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Modlisation des arosols de pollution en Ile-de-France.Alma
Hodzic
To cite this version:Alma Hodzic. Modlisation des arosols de
pollution en Ile-de-France.. Physique Atmosphrique etOcanique
[physics.ao-ph]. Ecole Polytechnique X, 2005. Franais.
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THSE DE DOCTORAT DE LCOLE POLYTECHNIQUE
presente pour obtenir le grade de
Docteur en Sciences
Spcialit : Physique et Chimie de lAtmosphre
par
Alma HODZIC
MODLISATION DES AROSOLS
DE POLLUTION EN ILE-DE-FRANCE
Soutenue le 6 Octobre 2005 devant le Jury compos de
Herv LE TREUT Prsident du juryRobert VAUTARD Directeur de
thseGilles BERGAMETTI RapporteurRobert ROSSET RapporteurOlivier
BOUCHER ExaminateurSasha MADRONICH ExaminateurChristian ELICHEGARAY
InvitPhilippe LAMELOISE Invit
Thse prpare lInstitut Pierre-Simon Laplace(Laboratoire de
Mtorologie Dynamique, cole Polytechnique),
finance par lAgence De lEnvironnement et de Matrise de lnergie
et AIRPARIF
-
Ces trois annes de thse se sont droules au sein du Laboratoire
de Mtorologie Dynamique lEcole Polytech-nique, o jai t
chaleureusement accueillie ds les premiers jours. Cette priode a t
source de riches expriencesprofessionnelles et humaines et de forts
apports scientifiques.
Mes remerciements sadressent en premier lieu mon directeur de
thse Robert Vautard, qui a su me faire partagerson enthousiasme et
sa passion pour la recherche. Jai particulirement apprci ses
conseils scientifiques, ainsi que laconfiance et la grande libert
quil ma accordes tout au long de ce travail.
Mes remerciements sadressent galement aux membres du Jury et ses
invits. Je remercie tout particulirementRobert Rosset et Gilles
Bergametti davoir accept de rapporter cette thse. Je remercie Sasha
Madronich et OlivierBoucher pour lintrt quils ont port ce travail.
Je remercie Herv Le Treut pour mavoir fait lhonneur de prsider
lejury. Enfin, je tiens remercier lADEME et AIRPARIF pour avoir
permis la ralisation de ce travail en le finanant. Mesremerciements
sadressent plus particulirement Philippe Lameloise et Christian
Elichegaray pour avoir participau jury, et Nathalie Poisson pour
son accompagnement au cours de la thse.
Je remercie galement toute lquipe CHIMERE pour la disponibilit
de chacun et leurs conseils scientifiques,mais aussi pour leur
bonne humeur et leur gentillesse qui ont rendu ma thse encore plus
agrable et enrichissante.Un merci tout particulier Bertrand
Bessagnet qui ma fait dcouvrir le monde merveilleux des arosols et
est restle tmoin de lavancement de cette thse tout au long de ces
annes. Un grand merci galement Laurent Menut quia partag mon bureau
pendant ces derniers mois de thse et qui ma beaucoup apport par ses
encouragements et sonsoutien et ma permis de prendre plus de recul.
Je remercie les autres membres de lquipe : Matthias Beekmann,
CcileHonor, Nadge Lonard, Mohamed Maidi, Jean-Louis Monge, Isabelle
Pison, Laurence Roul et Jean Roux.
Je tiens aussi remercier tous ceux qui, par leur aide technique
et scientifique, ont contribu la ralisation de ceprojet. Merci tout
particulirement Hlne Chepfer, qui malgr son loignement gographique
au Mexique a toujourst disponible et de bons conseils. Merci
Patrick Chazette et Philippe Goloub pour les prcieuses discussions
etconseils qui mont donn une bonne vision du monde de la
tldtection. Merci Vincent-Henri Peuch pour lintrtport ce
travail.
Je remercie galement AIRPARIF pour son active collaboration ce
travail par lintermdiaire de Mireille Lattuatiet Frdrique Moreto.
Je tiens remercier AERONET, le LOA et le CNES pour la mise la
disposition de leurs donnes
Merci Eliane Rier, Martine Roux, France-Lise Robin et Stphane
Sportouch pour leur aide prcieuse lors desdmarches administratives.
Merci Marie-Claire Lanceau pour son travail de recherche
bibliographique et sa bonnehumeur au quotidien.
Bien sr, un tel projet naurait pu tre ralisable sans le support
logistique et informatique apport par Jean-LouisMonge, Christophe
Boitel, Raymond Armante, Karim Ramage, Patrick Rabranteau et
Bernard Bonnet.
Jaimerais dire un grand merci tous ceux qui ont rendu lambiance
si agrable au LMD, sur qui jai pu compter,qui mont encourag quand
jen avais besoin : Nicolas Arnault, Sophie Bastin, Asma Ben
Rehouma, Michel Capderou,Marjolaine Chiriaco, Olivier Chomette,
Chantal Claud, Juan Cuesta, Abdulaye Deme, Michel Desbois, Philippe
Dro-binski, Thomas Dubos, Fadoua Eddounia, Fabien Gibert, Andr
Guilbaud, Martial Haeffelin, Albert Hertzog, RobertKandel, Anne
Mathieu, Yohan Morille, Flore Mounier, Eric Pequignot, Clmence
Pierangelo, Christophe Pitras, RmyRoca, Claudia Stubenrauch, Andr
Szantai, Franois Vial, Ta-Feng Yang. Merci Franck Chopin qui ma
accueilli dansson bureau pendant les travaux.
Tout au long de ma thse, jai pu mappuyer sur le soutien sans
faille et les encouragements sans limites de mafamille et de mes
amis. Je remercie tout particulirement mes chers parents et mon
petit frre qui ont toujours t detrs bons conseils et dun optimisme
toute preuve.
Pour finir, un grand merci mon chri Grgory qui a partag cette
thse au quotidien avec moi, et a su mapporterlquilibre ncessaire
pour me faire oublier les moments difficiles. Quel courage !
-
Table des matires
1 Introduction gnrale 91.1 Problmatiques de la pollution
atmosphrique en milieu urbain . . . . . . . . . . 9
1.2 Lenjeu de ltude des arosols atmosphriques . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 10
1.3 La rglementation et le dispositif de surveillance . . . . .
. . . . . . . . . . . . 11
1.4 tat de la pollution particulaire en Ile-de-France . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Vers la modlisation des arosols de pollution . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 13
1.6 Objectifs scientifiques de la thse . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 15
1.7 Plan de la thse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 17
2 Les arosols atmosphriques 192.1 Proprits physico-chimiques des
arosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1 Origine des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 19
2.1.2 Distribution en taille et mcanismes de formation . . . . .
. . . . . . . . 21
2.1.3 Composition chimique des arosols . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 23
2.1.4 Les proprits hygroscopiques des particules . . . . . . . .
. . . . . . . 26
2.1.5 Le cas particulier de larosol urbain . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 27
2.2 Les proprits optiques de larosol . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 28
2.2.1 Sections efficaces et albdo de diffusion simple . . . . .
. . . . . . . . . 29
2.2.2 Indice de rfraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 30
2.2.3 Coefficient dextinction . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 31
2.2.4 paisseur optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 33
2.2.5 Influence de lhumidit relative . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 34
2.2.6 Influence du type de mlange considr . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 35
2.3 Modlisation des arosols : tat de lart . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Paramtrisation de la composition chimique des particules .
. . . . . . . 38
2.3.2 Paramtrisation de la distribution en taille des particules
. . . . . . . . . 41
2.3.3 Performances des modles actuels et principales sources
dincertitude . . 46
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 49
-
6 TABLE DES MATIRES
3 Modlisation des arosols de pollution avec le modle CHIMERE
513.1 Prsentation gnrale du modle CHIMERE . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 52
3.1.1 Le principe de modlisation . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 523.1.2 La gomtrie du modle . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 533.1.3 Donnes mtorologiques dentre . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.1.4 Le transport . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.1.5
Le mcanisme chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 573.1.6 La prise en compte des missions . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 573.1.7 Les conditions aux limites et initiales
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 Prise en compte des arosols . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 603.2.1 Composition chimique et
distribution des arosols . . . . . . . . . . . . 603.2.2
Modlisation de la dynamique des arosols . . . . . . . . . . . . . .
. . 613.2.3 Chimie de larosol . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 643.2.4 Dpt de particules . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3 Amliorations apportes au cours de la thse . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 673.3.1 Lquilibre thermodynamique . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 673.3.2 Formation htrogne du
nitrate dans le mode grossier . . . . . . . . . . 683.3.3
Restitution des proprits optiques des arosols . . . . . . . . . . .
. . . 69
3.4 Cadastre dmission interrgional des particules primaires . .
. . . . . . . . . . 693.4.1 Les sources de particules primaires . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.4.2 Adaptations des
missions brutes au format modle . . . . . . . . . . . . 713.4.3
Bilan des missions particulaires en Ile-de-France . . . . . . . . .
. . . . 723.4.4 Evaluation du nouveau cadastre dmission des PM . .
. . . . . . . . . . 74
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 78
4 valuation de la distribution spatiale des PM au sol 794.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 794.2 valuation statistique du modle CHIMERE
lchelle europenne . . . . . . . 80
4.2.1 Distribution spatiale des arosols en Europe . . . . . . .
. . . . . . . . . 804.2.2 Rsultats de validation du modle CHIMERE
en Europe . . . . . . . . . 81
4.3 valuation statistique du modle CHIMERE en Ile-de-France . .
. . . . . . . . . 824.3.1 Prsentation de ltude . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 824.3.2 Rsultats de validation du
modle CHIMERE en Ile-de-France . . . . . . 834.3.3 Article 1 :
Modlisation des arosols en Ile-de-France . . . . . . . . . .
854.3.4 tudes de sensibilit complmentaires . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 99
4.4 Caractrisation simule de larosol en Ile-de-France . . . . .
. . . . . . . . . . 1054.4.1 Concentrations des PM10 et PM2,5 . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.4.2 Composition chimique
de larosol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.4.3
Distribution granulomtrique de larosol . . . . . . . . . . . . . .
. . . 111
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 112
-
TABLE DES MATIRES 7
5 tude de la composition de larosol de pollution en
Ile-de-France 1135.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135.2 Ltude de larosol
urbain lors de la campagne ESQUIF . . . . . . . . . . . . . 114
5.2.1 Les principaux rsultats de ltude . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 1145.2.2 Article 2 : Validation du modle CHIMERE
lors de la campagne ESQUIF 117
5.3 Formation htrogne du nitrate dans le mode grossier . . . . .
. . . . . . . . . 1535.3.1 Les principaux rsultats de ltude . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 1535.3.2 Article 3 : Contribution
de la formation htrogne du nitrate grossier en
Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 155
6 valuation de la distribution verticale des arosols 1776.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 1776.2 Fonctionnement du Lidar Nuages Arosols
(LNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.2.1 Principe du lidar de rtrodiffusion . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 1786.2.2 Equation du lidar . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.3 Comparaisons LNA / CHIMERE . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 1796.3.1 Objectifs de ltude et mthodologie . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 1796.3.2 Principaux rsultats de
la comparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1806.3.3
Article 4 : Comparaisons LNA/CHIMERE . . . . . . . . . . . . . . .
