Les émissions anthropiques, biogéniques et naturelles

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1 Analyse et modélisation de la composition atmosphérique régionale Les émissions anthropiques, biogéniques et naturelles Laurent MENUT IPSL/Laboratoire de Météorologie Dynamique

2 Plan général du cours La pollution et le système atmosphérique Les grandes régions polluées La méso-échelle, la couche limite atmosphérique La modélisation: de la météorologie régionale des processus de chimie-transport Composition chimique de l atmosphère Chimie gazeuse dans la troposphère Les aérosols: naturels et anthropiques Les sources et les puits Les émissions anthropiques Les émissions biogéniques Les émissions naturelles (feux, volcans, aérosols minéraux) Le dépôt sec (végétation) et humide (précipitations) La surveillance de la qualité de l air: Mesures et législation Instrumentation sol et satellite Validation et optimisation des simulations La validation d une simulation La prévisibilité, la sensibilité des résultats L assimilation de données Impacts de la qualité de l air: sur le climat, la végétation, la santé Scénarios pour le futur

3 Plan du cours Les différents types de sources Types de composés émis Ordres de grandeurs Cycles principaux d émissions Le cycle du soufre Le cycle de l azote Les sources anthropiques Les secteurs d activités L exemple du trafic routier La mise en place de cadastres d émissions Les sources naturelles Les feux Les volcans Les aérosols minéraux

4 Différents types d émissions Les émissions sont les seules sources du système pollution atmosphérique. Les émissions anthropiques l industrie (centrales, sidérurgie etc.) le transport (routier, maritime, aérien, rail etc.) l agriculture (élevage, engrais) le secteur résidentiel (chauffage) Les émissions naturelles (biogéniques, érosion) la végétation (forêts, landes) les sols (érosion) les océans (sels de mer) les sources poradiques (feux, volcans) de production de polluants primaires.

5 Différents types d émissions Les types de sources et les composés émis correspondants: Type de source Composés émis Sources anthropiques Combustibles fossiles (pétrole, charbon, CO 2, CO, CH 4, COVs, NO x, gaz naturel, transports, chauffage, industrie...) SO x, ozone, aérosols Combustion de biomasse (chauffage, feu de CO 2, CO, COVs, NO x, SO x, ozone aérosols bois, feux de foret, agriculture...) Industries, exploitation du pétrole, gaz CO 2, CO, COVs, NO x, SO x, ozone aérosols Agriculture, élevage, fertilisation CH 4, NH 3, NO x, N 2 O Stockage et incinération des déchets CO 2, CO, CH 4, COVs, NO x, H 2 S, SO x Sources naturelles Océans Erosion éolienne Emissions biogéniques Volcans DMS, N 2 O, aérosols Aérosol primaire minéral NO x, N 2 O, CH 4, COVs, aérosols carboné secondaires CO 2, SO x, aérosols primaires et secondaires

6 Diffe rents types d e missions Les e missions par type de processus: Combustion Par combustion: CO2, CO, COVNMs (benze ne, formalde hyde...) Compose s organiques non volatils (hydrocarbures, dioxines..) Particules de suie, oxydes de soufre (SO2 ), Mercure (Hg0 ) Par volatilisation: Compose s organiques volatils (essences, peintures...) Mercure e le mentaire (sols, oce ans...) Engrais Re -e missions de de po ts (POPs, Mercure) Par processus me canique: Me taux: activite s industrielles, abrasion des freins... Poussie res: resuspension lie e au trafic, agriculture Erosion Volatilisation

7 Ordres de grandeurs pour les émissions gazeuses (données globales) Emissions in Tg/year SO 2 NO x VOCs Biomass burning Volcanoes Lightning Biogenic emissions from land areas (isoprenes) (terpenes) Biogenic emissions from oceans Industrial and utility activities Solvents Total natural emissions Total anthropogenic emissions Total emissions Remarques: Les émissions naturelles produisent 8 fois plus de COVs que les anthropiques Les activités humaines produisent autant de NO x que l environnement NB: 1Tera-g=10 12 g

8 Prise en compte des émissions dans les modèles Comment prescrire cette source? Les émissions: doivent être prescrites à chaque pas de temps et chaque maille doivent être formulées en espèces modèles Peuvent être surfaciques, ponctuelles ou selon un profil émissions anthropiques Surfaciques ou ponctuelles Majoritaires en milieu urbain Principalement liées au trafic et aux industries émissions naturelles Surfaciques (biogéniques) ou selon des profils (volcans, feux) Problème en modélisation: Très difficiles à mesurer Difficile d isoler au sein d une concentration mesurée la contribution chimie/émissions incertitude très importante: ± 100 % en fonction des espèces

9 Ordres de grandeurs (France) Remarques: Le trafic routier est le plus gros émetteur de NO x Les particules sont essentiellement émises par: Le secteur résidentiel (PM 1 ) Le trafic, les industries (PM 2.5 ) L agriculture (PM 10 ) Le NH 3 et TSP (Total Suspended Matter) proviennent essentiellement de l agriculture (engrais et érosion)

