CONTRIBUTION A L’ETUDE DE BERYLLIUM-7 DANS L’EAU DE PLUIE

BERYLLIUM-7 DANS L’ENVIRONNEMENT

L’interaction des rayonnements solaires avec l’azote et l’oxygène atmosphérique produit différents isotopes. Les principaux noyaux cosmogéniques créés dans cette série de collisions, sont le 14C, le 3H, le 7Be et le 10Be. [1] Dans cette étude, on s’intéresse plus particulièrement à la formation et l’évolution du 7Be, qui comprennent trois phases : la phase atmosphérique, la phase aqueuse et la phase pédologique. 

 Phase atmosphérique

Atmosphère

 L’atmosphère est une enveloppe constituée par des couches gazeuses superposées. C’est un mélange formé de gaz présents en différentes concentrations et de particules diverses, essentiellement de l’azote (78%), de l’oxygène (21%), et le reste (1%) constitué par du gaz rare, de la vapeur d’eau et du gaz à effet de serre.  Les couches qui la constituent sont d’épaisseur variable. Leurs limites ont été fixées selon les discontinuités dans la variation de la température, en fonction de l’altitude. Figure 2 : Les différentes couches de l’atmosphère. De bas en haut les diverses couches de l’atmosphère sont [4] [5] : -la troposphère : jusqu’à 13 km d’altitude ; la température y décroît (en moyenne de + 15 °C à – 56 °C). Elle contient 80 à 90 % de la masse totale de l’air et la quasi-totalité de la vapeur d’eau ; c’est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques (nuages, pluies, etc.) et les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux (vents, …). -la stratosphère : de 8-15 km à 50 km d’altitude ; les réactions photochimiques induites par la présence de l’ozone fournissent à l’air un apport de chaleur de sorte que la température augmente jusqu’à des températures proches du zéro. Mésosphère Thermosphère Stratosphère Troposphère 80 km Couche d’ozone Surface de la terre 13 km 50 km 500 km Exosphère -56°C 0°C -80°C +500°C   4 -la mésosphère : de 50 km à 80 km d’altitude ; la température décroît de nouveau jusqu’à -80°C. -la thermosphère : de 80 km à 350-800 km d’altitude la température croît avec l’altitude. -l’exosphère : de 350-800 km à 50.000 km d’altitude ; dans la haute atmosphère, des transformations physiques et chimiques affectent un air raréfié et soumis à des températures croissantes (jusqu’à + 500 °C à 500 km d’altitude). 

 Formation du 7Be dans l’atmosphère

 Le 7Be est un nucléide cosmogénique créé dans l’atmosphère par spallation des rayons cosmiques, tout comme le 14C, l’azote et l’oxygène. La spallation nucléaire (de l’anglais to spall : produire des éclats) est une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau atomique est frappé par une particule incidente (neutron, proton, …) ou une onde électromagnétique de grande énergie (à partir de 50 MeV et jusqu’à quelques GeV). Vu l’énergie mise en jeu, le noyau cible se décompose en produisant des jets de particules plus légères (neutrons, protons, ou noyaux légers de deutérium ou d’hélium, voire lithium). Le béryllium possède 12 isotopes: 5Be, 6Be, 7Be, 8Be, 9Be, 10Be, 11Be, 12Be, 13Be, 14Be, 15Be et 16Be. Le plus stable est le 10Be (T1/2 = 1,36.106 ans), suivi par le 7Be (T1/2 = 53,22 jours). Tous les autres radioisotopes ont une période inférieure à une minute. Le 7Be se désintègre en 7 Li, l’équation de transmutation est : 7Be + e- 7 Li + ν. Il se trouve à une énergie gamma approximativement égale à 477,6 keV. Le taux avec lequel le 7Be, isotope à courte-vie, est transféré de l’air au sol dépend en partie de la météorologie locale. Approximativement 70% du 7Be s’est produite dans la stratosphère et 30% dans la troposphère. La plupart du 7Be qui se produit dans la stratosphère, n’atteint la troposphère que pendant la période d’hiver.

