolution des teneurs en CO en été (le 06 juin 2000)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
horaire (TU)
mg
/m3
extérieur intérieur mesuré intérieur calculé (*)
(**) : étude CSTB- LHVP
(*) selon
R= 0,6 (h-1) - k= 0 (h-1)
p = 1
durée mesure 1 min
fréquence 2 fois /15 min
Transfert des polluants de l'extérieur vers l'intérieur (**)
Evolution des teneurs en O3 en été (le 06 juin 2000)
0
20
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
horaire (TU)
µg
/m3
extérieur intérieur mesuré intérieur calculé (*)
(**) : étude CSTB- LHVP
(*) selon
R= 0,6 (h-1) - k= 2,25 (h-1)
p = 1
durée mesure 1 min
fréquence 2 fois /15 min
Facteurs qui conditionnent la qualité de l’air d’un local
Emission de sources internes
Sources continues
Emissions constantes ou variables
Sources temporaires
Emissions à intervalle régulier ou épisodiques
Qualité de l’air extérieur
Différents types de polluants
Polluants biologiques :• moisissures (Champignons)• Virus et bactéries (Origine humaine, animale et tellurique)•acariens• Pollens (Plantes)• Déjections animales (parasites et allergènes)
Polluants particulaires :• Amiante• Poussières
Polluants chimiques :• Monoxyde de carbone• Oxydes d’azote• COV• Ozone
Polluants radioactifs :• Radon
Les principales sources de contamination sont liées :
Aux occupants et leurs activités:
• Fumée de tabac
•Cuisine et produits domestiques
• Bricolage
• Nettoyage
Aux matériaux et produits de construction:
• Revêtement de mur et de sol
• Peintures (Plomb, solvants…)
• Matériaux d’isolation (amiante, fibres minérales …)
Aux équipements du bâtiment :
• Air conditionné et ventilation
LA FUMEE DE TABAC ENVIRONNEMENTALE
Ensemble complexe de plusieurs milliers de composés gazeux et particulaires
Les particules produites sont très fines
La phase gazeuse est de type
minéral (CO, NO, NO2, NH3)
organique (nicotine, aldéhydes, nitrosamines, benzène, HAP)
A l'origine d'émissions de nombreux composés volatils présents dans:
les matériaux d'isolation
le mobilier
les revêtements muraux, de sol (dalles, moquettes, papiers peints,..)
les produits de type peintures, vernis, colles,...
MATERIAUX DE CONSTRUCTION, D’AMENAGEMENT ET DE
DECORATION
Composés émis
Plusieurs centaines de composés identifiés appartenant à diverses familles chimiques
LES PRINCIPAUX POLLUANTS CHIMIQUES d’interieur
Pollution Chimique par les COV
Les COV représente le groupe le plus important
Leur présence est due :
• Aux activités humaines
• Aux émissions par les matériaux de constructionle mobilierles revêtements
• A des processus biologiques végétauxanimaux
• A des transferts depuis l’air extérieur
En général [COV]air intérieur > [COV]air extérieur
Cas particulier du Formaldéhyde
Valeur guide O.M.S. : 100 µg.m-3
(Pour une exposition de 30 minutes)
Air quality guidelines for Europe
(2000) – European Series N°41
Composé connu comme irritant des muqueuses oculaires et des voies respiratoires.
Il est présent dans les panneaux en bois aggloméré, les colles et divers produits d'usage courant
COV Risques sanitaires
Composés Concentration
moyenne
(µg/m3)
Valeurs
Guides
(µg/m3)
Durée d’
exposition
Toxicité
Toluène 5 à 150 260 1 semaine Cancérogène
possible
Styrène 1 à 20 260 1 semaine Cancérogène
possible
Benzène 5 à 20 4.4 à 7.5 Cancérogène
avéré
Acétaldéhyde 5 2 24 heures Cancérogène
probable
Formaldéhyde 1 à 20 100 30 minutes Cancérogène
probable
Pollution par l’ozone
Sources intérieures
• Purificateurs et ionisateurs d’air
Les taux d’émission varient entre 60 et 2800 µg/h
Les concentrations mesurées varient entre 10 et 240 ppb
Sources extérieures
En moyenne [O3]intérieur / [O3]extérieur = 0.2 à 0.7
• Appareils utilisant des rayonnements UVdes décharges électrostatiquesdes hautes tensions électriques
Par exemple photocopieuses et imprimantes laser (Depuis peu les fabricants ajoutent des systèmes de destruction sur charbon actif)
Facteurs qui conditionnent la qualité de l’air d’un local
Emission de sources
Sources continues
Emissions constantes ou variables
Sources temporaires
Emissions à intervalle régulier ou épisodiques
Qualité de l’air extérieur
Renouvellement de l’airInfiltration/ventilation
Ventilation
La ventilation des locaux consiste à renouveler l’air des environnements intérieursavec de l’air extérieur considéré comme (plus) propre
La qualité de l’air extérieur dépenddu lieu (urbain, rural)de la saisondu moment de la journée
La concentration de polluants à l’intérieur augmente avec le taux de renouvellement d’air.
