Pollution atmosphérique. Des processus à la modélisation

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Blanche Pagé
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3 Bruno Sportisse Pollution atmosphérique Des processus à la modélisation

4 Bruno Sportisse ENCP, CEREA 6-8, avenue Blaise Pascal Cité Descartes Champs sur Marne ISBN : Springer Paris Berlin Heidelberg New York Springer-Verlag France, Paris, 2008 Imprimé en France Springer-Verlag France est membre du groupe Springer Science + Business Media Cet ouvrage est soumis au copyright. Tous droits réservés, notamment la reproduction et la représentation la traduction, la réimpression, l exposé, la reproduction des illustrations et des tableaux, la transmission par voie d enregistrement sonore ou visuel, la reproduction par microfilm ou tout autre moyen ainsi que la conservation des banques de données. La loi française sur le copyright du 9 septembre 1965 dans la version en vigueur n autorise une reproduction intégrale ou partielle que dans certains cas, et en principe moyennant le paiement de droits. Toute représentation, reproduction, contrefaçon ou conservation dans une banque de données par quelque procédé que ce soit est sanctionnée par la loi pénale sur le copyright. L utilisation dans cet ouvrage de désignations, dénominations commerciales, marques de fabrique, etc. même sans spécification ne signifie pas que ces termes soient libres de la législation sur les marques de fabrique et la protection des marques et qu ils puissent être utilisés par chacun. La maison d édition décline toute responsabilité quant à l exactitude des indications de dosage et des modes d emploi. Dans chaque cas, il incombe à l usager de vérifier les informations données par comparaison à la littérature existante. Maquette de couverture : Jean-François Montmarché Photo du pont de Paris : crédit Airparif Photo de la cheminée : crédit Christian Seigneur

5 Ingénierie et développement durable Dirigée par Bruno Sportisse Le développement durable est devenu en quelques années un enjeu majeur, au cœur de questions économiques, sociales ou politiques posées à nos sociétés. Dans ce contexte, l expertise scientifique et technique a toujours joué un rôle clé permettant de diagnostiquer des états ou d anticiper des évolutions comme le débat autour du changement climatique en témoigne ou d avancer dans la recherche et l expérimentation de solutions. Comment estimer les impacts des activités humaines sur l environnement? Quelles adaptations économiquement viables sont envisageables pour réduire les impacts négatifs? L objet de cette collection est de proposer des ouvrages qui répondent à ces questions. L approche peut être scientifique (lorsque les sujets relèvent encore pour partie de la recherche) ou technique. Les transports, l habitat, la production d énergie, la gestion urbaine, la gestion de l eau ou le management des risques sont les domaines privilégiés de ces ouvrages.

6 Sommaire Sommaire Remerciements Introduction 1 Elements de classifications et ordres de grandeur 1.1 Composition chimique de I'atmosphere Espcces traces Phases de la matiere Les principales especes considerees Espcces primaires, especes secondaires 1.2 Structure verticale de I'atmosphere Couches de I'atmosphere Pression atrnospherique Distribution verticale des especes. 1.3 Quelques echelles de temps Temps de transport Temps de residence d'une espece chimique.. 2 Interaction mat.ierey rayonnernent 2.1 Notions de transfert radiatif Definitions Transitions admises Emissions Absorption Diffusion Equation du transfert radiatif Complements pour une particule Albedo. 2.2 Applications a I'atmosphere terrestre Rayonnement solaire et rayonnement terrestre Bilan radiatif du systeme Terre/atmosphere Effet de serre. vii