 Phase aqueuse

Précipitation 

Le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d’eau qui, ayant été soumis à des processus de condensation et d’agrégation à l’intérieur des nuages, sont devenus trop lourds pour demeurer en suspension dans l’atmosphère. Ils tombent au sol ou s’évaporent avant de l’atteindre. A la surface de la terre, la hauteur de précipitation est mesurée à l’aide d’un pluviomètre et se calcule en millimètres. La fréquence et la nature des précipitations dans une région géographique donnée sont des caractéristiques importantes du climat. La précipitation peut prendre les formes suivantes (parfois mélangées): Liquide: averse, crachin, pluie, bruine, Solide: neige, grésil, grêle, cristal de glace. A ces formes s’ajoutent d’autres types de précipitation comme la neige roulée (particules de glace blanches et opaques mêlées à la neige lorsque la température approche 0°C), la neige en grain, les prismes de glace (très fins lorsque l’air est très froid et peu turbulent), etc. [7] Le type de précipitation s’accompagne d’une indication d’intensité (légère, modérée, ou forte), ainsi que d’une mesure de la visibilité au travers de la précipitation. Les rapports d’observations indiquent aussi le caractère temporel de la précipitation : si son intensité varie rapidement et s’accompagne d’éclaircies, la précipitation est appelée une averse. 

 Eau de pluie 

 Formation et qualité de l’eau de pluie La formation de la pluie résulte de la condensation de l’eau contenue dans l’air qui contient des gaz provenant du milieu naturel, de l’activité industrielle, de la combustion des produits fossiles riches en soufre et de la circulation des automobiles. Ces gaz circulent dans l’atmosphère, se dissolvent dans la vapeur d’eau et se transforment en acides (notamment sulfurique et nitrique). L’oxyde d’azote formera de l’acide nitreux HNO2 et de l’acide nitrique HNO3, tandis que le dioxyde de soufre produira de l’acide sulfureux H2SO3 qui s’oxyde dans l’air en acide sulfurique H2SO4. C’est ainsi que la pluie acquiert naturellement son caractère légèrement acide. L’eau de pluie contient pour l’essentiel du sulfate, du sodium, du calcium, de l’ammonium, et des nitrates à l’état de traces. La concentration des composés de l’eau de pluie varie en fonction de la géographie mais également en fonction des caractéristiques environnementales du lieu concerné. Les différences de qualité de l’eau de pluie dépendent principalement de l’influence des zones industrielles (activités anthropiques) où l’atmosphère se trouve chargée en gaz et en particules émises par l’activité routière et industrielle. 

 Différents types de pluie

 Il existe différents types de pluies : les pluies convectives, les pluies orographiques et les pluies frontales. Les pluies convectives. Elles résultent d’une ascension rapide des masses d’air dans l’atmosphère. Les précipitations résultantes de ce processus sont en général orageuses, de courte durée (moins d’une heure), de forte intensité et de faible extension spatiale. Les pluies orographiques (du grec oros, montagne). Ce type de précipitations résulte de la rencontre entre une masse d’air chaude et humide et une barrière topographique particulière. Par conséquent, ce type de précipitations n’est pas spatialement mobile et se produit souvent au niveau des massifs montagneux. Les caractéristiques des précipitations orographiques dépendent de l’altitude, de la pente et de son orientation, mais aussi de la distance séparant l’origine de la masse d’air chaud du lieu de soulèvement. En général, elles présentent une intensité et une fréquence assez régulières. Les pluies frontales ou de type cyclonique. Elles sont associées aux surfaces de contact entre deux masses d’air, de température, de gradient thermique vertical, d’humidité et de vitesse de déplacement différents, que l’on nomme fronts. Les fronts froids (une masse d’air froide pénètre dans une région chaude) créent des précipitations brèves, peu étendues et intenses. Du fait d’une faible pente du front, les fronts chauds (une masse d’air chaude qui pénètre dans une région occupée par une masse d’air plus froide) génèrent des précipitations longues, étendues, mais peu intenses. Cycle naturel de l’eau La figure 3 présente le cycle de l’eau dans lequel on peut voir la contribution des précipitations