L'environnement c'est devenu un mot passe-partout qui recouvre des réalités très diverses. Notre ambition dans ce chapitre, destiné aux environnementalistes peu familiers de la physique, c'est de faire un digest des grandeurs caractéristiques de l'Environnement et des procédés métrologiques associés que l'on retrouvera explicités en détail, pour la plupart, éparpillés dans d'autres chapitres de ce traité.

Nous commencerons par l'analyse des désordres pouvant se produire dans l'air. Ils sont de diverses natures, certains très popularisés par les médias et d'autres beaucoup moins. Les plus connus sont ceux de nature chimique : rejets dans l'atmosphère chroniques ou accidentels.

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les pollutions des eaux

L'eau est vitale pour l'ensemble de la biosphère et chacun connait le cycle de l'eau :
condensation de la vapeur d'eau de l'air --> nuages --> pluie --> infiltration et ruissellemen t --> pompage des nappes phréatiques et rejet d'eaux usées --> écoulement vers l'océan --> évaporation, etc.
Lors des différentes phases de ce cycle, l'eau peut se charger de polluants, et parfois s'en décharger lors de processus d'infiltration.

Les paramètres que l'on va donc devoir contrôler seront le pH (indicateur d'acidité), la dureté (essentiellement teneur en calcaire), la teneur en oxygène et la température et bien entendu l'ensemble des polluants chimiques introduits dans l'eau lors d'usage domestique ou industriel ou lors de ses échanges avec l'atmosphère. En outre l'agriculture joue un rôle considérable dans la pollution aquatique (phosphates, nitrates, pesticides divers)

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les pollutions du sol

La pédosphère est le milieu de vie de la plupart des plantes et de nombre d'animaux et, par conséquent, aussi de l'homme via sa nourriture. On s'intéressera à la teneur en eau, l'aération, la teneur en nutriments indispensables à la vie, mais aussi aux polluants tels certains métaux lourds (Pb, Hg, Cd...) et nombre de produits chimiques (résidus d'engrais, pesticides, déchets industriels, dépôts des eaux usées, etc.

Hormis les mesures spécifiques des polluants du sol précités on s'intéressera aussi à l'effet de certains dysfonctionnements (tels les pluies acides par exemple) sur l'érosion des sols, le suivi de l'érosion étant alors un indicateur de ces pollutions.

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mesures environnementales (rappelons que les mots en bleu sont des liens vers d'autres chapitres)

dans l'atmosphère

On effectuera des mesures climatologiques afin de pouvoir suivre les transferts de polluants.

Les divers polluants précités ont tous fait l'objet de monographies dans ce site : capteurs chimiques, capteurs de rayonnement, capteurs acoustiques, capteurs de micropesée, capteurs de champ électromagnétique.

dans l'eau

En milieu aquatique on mesurera le pH, la dureté, la teneur en oxygène, la température, la conductivité

dans les sols

On mesurera le pH, l'humidité, la température, parfois la radioactivité. La détection des espèces chimiques s'effectuera généralement par prélèvement d'un échantillon et analyse chimique traditionnelle en laboratoire. Il existe cependant certains réactifs ou indicateurs colorés permettant une mise en évidence rapide sur le terrain de certains polluants, mais l'imprécision d'une telle opération la rend vaine le plus souvent.

Précisons enfin que s'il est relativement significatif d'analyser un échantillon d'eau d'une rivière en raison de l'écoulement qui assure un brassage des eaux et donc une homogénéisation, ce n'est pas du tout la même chose pour le sol. Et l'on doit prélever de nombreux échantillons si l'on veut avoir une indication statistiquement relativement significative, en particulier s'il s'agit d'une pollution accidentelle et de source très localisée (renversement d'un fut de produit chimique par exemple).

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méthodes non abordées dans d'autres chapitres de ce traité

mesure de la dureté de l'eau.

Il s'agit essentiellement de déterminer le calcium et le magnésium présents le plus souvent sous forme de carbonates (on parle de dureté carbonatée KH) ou de sulfates, l'ensemble des deux constituant la dureté totale GH. Le procédé le plus simple est un titrage colorimétrique. Notons que les normes françaises et européennes sont différentes. En France on effectue une mesure de l'équivalent en CaO contenu dans l'eau, ce qui se traduit par un °TH (pour titrage hydrotimétrique) alors que dans la plupart des états de l'union européenne on emploie le °DH.

