Cinquante ans de retombées atmosphériques de polychlorobiphényles au Svalbard

Publié le 31.12.2013

Première étude de cette ampleur en Arctique : les 209 isomères possibles de la famille des PCB – polychlorobiphényles – traqués dans les strates d’une carotte de glace extraite de l’un des glaciers du Spitzberg, plus grande île de l’archipel du Svalbard.

En mars 2009, à la sortie de l’hiver, une équipe de scientifiques fore le plus haut glacier du Spitzberg, la calotte glaciaire Lomonosovfonna, qui s’élève à 1 202 mètres au-dessus du niveau de la mer. Ce champ de glace n’a pas été choisi par hasard. Son altitude le place au-dessus de la couche limite atmosphérique, aussi bien en hiver qu’en été. Une condition nécessaire pour qui souhaite analyser les dépôts atmosphériques de contaminants transportés par des masses d’air sur de longues distances et donc s’affranchir d’éventuelles émissions polluantes locales. Car tel est bien le but de ces chercheurs : reconstituer l’histoire des retombées polluantes de polychlorobiphényles [1], découvrir quels membres de cette grande famille sont les plus abondants et les plus persistants dans ce lieu de hautes latitude et altitude, identifier les sources de cette pollution.

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Glacier Lomonosovfonna au Spitzberg
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Une carotte de glace de 37 mètres de long est collectée par les scientifiques. Sa datation – au moyen des cycles saisonniers du rapport entre les isotopes 16 et 18 de l’oxygène – indique qu’elle correspond à l’intervalle de temps 1957-2009. Cette période couvre les phases de production puis d’interdiction des PCB.

Les PCB, produits et vendus sous forme de mélange commercial de plusieurs isomères (ou congénères), ont été principalement utilisés comme fluides diélectriques dans des équipements électriques de 1929 jusque dans les années 1970, époque à partir de laquelle leur production a progressivement cessé, après la découverte de leur impact environnemental. [2] Composés toxiques, classés comme polluants organiques persistants (ou POPs), contaminants bioaccumulables et particulièrement liposolubles, s’accumulant donc dans les tissus gras de toute la chaîne alimentaire jusqu’aux humains, leur production a en effet été interdite aux États-Unis en 1979, en France en 1987 et en 2001 à l’échelle internationale par la Convention de Stockholm sur les POPs [3]

Du fait de leurs hautes stabilités thermique et chimique – donc de leur forte persistance – et de leur volatilité élevée, les PCB sont susceptibles d’être transportés sur de longues distances. On les retrouve ainsi dans l’atmosphère de toute la planète, y compris dans les régions polaires. Une fois dans l’atmosphère polaire arctique, ces polluants ne sont que peu dégradés sous l’effet du rayonnement ultraviolet [4]. Ils peuvent se déposer à la surface des glaciers par retombée atmosphérique sèche – après adsorption à la surface d’aérosols – ou humide – après avoir été interceptés par des flocons de neige –. Quand la neige se transforme en glace, les PCB y restent conservés, car les processus de décomposition sont restreints dans ce milieu.

Quels composés sont donc piégés dans la carotte de glace ? L’analyse chimique par spectrométrie de masse à haute résolution, couplée à la chromatographie en phase gazeuse, des 209 congénères de la famille révèle la prévalence des tétra- et pentachlorobiphényles, signature d’un type bien particulier de source de pollution. Les composés plus fortement chlorés sont peu présents dans le Grand Nord, en raison de leur masse moléculaire plus élevée qui ne permet pas un transfert sur de longues distances. Au contraire, les congénères faiblement chlorés, volatils, parviennent plus facilement jusqu’en Arctique. S’ils se déposent à la surface de la neige, ils sont aussi aisément réémis au printemps vers l’atmosphère lorsque les températures se réchauffent et que la neige se transforme en névé puis en glace. Ils se retrouvent donc globalement en faible quantité dans la carotte de glace. Les congénères dominants, les plus abondants, sont présents dans toutes les strates de la carotte, soit sur les cinquante deux années analysées, et sont donc aussi les plus persistants. Une persistance étonnante puisqu’elle va à l’encontre de résultats de recherche antérieurs tendant à montrer que la persistance de ces composés est corrélée à l’absence de substituants hydrogène adjacents sur au moins l’un des noyaux aromatiques, ce qui n’est pas le cas de certains des isomères rencontrés à Lomonosovfonna. Enfin, au vu des analyses de séries homologues [5], les scientifiques concluent à l’existence hautement probable d’un même type de source pour tous les PCB identifiés au Svalbard, à quelques exceptions près toutefois.

