Cours III. Dépôts de polluants et particules troposphériques

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Raymonde Corriveau
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1 Cours III. Dépôts de polluants et particules troposphériques Rôle des dépôts atmosphériques Concepts de dépôts secs et dépôts humides Concepts de résistance au dépôt / vitesse de dépôt Introduction à la couche limite de surface Les résistances aérodynamiques et de couche limite Les résistances stomatique et cuticulaires Concept de point de compensation Modèles grandes feuilles et multicouches Exemples d application Benjamin LOUBET loubet@grignon.inra.fr

Concepts de résistance au dépôt / vitesse de dépôt Introduction à la couche limite de surface Les résistances

2 Les dépôts atmosphériques Une Une source importante de de polluants pour pour l environnement naturel mais aussi... une une manière efficace de de «dépolluer» l atmosphère NH 3 Sources 67 (en Tg/an) Puits : Dépôt humide (sol) 35 Dépôt humide (océans)10 Dépôt sec (sol) 20 réaction avec OH mol/ha/y = 14 kg/ha/an NO x Sources 48 (en Tg/an) Puits Dépôt humide (sol) 19 Dépôt humide (océans) 8 Dépôt sec (sol) 16

.. une une manière efficace de de «dépolluer» l atmosphère NH 3 Sources 67 (en Tg/an) Puits : Dépôt

3 La La notion de de dépôt recouvre plusieurs choses :: Dépôts Dépôts secs secs et et dépôts dépôts humides Dépôt Dépôt hors hors couvert, dépôts dépôts sous sous couvert, dépôts dépôts «totaux totaux» NH 3, NO x gazeux NH 3, NO x dissous Dépôt sec Volatilisation Dépôt humide Stomates absorption Cuticule Dépôt humide stricto-sensu Dépôt humide total Pluviolessivats ~ Dépôt humide + dépôt cuticulaire/tronc - volatilisation - absorption

gazeux NH 3, NO x dissous Dépôt sec Volatilisation Dépôt humide Stomates absorption Cuticule Dépôt humide

4 Les dépôts atmosphériques : définitions Dépôt humides = quantités dissoutes dans les eaux de pluie, brouillards D h (C) = [C] eau * pluviométrie Dépôt secs = dépôt particulaire (aérosols) absorption par voie stomatique (puis métabolisation) adsorption à la surface (feuilles, troncs, sol) (+) Le rapport Dépôt sec / Dépôt humide dépend des conditions climatiques : température, pluviométrie, humidité composés concernés : solubilité, réactivité d autres polluants : co-déposition, formation d aérosols distance aux sources d ammoniac

(feuilles, troncs, sol) - +++ ++(+) Le rapport Dépôt sec / Dépôt humide dépend des conditions climatiques : température, pluviométrie,

5 Dépôt humide Solubilité, ph Dissolution dans les nuages Lessivage de l atmosphère C(t) = C o e -λ t λ = f(composé) Emissions

6 Les dépôts atmosphériques : variations en en fonction de de la la distance à la la source NH 3 sec NH x total NH 4+ humide NH 3 humide NH 4+ sec D après Asman (1992)

7 Définition de de la la résistance au au transfert diffusif Hypothèse de flux constant F Fick F c = K c dc dz C 1 C 2 R( x) R( x) = x / D c1 c2 r Ohm Fc = = hc ( c1 c2) a ra, résistance aérodynamique s / m hc, Coefficient d échange m / s Quelle hypothèse est nécessaire pour passer de Fick à Ohm?