. 183
7 Vers une validation laide des donnes spatiales 2037.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 2037.2 Observations spatiales POLDER . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2047.3 tude dun pisode de
pollution partir des donnes POLDER-2 . . . . . . . . . 2057.4
Article 5 : Rsultats de la comparaison CHIMERE/POLDER-2 . . . . . .
. . . . 207
8 Conclusions et Perspectives 2258.1 Objectifs et rsultats . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.1.1 valuation statistique des erreurs de modlisation en
surface . . . . . . . 2268.1.2 valuation de la distribution
verticale des arosols partir des donnes de
tldtection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 2278.2 Perspectives de ce travail et enjeux scientifiques
venir . . . . . . . . . . . . . . 229
A Couplage avec le modle ISORROPIA 233
B Modlisation des arosols lchelle continentale 241
-
Chapitre 1
Introduction gnrale
1.1 Problmatiques de la pollution atmosphrique en milieu
urbain
La pollution atmosphrique lie aux activits humaines nest pas un
phnomne rcent. Sonorigine remonte linvention du feu : depuis
toujours le chauffage au bois et au charbon estune source majeure
de la pollution de lair dans les espaces confins. Cette pollution
na cessdvoluer avec les progrs raliss au cours de lhistoire et ds
lAntiquit, le dveloppement dela mtallurgie a conduit des missions
de plomb dont des traces ont t retrouves dans lescalottes
glaciaires (Hong et al. 1994). Toutefois, ce nest que depuis la
rvolution industrielledu 19me sicle que lindustrialisation et
lurbanisation outrance, accompagnes dmissionsnon contrles de
polluants gazeux et particulaires dans latmosphre, ont eu des
rpercussionsproccupantes sur la sant, lenvironnement et le
climat.
Les effets de la pollution se font tout dabord ressentir dans
les zones industrialises et urba-nises. Ainsi, ds les annes 30-50,
marques par une srie dpisodes tragiques, les populationsprennent
conscience des effets nocifs de la pollution sur la sant : en 1930
dans la valle de laMeuse, puis en 1952, 1956 et 1957 Londres,
laugmentation brutale des concentrations de di-oxyde de soufre et
de particules atmosphriques lie des conditions mtorologiques
stagnanteset lutilisation effrne des combustibles fossiles est
lorigine dun fort excs de mortalit (plusde 4000 dcs en 1952,
Brimblecombe (1987)).
Dans les annes 50 apparaissent galement les premiers pisodes de
pollutions photochimiques Los Angeles (Haagen-Smit 1952;
Haagen-Smit and Fox 1956) : en prsence dun fort ensoleille-ment,
les missions doxydes dazote et de composs organiques volatiles
gnres essentielle-ment par le trafic automobile conduisent la
formation de polluants secondaires tels que lozone.
Au cours des annes 80, la pollution atmosphrique devient
galement une proccupation lchelle rgionale avec la reconnaissance
de son impact sur les cosystmes forestiers et les eauxde surface.
Lacidification des pluies ( pluies acides ) lie loxydation des
polluants gazeuxdans latmosphre tels que le dioxyde de soufre et
les oxydes dazote sont responsables de laci-dification des lacs et
le dprissement des forts en Europe et en Amrique du Nord.
-
10 Introduction gnrale
Cette prise de conscience du risque encouru pour lavenir de
notre atmosphre et de la nces-sit dune politique adapte pour
traiter ces problmes a t renforce par les tudes scientifiquesmenes
depuis les annes 70, qui ont alert le grand public sur le
dveloppement de la pollutionurbaine, mais galement sur les effets
de la pollution lchelle plantaire, avec notamment ladestruction de
la couche dozone et laugmentation de leffet de serre. Mme si des
efforts im-portants en matire de rductions des missions
industrielles ont t raliss depuis en Europe etaux Etats-Unis,
permettant de limiter considrablement les rejets de polluants
gazeux (tels que ledioxyde de soufre), les problmes de pollutions
restent toujours dactualit, notamment avec ladcouverte rcente des
dangers sanitaires lis aux fines particules et aux mtaux lourds.
Dautrepart, la pollution photochimique se rgionalise, avec
lapparition dpisodes extrmes, commecelui qui a touch lEurope en t
2003 en raison de conditions climatiques et de
tempraturesexceptionnelles.
Ces phnomnes de pollution deviennent particulirement inquitants
dans les mgalopolesmergentes en Inde, Chine, Amrique Latine ou
Afrique o plusieurs dizaines de millions dha-bitants subissent
continuellement de svres pisodes de pollution. Les perspectives
davenir nesont gure encourageantes avec une urbanisation croissante
et non matrise des pays du sud. Se-lon lAgence de lEnvironnement,
dici 2030 leur taux durbanisation passera de 30 70% laissantprsager
des taux de pollution de plus en plus inquitants.
Aujourdhui, cette pollution urbaine est la fois photochimique et
particulaire. Cependant nosconnaissances sur les particules
darosols, beaucoup plus complexes, sont nettement en retardpar
rapport celles des polluants gazeux. En effet, contrairement
dautres composs atmosph-riques, les arosols ne sont pas constitus
par une entit chimique bien dfinie, mais un mlangehtrogne dont
chaque lment est caractris par un tat, une composition chimique,
une gra-nulomtrie et une dynamique dvolution dans latmosphre. Leur
diversit provient de leur ori-gine et de leur nature. Ainsi, on
peut distinguer les particules primaires, dorigine anthropique(ex.
industrie, transport, chauffage rsidentiel) ou naturelle (ex.
volcans, rosion, resuspension despoussires du sol, feux de brousse,
embruns marins), mises directement dans latmosphre, etles
particules secondaires, produites par des ractions chimiques et des
processus complexes telsque la nuclation et la condensation. La
connaissance de ces particules, de leurs mcanismes deformation et
dvolution, ainsi que leurs interactions et effets sur
lenvironnement sont encore malconnus et ncessitent de la part de la
communaut scientifique des efforts de recherche importants.
1.2 Lenjeu de ltude des arosols atmosphriques
Ltude de la pollution particulaire a pris un essor considrable
ces dix dernires annes. Lin-trt scientifique grandissant pour les
arosols est motiv avant tout par les craintes quant leurseffets sur
la sant publique et le climat terrestre, mis en vidence lors de
nombreuses tudes scien-tifiques.
A lchelle globale, les arosols sont au coeur des proccupations
actuelles sur le changementclimatique. Les tudes rcentes ont dmontr
que la prsence darosols dans latmosphre mo-
-
1.3 La rglementation et le dispositif de surveillance 11
difiait de faon importante le bilan radiatif terrestre, soit en
augmentant directement la quantitde lumire rflchie vers lespace,
soit en intervenant indirectement dans la formation des nuageset
des prcipitations (Kiehl and Briegleb 1993; IPCC 2001; Anderson et
al. 2003). Labsorptionet la diffusion du rayonnement solaire
incident par les particules conduisent gnralement unrefroidissement
du systme climatique pouvant compenser localement le forage positif
d auxgaz effet de serre.
Aux niveaux rgional et local, prs des grandes agglomrations
urbaines et industrielles, lesarosols sont responsables des pisodes
de pollution particulaire ayant des rpercussions sur laqualit de
lair et la visibilit, et par consquent sur la sant humaine. De
nombreuses tudespidmiologiques (Moshammer and Neuberger 2003; Hauck
et al. 2004) confirment lexistencedun lien fort entre les
concentrations en arosol et laugmentation des maladies
respiratoires etcardiovasculaires observe ces dernires annes.
Ainsi, les particules fines PM2,5 (de diamtrearodynamique infrieur
2,5 m) ont t associes un surcrot de mortalit denviron 6500victimes
par an en France (AFSSE 2004), bien que les constituants de larosol
responsables deleur toxicit et les mcanismes daction ne soient pas
encore clairement identifis.
Les arosols ont galement une influence sur la chimie
atmosphrique. En raison de leurs effetssur le rayonnement, ils
modifient les taux de photolyse et par consquent la production de
lozone(Jacobson 1998). Ils peuvent jouer un rle dans la cration ou
la destruction despces gazeusespar ractions htrognes, en catalysant
leur surface des ractions chimiques (Jacob 2000).
1.3 La rglementation et le dispositif de surveillance
Ces effets nfastes pour lhomme et lenvironnement ont motiv la
mise en place dun certainnombre de rsolutions et de dispositifs
lgislatifs aux chelles mondiale et europenne, tels quela convention
internationale de Genve de 1979 sur la pollution transfrontalire et
les directiveseuropennes, visant lutter activement contre la
pollution atmosphrique. Ces dispositifs imposentdes actions de
surveillance et de prvision des concentrations des polluants, et
dfinissent despolitiques de contrle et de rduction des missions. En
France, la Loi sur lAir et lUtilisationRationnelle de lEnergie
(LAURE) du 30 dcembre 1996 reconnat le droit de respirer un air
quine nuise pas la sant, et implique la cration dun rseau de
surveillance et la mise en place duneprocdure dinformation de la
population, assurs par les Associations Agres de Surveillance dela
Qualit de lAir (AASQA). En matire de pollution particulaire,
lapplication de la directiveeuropenne de 1999 prvoit des seuils
annuels et journaliers ne pas dpasser. Ainsi, pour lesPM10, les
valeurs limites sont fixes 40 g m3 pour 2005 et 20 g m3 pour 2010
enmoyenne annuelle, tandis que la valeur moyenne journalire de 50 g
m3 ne devrait pas tredpasse plus de 35 fois/an en 2005 et 7 fois/an
en 2010.
Limplantation des rseaux de mesure au voisinage des grandes
agglomrations a permis desuivre lvolution spatio-temporelle des
concentrations des particules et des autres polluants ga-zeux.
Selon des tudes rcentes (Van Dingenen et al. 2004; Putaud et al.
2004) menes sur une
-
12 Introduction gnrale
trentaine de sites en Europe, les concentrations moyennes
annuelles des PM10 dans les zones ru-rales, priurbaines et urbaines
varient entre 10 et 40 g m3 et sont gnralement conformes
auxobjectifs de qualit fixs pour 2005 (40 g m3). Cette grande
variabilit des concentrations etdes caractristiques de larosol
entre ces diffrents sites europens souligne limportance de
lacaractrisation locale des arosols, particulirement dans de
grandes villes o ils rsultent aussibien du transport continental
que des sources locales de pollution. Cest le cas notamment de
largion parisienne qui fera lobjet de notre tude. Elle est
influence la fois par des masses dairpollues provenant des rgions
de fortes missions telles que le Benelux ou la Ruhr et charges
enpolluants primaires et secondaires, auxquelles viennent galement
sajouter les missions localesdes polluants.