10 Estimation des émissions: Principaux verrous Emissions anthropiques: Grande variabilité des sources: trafic, industries, chauffage etc. Grande variabilité de polluants émis pour chaque source Grande variabilité journalière, hebdomadaire, saisonnière etc. Emissions naturelles comme les feux et volcans: imprévisibles intensité et composition de la source mal connu impossible de mesurer la source exactement Grande variabilité de la hauteur d injection Emissions d aérosols minéraux: Nécessite de connaitre sol, surface (végétation) et dynamique de petite échelle Difficile à estimer car un processus à seuil Interactions végétation, sols et surface difficiles à mesurer

11 Le cycle du soufre

12 Le cycle de l azote

13 Emissions anthropiques: Tendances en France pour le CO Principaux émetteurs: en 1960: l industrie manufacturire (39%), en 1990, le transport routier (57%). La baisse globale observée est principalement due: Fortes variations de production dans le secteur sidérurgique (fonte, acier, aggloméré) Normes environnementales imposées sur les véhicules routiers au début des années 1970 Mise en place de pots catalytiques compter de 1993 pour les véhicules essence et 1997 pour les véhicules diesel (CITEPA)

14 Emissions anthropiques: Tendances en France pour le SO 2 Principaux émetteurs en 2009: 51%: Transformation d énergie (raffinage de pétrole et production d électricité) 33%: Industrie manufacturire; 10%: Résidentiel/tertiaire Entre 1980 et 2009, baisse de 90% car: Baisse des consommations d énergie fossile (programme électro-nucléaire) Actions mises en place visant économiser l énergie Réglementation (par ex. baisse de la teneur en soufre du fioul domestique en 2008) Progrs industriels, par ex. usage de combustibles moins soufrés (CITEPA)

15 Emissions anthropiques: Tendances en France pour les NO x Principaux émetteurs en 2009: 54%: transport routier; 13% Industrie manufacturire; 9,4%: agriculture/sylviculture; 8.9%: consommations énergétiques Directive nationale: 810kt max en 2010 Non atteint Depuis 1993, baisse régulière car: Généralisation des pots catalytiques 2002 et 2007: normes EURO III et IV pour les poids lourds 2005: norme Euro 4 pour les véhicules particuliers (CITEPA)

16 Emissions anthropiques: Tendances en France pour l ammoniac, NH 3 Principaux émetteurs en 2009: 76% déjections animales 20% culture Depuis 1980, réduction de 6% uniquement Stabilité du cheptel, réglementation faible sur les fertilisants Norme max. de 780kT/an atteinte, mais futures normes plus contraignantes en préparation (CITEPA)

17 Emissions anthropiques: Tendances en France pour les COVNMs Principaux émetteurs en 2009: Résidentiel 36%; Construction 13%; Autres industries manufacturires 10% Voitures particulires essence catalysées 5.8%; Agro-alimentaire 4.1% Depuis 1988 (max. observé), réduction de 67% Emissions inférieures au seuil réglementaire de 1000kT/an -88.5% dans le transport routier (pots catalytiques depuis 1993) -79.4% dans la transformation d énergie (stockage et distribution des hydrocarbures) (CITEPA)

18 Emissions anthropiques: Tendances par familles de composés chimiques en Europe Par espèces, le CO reste l émission anthropique la plus importante Les émissions de SO 2 sont celles qui ont été les plus réduites ces 30 dernières années Les émissions de NO x, NMVOCs et SO 2 sont actuellement au même niveau

19 Emissions anthropiques: Tendances en Europe pour le trafic routier Remarques: Les principales sources de NO 2 sont dans les grandes agglomérations Entre 1980 et 1990: Hausse générale sur l Europe Depuis 1990: Baisse générale sur l Europe Masse NO 2 en Mg Différence Différence Différence

20 Emissions anthropiques: Tendances pour le trafic routier, exemple de cadastres d émissions Comparaison des tendances sur le long terme entre différentes bases de données Bases de données globales EDGAR et RETRO: représentent la même chose mais ont été constituées à partir de données et méthodologies différentes. NO 2 de 1920 à 2005

21 Emissions anthropiques: Que doit-on connaitre sur les émissions? Disponible Nécessaire Masse par an Concentration horaire + + Secteurs d activité Espèces chimiques + + Par région Par maille Comment transformer une espèce vraie en une espèce modèle? Le facteur d agrégation E Modi = E Global. α i.n M i avec: N le nombre d Avogadro et M i la masse molaire de chaque espèce modèle i En entrée: masse émise globale ([tonnes/km 2 /h]) Pour le modèle: le flux de l espèce [molecules/cm 2 /s]

22 Emissions anthropiques: Constitution d un inventaire d émissions anthropiques Il faut réaffecter les masses émises par secteur d activité en espèces modèles. Les coefficients α i sont tabulés. Ils dépendent du mécanisme chimique du modèle employé: Espèce Divers Tert. Indus. Evap. Motos Dies. Ess. Ess. Camions n.c n.c c n.c CH C 2 H C 2 H C 3 H CH 3 OH CH 3 CH C 2 H 5 CH C 2 H 5 OH ALKANE ALKANE ALKANE ALKENE AROMATIC AROMATIC BENZ BENZAL HCHO ACET MEK

