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Échange de mercure entre l'atmosphère et les surfaces continentales
Figure 1. Goutte de mercure liquide
Le mercure (Hg), élément neurotoxique, est naturellement présent dans l'environnement. Cependant, depuis 150 ans, les émissions vers l'atmosphère ont été multipliées par trois du fait des activités humaines [1] : combustion du charbon et du pétrole, exploitation minière, traitement des déchets... Ces émissions anthropiques atteignent les zones les plus reculées de la planète ; la concentration atmosphérique moyenne atteint une valeur légèrement supérieure dans l'hémisphère nord (1,5 ng∙m−3) comparé à l'hémisphère sud (1,3 ng∙m−3).

Seul métal liquide à température ambiante (Figure 1), son caractère semi-volatile favorise fortement sa réémission vers l'atmosphère. Il existe de nombreuses formes chimiques (élémentaire, divalent, particulaire ou méthylée) et les réactions entre ces formes sont variées (oxydoréduction, adsorption, méthylation...). Tout ceci rend le cycle biogéochimique du mercure relativement complexe, encourageant de nombreuses recherches scientifiques portant sur sa compréhension.
Les échanges de Hg entre l'atmosphère et les surfaces continentales sont mesurés à partir de deux approches distinctes : les chambres dynamiques et les tours micrométéorologiques. Une base de données a été mise en place pour synthétiser l'ensemble des mesures publiées dans la littérature [2]. La gamme obtenue montre à la fois des émissions (flux positifs) et des dépôts (flux négatifs) plus ou moins importants selon les classes caractérisées par leurs teneurs en Hg dans l'atmosphère et dans le sol (Figure 2). Dans les sites non contaminés, les échanges bidirectionnels indiquent un partitionnement au sein de l'écosystème : des émissions de mercure émanent du sol alors que la végétation joue un rôle de puits de Hg.

Plusieurs variables environnementales – température, rayonnement solaire, humidité – sont connues pour influencer les échanges de Hg dans un site donné [3]. Or, les corrélations statistiques diminuent, voire disparaissent, lorsque différents sites sont confondus, indiquant que la variabilité inter-sites compense les facteurs d'influence. Seuls la concentration en Hg dans le sol des sites enrichis reste influente.
Figure 2. Synthèse des flux de mercure mesurés par classe de contamination
Figure 3. Estimations des échanges de mercure selon les paysages à différentes échelles
Les estimations à l'échelle globale dépendent de paramétrisations modélisées basées sur différentes relations plus ou moins adaptées aux mesures de terrain. À partir de l'ensemble des données compilé, des estimations ont été calculées en appliquant les superficies des différentes occupations des sols aux échelles globale et des États-Unis pour chaque type de paysage (Figure 3). La végétation est inclue dans chacun d'eux, à l'exception du milieu forestier ne permettant pas d'intégrer l'écosystème dans son ensemble. Cette estimation tient alors compte à la fois de mesures effectuées pour le sol forestier uniquement et pour la végétation seule. Cette dernière mesure, délicate car réalisée dans des chambres spécifiques, présente de grandes incertitudes.

Au total, nous estimons une émission de 607 Mg de Hg par an à l'échelle du globe, incluant 129 Mg∙a−1 par les sites non contaminés et 478 Mg∙a−1 par les sites enrichis. Cette valeur est inférieure aux précédentes estimations, alors que les modèles globaux évaluent une plus forte contribution de la part des zones contaminées.
Dans les environnements polaires, la dynamique de Hg suit les cycles saisonniers en lien avec le couvert neigeux et la chimie atmosphérique [4]. Durant le printemps, les concentrations diminuent au sein de la couche limite de l'atmosphère en raison de l'oxydation de Hg. Les sols de toundra, riches en matière organique, jouent un rôle important dans le cycle de Hg.

Un suivi sur deux années consécutives a été réalisé dans la toundra en Alaska à Toolik Field Station (Figure 4). Mercure, ozone (O3) et oxydes d'azote (NOx) ont été mesurés continuellement dans l'atmosphère et dans la phase gazeuse du manteau neigeux et du sol, et des analyses complémentaires ont été réalisées sur des échantillons de neige, de sol et de végétation. Les résultats préliminaires montrent que le sol et la végétation joue un rôle de puits de Hg, particulièrement pendant la saison hivernale. Le transfert gazeux est clairement identifié depuis l'atmosphère jusqu'au sol à travers le manteau neigeux, sans réémission de Hg par des réactions d'oxydoréductions comme observées sous des latitudes tempérées.
Figure 4. Paysage de toundra arctique à Toolik Field Station
Références 
[1] Lindqvist O. – Atmospheric mercury - a review. Tellus serie B 37: 136–159 (1985) 
[2] Agnan Y. et al.New constraints on terrestrial surface-atmosphere fluxes of gaseous elemental mercury using a global database. Environmental Science & Technology 50 (2): 507–524 (2016) 
[3] Ericksen J. A. et al.Air-soil exchange od mercury from background soils in the United States. Science of the Total Environment 366 (2–3): 851–863 (2006) 
[4] Steffen A. et al.A synthesis of atmospheric mercury depletion event chemistry in the atmosphere and snow. Atmospheric Chemistry and Physics 8: 1445–1482 (2008)