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Carottes de glace polaire en attente d’analyse
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Une étude plus approfondie sur l’un des composés, le PCB -11 (ou 3,3p-dichlorobiphényle), composé absent – ou parfois présent à l’état de traces des mélanges commerciaux, mais retrouvé en proportion élevée – bien que variable – comparé aux autres congénères, dans les différentes tranches de la carotte de glace, indique que les émissions de ce polluant ont dû être importantes, se produire à plus basse latitude encore (ce composé plus faiblement chloré que d’autres isomères est plus volatil), et ce depuis 1957 au moins. Les sources possibles du PCB-11 restent mal définies mais pourraient se révéler être certains processus thermiques tels que l’incinération de déchets urbains. Des études en Suède et au Japon avaient révélé la présence de ce composé dans les effluents gazeux et les cendres produits par les incinérateurs de déchets.

La quantité totale de polychlorobiphényles se déposant au Spitzberg a fluctué d’un facteur quatre au cours des cinquante dernières années, présentant plusieurs maxima d’environ 19 pg cm-2 an-1 de 1957 à 1966, puis de 1974 jusqu’en 1983 et de nouveau entre 1998 et 2009 [6], alternés avec deux phases de décroissance. La plus longue d’entre elles, d’une durée de quinze ans, débute en 1983, en cohérence avec le déclin de la production industrielle mondiale à cette époque. En revanche, le pic du flux de PCB atteint dans les années 1998-2009 surprend les scientifiques (tout comme le flux réduit des années 1966-1974 alors même que la production industrielle était à son apogée). Les polluants identifiés dans la glace de Lomonosovfonna ne sont pas uniquement issus de la production et de l’utilisation industrielle de ces composés mais également de sources secondaires liées aux phénomènes de persistance dans l’environnement et de réémission. De nouvelles sources ont ainsi été découvertes ces dernières années, notamment au Portugal, comme le signale l’Agence européenne pour l’environnement dans un rapport récent [7].

L’étude des trajectoires des masses d’air, potentiellement polluées, circulant au-dessus du glacier Lomonosovfonna montre qu’elles proviennent la moitié du temps du Groenland et de l’océan Arctique, régions exemptes de sources de PCB. En revanche, les quatre périodes d’afflux maximum de polychlorobiphényles au Spitzberg correspondent à des masses d’air remontant de zones situées en deçà du 60e parallèle, de Mer du Nord, du Royaume-Uni, de Russie occidentale et de Finlande, notamment la péninsule de Kola très industrielle. Une conclusion en partie corroborée par une autre étude qui avait déjà démontré que les principales contrées émettrices de PCB occupaient une zone comprise entre 30 et 60° de latitude nord, et entre 0 et 20° de longitude est, autrement dit l’Europe de l’Ouest.

Camille de Salabert, INIST-CNRS

[1]Les polychlorobiphényles (PCB) sont des composés aromatiques chlorés, formés par substitution sur un noyau biphényle d’un ou plusieurs atomes d’hydrogène par un ou plusieurs atomes de chlore. Le nombre et la localisation des atomes de chlore définissent un isomère ou congénère.

[2]L’origine de la production se situe pour l’essentiel dans les pays occidentaux. Les États-Unis sont le principal pays producteur pour près de la moitié du tonnage, suivi par les pays de l’ouest de l’Europe (Royaume-Uni, France et Allemagne) et la Russie. Les PCB peuvent également apparaître en tant que polluants secondaires, lors de la fabrication d’autres composés chlorés ou de processus de dégradation thermique.

[3]La convention de Stockholm du 22 mai 2001 sur les polluants organiques persistants demande aux 151 États signataires d’identifier les appareils contenant des PCB et de procéder à leur élimination rationnelle du point de vue écologique : http://www.larousse.fr/encyclopedie....
Cette convention est entrée en vigueur en 2004 : http://europa.eu/legislation_summar....

[4]En Arctique, la dégradation photochimique des PCB sous l’effet des ultraviolets est inefficace, d’une part, parce que l’absorption d’énergie de ces composés est réduite dans la gamme de longueurs d’onde des UVB, et d’autre part, parce que sous ces latitudes, le flux du rayonnement ultraviolet reste limité pendant plusieurs mois. De plus, les conditions atmosphériques particulières aux pôles (humidité réduite, températures basses, faible concentration en ozone troposphérique) sont peu propices à une production élevée en radicaux hydroxyles, susceptibles de détruire ces composés par photo-oxydation, contribuant de ce fait à augmenter leur durée de vie dans l’atmosphère.

[5]Les homologues sont des sous-catégories des isomères qui possèdent un nombre équivalent de substituants chlorés.

[6]Valeur cependant inférieure à celle mesurée dans l’Arctique canadien par une autre équipe.

[7]Rapport portant sur les variations des émissions de PCB au cours de la période 1990-2011 par les pays membres de l’Union européenne : Change in polychlorinated biphenyl emissions.

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