L’ozone est un polluant secondaire, formé dans la basse atmosphère à partir d’un mélange de précurseurs gazeux composé d’oxydes d’azote et de composés organiques volatils .Ces polluants nécessaires pour produire l’ozone sont principalement émis par les activités humaines et aussi par la végétation. Le rayonnement solaire contrôle l’intensité de la production d’ozone.

Les fortes concentrations en surface apparaissent donc en période estivale lorsque l’ensoleillement est important et lorsque les conditions climatiques sont peu dispersives et favorisent l’accumulation. Généralement c’est lors d’une situation météorologique sous influence anticyclonique que sont observés les épisodes de pollution à l’ozone. L’épisode sera d’autant plus important si la situation anticyclonique persiste.

L’ozone a une durée de vie de quelques jours dans les basses couches de l’atmosphère, de sorte qu’il peut être transporté loin de sa zone de production : cette pollution s’observe en général de manière plus intense dans les régions périurbaines et rurales sous le vent des agglomérations.

L’ozone de la basse atmosphère affecte les écosystèmes et la santé humaine. Il a donc un effet toxique qui est à opposer au rôle de l’ozone stratosphérique dont les concentrations importantes se situent à plus de 10 km d’altitude et qui filtre une partie nocive des ultra-violets du rayonnement solaire. L’ozone est un gaz agressif qui pénètre profondément dans l’appareil pulmonaire et peut réagir sur les composants cellulaires et affecter les capacités respiratoires. Ces effets sont accentués par la présence d’autres polluants tels les oxydes de soufre et d’azote, ou lors d’efforts physiques et d’expositions prolongées. L’ozone a un effet néfaste sur la végétation (le rendement des cultures par exemple) et sur certains matériaux.

La production chimique d’une molécule d’ozone (O3) est toujours issue d’une réaction entre une molécule de dioxygène (O2) et un atome d’oxygène (O). C’est la photodissociation du dioxyde d’azote (NO2) qui produit l’atome d’oxygène requis (O), à condition que le monoxyde d’azote (NO) réagisse en priorité avec un radical hydropéroxyle (HO2) plutôt qu’avec O3, ce qui aurait un bilan nul. Dans les zones peu polluées, le HO2 est issu de l’oxydation du monoxyde de carbone (CO) et du méthane (CH4) présents dans l’atmosphère naturelle. Mais dans les zones polluées, la production d’ozone est favorisée, car l’oxydation de composés organiques volatils (COV) est plus rapide que celle du CO ou CH4.Dans les zones fortement polluées, et sous certaines conditions d’insolation, les fortes concentrations de NOx, peuvent conduire à la destruction nocturne d’ozone (effet de titration).

La famille des oxydes d’azote regroupe principalement le dioxyde d’azote (NO2) et le monoxyde d’azote (NO). Les NOx sont principalement émis lors de combustion à haute température ; que ce soit par l’oxydation de l’azote présent dans le combustible ou par fixation de l’azote présent dans l’air à très haute température. La combustion émet généralement du NO, dont une partie est oxydée en NO2 directement dans la chambre de combustion, et une autre partie poursuit son oxydation dans l’atmosphère. Les NOx sont des précurseurs de l’ozone, ainsi que de certains acides forts, responsables des phénomènes de pluies acides.
Parmi les principaux secteurs émetteurs de NOx le secteur routier est prépondérant (56% des émissions nationales en 2011), suivi par l’industrie manufacturière (14% en 2011) puis de l’agriculture/sylviculture (10% en 2011). Les grandes installations de combustion ainsi que le secteur résidentiel/tertiaire sont également de gros contributeurs

Les COV sont des gaz composés d’au moins un atome de carbone, combiné à un ou plusieurs des éléments suivant: hydrogène, halogènes, oxygène, soufre, phosphore, silicium ou azote. On distingue souvent le méthane (CH4) qui est le COV le plus présent dans l’atmosphère mais qui n’est pas directement nuisible pour la santé ou l’environnement tout en étant, en revanche, un gaz à effet de serre. Le reste des COV, est communément nommé COVNM (Composés Organiques Volatils Non Méthaniques). Les COV sont des précurseurs de l’ozone et de fine particules (les aérosols organiques secondaires).
Les COVNM anthropiques sont émis lors de phénomènes de combustion mais aussi par l’évaporation de solvants (contenus dans les peintures par exemple), de carburants, etc. Il existe un très grand nombre de COV qui peuvent être soit directement émis, soit produit dans l’atmosphère.
Les principaux secteurs émetteurs de COV sont le secteur résidentiel (38% des émissions en 2011) du fait de l’utilisation de solvants à usage domestique ou dans le bâtiment, l’industrie manufacturière (peintures), puis le transport, la transformation de l’énergie puis l’agriculture/sylviculture.
Une partie des COV présents dans l’atmosphère est également d’origine naturelle et provient de l’émission par les feuilles des arbres sous l’effet du rayonnement solaire. L’isoprène et la famille des terpènes, en particulier, sont des composés émis par le couvert végétal