1.4 tat de la pollution particulaire en Ile-de-France
La rgion parisienne a t dote ds les annes 60 de rseaux de
surveillance de la qualit delair, exploits par les laboratoires de
la ville de Paris et de la Prfecture de Police. Depuis 1979,cette
surveillance est assure de faon continue par AIRPARIF, qui a
contribu la modernisationdes quipements et la diversification des
polluants mesurs. Les mesures de la pollution particu-laire,
disponibles depuis plus de 40 ans, ont fortement volu : lancienne
mthode de mesure ditedes fumes noires qui consistait mesurer le
degr de noirceur dun filtre collecteur pour d-terminer la teneur en
particules carbones a t progressivement remplace par la mesure
horairede la masse totale de particules fines (PM10 et PM2,5).
Ainsi, depuis 1997, le rseau comporte 16points de mesures pour les
PM10 et 5 pour les PM2,5, principalement concentrs dans la ville
deParis.
Ces mesures indiquent que la pollution particulaire a
considrablement volu en rgion pa-risienne depuis les annes 60
(Figure 1.1). La modification de lactivit conomique locale,
ainsique lutilisation croissante du gaz naturel et de lnergie
nuclaire en remplacement du fuel et ducharbon, sont lorigine dune
forte baisse des concentrations des particules atmosphriques.
Lesteneurs moyennes hivernales des fumes noires ont baiss de 80% en
quarante ans, passant deplus de 160 g m3 environ 20 g m3 pour les
sites de pollution urbaine de fond non influencsdirectement par le
trafic automobile. Les niveaux semblent se stabiliser depuis 1992.
Les donnesde PM10 et PM2,5 ne permettent pas encore une analyse
significative de leur volution, mais les ni-veaux atteints sont en
dessous des seuils fixs comme objectif de qualit pour la pollution
de fond.Malgr cette trs forte diminution des fumes noires ces
dernires dcennies, grce aux progrsraliss dans le domaine des
missions industrielles et du chauffage urbain, les particules
restentun problme dactualit. En effet, la nature de ces particules
a chang avec le dveloppement duparc automobile de type Diesel, qui
met des particules trs fines pouvant pntrer facilement dansles
voies respiratoires. Les mesures futures de rduction devront ainsi
porter la fois sur la masseet le nombre de fines particules.
Ces mesures de particules permettent un diagnostic local prcis
des niveaux de pollution etltude de leur volution temporelle.
Cependant, mme si les capteurs sont placs des endroits
-
1.5 Vers la modlisation des arosols de pollution 13
FIG. 1.1 volution de la pollution particulaire Paris entre 1956
2000. Source AIRPARIF.
stratgiques, on peut sinterroger sur la reprsentativit des
mesures ponctuelles sur la pollutiondune rgion. En effet, en raison
de leur faible couverture spatiale notamment en dehors des
zonesurbaines, ltude de lvolution spatio-temporelle des
concentrations des particules semble forte-ment limite partir des
seules observations au sol. Par ailleurs, les observations de
routine portantsur la masse totale des arosols ne permettent pas
une caractrisation de leur composition chimiqueet de leur
distribution granulomtrique, paramtres essentiels la comprhension
de leur impactsanitaire. Actuellement, seule la modlisation
numrique peut permettre de dcrire cette diversiten composition et
en taille des arosols, ainsi que leur volution dans latmosphre
rsultant din-teractions complexes entre, dun ct, leurs missions et
transformations chimiques et, de lautre,les conditions
environnementales responsables de leur diffusion.
1.5 Vers la modlisation des arosols de pollution
Les modles sont ainsi devenus des outils indispensables pour
ltude de la pollution atmo-sphrique. Ils offrent une reprsentation
simplifie des processus atmosphriques complexes, entranscrivant les
quations dvolution des missions, de la chimie et du transport des
polluantsdans latmosphre. Ils permettent ainsi dintgrer lensemble
des connaissances actuelles et de lesvrifier en confrontant les
simulations numriques et les observations.
-
14 Introduction gnrale
A lorigine, les problmes de pollution concernaient
principalement des composs primaireschimiquement peu ractifs (CO et
SO2 prs des sources) et les tudes de modlisation
portaientuniquement sur leur transport et leur dispersion dans
latmosphre laide de modles mtorolo-giques. Avec lapparition de la
pollution photochimique, des modles plus complexes ont d
tredvelopps afin de prendre en compte les processus de formation
des polluants secondaires tels quelozone partir de leurs prcurseurs
primaires. Les premiers modles de chimie-transport ddis ltude de la
pollution atmosphrique ont ainsi t dvelopps dans les annes 1970
(Reynoldset al. 1973) et taient consacrs uniquement ltude des
polluants gazeux.
Des progrs considrables ont t raliss depuis (Meng et al. 1998),
notamment grce au d-veloppement des moyens de calcul numrique. Les
modles actuels permettent ainsi de simuler defaon raliste le
transport et la chimie des principaux polluants photochimiques et
commencent intgrer depuis peu des paramtrisations darosols plus ou
moins complexes (Seigneur 2001;Hass et al. 2003; Zhang et al.
2004). Ils fonctionnent diffrentes chelles spatio-temporelles
:utiliss aussi bien lchelle globale (> 200 km de rsolution) ou
continentale (10 100 km dersolution) avec des zooms rgionaux sur
des zones urbaines (1 10 km de rsolution), ils per-mettent
deffectuer des simulations allant de quelques jours pour ltude des
pisodes de pollution, plusieurs annes dans le cas dlaboration de
scnarios climatiques.
Les modles ddis ltude de la pollution urbaine visent rpondre la
fois aux exigencesde surveillance et de prvision de la qualit de
lair et aux objectifs de recherche scientifique. Ilssont des outils
oprationnels mis en oeuvre en temps rel pour la prvision des
pisodes de pollu-tion permettant danticiper les risques lis aux
pics de pollution et de mettre en place des mesuresde rduction des
missions afin de limiter lexposition des populations. Ils
constituent galementune aide prcieuse linterprtation des
observations et permettent une description de la distri-bution
spatio-temporelle des polluants sur les zones faiblement couvertes
en observations. Cestparticulirement vrai pour les arosols dont les
mesures sont concentres dans les zones urbaineset ne contiennent
pas dinformation sur leur composition. Enfin, les modles sont des
outils derecherche permettant de tester les paramtrisations
thoriques et dtudier les processus influen-ant la pollution
atmosphrique. Leur application dans le cadre de llaboration des
scnarios derduction des missions long terme est une aide
considrable la prise de dcision.
Contrairement la modlisation des composs gazeux dont les
mcanismes dvolution sontbien connus aujourdhui, celle des arosols
est en constante volution et comporte encore de nom-breuses
incertitudes. Des interrogations subsistent tant au niveau de la
prise en compte des mis-sions anthropiques et naturelles que sur
lvolution et le vieillissement des arosols dans latmo-sphre, ou
encore sur les mcanismes de formation des composs secondaires et
leur partition entreles phases gazeuses et particulaires (Seigneur
2005). Nos connaissances sont galement limitessur les mcanismes
dinteractions entre larosol et les phases aqueuses et gazeuses qui
conduisent une modification de son volume, de sa composition
chimique et donc de ses proprits. Bien quedes progrs incontestables
aient t raliss dans la comprhension et la modlisation des
pro-cessus lis la physique et la chimie des arosols, un certain
nombre de questions se posentaujourdhui quant lutilisation de ces
modles de faon oprationnelle :
-
1.6 Objectifs scientifiques de la thse 15
Les modles actuels arrivent-ils reproduire de faon raliste la
distribution spatio-temporelledes concentrations darosols dans la
basse troposphre ? Quen est-il de leur compositionchimique et de
leur distribution granulomtrique ?
Les modles actuels prennent-ils en compte les principaux
processus de formation et dvo-lution des arosols dans latmosphre ?
Les paramtrisations actuelles sont-elles satisfai-santes pour
prvoir les pisodes de pollution ?
Que nous apprennent-ils sur les proprits des arosols dans les
zones proches ou loignesdes sources (composition, distribution en
taille, proprits optiques) ?
Ainsi, lutilisation de modles darosols ncessite au pralable une
valuation de leurs perfor-mances laide des observations, afin de
sassurer de leur capacit prvoir les concentrationsdes particules ou
encore fournir une rponse correcte aux scnarios de rduction
dmissions. Lavalidation des modles constitue donc une tape cl pour
lamlioration de la prise en compte desarosols et doit tre mene
conjointement leur dveloppement.
Le modle CHIMERE, qui fera objet de cette thse, a t dvelopp pour
rpondre cet ob-jectif de surveillance et de prvision de la
pollution atmosphrique. Il est utilis de faon opra-tionnelle depuis
lanne 2000 pour la prvision de la pollution photo-oxydante aux
chelles conti-nentale et rgionale, tout dabord dans le cadre du
projet PIONEER (Prvisibilit et Incertitudesde lOzoNe lEchelle
Europenne et Rgionale) puis au sein de la plate-forme nationale de
sur-veillance de la qualit de lair PREVAIR. Sa capacit simuler
correctement les concentrationsdozone aux niveaux rgional et
europen a t dmontre plusieurs reprises et sa sensibilitaux donnes
dentre a t identifie (Schmidt et al. 2001; Vautard et al. 2001;
Vautard et al.2003). Depuis 2002, le modle CHIMERE intgre galement
un module darosol dvelopp encollaboration entre lInstitut Pierre
Simon Laplace, lINERIS et le Laboratoire dArologie. Cemodule prend
en compte des paramtrisations complexes dcrivant la chimie
multiphasique, lathermodynamique et la microphysique des
particules. Il est encore en phase de dveloppement etde validation
et ses performances sont testes depuis deux ans en temps rel en
mode prvision lIPSL.
1.6 Objectifs scientifiques de la thse
Ce travail de thse sinscrit dans le cadre de cet effort
damlioration des modles numriquesde chimie-transport darosols, avec
pour principal objectif la mise en place de mthodes de va-lidation
permettant une valuation objective des incertitudes intervenant
dans la modlisation desparticules au niveau rgional. Dans la suite
de ce manuscrit, par simplification nous parlerons de modles
darosols au lieu de modles de chimie-transport darosols .
Aujourdhui lvaluation des modles darosols est limite par un
certain nombre de pro-blmes. Elle souffre tout dabord du manque de
donnes sur la rpartition tridimensionnelle desarosols ne permettant
pas de valider et de contraindre les modles. En effet, les mesures
darosol
-
16 Introduction gnrale
disponibles de faon continue sont peu nombreuses et
principalement localises dans lagglom-ration urbaine, ce qui rend
difficile lvaluation de la distribution spatiale au niveau rgional.