7 vni Pollution atrnospherique Aerosols, nuages et effet de serre.. Pollution atrnospherique et visibilite Quelques elements sur la couche limite atrnospheriquc Notion d' echelles en meteorologic Couche limite atrnospherique Generalites Classification Stratification thermique et stabilite Quelques notions bien utiles Stabilite atrnospherique Cas d'une atmosphere humide Evolution de la stabilite au cours d'une journee Description de la turbulence dans la CLA Turbulence dans la CLA Dispersion des echelles Energie cinetique turbulente Hauteur de melange et indicateurs de la turbulence Elements de dynamique atrnospherique Rappel sur les equations de la dynamique Ecoulement dans la CLA Quelques elements sur Ie climat urbain Forcage thermique et brise urbaine Bilan energetique Ilot de chaleur urbain Couche limite urbaine Notions de chimie atrnospheriquc Quelques caracteristiques de la chimie atrnospherique Rappels de cinetiquc chimique Reactions photochimiques L'atrnosphere, un milieu oxydant Temps de vie chimique d'une espece Domaines de validite des mccanismes chimiques Chimie stratospherique de l'ozone Destruction et production de l'ozone stratospherique Destruction d'ozone catalysee par les composes bromos et chlores Trou d'ozone polaire Chimie troposphcrique de l'ozone Quelques notions elementaires de combustion Equilibre photostationnaire de l'ozone troposphcrique Chaines d'oxydation des COV Regimes chimiques : NO x limite/coy limite 191

8 Sommaire IX Evaluation des strategies de reduction des prccurseurs de l'ozone Un exemple de pollution photochimique : la region Ilede-France Le role du transport transcontinental Une breve introduction a la qualite de l'air intericur Aerosols, nuages et pluies Aerosols et particules Generalites Temps de residence et distribution verticale Dynamique des aerosols Principales parametrisations utilisees Aerosols et nuages Generalites Pression de vapeur saturante de l'eau, humidite relative, point de rosee Noyaux de condensation Transfert de masse entre la phase gazeuse et les gouttes de nuage Pluies acides et lessivage Pluies acides Lessivage Vers la simulation nurneriquc Equation de dispersion reactive Hypothese de dilution et couplage off line Equations dadvection-diffusion-reaction Modeles moyens et schemas de fermeture Conditions aux limites Une hierarchic de modeles Methodes numcriques pour les modeles de chimie-transport Methodes de separation d'opcratcurs Resolution des equations de la cinetiquc chimique Schemas d'advection Resolution numcrique de I'equation generale de la dynamique des aerosols (GDE) Representations de la distribution en taille Coagulation Condensation/evaporation Chaines modernes de simulation Simulation directe Incertitudes Methodes avancees Comparaison aux donnees et validation 313

9 x Pollution atrnospherique Quelques applications 6.5 Perspectives. Annexes A Unites, constantes et donnees de base 327 References Index

10 Remerciements Cet ouvrage, ecrit de manierc largement nocturne, est issu de dix annees d'enseignement ( ) al'ecole nationale des ponts et chaussees (ENPC), avec Ie module Pollution Aimospherique. II s'est egalement largement nourri de mon activite de recherche academiquc ou appliquee au sein du CEREA, Centre d'enseignement et de recherche sur l'environnement atrnospherique, laboratoire commun entre l'enpc et EDF Recherche et Developpement que j'ai dirige de 2002 a Ce livre doit aussi a de nombreux collegucs qui par leurs discussions et /ou leur relecture attentive m'ont beaucoup aide. Un grand merci a Vivien Mallet pour sa relecture globale et ses multiples conseils. Merci a Luc Musson-Genon pour sa relecture attentive du chapitre cons acre a la couche limite atrnosphcrique. Merci a Bastien Albriet, Marc Bocquet, Edouard Debry, Irene Korsakissok, Hossein Malakooti, Denis Quelo, Velva Roustan, Karine Sartelet et Marilyne Tombette pour m'avoir fourni des illustrations de leurs travaux. Merci a Christian Seigneur pour son aide sur les aerosols. Je tiens egalement a remercier, pour leur aide et leur support iconographique, Airparif (Stephanie Fraincart et Philippe Lameloise), Benedicte Dousset (laboratoire Ceomcr et universitc d'hawaii) et Annie Gaudichet (CNRS et universitcs Paris-XII et Paris-VII). Merci enfin a Myriam, Dany, Julien et Lucien pour leur relecture «exterieure» globale.

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