1°TH = 5.6mg/l de CaO tandis qu'1°DH =10mg/l de CaO

Aucun capteur spécifique n'ayant été développé la mesure s'effectue selon un procédé de dosage traditionnel.
Dureté totale. Concentration totale en ions calcium et magnésium. S'effectue par un dosage par l'EDTA (sel tétrasodique de l'acide éthylène diamine tétra-acétique) N/25. à pH = 10, en utilisant le NET comme indicateur. L'EDTA a la propriété de se combiner avec les ions calcium puis magnésium pour former des composés solubles, les chélates. Le dosage consiste donc à ajouter dans un volume connu de l'eau à analyser (50ml) quelques gouttes du réactif NET qui est violet en milieu dur et vire au bleu lorsque la dureté est très faible (TH=0), puis à ajouter la solution d'EDTA jusqu'à virage au bleu
alors TH = V (ml) x 4

dosage de l'oxygène dissous

La dégradation des déchets organiques dans l'eau consomme de l'oxygène on va donc s'intéresser à cette "demande biologique en oxygène" ou DBO qui est un indicateur de la pollution des eaux (pollution organique).

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Le dosage de l'oxygène s'effectue avec un oxymètre. Le principe rappelle celui du pHmètre. Une chaine galvanique constituée d'une électrode d'or, d'un électrolyte et d'une électrode d'argent et une membrane de téflon qui isole le capteur de l'eau à tester. Sous l'effet du champ électrique appliqué entre les électrodes l'oxygène contenu dans l'eau va diffuser à travers la membrane ce qui va modifier la conductivité de l'électrolyte par suite d'une action de réduction de O2 au niveau de la cathode d'or, d'où création d'ions OH^- et passage d'un courant. La mesure du courant sera donc significative de la teneur en oxygène de l'eau. Cependant ce procédé est très sensible à la température et un contrôle de température est indispensable de manière à permettre une correction de la mesure (laquelle sera manuelle ou automatique selon la complexité de l'électronique associée).

images satellitaires

Une technique de plus en plus exploitée pour la connaissance de l'environnement fait appel aux images satellitaires. En effet de nombreux satelites d'exploration ont été lancés autour de la terre et nous transmettent une multitude d'images des espaces survolés. Certaines sont dans le domaine visible, d'autres sont des images IR traduites en fausse couleur, d'autres analysent directement des concentrations de polluants à partir de leur absorption d'une radiation précise. Selon la plage de longueur d'onde analysée ces images pourront donner de précieuses information sur l'état des cultures (sanitaire, maturité, surface...), la teneur en eau du sol, la température de surface, etc. En recoupant informatiquement les informations fournies par plusieurs images de la même zone à des longueurs d'onde différentes on peut extraire de nouvelles données inaccessibles par une mesure directe.

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ex: vue en fausses couleurs du département de l'Aude avant et après une inondation (images SPOT)

Il convient cependant d'étalonner soigneusement ces images satellitaires en disposant d'un certain nombre de mesures effectuées traditionnellement au sol, ce qui permet de recaler les analyseurs embarqués et de corriger leurs éventuelles dérives.

Conclusion:

Bien d'autres paramètres figurent dans un tableau de bord de l'environnement qui comporte une quinzaine de domaines et de multiples sous-domaines, tels l'état des forêts, l'agriculture ou les transports pour ne citer que ceux-là, mais comme ces derniers, nombre d'entre eux ne nécessitant pas de capteurs pour être évalués, mais faisant appel à des méthodes d'investigation manuelles (et malheureusement souvent "pifométriques"), ils n'ont pas lieu de figurer ici.

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Nombre d'ouvrages traitent des mesures en environnement et de leur exploitation, nous citerons:

LE COZ Chr. & al.,Mesures et environnement, Presses des Ponts et Chaussées, Paris, 1997.

SCHUTZ M., Environnement et pollution, Publitronic, Nieppe, 1995.

BOUDRANT J. & al., Capteurs et mesures en biotechnologie, Technique et Documentation, Paris, 1994.

POPESCU M. & al., Analyse et traitement physicochimique des rejets atmosphériques industriels, Technique et Documentation, Paris, 1998.

FAURIE Cl. & al., Ecologie Approche scientifique et pratique, Technique et Documentation, Paris, 1998.

LAMBERT S., Manuel environnement à l'usage des industriels, AFNOR, Paris, 1994.

RAMADE F., Ecologie des ressources naturelles,Masson, Paris, 1981, pp 99-190.

BERNIER J. & al., Statistique pour l'environnement, Technique et Documentation, Paris, 2000.

FORSTNER U., Umweltschutztechnik, Springer Verlag, Berlin, 1992.

GAUJOUS D., La pollution des milieux aquatiques, Technique et Documentation, Paris, 1995.

collectif, Catalogue des sources de données de l'environnement, IFEN,Technique et Documentation, Paris, 1997.

AHLERS H., Multisensorik-Praxis, Springer Verlag, Berlin, 1996.

collectif, Problèmes d'environnement, Dires d'experts, Technique et Documentation, Paris, 1996.