Deplus, ces mesures de routine sont effectues au sol et ne sont pas
reprsentatives des concentra-tions simules en altitude. Seules des
mesures indirectes issues de la tldtection active par lidarsont
disponibles sur la verticale, mais ne sont pas utilises pour la
validation des modles car ellesne sont pas directement comparables
avec les sorties des modles. Ainsi, labsence de mesuresdirectes de
particules dans la basse troposphre ne permet pas de valider le
mlange vertical desparticules dans la couche limite. Par ailleurs,
le manque de donnes sur la spciation chimiqueet la distribution
granulomtrique des particules ne permet pas de valider leurs
processus de for-mation et dvolution dans latmosphre. Seules
quelques campagnes de mesures fournissent cesinformations de faon
ponctuelle. En raison de toutes ces limitations, une question se
pose alors :Comment valider les modles darosol de faon objective et
complte ?
Pour rpondre cette question, nous nous intresserons au cours de
la thse aux limites destechniques actuelles de validation des
modles darosols, bases sur lutilisation des seules don-nes au sol.
Pour pallier ce manque dobservations, nous chercherons galement
dvelopperune nouvelle mthode de validation permettant dexploiter
les observations par tldtection ac-tive et passive depuis le sol et
depuis lespace. Dautre part, la confrontation avec ces
observationspermettra lidentification des erreurs et incertitudes
de modlisation, mais galement un retour po-sitif sur un certain
nombre de paramtres cls du modle. La connaissance de ses limites et
de sasensibilit bnficiera son utilisation en oprationnel pour la
prvision.
Ces diffrents points seront abords au cours de la thse autour de
trois thmes principauxvisant quantifier et corriger les erreurs de
modlisation, proposer de nouvelles techniques devalidation, et
caractriser les proprits des arosols dans une agglomration urbaine
telle queParis.
valuation des performances du modle CHIMERE et amlioration des
paramtrisationsexistantes
Un travail de validation du modle CHIMERE sera men tout au long
de la thse en se ba-sant sur lutilisation conjointe des mesures in
situ fournies par les rseaux de surveillance de laqualit de lair,
les instruments lidar et photomtre solaire, ainsi que les donnes
satellitaires etles observations aroportes issues des campagnes de
mesure. La confrontation des simulationsdu modle avec ces
observations permettra de juger de sa capacit simuler les
concentrations etles proprits des arosols lchelle europenne et plus
particulirement dans une agglomrationurbaine telle que Paris. Ces
tudes de validation seront menes aussi bien sur de longues
priodes,typiquement saisons estivale et hivernale, que sur des
pisodes de pollution comme celui qui sestproduit lors de la
canicule de lt 2003.
Au cours de ces tudes, nous nous intresserons aux trois aspects
essentiels de la validation, savoir la qualit des donnes dentre,
les paramtrisations du modle et les observations. Nouschercherons
ainsi quantifier dune part les incertitudes lies aux donnes dentre
du modle,
-
1.7 Plan de la thse 17
telles que les champs mtorologiques, les missions et les
conditions aux limites influenant laformation et le transport des
particules, et dautre part les incertitudes intervenant dans les
para-mtrisations du modle. Enfin, nous nous interrogerons sur les
incertitudes dans les observationsutilises pour la validation, lies
aux artefacts de mesure et leurs interprtations. Ces
validationspermettront de diagnostiquer les principales erreurs du
modle, que nous tenterons de corriger,et didentifier certains
processus manquants. De nouvelles paramtrisations seront proposes
afindamliorer la reprsentation des arosols dans le modle. Elles
concerneront principalement laprise en compte dans le modle des
mcanismes de formations des nitrates dans le mode grossier.
Dveloppement de nouvelles techniques de validation
Un intrt particulier sera port lutilisation des donnes de
tldtection disponibles au-jourdhui sur un grand nombre de sites et
fournissant des informations complmentaires sur ladistribution
verticale des arosols. Nous proposerons ainsi une mthodologie de
calcul permet-tant de traduire les concentrations darosol simules
en sortie de modle en grandeurs optiquesdirectement comparables
avec les mesures. Ceci ouvrira une nouvelle porte vers lutilisation
desobservations satellites, qui ont une plus grande extension
spatiale et permettent de suivre plusaisment les masses dair et de
valider les modles.
Caractrisation de larosol urbain
Pour rpondre aux objectifs de description et de caractrisation
de larosol urbain, une tudephnomnologique sera mene en rgion
parisienne. Elle bnficiera de la synergie entre les si-mulations du
modle CHIMERE et les mesures des proprits chimiques et optiques des
arosols.Nous nous intresserons ainsi la composition chimique de
larosol et la distribution spatialede ses principaux constituants,
afin de comprendre linfluence de la production locale des
parti-cules par rapport leur transport longues distances. Ltude
dtaille de la composition et de ladistribution granulomtrique des
arosols dans lenvironnement pri-urbain sera galement meneau cours
dun pisode de pollution estivale et sappuiera sur les observations
de la campagne demesure ESQUIF effectue dans la rgion parisienne en
t 2000.
1.7 Plan de la thse
Ce travail est organis en huit chapitres et deux annexes. Les
rsultats des tudes menes sontprsents sous forme de cinq articles
dont deux ont t publis, un a t accept pour publicationet deux ont t
soumis dans des journaux scientifiques.
Le chapitre 2 prsente le contexte scientifique de ltude,
introduisant les notions essentiellessur les proprits
physicochimiques et optiques des particules atmosphriques, ainsi
que les prin-cipes gnraux de modlisation des arosols. Une
discussion sur les modles actuels et leurs per-formances sera
galement mene et permettra didentifier les difficults rencontres
actuellementen matire de modlisation des arosols. Nous aborderons
ces difficults au cours de la thse ettenterons dapporter une
contribution.
-
18 Introduction gnrale
Le chapitre 3 propose une description du modle CHIMERE et de son
module darosol, objetsde cette tude de validation. Un intrt
particulier sera port aux amliorations apportes au coursde la thse.
Parmi ces amliorations, lintgration dans le modle du nouveau
cadastre dmissionsdes particules primaires en Ile-de-France sera
prsente et une validation qualitative de ce cadastresera effectue
laide des observations.
Dans le chapitre 4, la capacit du modle simuler la distribution
spatio-temporelle des aro-sols sera value lchelle europenne, puis
dans la rgion Ile-de-France par confrontation avecles mesures
routinires au sol. Lors de cette validation nous chercherons
identifier les principaleserreurs du modle et tester sa sensibilit
aux donnes dentre et certaines paramtrisations.Une fois le modle
valid, il sera utilis pour dresser une caractrisation
phnomnologique desproprits de larosol urbain en Ile-de-France
incluant la composition et la distribution granulo-mtrique moyennes
de larosol.
Le chapitre 5 est consacr ltude spcifique de la pollution
particulaire au cours dun pisodede pollution estivale document lors
de la campagne ESQUIF en Juillet 2000. Ltude cherchera valuer la
capacit du modle simuler la composition chimique et la granulomtrie
de larosolurbain, ainsi que son volution dans le panache de
lagglomration parisienne en se basant sur undispositif exprimental
au sol et en altitude sans prcdent en Ile-de-France. De nouveaux
m-canismes de formation des arosols, mis en vidence lors de cette
comparaison, seront introduitsdans le modle et leur impact sera
test.
Dans le chapitre 6, la distribution verticale des arosols dans
la basse troposphre simule parle modle sera value de faon objective
laide des observations lidar et photomtre solaire.La mthode
dveloppe pour la restitution des paramtres optiques observs tels
que les profilsde rtrodiffusion lidar partir des sorties modles
sera prsente. Les liens entre la compositionchimique et la
distribution granulomtrique de larosol avec sa signature optique
seront explors.Les rsultats de la comparaison seront discuts lors
dun pisode de pollution, mais galement surune base annuelle. Nous
nous intresserons galement aux limites de lutilisation des donnes
detldtection active pour la validation des modles.
Dans le chapitre 7, la comparaison des proprits optiques de
larosol sera tendue aux don-nes satellites de linstrument POLDER.
Cette tude visera dune part valuer la capacit dumodle simuler un
pisode de pollution extrme survenu en t 2003 grce la large
couverturespatiale du satellite, et dautre part elle cherchera
caractriser les processus dominant le signaloptique de larosol.
Lutilisation simultane des simulations modles et des donnes
satellitespermettra galement de quantifier les incertitudes lies la
restitution des proprits darosol partir des donnes spatiales.
Finalement, leur utilisation ventuelle pour la surveillance de
laqualit de lair sera galement examine.
Le dernier chapitre contient les conclusions de ce travail et
prsente les perspectives.
Notons galement quen Annexe B une comparaison sera mene entre
les utilisations off-line et on-line du modle ISORROPIA pour le
calcul des concentrations lquilibre ther-modynamique des espces
semi-volatiles.
-
Chapitre 2
Les arosols atmosphriques
Ce chapitre est ddi la prsentation des notions fondamentales sur
les arosols et leurs pro-prits, ainsi qu la description des
principes gnraux de modlisation numrique des particules.Dans la
premire section (2.1), les diffrents constituants des arosols et
leurs proprits micro-physiques sont dcrits. Ils sont essentiels la
comprhension des interactions entre les arosolset le rayonnement,
prsentes dans la deuxime section (2.2). Dans la dernire partie
(2.3) de cechapitre introductif, nous faisons un point sur les
connaissances actuelles et les principales avan-ces en modlisation
des arosols. Les diffrentes approches de la prise en compte des
particulesdans les modles sont dcrites en sappuyant sur une tude
bibliographique, et leurs avantages etinconvnients sont
discuts.
2.1 Proprits physico-chimiques des arosols
Les arosols sont des constituants majeurs de latmosphre au mme
titre que les polluantsgazeux. Cependant, leur diversit en taille
et en composition chimique lie la varit de leurssources en font lun
des constituants les plus complexes de latmosphre. Ils sont dfinis
commeune suspension de fines particules liquides et/ou solides dans
lair. Cette dfinition introduit lanotion de systme complexe
multiphasique. Ainsi, une description complte de larosol passepar
la connaissance de sa distribution en taille, de sa composition
chimique et de sa morphologie.
2.1.1 Origine des particules
La variabilit des sources dmission et des processus de formation
des particules conduit une grande varit de types darosols. En
fonction de leurs origines, les arosols peuvent treclasss en deux
catgories :
Les arosols primaires, mis directement dans latmosphre partir de
sources naturellesou anthropiques. Les sources naturelles sont lies
lrosion et la resuspension des pous-sires minrales du sol, les
poussires volcaniques, les feux de biomasse ou les sels marins.
