AIR

Le globe terrestre est entouré d'une atmosphère constituée d'un mélange gazeux nommé air, qui s'étend de la surface du sol jusqu'à une altitude d'environ 150 kilomètres.

La pression de l'air au niveau de la mer a longtemps servi d'unité de pression (atmosphère) ; elle décroît si l'on s'élève et, vers 130 kilomètres, le vide est comparable à celui que l'on peut obtenir en laboratoire avec les meilleures pompes. L'air conditionne fondamentalement la quasi-totalité des formes de la vie terrestre ; selon l'activité qu'il fournit, un homme en consomme entre 3 000 et 5 000 litres par vingt-quatre heures. L'abondance sans limite de ce mélange gazeux, son coût nul et son omniprésence en ont fait un sujet d'étude de choix dès l'Antiquité. Les chimistes ont cherché à en déterminer la nature et les physiciens se sont intéressés aux problèmes de sa masse et de sa pression.

L'activité des hommes s'est traduite, surtout au xx^e siècle, par divers rejets gazeux dans l'air. Les problèmes de pollution ont dépassé les seuils critiques dans certaines régions du globe, avec parfois des conséquences dramatiques pour la vie des habitants. En France, un certain nombre de réseaux d'analyses automatiques d'air fonctionnent en permanence ; les pouvoirs publics interviennent auprès des industries lors du déclenchement de certaines alarmes, pour diminuer les rejets d'oxydes d'azote, de carbone ou de soufre. La maîtrise totale du problème est toutefois difficile dans la mesure où environ la moitié des rejets d'oxydes de soufre proviennent, en hiver, des chauffages domestiques individuels ou collectifs.

Composition de l'air

Pour les Anciens, l'air représente, avec la terre, le feu et l'eau, l'un des éléments constitutifs du monde ; et tous les gaz reçoivent l'appellation d'air. Il faut attendre la seconde moitié du xvii^e siècle pour voir John Mayow démontrer que l'air est un mélange dont une partie seulement peut entretenir la vie. Le constituant actif est assimilé au gaz obtenu par calcination du salpêtre, ou « nitre », d'où le nom d'« esprit nitro-aérien » alors donné à l' oxygène. Un siècle plus tard, la nature de l'air est vraiment élucidée par Lavoisier. L'expérience par laquelle il établit la composition de l'air est, encore à notre époque, un modèle de rigueur scientifique et de raisonnement déductif. Dans un dispositif constitué par une cornue à long col recourbé contenant du mercure, et une cloche reposant sur un bain de mercure, une quantité déterminée d'air est enfermée. Le niveau est soigneusement repéré sur la cloche « avec une bande de papier collé ». Le mercure est alors porté à ébullition ; il ne se passe rien le premier jour. Des « parcelles rouges » apparaissent à la surface du mercure le deuxième jour et s'accroissent jusqu'au sixième. Pour s'assurer de la fin de la réaction, Lavoisier poursuit l'ébullition du mercure six autres jours, puis, après refroidissement, correction de température et de pression, le volume d'air résiduel est mesuré : il a diminué de 1/6 environ. Lavoisier étudie alors le résidu gazeux obtenu : « Les animaux qu'on y introduisait y périssaient en peu d'instants et les lumières s'y éteignaient sur-le-champ comme si on les eût plongées dans de l'eau. » La matière rouge recueillie à la surface du mercure est étudiée par ailleurs. Par calcination, il se dégage « un fluide élastique beaucoup plus propre que l'air de l'atmosphère à entretenir la combustion et la respiration des animaux ». Les conclusions de Lavoisier sont d'une rigueur et d'une clarté qui forcent l'admiration si l'on tient compte des conditions matérielles de ses expériences : « L'air de l'atmosphère est composé de deux fluides élastiques de nature différente et pour ainsi dire opposée. » Après l'analyse et l'étude des parties, Lavoisier procède à la synthèse : « en recombinant les deux fluides élastiques obtenus séparément, c'est-à-dire 42 pouces cubiques de mofette ou air non respirable et 8 pouces cubiques d'air respirable, on reforme de l'air en tout point semblable à celui de l'atmosphère ». Les résultats des analyses de Lavoisier le conduisent à penser que l'air atmosphérique contient 27 p. 100 d'oxygène, alors que la teneur réelle n'est que de 21 p. 100.

Les expériences de Lavoisier furent effectuées en 1777. Treize ans plus tard, Henry Cavendish étudie dans un eudiomètre l'effet des étincelles électriques sur de l'air suroxygéné, les oxydes d'azote formés étant absorbés par de l'eau savonneuse. Cavendish constate, après élimination de l'oxygène en excès, la présence d'un résidu non absorbable, ce qui constitue la première mise en évidence de l'argon et des gaz rares de l'air. Jusqu'à la fin du xix^e siècle, on distingue deux sortes d'azote, l'azote obtenu par la voie chimique, par décomposition du nitrite d'ammonium : NH₄NO₂→ N₂ + 2H₂O, et l'azote atmosphérique, qui n'est, en fait, que de l'air désoxygéné. Sylvestre Leduc constate une différence de densité de 1/200 entre ces deux gaz. Finalement, William Ramsay met en évidence dans l'azote atmosphérique un résidu, non absorbable par le magnésium chauffé, alors que l'azote chimique est totalement transformé en nitrure Mg₃N₂. Ce résidu inerte représente l'ensemble des gaz rares. La composition réelle de ce mélange sera établie par distillation fractionnée, en 1898.

Aux constituants fondamentaux de l'air il faut ajouter un certain nombre de gaz, présents en quantités variables. Le dioxyde de carbone intervient dans l'assimilation chlorophyllienne et résulte de diverses combustions ; sa teneur est, au moins en partie, régulée par sa dissolution dans l'eau et par la présence d'énormes masses de calcaires à la surface du globe. Le protoxyde d'azote et l'ozone sont synthétisés dans la haute atmosphère, à une altitude supérieure à 25 kilomètres. L'énergie du rayonnement ultraviolet solaire est en grande partie absorbée par la couche d'ozone en participant à la réaction photochimique : 3O₂⇆ 2O₃. Depuis 1979, on a mis en évidence une diminution préoccupante de cette couche : ce phénomène est lié à l'accroissement des rejets industriels, à l'utilisation d'aérosols et aux éruptions volcaniques.

La présence d'autres gaz dans l'air est occasionnelle : ce sont des impuretés ; ils sont produits par des combustions (oxyde de carbone et anhydride sulfureux), ou des fermentations (hydrogène sulfuré, ammoniac et méthane). La teneur en eau est conditionnée par le climat et la saison : le degré hygrométrique est le rapport entre la tension de vapeur dans l'air considéré et la tension de vapeur saturante à la même température ; il peut varier de 40 à 90 p. 100 au cours d'une même journée. À une altitude supérieure à 15 000 mètres, la composition est fonction de la densité des gaz : à 100 kilomètres de la surface terrestre l'air contient environ 95 p. 100 d'hydrogène, 1 p. 100 d'oxygène et 3 p. 100 d'azote.

L'air contient en outre des particules solides : poussières, grains de pollen, cristaux de chlorure de sodium au voisinage des mers, et toutes les mesures sont effectuées sur de l'air préalablement filtré.