Ohm Fc = = hc ( c1 c2) a ra, résistance aérodynamique s / m hc,

8 Définition de de la la résistance au au transfert diffusif F c = cte F c z 2 z1 c2 dz. = dc = c1 c K c c1 2 r a = 1 h c = z2 z1 dz K c F c = c1 c2 r a = h c ( c1 c2)

9 La La couche couche limite limite de de surface atmosphérique - The atmospheric layer - Free atmosphere pressure Coriolis Geostrophic wind Transition layer Surface layer pressure Coriolis Reynolds 0.1 h CLA Monin Obukhov similarity Surface layer ' ' u w ' ' u v ' ' w c = u = 0 = u 2 * * c * CONSTANT FLUX LAYER u * ξ = z L MO Roughness layer h s u * u * θ * 2 h s h s z 0 = 10

10 Surface Ice Water Grass Grassland Wheat Maize Forest Town z 0 (m) to 2 2 à 5 + Ψ Ψ = L Z L z - d - z z - d ln k u u(z) 0 m m 0 * Wind speed profile in the constant flux layer La couche limite de surface atmosphérique La couche limite de surface atmosphérique

10-1 5 10-1 to 2 2 à 5 + Ψ Ψ = L Z L z - d - z z - d ln k u u(z) 0 m m 0 *

11 La La Stratification thermique Thermal stratification DAY Unstabilility Increased turbulence Z (m) Initial perturbation Induced mouvment density T a ( C)

12 La La Stratification thermique Thermal stratification NIGHT Stabilility => Decreased turbulence Z (m) Monin Obukhov Length T a ( C) density z L = - g ρ H / (C p T) E u * 3 / k z

13 Les Les résistances aérodynamiques et et de de couche couche limite limite z z 0 z 0 R a (z) R b R c C(z) U(z 0 ) = 0 Subject to advection Not subject to advection Canopy resistance R a(z ) = R b = 2 u (z ) 2 u * ( Sc / Pr ) κu * 2 3

) = 0 Subject to advection Not subject to advection Canopy

14 La La résistance aérodynamique Effect of stability on diffusivity and Ra(2m) 3 K(z/L) / K(smooth) Ra(z / L) / Ra(0) K(z/L) / K(inf) 2 1 Stable Unstable z / L

15 La La résistance aérodynamique Effect of z 0 on diffusivity, Ra(2m) and Rb K(z/L) / K(inf) K(z/L) / K(smooth) Ra(2 m) Rb{H2O} Ra(2 m) Rb{H2O} (s m-1) Zo (m)

1 K(z/L) / K(smooth) Ra(2 m) Rb{H2O} 140 120 100

16 La La résistance de de couche couche limite limite

17 La La résistance de de couche couche limite limite

18 H 2 O à 20 C La La résistance de de couche couche limite limite

19 La La résistance de de couche couche limite limite

20 La La résistance de de couche couche limite limite

21 Les Les modèles de de vitesse vitesse de de dépôt dépôt z C(z) Modèle big leaf (grande feuille) type Vitesse de dépôt F R a R b R a = résistance aérodynamique R b = résistance de couche limite R c = résistance du couvert C c Dépôt uniquement z 0 R c 0 Vd = 1 / (R a (z) + R b + R c ) F = - C(z) V d (z)

22 Notion Notion de de point point de de compensation z C(z) Modèle big leaf (grande feuille) Type point de compensation R a F R b Dépôt et émissions : C c F = - (C(z) - Cs) V d (z) z 0 R s C s

23 Les Les équilibres physico-chimiques et et le le contrôle biologique NH 3 Cuticule χ s = NH 3g Phase gazeuse apoplastique Equilibre acido-basique Equilibre de solubilité (loi de Henry) Apoplasme NH 4 + NH 3l Phase liquide apoplastique H + ph = 5,8-6,5 Transporteurs actifs Diffusion d ammoniac H + NH 4 + NH 3l Cytoplasme ph = 7,0-7,5 P ho t o sy n t h è s e Une notion fondamentale = le point de compensation = χ s χ s = concentration en ammoniac en équilibre avec le liquide apoplastique = 0,1 (naturel) à 20 (agricole) µg/m 3 à 20 C