-
20 Les arosols atmosphriques
Les sources anthropiques sont issues principalement des rejets
industriels (fumes, pous-sires,...), des trafics routier et arien,
des combustions (usines, chauffage,...), de lincinra-tion des
ordures ou encore des chantiers de construction ;
Les arosols secondaires, rsultant de ractions chimiques en phase
gazeuse (oxydation parlozone ou les radicaux hydroxyles) formant
des espces condensables capables de se fixersur les particules
existantes. Les arosols secondaires peuvent tre galement forms
parla nuclation homogne dhydrocarbures, tels que les hydrocarbures
aromatiques polycy-cliques (HAP).
TAB. 2.1 Estimation des missions annuelles (Tg/an) des
principaux types darosols pour lanne 2000 (IPCC2001).
SOURCES H.Nord H.Sud Global Min-MaxAEROSOLS
SECONDAIRESSulfateissus de SO2 anthropique 106 15 122 69-214issus
des gaz biogniques 25 32 57 28-118issus de SO2 volcanique 14 7 21
9-48Nitrateissus des NOX anthropique 12,4 1,8 14,2 9,6-19,2issus
des NOX biogniques 2,2 1,7 3,9 1,9-7,6Carbone organiqueissu des COV
anthropiques 0,15 0,45 0,6 0,3-1,8issu des COV biogniques 8,2 7,4
16 8-40AEROSOLS PRIMAIRESMatire organiqueFeux de biomasse 28 26 54
45-80Combustibles fossiles 28 0,4 28 10-30Dbris biogniques - - 56
0-90Carbone suieFeux de biomasse 2,9 2,7 5,7 5-9Combustibles
fossiles 6,5 0,1 6,6 6-8Poussires industrielles - - 100 40-130Sels
de mer 1440 1900 3340 2000-6000Poussires dsertiques 1800 349 2150
1000-3000Total sources anthropiques 153 18 271 134-403Total sources
naturelles 3320 2326 5704 3097-9393
Le Tableau 2.1 prsente la contribution des principales sources
dmissions naturelles et anthro-piques estimes au niveau global pour
lanne 2000 (IPCC 2001). Il illustre la grande diversit destypes
dmissions et les incertitudes lies leur dtermination. Nous
remarquons que les sourcesnaturelles sont responsables de plus de
90% des missions totales de particules, contre seulement5-10% pour
les sources anthropiques. Les sources naturelles sont constitues
principalement da-rosols minraux (38%) et de sels marins (59%).
Quant la composante anthropique, elle est do-mine par les composs
inorganiques (sulfates et nitrates) forms par la conversion
gaz-particule
-
2.1 Proprits physico-chimiques des arosols 21
de leurs prcurseurs, et les particules secondaires (Andreae
1994), telles que le carbone organiquersultant de la condensation
des composs organiques volatiles. La quasi-totalit des
missionsanthropiques sont attribues lhmisphre nord (>90%) en
raison de fortes activits industrielles.Ainsi, en France, les
missions anthropiques des particules sont estimes prs de 500 kT
pourles PM10 et 270 kT pour les PM2,5 pour lanne 2003 (Figure 2.1,
CITEPA (2005)). Ces mis-sions sont principalement attribues aux
activits dans lindustrie manufacturire (en particulierles chantiers
de construction), lagriculture et le secteur rsidentiel
(combustion) qui reprsententplus de 70% des missions totales de PM
en France. Le trafic routier est galement une des sourcesmajeures
de particules primaires prs des grandes agglomrations urbaines
(voir section 3.4).
FIG. 2.1 missions anthropiques des PM2,5 et PM10 en France pour
lanne 2000 (unit Gg=kT). Source (CITEPA2005).
2.1.2 Distribution en taille et mcanismes de formation
La taille des particules atmosphriques varie de quelques
nanomtres plusieurs dizainesde microns et influe sensiblement sur
leur temps de sjour dans latmosphre, pouvant aller dequelques
heures plusieurs semaines. De plus, les mcanismes de formation des
particules, leursproprits physiques et optiques, ainsi que leur
impact sur lenvironnement et la sant varientconsidrablement en
fonction de leur taille. La distribution granulomtrique peut tre
reprsenteen nombre, en masse, en volume ou en surface. Son volution
est contrle par un systme com-plexe de processus physiques. Les
mesures exprimentales de distribution spectrale proposes parWhitby
(1978) font apparatre trois modes principaux :
Le mode de nuclation contient des particules ultrafines de
diamtre infrieur 0,1 m,formes principalement par condensation de
vapeurs chaudes au cours de procds de com-
-
22 Les arosols atmosphriques
FIG. 2.2 Reprsentation schmatique de la distribution
granulomtrique des arosols et de leurs mcanismes deformation et de
dposition. Adapt de Whitby and Cantrell (1976).
bustion temprature leve ou par nuclation homogne lors de leur
refroidissement. Cesparticules peuvent ensuite grossir par
coagulation entre elles ou avec les particules plusgrosses et ainsi
passer dans le mode suprieur, ce qui constitue la perte principale
dans cemode. Bien que le plus grand nombre de particules
atmosphriques apparaisse dans le modenuclation, ces particules
apportent une faible contribution la masse totale de particulesen
raison de leur trs petite taille.
Le mode daccumulation contient des particules de diamtre compris
entre 0,1 et 2 mrsultant de la coagulation de particules en mode de
nuclation et de la condensation devapeurs sur les particules
existantes dont la taille augmente alors dans la gamme. Ce
modecontribue de faon majeure la surface et la masse totale des
arosols dans latmosphre.Le mode daccumulation est appel ainsi car
les procds dlimination atmosphrique sontmoins efficaces dans cette
gamme de tailles. Ces fines particules peuvent rester dans
lat-mosphre durant des jours ou des semaines. Les dpts sec et
humide (lessivage par lesprcipitations) sont les principaux
processus par lesquels ces particules sont finalement li-mines de
latmosphre.
-
2.1 Proprits physico-chimiques des arosols 23
Le mode de sdimentation ou grossier contient des particules de
plus de 2 m, gnrale-ment formes par des procds mcaniques tels que
lrosion olienne, les bris des vaguesocaniques, les oprations de
broyage dans lindustrie, etc. Ces particules sont
efficacementlimines par dcantation sous laction de la gravit. Leur
dure de vie est donc faible, delordre de quelques heures quelques
jours. Elles contribuent peu la concentration ennombre des
particules, mais beaucoup leur masse totale.
2.1.3 Composition chimique des arosols
Les divers processus de formation et dvolution des particules
dans latmosphre, voqusprcdemment, conduisent une grande varit de
formes et de compositions dans le temps etlespace. Larosol
atmosphrique est constitu dun mlange complexe de matire organique
(lecarbone organique) et inorganique (le carbone suie ; les ions
inorganiques dont les principaux sontsulfate, nitrate, ammonium,
chlore, sodium, calcium ; les poussires minrales ; les mtaux
telsque magnsium, aluminium, fer ; et leau).
FIG. 2.3 La distribution en taille dC/dlogD des principaux
composs inorganiques de larosol (ions sulfate, nitrate,ammonium,
chlorure, sodium et hydrogne), adapt de Wall et al. (1988).
-
24 Les arosols atmosphriques
2.1.3.1 La composante carbone de larosol
Dans les particules darosol, le carbone se trouve sous forme de
carbone lmentaire (BC),appel aussi carbone suie et de carbone
organique (OC), mis dans latmosphre lors des proces-sus de
combustion incomplte dans le trafic, lindustrie et les feux de
biomasse (Cachier 1998).Lors de la combustion, les missions
produites contiennent directement du carbone suie ainsi quedes gaz,
dont certains sont des prcurseurs darosols secondaires. Les arosols
carbons sontconstitus gnralement dun coeur de graphite entour dune
pellicule de composs organiquesoxygns. Quand ces fonctions
organiques sont prpondrantes, on parle de carbone organique,alors
quon parle de carbone suie lorsque le noyau de graphite domine.
Cest la qualit de la com-bustion qui dtermine labondance relative
de chacun des constituants. Ainsi, le rapport OC/BCdonne une bonne
indication du type de pollution et de la proximit des sources. Dans
le cas desarosols urbains, le rapport OC/BC est compris entre 1,5
et 2 (McDow et al. 1996).
Le carbone suie BC. Le carbone suie provient essentiellement de
la combustion de fuels fossilesou de feux de biomasse. La suie
contient 50 70% de carbone amorphe, non soluble, dont lastructure
est proche de celle du graphite, et 30 50% dhydrocarbures
partiellement oxyds etdhydrocarbures aromatiques polycycliques
(HAP). Elle est compose de sphres agglomresen longues chanes
carbones, formant de petites particules de 10 nm 100 nm de diamtre
etconstituant le noyau de larosol. La formation de particules de
suie au cours de la combustionest complexe : elle dbute par la
formation de particules ultrafines (de 1 30 nm de diamtre)
parnuclation homogne des HAP, qui sagglomrent ensuite pour former
des particules de suie plusgrosses. Les particules de suie sont
caractrises par un grand rapport surface/masse (prs de 100m2 g1) et
constituent donc un substrat important pour la chimie htrogne.
Les composantes organiques primaires et secondaires OC. La
partie centrale de larosol,constitue de carbone lmentaire, est
souvent entoure dune fine couche (film) amorphe pr-sentant de
nombreuses fonctions organiques. Lorsque ces fonctions sont
abondantes, on est enprsence de carbone organique particulaire. Une
partie des espces organiques (primaires) se fixeds leur mission sur
les particules (alcanes, acides organiques, etc.). Les espces
carbones se-condaires (acides et diacides carboxyliques, aldhydes,
etc.) se retrouvent quant elles en phaseparticulaire, suite
loxydation des prcurseurs organiques gazeux.
Les composs organiques secondaires sont des constituants
importants de larosol qui peuventreprsenter une fraction
significative de sa masse lors des pisodes de pollution et avoir un
impactsur la visibilit et la diffusion de la lumire et lvolution
des proprits physicochimiques delarosol lors du transport. Ils
peuvent tre dorigine anthropique, forms partir des
compossaromatiques, des alcanes et des alcnes longue chane, ou
dorigine biognique, forms partirdes monoterpnes, des sesquiterpnes
et des composs oxygns (Pun et al. 2000). Il existe unegrande
incertitude sur lorigine et les modes de formation de ces produits
organiques (Gelencseret al. 2000; Zappoli et al. 1999). A ce jour,
seule leur formation partir des pinnes et de quelquesmonoterpnes
est connue. Elle peut se produire en phase gazeuse (Griffin et al.
1999) ou en phase
-
2.1 Proprits physico-chimiques des arosols 25
aqueuse (Aumont et al. 2000). Larosol organique secondaire
reprsente une fraction importantedu mode daccumulation.
Notons galement quon parle souvent de la matire organique
particulaire (POM) la place decarbone organique, qui inclut en plus
du carbone, les atomes dhydrogne et doxygne constituantcette
matire. La quantit de la POM peut-tre dduite de la masse dOC en
appliquant un facteurmultiplicateur variant entre 1,2 et 1,7 selon
le type darosol (Hegg et al. 1997; Turpin et al. 2000).Dans cette
thse la valeur de 1,3 propose par Chazette and Liousse (2001) est
utilise.