Exempleà Paris
[O3]intérieur / [O3]extérieur Taux de renouvellement d’air
0.20 < 1 h-1
0.35 2 h-1
0.55 4 h-1
Ventilation
La ventilation des locaux consiste à renouveler l’air desenvironnements intérieurs avec de l’air extérieur considéré commepropre
La qualité de l’air extérieur dépenddu lieu (urbain, rural)de la saisondu moment de la journée
La concentration de polluants à l’intérieur augmente avec le taux de renouvellement d’air.
Exempleà Paris
[O3]intérieur / [O3]extérieur Taux de renouvellement d’air
0.20 < 1 h-1
0.35 2 h-1
0.55 4 h-1
Facteurs qui conditionnent la qualité de l’air d’un local
Emission de sources
Sources continues
Emissions constantes ou variables
Sources temporaires
Emissions à intervalle régulier ou épisodiques
Qualité de l’air extérieur
Conditions climatiquesTempérature, humidité relative, vitesse de l’air
Renouvellement de l’airInfiltration/ventilation
Les besoins en instrumentation pour la pollution gazeuse atmosphérique:
- Des instruments de mesure miniaturisés- Des instruments de mesure automatisés- Des limite de détection élevés- Des temps de mesure de plus en plus courts
Un seul instrument
!!! Il faut donc connaître les techniques et les instruments de mesure existants
Eléments de cours et exercices
Unités utilisées en chimie atmosphérique
• Fraction molaire ou rapport de mélange 𝑿𝒊 (en relatif)
𝑋𝑖 =Nombre de mole de gaz iNombre de moles d’air (Unité : mole/mole)
Ex: 78% d’N2 dans l’air : XN2 = 0,78 mol.mol-1
La pression atmosphérique est suffisamment faible pour que la loi des gaz parfaits soit vérifiée. Le volume occupé par un gaz parfait est donc proportionnel au nombre de molécules contenus dans ce volume. Le rapport de mélange représente aussi:
𝑋𝑖 =Volume occupé par le comp𝑜𝑠é 𝑖
Volume 𝑑′𝑎𝑖𝑟(Unité : volume/volume)
Avantages: donne directement l’abondance relative des espèces; conservative lorsque la parcelle d’air change de T et P (élévation d’une parcelle d’air)
Autres gaz présents en faible quantité 𝑋𝑖 en ppm, ppb, ppt
Ex : 1 ppm = 1 L de X dans 106 L d’air
1% = une partie par 100 = 10-2 mol.mol-1
1 ppm = une partie par million = 10-6 mol.mol-1
1 ppb = une partie par billion = 10-9 mol.mol-1
1 ppt = une partie par trillion = 10-12 mol.mol-1
Unités utilisées en chimie atmosphérique
• Concentration moléculaire en Nombre /cm3 (en absolu) (𝐶𝑖)
𝐶𝑖 =Nombre de molécules du composé 𝑖
Volume d’air (unité: molécules/cm3)
1) Trouvez la relation entre 𝑪𝒊 et 𝑋𝑖
Réponse: 𝐶𝑖 et 𝑋𝑖 sont liés par la relation: 𝑋𝑖 = 𝐶𝑖
𝐶𝑎𝑖𝑟
1) Démontrez que 𝑪𝒊 n’est pas conservé lorsque P et/ou T varient
Réponse: D’après la loi des gaz parfaits: PV = nairRT
𝐶𝑎𝑖𝑟= Nair/V = nairNA/V= PNA/RT avec NA= nombre d’Avogrado (6,02.1023 molecules.mole-1)
R = 0.082 L.atm. K-1.mol-1 = 8.31 J.K-1.mol-1
Soit pour un gaz i:
𝐶𝑖= 𝐶𝑎𝑖𝑟 𝑋𝑖 = 𝑁𝐴𝑃
𝑅𝑇𝑋𝑖 𝐶𝑖 dépend de P et T
Unités utilisées en chimie atmosphérique
• Concentration moléculaire en Nombre /cm3 (en absolu) (𝐶𝑖)
Grandeur clé pour évaluer la vitesse des réactions chimiques Paramètre clé pour caractériser l’absorption et la diffusion d’un rayonnement lumineux par un gaz
optiquement actif. L’efficacité de l’absorption et/ou diffusion dépend directement du nombre de molécules de gaz le long du trajet optique (loi de Beer-Lambert)
• Concentration en masse
𝐶𝑚, 𝑖 =Masse du composé 𝑖
Volume d’air unité: kg.m-3
Dans l’atmosphère : mg/m3 - µg/m3
𝐶𝑚, 𝑖= 𝐶𝑖𝑀
𝑖
𝑁𝐴
x106
La masse molaire moyenne de l’air Mair est obtenue en moyennant la contribution de tous les constituants i: Mair = 28,96.10-3 kg.mol-1
3) Calculer la masse d’un m3 d’air à 298 K et pression 1 atm R: Cm,air= 1,2 kg.m-3
4) Le rapport de mélange de CO2 dans l’atmosphère est de 370 ppm. Quelle est la concentration moléculaire du CO2 à P=1013 hPa et T = 0°C? R: CCO2= 9,9.1015molécule.cm-3
5) Une masse d’air humide contient 3% (mol/mol) d’eau. Quelle est la masse molaire moyenne de l’air humide? R: Mair= 28,6.10-3kg.mol-1
Commenter le graphe ci-dessous représentant la concentration journalière de NO2 dans deux stations Airparif de la région parisienne. Les concentrations maximum de NO2 dans chaque station Airparif excèdent-elles les seuils français d’alerte et de recommandation et information de la population (voir tableau)?