Le terme de PM regroupe un ensemble très hétérogène de composés, par leur composition chimique, leur état (solide ou liquide) et leur dimension. Les particules sont différenciées suivant leur taille. On distingue généralement :
- Les Particules Totales en Suspension (TSP pour l’acronyme anglais communément utilisé) qui regroupent l’ensemble des particules.
- Les PM10 : particules dont le diamètre est inferieur à 10 µm.
- Les PM2.5 : particules dont le diamètre est inferieur à 2.5 µm
- Les PM1.0 : particules dont le diamètre est inferieur à 1.0 µm
Les particules dont le diamètre est compris entre 2.5 et 10 µm sont dites grossières, alors que celles dont le diamètre est inférieur à 2.5 µm sont nommées particules fines.
Les particules peuvent être directement émises dans l’atmosphère, ce sont les particules dites primaires. Mais il existe aussi des particules d’origine secondaire, formées dans l’atmosphère par des réactions photo-chimiques à partir de précurseurs gazeux. Les particules peuvent également être remises en suspension dans l’atmosphère après s’être déposées, et ce généralement sous l’action du trafic routier ou du vent.
Les particules ont des compositions chimiques différentes selon leur origine. Leur composition chimique fait généralement apparaitre des composés inorganiques (sulfates, nitrates, ammonium), des composés organiques, des éléments traces tels que les métaux lourds, du carbone suie (couramment appelé « Black carbon »). Le carbone suie fait l’objet d’une attention particulière du fait de ses effets néfastes sur la santé humaine et sur le changement climatique (il s’agit d’un composé à pouvoir réchauffant de l’atmosphère).
Parmi les principales sources d’émissions de particules primaires anthropiques de type PM10 et PM2.5, on notera le chauffage résidentiel (29 et 43 % des émissions en 2011 respectivement), l’industrie manufacturière, l’exploitation des carrières, les chantiers et BTP ainsi que les labours qui génèrent de grandes quantités de grosses particules. Le secteur routier est également une source non négligeable de particules fines (PM2.5), particulièrement du fait de l’utilisation du diesel comme combustible (8,4% des émissions de PM2.5 en 2010).
L’érosion éolienne, les feux de forêt ou l’émission de pollens et des débris végétaux, constituent les principales sources primaires biogéniques.

Les émissions de SO2 sont dues principalement à l’utilisation de combustibles soufrés (charbon, fioul, gazole, etc ). Les émissions de dioxyde de soufre ont spectaculairement baissé depuis 20 ans.
Il est aujourd’hui principalement émis par le secteur industriel (l’industrie du raffinage et la chimie représentaient près de 35 % des émissions totales en 2011), suivi par le secteur de transformation d’énergie.

Le CO provient principalement de combustions incomplètes (gaz, charbon, fioul ou bois). Le CO est aussi un gaz précurseur de l’ozone et du dioxyde de carbone (CO2), gaz à effet de serre.
Les principales sources d’émissions sont le secteur industriel (métallurgie des métaux ferreux pour 38 % des émissions totales en 2011), et le chauffage résidentiel (34% des émissions en 2011). La contribution du secteur routier est désormais relativement faible (5% en 2011).

Les métaux lourds réglementés sont les suivants : le plomb (Pb), le mercure (Hg), l’arsenic (As), le cadmium (Cd) et le nickel (Ni).
Ils proviennent principalement d’activités industrielles (métallurgie, chimie, procédés, …), mais aussi pour certains du chauffage résidentiel et du trafic routier (véhicules diesel catalysés).

Ce polluant est surtout lié aux activités agricoles (rejets organiques de l’élevage, épandage de fertilisants). C’est un précurseur de particules. Plus de 90% des émissions d’ammoniac ont pour origine l’agriculture. Une petite part des émissions totales est imputable au trafic routier du fait de l’usage des véhicules équipés de catalyseurs.