2.1.3.2 Les arosols inorganiques
Le sulfate et le nitrate sont des espces secondaires produites
principalement par des rac-tions chimiques partir de leurs
prcurseurs. Ainsi, les radicaux OH peuvent oxyder SO2 et
NO2,respectivement en acide sulfurique (H2SO4) et en acide nitrique
(HNO3). Le sulfate peut tre ga-lement produit par loxydation du DMS
(dimthylsulfure) en rgions maritimes. Ces ractions seproduisent
principalement pendant la journe, mais peuvent aussi avoir lieu la
nuit, avec une cin-tique beaucoup plus lente. Pendant la nuit, les
nitrates sont produits principalement par loxydationde NO2 par O3
qui conduit la formation des radicaux NO3. Ces derniers ragissent
leur touravec le NO2 pour former du N2O5 qui peut shydrolyser en
nitrate.
Loxydation du SO2 en sulfate est beaucoup plus rapide en phase
aqueuse (brouillard, nuages,etc.), quen phase gazeuse. Elle se
produit par raction avec O3, H2O2 et O2. De mme, lhydro-lyse de
N2O5 en nitrate est acclre en phase aqueuse. Compte tenu de sa
pression de vapeursaturante de lordre de 106 hPa, H2SO4 se trouve
essentiellement en phase particulaire. Il sas-socie gnralement avec
NH3 pour former du sulfate dammonium. Au contraire, le HNO3 a
unepression de vapeur saturante leve et ne passe en phase gazeuse
que par dissolution dans les par-ticules aqueuses, ou en sassociant
avec lammonium pour former du nitrate dammonium dans lemode
daccumulation. Il peut aussi se fixer sur des composs
particulaires, tels que les sels marinsou les poussires calcaires
du mode grossier par raction avec Ca2+ ou Na + (Harrison and
Kito1990; Wakamatsu et al. 1996).
2.1.3.3 Les poussires minrales
Larosol minral dorigine terrigne est form par lrosion des sols
sous laction du vent :entrans par le vent, les gros grains de
poussire se mettent rouler et rebondir sur le sol (pro-cessus de
saltation), ce qui dtruit les agrgats et permet la mise en
suspension des particules plusfines qui pourront tre transportes
sur de longues distances. La vitesse seuil drosion qui rguleles
missions dpend de la rugosit de la surface, de la taille des grains
et de lhumidit des sols(Marticorena and Bergametti 1995). Les
principales rgions dmission se situent dans les dsertsde lhmisphre
nord. Ainsi, lors des pisodes sahariens , des quantits importantes
de pous-sires minrales peuvent tre souleves des zones dsertiques du
continent africain et transportesau-dessus de lEurope et de
lAtlantique Nord. Les missions de poussires sont difficiles
valuercar elles dpendent de facteurs climatiques. Elles reprsentent
lune des contributions majeures aucontenu en arosol de latmosphre,
en particulier dans les rgions tropicales et subtropicales.
-
26 Les arosols atmosphriques
Les estimations des missions globales indiquent quentre 1000 et
3000 Tg/an (IPCC 2001) sontinjectes par an dans latmosphre avec une
trs forte variabilit spatiale et temporelle.
Ces particules sont gnralement de grande taille : plus de 80% de
poussires terrignes sontsitues dans le mode grossier, contre
seulement 20% dans le mode daccumulation. Leur dure devie est trs
variable car les plus grosses sont dposes rapidement sous leffet de
leur poids alorsque la fraction submicronique peut rsider plusieurs
semaines dans latmosphre. Leur composi-tion varie en fonction de
leur origine. Ces particules ont la caractristique dtre peu
hydrophiles.
2.1.3.4 Les sels marins
Larosol marin est produit principalement par lclatement des
bulles dair emprisonnes lasurface des ocans sous laction du vent
(Blanchard and Woodcock 1980; Monahan 1986). Cetteproduction est
directement lie la vitesse du vent de surface, mais dpend galement
de ltatde la mer et de la temprature de surface. Deux sortes de
gouttelettes sont ainsi projetes danslatmosphre : les gouttes de
film et les gouttes de jet. Leur formation se produit
principalementdans lcume provoque par le dferlement des vagues
lorsque la vitesse du vent est suprieure trois mtres par seconde.
Le rayon des arosols marins est gnralement submicronique dans lecas
des gouttes de film et compris entre 1 et 5 m dans le cas des
gouttes de jet.
Lorsque le vent dpasse les 15 ms1, dautres mcanismes de
formation entrent en jeu,tels que lcrtement lors du dferlement des
vagues, et produisent des particules de lordre dequelques dizaines
de micromtres, jusquau millimtre. Du fait de leur grande taille,
ces particulessont rapidement dposes par sdimentation et
natteignent que rarement les ctes.
2.1.4 Les proprits hygroscopiques des particules
Le caractre hydrophile des particules dsigne leur pouvoir
absorber leau. En prsence defortes humidits, leau fixe peut devenir
le constituant majoritaire de larosol hydrophile, cequi peut
entraner la modification de sa composition et par consquent de ses
proprits optiques(section 2.2). La composante minrale (NO3 , NH
+4 , Na
+, etc.) est gnralement responsable desproprits hydrophiles de
larosol (Saxena et al. 1995). Ainsi, les particules dorigine marine
oules particules forte teneur en soufre sont fortement hydrophiles.
Au contraire, les composs orga-niques, principalement dorigine
primaire, tels que les alcanes, les alcnes et les acides
organiques,sont gnralement hydrophobes. Cependant, la prsence de
composs organiques dans larosolpeut modifier son pouvoir
hygroscopique. Daprs Saxena et al. (1995), leur prsence dans
laro-sol accrotrait considrablement la masse deau fixe par la
particule pour des humidits ambiantesdpassant les 80%.
Loxydation des composs organiques conduit une plus grande
oxygnation des mol-cules (formation des fonctions alcool R-OH,
acide carboxylique R-CHO, hydroperoxyde ROOH,)et donc des composs
moins volatiles et plus hydrophiles. Cette modification des
proprits hy-drophiles de larosol entrane leur grossissement en
prsence de fortes humidits du fait dune
-
2.1 Proprits physico-chimiques des arosols 27
plus grande hydratation . Les composs organiques nitrs (R-NO2)
et amins (R-NH2) sontgalement des constituants hydrophobes.
2.1.5 Le cas particulier de larosol urbain
Larosol urbain est un mlange de particules primaires mises
principalement par le transportet lindustrie (combustion des fuels
fossiles), et de particules secondaires formes par les pro-cessus
de conversion gaz-particule. La distribution granulomtrique en
masse de larosol urbainest gnralement caractrise par deux modes, le
mode daccumulation et le mode grossier. Cedernier est constitu de
poussires minrales gnres mcaniquement par lrosion des routes,lusure
des pneus ou labrasion des freins, et peut contribuer de faon
significative la masse delarosol prs des grands axes routiers.
Ltude mene par Putaud et al. (2004) a permis de dresser une
caractrisation chimique d-taille de larosol pour diffrents sites
europens (urbains, ruraux, trafic). Une composition assezhomogne
des PM2,5 et PM10 a t observe sur les diffrents sites urbains.
Comme illustr sur laFigure 2.4, larosol urbain (PM2,5 et PM10) est
compos en moyenne de 5 10% de carbone suie,20% de matire organique,
35 45% de matire inorganique et 5 10% de poussires minrales.Cette
prdominance de la matire organique et de la fraction inorganique
secondaire dans la com-position de larosol atteste de limportance
des processus de formation des particules secondaireset du
transport longue distance. La fraction grossire de larosol est
constitue principalementde poussires minrales (>20%) et du sel
marin (10%). La fraction non identifie ( unknown ) delarosol
reprsente entre 17 et 45% de la masse totale, ce qui illustre les
difficults de mesure dela composition des particules, en raison de
la grande varit de ses constituants et des limites desinstruments
de mesure. La diffrence entre les sites urbains et ruraux rside
principalement dansla contribution relative plus importante de
nitrates et dammonium en zone urbaine, et de sulfatesen zone
rurale.
Dautre part, ltude a montr que les principaux pisodes de
pollution particulaire (PM10> 50 g m3) se produisent en priode
hivernale, en raison de situations mtorologiques stag-nantes
empchant la dispersion des polluants. Lors de ces pisodes, la
contribution relative desnitrates la masse totale devient
prpondrante. Ceci sexplique par la plus grande stabilit dunitrate
dammonium en phase particulaire pendant les priodes froides et la
rduction des artfactsinstrumentaux lie la perte de masse par
vaporation.
Finalement, ltude de larosol urbain lors des campagnes de mesure
(Mallet et al. 2003; Ca-chier et al. 2005; Chazette et al. 2005) a
montr quil est un bon traceur du panache urbain parlintermdiaire de
ses proprits optiques. En effet, lvolution de sa composition
chimique (vo-lution du caractre hydrophile), de ses proprits
structurales (volution de la granulomtrie) ou desa concentration,
se traduisent par une modification de ses proprits optiques. Ainsi,
la connais-sance de ces dernires (par lobservation) permet den
dduire lorigine et lvolution de larosol.Dans ce qui suit, nous
rappelons les notions essentielles concernant les proprits optiques
delarosol.
-
28 Les arosols atmosphriques
FIG. 2.4 La composition moyenne annuelle des PM2,5, PM10 et
PM102,5 observe sur plusieurs stations euro-pennes (urbaines et
rurales). Adapt de (Putaud et al. 2004).
2.2 Les proprits optiques de larosol
Linteraction des arosols avec le rayonnement est conditionne par
leurs proprits optiques.Ces dernires sont directement lies la
composition chimique de larosol, sa distribution entaille et sa
forme (section 2.1), ainsi qu la longueur donde considre. Dans
cette section,nous prsentons les principales proprits optiques des
particules, dterminant les processus dediffusion et dabsorption du
rayonnement solaire par les arosols. Celles-ci sont dfinies par
lessections efficaces et les coefficients dabsorption et de
diffusion dune part, et par les indices derfraction dautre part. Le
formalisme dcrit ici sera utilis dans la suite de la thse lors du
calculdes paisseurs optiques et des profils de rtrodiffusion lidar.
Les longueurs donde considresdans notre tude se situent dans le
visible et le proche infrarouge (400-900 nm).