Exercice
NO2 O3 SO2
Niveau d’info.
200 µg/m3 *
(104 ppb)
180 µg/m3 *
(90 ppb)
300 µg/m3
*
(112 ppb)
Niveau d’alerte
400 µg/m3 *
(208 ppb)
240 µg/m3 * *
300 µg/m3 * *
360 µg/m3 *
500 µg/m3
* *
Unités utilisées en chimie atmosphérique
Les espèces susceptibles de condenser dans l’atmosphère sont fréquemment présentées sous la
forme de pression partielle (en particulier H2O)
• Pression partielle Pi d’un gaz i dans un mélange de gaz de pression P est définie comme la pression
qu’exerceraient les molécules du composé i si toutes les autres espèces étaient retirés du mélange.
Pi et Xi sont reliés par la relation (Loi de Dalton):
Pi=XiP ou pour les applications atmosphériques P est la pression totale atmosphérique
6) Trouvez la relation entre Pi et Ci (à partir de la loi des gaz parfaits):
Réponse: Pi=𝐶𝑖
𝑁𝐴
RT
Unités utilisées en chimie atmosphérique
• Pression de vapeur saturante Psat d’un composé représente la pression à laquelle
ce composé est en équilibre avec sa phase condensée (liquide ou solide) pure
Exemple: H2O (liq) H2O (gaz)
La pression de vapeur saturante correspond à la pression partielle d’eau lorsque l’équilibre est atteint
Dépendance de Psat de la température
Unités utilisées en chimie atmosphérique
Humidité relative RH (%) = 𝑷𝑯𝟐𝑶
𝑷𝑯𝟐𝑶𝑺𝒂𝒕
x100
- Si 𝑷𝑯𝟐𝑶 = 𝑷𝑯𝟐𝑶𝑺𝒂𝒕 (RH = 100%) l’eau liquide (nuage) et gazeuse sont en équilibre thermodynamique. Les deux phases coexistent simultanément. H2O (liq) H2O (gaz)
- Si 𝑷𝑯𝟐𝑶 < 𝑷𝑯𝟐𝑶𝑺𝒂𝒕 (RH < 100%) absence d’eau liquide (nuage) dans la parcelle d’air. Evolution spontanée: H2O (liq) → H2O (gaz)
- Si 𝑷𝑯𝟐𝑶 >𝑷𝑯𝟐𝑶𝑺𝒂𝒕 (RH > 100%) parcelle d’air saturée (excès de H2O(gaz)) par rapport à l’équilibre donc condensation de H2O(gaz). Evolution spontanée: H2O (gaz) → H2O (liq)
La formation des nuages est généralement liée à un abaissement de température. Le refroidissement est provoqué soit par contact avec une surface plus froide (transition océan/continent par exemple), soit, le plus souvent, selon un processus: soulèvement détente refroidissement
6) Une station météo reporte T = 293 K et RH = 50%. En supposant la pression d’eau constante, quelle doit être la chute de température durant la nuit pour qu’il ai formation d’un brouillard? R: T=282 K
PressionLa pression est la force exercée par un fluide par unité de surface A:
𝑃 =𝐹
𝐴
𝑑𝑝
𝑑𝑧= −𝜌 × 𝑔
Variation de la pression avec l’altitude : loi de l’hydrostatique / fluide immobile
7) Démontrez à partir de la loi de croissance de la pression et la loi hydrostatique que la pression de l’atmosphère décroit de façon exponentielle avec l’altitude
𝜌 =𝑚
𝑉=𝑝 ×𝑀
𝑅 × 𝑇
𝑑𝑝
𝑝= −
𝑀 × 𝑔
𝑅 × 𝑇× 𝑑𝑧
𝑝 = 𝑝0 × 𝑒−𝑀𝑔𝑧𝑅𝑇 En intégrant, on obtient :
La pression de l’atmosphère décroit de façon exponentielle avec l’altitude
Pour l’air (N2/O2, 80/20),M = 2910-3 kg/mol
Par ex. A 10 km, p = 0,26 atmA 20 km, p = 0,026 atmA 35 km, p = 0,01 atm
p= la pression exercée sur la parcelle d’airz = l’altitude
(unité: 1 N.m-2 = 1 Pa)
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