23 Emissions anthropiques: Résolution x = y =6km Constitution d un inventaire d émissions anthropiques En fonction du problème étudié, les inventaires d émissions sont à différentes résolutions Fort impact sur les concentrations finalement simulées Résolution x = y =3km Résolution x = y =1km L inventaire de NO 2 développé dans le cadre du projet Européen GEMS

24 Emissions biogéniques Le flux d émission dépend de: l espce la température la lumière = rayonnement photosynthétique actif (PAR) processus général: Formation de COVs dans les feuilles Emission via la diffusion la surface flux= k(p feuille P air ) R avec: P feuille = pression de vapeur dans la feuille P air = pression de vapeur dans l air k = coefficient de diffusion R = résistance du transfert

25 Emissions biogéniques: Principe du calcul

26 Emissions biogéniques: Mesures d isoprène Les campagnes de mesures sont nécessaires à l estimation des facteurs d émissions. Elles couvrent les zones représentatives: d un ensemble d essences d arbres, de variabilité temporelle en fonction de la latitude.

27 Emissions biogéniques: Facteurs d émissions Les facteurs d émissions sont ensuite rangés en catégories selon les types de plantes PFT: Plant Functional Types

28 Emissions biogéniques: cadastre d isoprène global Une forte variabilité saisonnière, liée aux changements de végétation.

29 Emissions biogéniques: Comparaison de différentes méthodes Comparaison de différentes méthodes de calcul pour les monoterpènes et l isoprène pour le mois d Aout 2003 (en kg/km 2 ) avec une méthode de cadastre simple (i.e tabulations) et le modèle MEGAN. Intensité différente (forte sur-estimation de la 1ère version) Spatialisation différente (données de végétation de différentes origines) (Bessagnet et al., 2009)

30 Emissions naturelles par les volcans Ordres de grandeur des flux de SO 2 (L.Clarisse, ULB, 2010)

31 Emissions naturelles par les volcans L éruption de 2010 en Islande: Exemple de méthodologie: Construction d un inventaire d émissions horaires partir de données radar et webcam locales Prise en compte de ces émissions sous forme de profils verticaux avec calcul de la hauteur d injection (idem feux) Comparaison avec les données IASI pendant le transport Comparaison avec des données lidar in-situ loin de la source (M.Boichu, LMD, 2011)

32 Emissions naturelles par les volcans L éruption de 2010 en Islande: Exemple de méthodologie: Construction d un inventaire d émissions horaires partir de données radar et webcam locales Prise en compte de ces émissions sous forme de profils verticaux avec calcul de la hauteur d injection (idem feux) Comparaison avec les données IASI. Comparaison avec des données lidar in-situ loin de la source (M.Boichu, LMD, 2011)

33 Emissions naturelles par les volcans L éruption de 2010 en Islande: Exemple de méthodologie: Construction d un inventaire d émissions horaires partir de données radar et webcam locales Prise en compte de ces émissions sous forme de profils verticaux avec calcul de la hauteur d injection (idem feux) Comparaison avec les données IASI. Comparaison avec des données lidar in-situ loin de la source (Colette et al., 2011)

34 Emissions naturelles par les feux Principe général de la combustion: Combustion complète: formation de CO 2 et H 2 O Combustion incomplète: Emissions de nombreux gaz traces, aérosols Fonction du type de combustible, de la qualité de la combustion et de la composition de l air ambiant dans certains cas (e.g. moteur à explosion) Polluants émis par la combustion: A partir de l air ambiant: oxydes d azote (NO, NO2, HONO), mécanisme de Zeldovich N 2 + O NO + N N + O 2 NO + O N + OH NO + H A partir d éléments présents dans le combustible: Dioxyde de carbone (CO2) et monoxyde de carbone (CO) Composés organiques volatils (benzène, formaldéhyde...) Composés organiques semi-volatils et non-volatils (hydrocarbures aromatiques polycycliques, dioxines...) Particules de suie, oxydes de soufre (SO2 et SO3) Composés minéraux halogénés (HCl), mercure (Hg0, HgCl2...)

35 Emissions par les feux: Inventaire d émissions Processus de combustion de matière organique S.Turquety, LMD

36 Emissions par les feux: Injection en altitude Processus de pyroconvection S.Turquety, LMD

37 Emissions par les feux: Impacts Les émissions et le transport de gaz et aérosols liés aux feux vont fortement impacter les concentrations en surface et donc la qualité de l air. Impact des feux de forêt (en %) Simulation CHIMERE pour la période du 1er au 15 Aout Rapport sur les concentrations de feux vs toutes émissions Haut: CO Bas: SOA (Bessagnet et al., 2009)

38 Les émissions naturelles et anthropiques Analyse et modélisation de la composition atmosphérique régionale Fin du cours Les émissions

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