-
2.2 Les proprits optiques de larosol 29
2.2.1 Sections efficaces et albdo de diffusion simple
Au cours de sa propagation dans latmosphre, les rayons lumineux
interagissent avec les par-ticules et les molcules rencontres dans
le milieu quils traversent. Ainsi, le rayonnement incidentest
principalement diffus et absorb par les particules dont la taille
caractristique est du mmeordre de grandeur ou dun ordre de grandeur
suprieur la longueur donde incidente. La diffusioncorrespond un
changement de direction dans la propagation du rayonnement
incident, tandis quelabsorption dsigne la transformation de lnergie
incidente en dautres formes dnergies, tellesque la chaleur par
exemple. Le comportement optique dun milieu diffusant est
troitement li auxproprits des diffuseurs qui le constituent, tels
que la taille, la forme, la composition ou lindicede rfraction
dpendant de la longueur donde utilise.
Considrons un flux lumineux incident dintensit I0 (Wm2). Il
subit sur son trajet uneextinction aprs interaction avec les
diffuseurs atmosphriques, provoquant la diminution de sonintensit I
(I < I0). La section efficace dextinction Cext (m2) permet de
quantifier lattnuationde la puissance (W ) du faisceau incident par
une cible de section efficace r2 :
Cext =
I0(2.1)
On en dduit le facteur defficacit dextinction (sans unit) :
Qext = Cext/( r2) (2.2)
Cette extinction du rayonnement incident est provoque par les
effets combins de labsorption etde la diffusion de lnergie
incidente. Ainsi, la section efficace dextinction peut tre
considrecomme la somme des sections efficaces de diffusion Cdif et
dabsorption Cabs, dfinies de faonanalogue comme tant le rapport
entre lintensit diffuse (respectivement absorbe) et lintensitdu
faisceau incident.
La section efficace de diffusion est une valeur globale qui
nindique pas dans quelle directionla diffusion seffectue. Elle peut
scrire alors comme lintgrale sur tout lespace des sectionsefficaces
de diffusion dans les diffrentes directions :
Cdif =
4Cdif () d (2.3)
Dans le cadre de notre tude, lors du calcul des profils lidar
(section 6), nous nous intressons plusparticulirement la diffusion
dans la direction oppose la direction incidente ( radians), ap-pele
rtrodiffusion. Ainsi, la section efficace de rtrodiffusion C (m2)
peut tre dfinie commele rapport entre la puissance diffuse radians
() et le faisceau incident I0 :
C =()
I0(2.4)
Le rapport entre les sections efficaces de diffusion et
dextinction est appel lalbdo de dif-fusion simple dfini par :
=CdifCext
=QdifQext
(2.5)
-
30 Les arosols atmosphriques
Ainsi, reprsente la fraction de lattnuation lumineuse qui est
diffuse par une particule, tandisque 1 reprsente sa fraction
absorbe.
Rappelons que lhypothse de diffusion simple dans laquelle nous
nous plaons ici consiste admettre que chaque rayon lumineux subit
au maximum une seule diffusion. Le cas des rayonsayant t diffuss
par plusieurs particules (diffusion multiple) est suppos
ngligeable. Cette hy-pothse est gnralement vrifie en atmosphre,
except en prsence de couches darosols ou denuages trs denses.
2.2.2 Indice de rfraction
Lindice de rfraction est une proprit optique importante de
larosol, car il dtermine lepouvoir dextinction du rayonnement
incident par les particules. Il permet de relier la
compositionchimique de larosol avec ses proprits optiques. En plus
de la composition chimique de la-rosol, il dpend aussi de la
longueur donde. Il est dfini comme la somme dune partie relle
n,dterminant la vitesse de propagation dans le milieu, et dune
partie imaginaire k, lie labsorp-tion des arosols :
m = n ik (2.6)
Lindice de rfraction varie de faon importante en fonction de la
longueur donde. Toutefois dansle domaine visible (400-800 nm) cette
variabilit est faible (Volz 1973) et lindice de rfractionpeut tre
suppos constant. Les valeurs trouves dans la littrature pour les
diffrents constituantsdarosols 550 nm sont prsentes dans le Tableau
2.2. La partie relle est gnralement compriseentre 1,33 (arosol
satur deau) et 1,55 (arosol soluble) et peut atteindre des valeurs
de 1,75 enprsence de larosol carbon. La partie imaginaire varie
entre des valeurs proches de zro pourles arosols purement
diffusants et 0,44 pour les arosols trs absorbants comme les
particules desuie.
TAB. 2.2 Indice de rfraction pour les principaux composs darosol
0% dhumidit relative et la longueurdonde de 550 nm (source Mallet
et al. (2003).
Type darosol Indice rel (n) Indice imaginaire (k)Particules
primaires anthropiques 1 1,75 0,44Arosols organiques secondaires
1,55 0,05Particules solubles (sulfate, nitrate, ammonium) 1,53 6
103
Poussires minrales 1,53 5, 5 103
Sel marin 1,55 108
Eau 1,33 01 : Les particules primaires anthropiques regroupent
le carbone organique et le carbone suie,ainsi que la matire
inorganique non soluble.
Dans latmosphre, les particules darosol sont gnralement composes
de plusieurs consti-tuants. Il est alors ncessaire de dterminer
lindice de rfraction du mlange. En considrant lhy-pothse du mlange
homogne, lindice de rfraction du mlange m peut alors tre dfini
comme
-
2.2 Les proprits optiques de larosol 31
la moyenne des indices de chaque constituant individuel mi
pondre par leur fraction massiquefi (Seinfeld and Pandis 1997)
:
m =n
i=1
mi fi (2.7)
Lhypothse du mlange homogne nest bien videmment pas vrifie dans
latmosphre, o lesarosols sont constitus dagglomrats dune ou
plusieurs espces solides, entoures dun filmvisqueux ou recouvertes
des condensats (Seinfeld and Pandis 1997). Toutefois, elle
constitue unebonne approximation pour le calcul de lindice de
rfraction du mlange, avec une incertitudeinfrieure 20% par rapport
un calcul explicite en mlange htrogne (Sloane 1983).
Notons galement que lindice de rfraction varie en fonction de
lhumidit relative ambiante :la condensation de la vapeur deau la
surface de larosol entrane une diminution de son indicede rfraction
qui tend vers celui de leau. Cette diminution modifie alors
considrablement les pro-prits diffusantes et absorbantes de larosol
(Hanel 1976). Ce point sera discut dans la section2.2.5.
2.2.3 Coefficient dextinction
Le coefficient dextinction, not (m1), dfinit lextinction du
faisceau lumineux au coursde son trajet de longueur z dans un
milieu diffusant contenant un ensemble de particules. Si
lecoefficient dextinction est constant sur la distance z (milieu
uniforme), lvolution de lintensitsur ce mme trajet est donne par
I(z) = I0 exp(z). Comme lextinction totale rsulte dunepart de
lextinction par diffusion et dautre part de lextinction par
absorption, elle scrit :
= dif + abs (2.8)
Pour une population de particules, le coefficient dextinction
peut tre calcul partir dessections efficaces caractrisant chaque
type de particules et en connaissant leur distribution
granu-lomtrique, leur composition chimique (indice de rfraction) et
leur forme. En fonction de la taillecaractristique des particules
deux thories sappliquent : la diffusion de Rayleigh et la
diffusionde Mie dans le cas des particules sphriques.
2.2.3.1 Diffusion molculaire de Rayleigh
La diffusion de Rayleigh intervient lorsque la dimension de la
particule diffusante est petitedevant la longueur donde. Dans le
visible et le proche infrarouge, lapproximation de
Rayleighsapplique pour des particules dont le rayon est infrieur
0,1 m. Les sections efficaces de diffu-sion et dabsorption sont
alors dfinies par (Ulaby et al. 1943) :
Cabs =2
(
2r
)3
Im(K) (2.9)
Cdif =22
3
(
2r
)6
|K|2 (2.10)
-
32 Les arosols atmosphriques
Avec K = (m2 1)/(m2 + 2) o m est lindice de rfraction.
2.2.3.2 Diffusion particulaire de Mie
La thorie de diffusion de Mie est utilise pour rendre compte de
la diffusion par les particulessphriques dont la taille est du mme
ordre de grandeur ou dun ordre de grandeur suprieur la longueur
donde. Elle dcrit la diffusion lastique (sans change dnergie) dune
onde planelectromagntique par une particule sphrique de diamtre D
et dindice de rfraction m. Ainsi,pour un ensemble de particules de
diamtre compris entre Dmin et Dmax caractrises laltitudez par une
distribution en taille n(D, z) (n(D, z)dD reprsentant le nombre de
particules par unitde volume) et une section efficace Cext(D, m),
le coefficient dextinction scrit :
(z) =
Dmax
Dmin
Cext(D, m) nN (D, z) dD (2.11)
Le coefficient dextinction est frquemment exprim en fonction de
la distribution en masse desarosols dfinie par nM (D) = D
3
6 nN (D). On en dduit alors :
(z) =
Dmax
Dmin
6
D3Cext(D, m) nM (D, z) dD (2.12)
Une notion couramment utilis est lefficacit dextinction, dfinie
par :
Eext(D, m) =6
D3Cext(D, m) (2.13)
Ces proprits absorbantes et diffusantes des particules sont
fortement corrles leur tailleet leur composition. Cette dpendance
est illustre sur la Figure 2.5 qui reprsente lefficacitdextinction
en fonction du diamtre de la particule 532 nm pour trois valeurs de
lindice derfraction, correspondant aux particules solubles
(sulfate, nitrate et ammonium), aux arosols pri-maires antropiques
et leau (voir Tableau 2.2). Cette figure montre que lefficacit
dextinctionest maximale pour les arosols dont le diamtre est
compris entre 0,1 et 2 m. Ces particules cor-respondent celles du
mode daccumulation dont le diamtre sec est compris entre 0,1 et 1 m
etqui peut atteindre 2 m aprs hydratation. Cela signifie que ce
sont les particules appartenant aumode daccumulation qui vont
interagir principalement avec le rayonnement, et par consquent
cemode sera optiquement le plus actif. Ceci est dautant plus vrai
que ces particules ont une grandedure de vie dans latmosphre
(section 2.1).
La variation des proprits optiques des particules en fonction de
leur composition chimique,et donc de leur indice de rfraction
associ, est galement importante. Ainsi, les valeurs maxi-males
dextinction pour les espces considres sont obtenues pour des
diamtres trs diffrents :D(H2O) = 0, 85 m ; D(solubles) = 0, 5 m ;
D(primaires) = 0, 2 m. La fraction primaire ex-plique lessentiel du
pouvoir absorbant de larosol, tandis que la fraction soluble est
responsable
-
2.2 Les proprits optiques de larosol 33
a)0.01 0.10 1.00 10.00
Diametre (m)
0
2
4
6
8
10
12
Effi
caci
te d
ext
inct
ion
(m2 g
1 )
m=1.33i*104
m=1.53i*0.006m=1.75i*0.44
b)0.01 0.10 1.00 10.00
Diametre (m)
0
2
4
6
8
Effi
caci
te d
e di
ffusi
on (
m2 g
1 )
m=1.33i*104
m=1.53i*0.006m=1.75i*0.44
c)0.01 0.10 1.00 10.00
Diametre (m)
1
1
3
5
7
Effi
caci
te d
abs
orpt
ion
(m2 g
1 )
m=1.33i*104
m=1.53i*0.006m=1.75i*0.44
FIG. 2.5 Lefficacit dextinction, de diffusion et dabsorption des
arosols. Les calculs sont effectus pour lalongueur donde de 532
nm.
principalement de ses proprits diffusantes. En effet,
lextinction par absorption se produit uni-quement pour des
particules primaires (carbones) ayant un diamtre infrieur 0,2 m,
tandis quelextinction par diffusion est principalement due aux
composs solubles. On peut noter galementquune diminution de lindice
de rfraction entrane une augmentation de lefficacit de diffusion,et
surtout, un dplacement du diamtre correspondant au maximum
dextinction par diffusion versdes valeurs plus grandes. Dans ce
cas, le pouvoir diffusant de larosol augmente. Ceci
signifiegalement que la prsence de leau dans la particule est
susceptible de modifier sensiblement sesproprits diffusantes. Ce
point est approfondi dans la section 2.2.5.
