Physique des aérosols - Partie 1

Inventé par l’Allemand Schmauss en 1920, le mot aérosol désigne la suspension, dans un milieu gazeux (air, dans la plupart des cas), de particules liquides, solides ou les deux, présentant une vitesse limite de chute négligeable. Dans l’air, dans les conditions normales, cela correspond à des particules de dimensions comprises entre quelques fractions de nanomètre et 100 µm.

En toute rigueur, l’aérosol est un système diphasique formé par des particules et le gaz porteur. Mais dans la pratique, et nous le ferons dans cet article, « aérosol » est souvent synonyme de « particule ».

La science des aérosols, initiée comme telle dans le courant des années 1950, s’est considérablement développée durant ces vingt dernières années. En effet, considérés parmi les polluants atmosphériques majeurs, impliqués dans le réchauffement global de la planète et l’éventuel trou d’ozone, les aérosols interviennent dans de nombreux phénomènes naturels.

Nous citerons le bilan radiatif de l’atmosphère, leur influence sur la visibilité, la formation des nuages et des précipitations, les échanges océan-atmosphère. Ils sont également les vecteurs de la radioactivité atmosphérique.

De la sorte, afin de pouvoir mieux appréhender les phénomènes atmosphériques et leur dynamique, le modèle « gaz » initialement utilisé tend à céder la place à un modèle «aérosol », même si ce dernier est plus compliqué.

On les retrouve également dans de nombreux domaines industriels, dans le monde des salles à empoussièrement contrôlé (salles propres), dans la filtration, l’épuration de l’air, la climatisation. On les rencontre davantage encore dans les industries de pointe utilisatrices de technologies impliquant certaines de leurs propriétés physiques et dont les produits fabriqués dépendent très fortement des transferts de la contamination (aérospatial, électronique, circuits intégrés, agroalimentaire, pharmacie, nanotechnologies liées à la métallurgie).

On les prend en compte également dans la sûreté des réacteurs nucléaires (expérience Phébus de l’IRSN Cadarache, par exemple).

Leurs effets sur la santé font l’objet de nombreuses investigations et mesures dans le cas de l’hygiène industrielle. N’oublions pas non plus les 15 000 morts par an et les 500 000 cas d’infections diverses dans les hôpitaux français dont les aérosols, mal maîtrisés, sont en partie responsables.

En fait, la science des aérosols est maintenant devenue une « grande science » alimentée par d’importants investissements financiers entraînant, bien entendu, des retombées économiques conséquentes [1]. Son domaine touche la physique, la chimie et, de plus en plus, depuis quelques années, la biologie avec ce que l’on appelle les bioaérosols.

Mais, quelles que soient leur origine et leur nature, on constate que le comportement des aérosols dépend très fortement de leurs propriétés physiques. C’est pourquoi nous allons en développer les principales caractéristiques. Nous n’aborderons pas ici le problème, compliqué, de la forme et des dimensions des aérosols. Le lecteur pourra se reporter à la référence [2].

On s’intéressera d’abord aux propriétés mécaniques des aérosols. Après quelques rappels de la théorie cinétique des gaz, nous permettant d’introduire le coefficient de diffusion et la mobilité dynamique, nous développerons les lois de Stokes et Cunningham relatives aux déplacements des aérosols dans l’air.

Dans une deuxième partie (article [AF 3 613]), nous aborderons la coagulation des aérosols pour étudier le domaine, particulièrement important pour leur métrologie, de leurs propriétés électriques. Les propriétés optiques conduisant aux compteurs optiques de particules, servant de base aux compteurs de noyaux de condensation, les CNC, leur adhérence et leur réentraînement seront également traités ainsi que la condensation et l’évaporation des aérosols liquides.