24 Différents niveaux de de complexité :: z C(z 0 ) Modèle big leaf (grande feuille) Dépôt stomatique et cuticulaire R a R b Dépôt et émissions : C c F = - (C(z) - C c ) / (R a (z) + R b ) z 0 R w R s C c = f(c(z), C s, R a, R b, R w et R s ) 0 C s

25 Speulder forest Rc NH3 Melpitz Rc SO2 Auchencorth NH4/(SO4+NO3) NH4/(SO4+NO3) Rc (s/m) Echelle Echelle microscopique microscopique :: lieu lieu d intéraction d intéraction entre entre polluants polluants

26 Modèle 3 couches Atmosphère χ a 1.2 χ a 0.9 DAY NIGHT R a R a 22 3 Culture de colza R bq 23 R sq χ R 1 sq siliquesχ sq sq χ χ cq cq 5 R wq R wq R R ac1 χ χ ac1 5 sf sf R bq R bf R ac2 χ cf 4 R χ sf R sf 0 cf foliage R wf R 5 wf R bf R ac2 9 R R 10 bl bl χ l litter 5.1 χ l 7.3 (d après Sutton et al., 2000)

27 Cas Cas du du dépôt dépôt des des particules z C(z) R a = résistance aérodynamique R b = résistance de couche limite 1 / V s = résistance «de sédimentation» F R a 1 / V s z 0 R b 0 Vd = 1 / (R a (z) + R b + R a (z) R b V s ) + V s F = - C(z) V d (z)

28 Cas Cas du du dépôt dépôt des des particules V d = V s + R a (z ref 1 ) + R bpart 1 u* = 0.1 ms u* = 0.3 ms-1 Vd (m s -1 ) u* = 0.5 ms-1 sedimenation brownian interception Particle diameter (µm)

29 Application de recherches

30 Influence de de la la taille taille des des particules sur sur la la dispersion 10 1 Dépôt x (m)

31 Speulder forest Rc NH3 Melpitz Rc SO2 Auchencorth NH4/(SO4+NO3) NH4/(SO4+NO3) Rc (s/m) Echelle Echelle microscopique microscopique :: lieu lieu d intéraction d intéraction entre entre polluants polluants

32 Modèles de dépôt ex: Surfatm NH 3 et O 3 E. Personne, B. Loubet, P. Cellier et al. Collaboration INRA-EPHYSE, Labo d Aérologie Bi-couches Bi-directionnel & multipolluants Sortie vers modèles méso-échelle T a e a O 3 (z) R a (z) T a c e a c O 3 c T s R b R ac R bsol R stom T f e a (T f ) O s 3 = 0 O cut 3 = 0 R cut (HR) V d (mm s -1 ) Comparaison modèle mesure Méthode des covariances sur maïs BioPollAtm 2002 Mesures sur maïs (BioPollAtm 2002) Vd O3 simulé Vd O3 simulé - sol Vd O3 simulé - cut Vd O3 mesuré e a (T sol ) R sol O 3 sol = août août jour décimal

33 Modèles de dépôt ex: continuum A. Tuzet, et al. Collaborations CSIRO, LMD Comparaison BioPollAtm 2002 flux d énergie et de CO 2 méthode micrométéo. + Circulation d eau dans la plante + Photosynthèse C3 C4 + conductance stomatique Farquhar Von Caemmerer T a e a CO 2 (z) R a (z) H Wm-2 LE Wm modèle 5 mesure T a c e a c CO 2 c R b R ac T f R stom e a (T f ) ψ c Q Ψv T s R bsol e a (T sol ) ψ r µmol m-2 s-1 F CO jour

34 Bibliographie Seinfeld, J. H., and S. N. Pandis Atmospheric chemistry and physics. From air pollution to climate change. Wiley-Interscience. Monteith, J. L., and M. H. Unsworth Principles of Environmental Physics. 2 ed. Arnold, New York. Csanady G.T., 1980: Turbulent diffusion in the environment. Geophysics and Astrophysics Monographs, D. Reidel Publishing Co., Dordrecht, The Netherland, 248pp.

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