2.2.4 paisseur optique
Lpaisseur optique dune couche darosols, note , dsigne
lextinction du rayonnementincident due la prsence des particules
dans cette couche. Elle est dfinie comme lintgrale ducoefficient
dextinction (z) sur la hauteur de la couche z :
(z) =
z(x) dx (2.14)
Lpaisseur optique varie avec la longueur donde. Dans le visible,
lpaisseur optique des a-rosols de pollution contenus dans la
colonne atmosphrique (en absence de nuages) peut dpasser0,5 550 nm
et 0,3 865 nm (http ://aeronet.gsfc.nasa.gov/). Les mesures
effectues pendantla campagne ESCOMPTE montrent que 90% de
lextinction par les particules est due aux aro-sols anthropiques,
et seulement 10% aux arosols dorigine naturelle (sels marins et
poussiresminrales) (Mallet et al. 2003). Les arosols inorganiques
tels que le sulfate dammonium sontresponsables de plus de 50% de
lextinction, alors que les composs organiques et le carbonesuie en
expliquent chacun prs de 20%. Les nitrates, trouvs essentiellement
dans le gros mode(Cachier et al. 2005), ne reprsentent que 5% de la
contribution.
Lpaisseur optique peut tre dtermine exprimentalement par
lintermdiaire de la tld-tection passive (photomtre solaire, Holben
et al. (1998) ou active (lidar, Haeffelin et al. (2005),
-
34 Les arosols atmosphriques
Bsenberg et al. (2003)) partir du sol ou laide des satellites.
Elle peut galement tre calculepar les modles (Hodzic et al. 2004).
La restitution des paisseurs optiques partir des sortiesmodles et
leur comparaison avec les observations font lobjet des Chapitres 6
et 7.
2.2.5 Influence de lhumidit relative
Dans latmosphre, les arosols solubles et hydrophiles grossissent
par absorption et conden-sation de vapeur deau lorsque lhumidit
relative augmente (Pilinis 1989). Cette modification deleur diamtre
moyen et de leur composition chimique se traduit par une
modification de leur indicede rfraction et peut avoir un impact
significatif sur leur efficacit optique. Ce sont principalementles
proprits diffusantes de larosol qui sont modifies et dans une
moindre mesure ses propri-ts absorbantes (Sloane 1983). La prise en
compte des effets de lhumidit sur les particules estalors
essentielle lors de la restitution des proprits optiques des
arosols partir des observationsou des simulations modles.
Lvolution de lindice de rfraction en fonction de la teneur en
humidit peut tre calcule laide des relations dHanel (1976). Elles
permettent de dduire les indices de rfraction lhumi-dit ambiante RH
, dits humides mw partir des valeurs thoriques de lindice sec m
(Tableau2.2) :
mw = mH20 + (m mH20)(rw
r
)
3(2.15)
rw = r (1 RH)e (2.16)
o mH2O indice de rfraction de leau ; r et rw rayons sec et
humide ; e coefficient dpendant dutype darosol : e = 0, 285 pour
les particules hydrophiles (Hanel 1976) ; e = 0, 25 pour lamatire
organique (Chazette and Liousse 2001).
a)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Humidite relative
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Par
tie r
eelle
(n)
b)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Humidite relative
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Par
tie im
agin
aire
(k)
c)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Humidite relative
0
2
4
6
8
10
Fac
teur
de
gros
siss
emen
t (V
w/V
)
FIG. 2.6 Lvolution de lindice de rfraction et du volume de la
particule en fonction de lhumidit relative. Lefacteur de
grossisment reprsente laccroissement du volume avec lhumidit : Vw/V
= (1RH)3e pour RH < 1,o V et Vw volumes de la particule sche et
humide.
Lvolution de lindice de rfraction, ainsi que la variation du
volume moyen de la particule enfonction de lhumidit relative sont
illustres sur la Figure 2.6. On peut noter que la condensation
-
2.2 Les proprits optiques de larosol 35
a)0.01 0.10 1.00 10.00
Diametre (m)
0
2
4
6
8
Effi
caci
te d
e di
ffusi
on (
m2 g
1 )
Fraction soluble (m=1.53i*0.006)
RH=0%RH=50%RH=90%
b)0.01 0.10 1.00 10.00
Diametre (m)
0
2
4
6
8
Effi
caci
te d
e di
ffusi
on (
m2 g
1 )
Fraction primaire (m=1.75i*0.44)
RH=0%RH=50%RH=90%
c)0.01 0.10 1.00 10.00
Diametre (m)
1
1
3
5
7
Effi
caci
te d
abs
orpt
ion
(m2 g
1 )
Fraction primaire (m=1.75i*0.44)
RH=0%RH=50%RH=90%
FIG. 2.7 Limpact de laugmentation de lhumidit relative (RH
variant de 0%, 50% et 90%) sur lefficacitde diffusion et
dabsorption 532 nm pour un arosol soluble (m = 1, 53 i0, 006), et
pour un arosol primaire(m = 1, 75 i0, 44). Lefficacit dabsorption
est ngligable pour les arosols solubles (non reprsente ici).
de la vapeur deau la surface de larosol entrane une diminution
significative de son indice derfraction qui tend vers celui de
leau, ainsi quune augmentation importante de son volume. Ainsi,pour
une humidit avoisinant les 90%, le volume de la particule est
augment de plus de 6 fois, parrapport au volume de la particule
sche. Ces modifications ont des consquences sur les
propritsabsorbantes et diffusantes des arosols. En effet, la
diminution de la partie imaginaire de lindicede rfraction avec
laugmentation de lhumidit se traduit par une baisse du pouvoir
absorbant delarosol, tandis que laugmentation de la taille des
particules par hydratation accrot la masse departicules dans le
mode daccumulation, optiquement le plus actif et par consquent
augmente ladiffusion. Ceci est illustr sur la Figure 2.7 pour deux
types darosol : les arosols solubles et hy-drophiles, et les
arosols primaires, caractriss par leurs indices de rfraction
respectifs (Tableau2.2). Pour les particules primaires, on peut
voir une nette baisse de leur efficacit dabsorption
aveclaugmentation de lhumidit relative (Figure 2.7c) ; pour les
particules solubles labsorption estngligable quelle que soit
lhumidit. Avec laugmentation de lhumidit ambiante, lefficacitde
diffusion (grandeur par unit de masse m2g1) diminue lgrement et le
diamtre correspon-dant au maximum de diffusion se dcale vers des
valeurs plus grandes. Par contre, lextinction pardiffusion des
particules crot par augmentation de leur masse.
2.2.6 Influence du type de mlange considr
Comme nous lavons vu prcdemment, linteraction des arosols avec
le rayonnement dpendfortement de leur composition chimique par
lintermdiaire de lindice de rfraction. Ainsi, unereprsentation
correcte de la composition lors du calcul des proprits optiques est
essentielle etdautant plus complexe que les arosols sont rarement
constitus dun seul compos, mais dunmlange complexe et
multiphasique. La reprsentation de leur composition lors du calcul
desproprits optiques ncessite alors des hypothses sur la manire
dont ces diffrents constituantsde larosol sont mlangs entre
eux.
-
36 Les arosols atmosphriques
On distingue deux types de mlange : le mlange externe et le
mlange interne, schmatisssur la Figure 2.8. Le mlange externe
suppose que les diffrents constituants de larosol sontspars les uns
des autres et proviennent dune mme source, autrement dit les
diffrentes espcessont colles les unes aux autres, sans jamais
interagir. Cette hypothse est vrifie uniquementprs des sources
dmissions o on admet gnralement que les arosols ont une nature
chimiquecaractristique de la source. En revanche, lvolution des
proprits physico-chimiques et de lastructure interne de larosol
lors de son transport favorisent le mlange partiel ou total de
sesdiffrents consistuants loin des sources dmission : on parle
alors de mlange interne.
Le choix du type de mlange est donc important car il peut
modifier les proprits optiquesde larosol (Seinfeld and Pandis 1997)
comme illustr sur la Figure 2.9. Considrons un arosolcompos dun
mlange de 50% de carbone suie et de 50% de sulfate dammonium. La
Figure2.9 montre que lextinction par diffusion est plus importante
en mlange interne quen mlangeexterne, tandis que lextinction par
absorption est favorise en mlange interne : le carbone suieaugmente
sa capacit dabsorption par un facteur deux lorsquil est en mlange
interne avec lesulfate dammonium. Ceci est dautant plus important
que la fraction inorganique (sulfate dam-monium) est grande.
Toutefois, les deux effets se compensent et lextinction totale ne
semble passignificativement modifie. Ces diffrences sexpliquent par
le fait quen mlange interne tous lesconstituants participent
labsorption du rayonnement, tandis que dans lhypothse du
mlangeexterne, seuls les composs dont la partie imaginaire de
lindice de rfraction est leve vont ab-sorber. Dans le cas de la
diffusion, la capacit hydrophile de larosol, donc sa croissance
aveclhumidit, est plus grande en mlange interne, car tous les
composs grossissent, mme ceux quine sont pas hydrophiles, ce qui
augmente le pouvoir diffusant des particules.
Contrairement aux modles globaux o les arosols sont gnralement
supposs en mlangeexterne non interactif (Chin et al. 2004), les
modles de chimie-transport rgionaux (Bessagnetet al. 2004; Cousin
et al. 2005) considrent les particules en mlange interne, ce qui
signifie que
FIG. 2.8 Reprsentation schmatique des mlanges externe et interne
du (NH4)2SO4 et du carbone suie.
-
2.3 Modlisation des arosols : tat de lart 37
FIG. 2.9 Lvolution des coefficients dextinction, de diffusion et
dabsorption en fonction du type de mlangeconsidr (interne ou
externe) dans le cas dun arosol compos de carbone suie et de
sulfate dammonium. SourceSeinfeld and Pandis (1997).
toutes les particules de mme taille ont tout instant, la m