Aérosols et Climat. Loi de conservation et modélisation des sources, puits et processus. Pasquale Sellitto LMD/ENS

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1 Aérosols et Climat Loi de conservation et modélisation des sources, puits et processus Pasquale Sellitto LMD/ENS

2 Highlights du cours précédent Les aérosols atmosphériques sont les particules solides ou liquides en suspension dans l'atmosphère de la Terre. Ils ont des tailles typiques entre 0.01 μm et 100 μm À cause de l hétérogénéité des sources, la courte durée de vie, l'hétérogénéité des compositions chimiques, la concentration dans l'atmosphère des aérosols est extrêmement variables Les aérosols ont un effet sur le climat de la Terre à travers leur interaction avec le rayonnement (solaire et tellurique) et l'interaction avec les nuages À cause de la variabilité de la concentration et de le propriétés des aérosols, l'effet net sur le climat est très incertain : il reste une des majeures inconnues du système climatique de la Terre D'abord il est nécessaire caractériser et modéliser les sources, les puits et le processus qui peuvent modifier l'état de la population d'aérosols dans une position et un temps donnés

3 Loi de conservation Pour modéliser la résidence en atmosphère des aérosols, il est nécessaire de représenter : sources, processus d'évolution, puits des aérosols et leur précurseurs Loi de conservation (ou équation de continuité) pour les aérosols (loi générale pour les espèces chimique dans l'atmosphère) : c + S P = F t c=concentration [nombre (ou kg) cm-3] F=flux transporté [nombre (ou kg) cm-2 s-1] S=source [nombre (ou kg) cm-3 s-1] P=puits [nombre (ou kg) cm-3 s-1] Dans un petit volume, la variation de la concentration des aérosols c dans un temps infinitésimal t, est due à trois phénomènes : transport F sources +S puits -P

4 Loi de conservation Le terme de transport peut être divisé dans les composantes de advection et de diffusion c = (n v ) k m 2 c +S P t La composante de advection dépend du vent v Parfois la diffusion peut être ignorée. Si pour un gaz une seule équation de continuité est suffisante (conservation de la concentration du gaz), pour une couche d'aérosol plusieurs équations sont nécessaires (une pour chaque variable) Il est nécessaire modéliser les termes source, puits et transport pour résoudre l'équation de continuité dans les différents configuration d'aérosols

5 Modélisation des sources c +S P = F t Le terme source est un terme souvent très mal connu. Les outils de la modélisation des sources (pour chaque type d aérosol) : Inventaires des émissions Paramétrisation physique Les inventaires des émissions permettent une évaluation a priori des flux d émission des différents aérosols et précurseurs

6 Type d'aérosol Flux d'émission (par an) Aérosols primaires naturels Poussières désertiques Tg Sels marins Tg c Feux de biomasse (incendies naturels ) Tg +S P = F t Aérosols primaires biogéniques 1000 Tg Précurseurs d'aérosols secondaires naturels DMS Tg de soufre SO2 volcanique 6-20 Tg de soufre Terpènes (COV produits par plantes) Tg Aérosols primaires anthropiques Poussières industrielles Tg Feux de biomasse (incendies volontaires) Tg Carbone suie (combustibles fossiles) 6-10 Tg Carbone organique (combustibles fossiles) Tg Précurseurs d'aérosols secondaires anthropiques SO2 anthropique Tg de soufre COVs Tg de carbone NH Tg d'azote

7 Modélisation des sources Combustibles fossiles et autres sources anthropiques On estime les quantités émises E à partir des inventaires par secteur d'activité i (ou type de combustible) et facteur d'émission FE. Une simple modélisation des flux par combustibles (prod. anthropique) : E= i Ai FE i (1 α i ) E=flux d'émission [kg m-2 s-1] Ai=consommation de combustible pour l'activité i [kg m-2 s-1] FEi=facteur d'émission pour l'activité i [kg kg-1] αi=efficacité de la technologie de réduction d'émissions On désire avoir des statistiques de Ai, FEi et αi en fonction du temps, espace et type d'activité, avec un bon détail : ce qui n'est pas toujours disponible.

8 Modélisation des sources Feux de végétation On estime les quantités émises E à partir surfaces brûlées A et facteur d'émission FE pour chaque espèce i. Une simple modélisation des flux par combustibles (prod. anthropique) : E= i Ai Bi C i FE i E=flux d'émission [kg m-2 s-1] Ai=fraction de surface brûlée par unité de temps [m2 m-2 s-1] Bi=quantité de biomasse susceptible de brûler [kg m-2] Ci=fraction de matière qui brûle [kg kg-1] FEi=facteur d'émission pour l'activité i [kg kg-1] Normalement Ai est obtenue par surveillance satellitaires, Bi et Ci sont obtenus par mesures in situ (campagne de terrain) ou par mesure de laboratoire.

9 Modélisation des sources Sels marins Océan particules liquide (eau de mer) enrichissement en sels à travers évaporation partielle Deux processus physiques dominent : friction du vent (formation de vagues+incorporation de bulles d'air dans l'océan); éclatement des bulles Une fois les bulles sont formés, la suspension des aérosols dans l'atmosphère se produit via deux mécanismes : film drops rupture de la membrane superficielle des gouttelettes d'air à la surface des océans gouttelettes plus nombreuses (centaines) et plus petites (<micromètres) jet drops conversion de l'énergie libre superficielle des gouttelettes d'air en énergie cinétique en forme de jet d'eau gouttelettes moins nombreuses (dizaines) et plus grandes (>micromètres)

10 Modélisation des sources Sels marins Un troisième mécanisme est l'écrêtage direct des vagues par le vent (c)

11 Modélisation des sources Poussière désertique Paramètres principaux pour la modélisation des aérosols désertiques : vitesse du vent de surface, humidité du sol, quantité de végétation Trois phénomènes à modéliser (en fonction de la taille) : grosses particules : ''creeping'' ; particules moyennes : ''saltation'' ; petites particules : suspension. Les phénomènes de creeping et saltation génèrent des particules plus petites qui peuvent être mises en suspension Le mouvement d'une particule est contrôlé par les forces de : friction du vent ; gravité ; friction mutuelle et cohésion avec particules voisines. Il existe une vitesse seuil Ut (fonction de la taille) au-delà de laquelle les particules se mettent en mouvement (flux horizontal)

12 Modélisation des sources Poussière désertique On défini une flux horizontal et un flux vertical. Une modélisation du flux horizontal : ρa 3 Ut U 2t G=c U g U U ( )( G=flux horizontal ρa=densité de la matière minérale g=constante gravitationnelle U=vitesse de la friction Ut=vitesse de la friction seuil c=constant ) G est fonction de la taille des particules (à travers Ut). Le flux vertical E (flux d'émission) est proportionnel au flux horizontal intégré sur tout le spectre de taille présent au sol : r max E r G dr min La constant de proportionnalité entre E et G est fonction de la composition minéralogique du sol

13 Modélisation des sources Un exemple de précurseur naturel des aérosols soufrés : DMS DMS = sulfure de diméthyl : CH3SCH3 DMSP = diméthylsulfoniopropionate : (CH3)2S+CH2CH2COO Produit d'oxydation d'un métabolite (DMSP) du phytoplancton marin Le DMS dans l'atmosphère conduit à la formation d'aérosols liquide de H2SO4 : aérosol très diffusant, couche stratosphérique, CCN Le DMS produit dans l'océan peut être émis dans l'atmosphère et son flux est estimé : E=flux d'émission [mol m-2 s-1] E= K (T ) ( c oc k p atm ) K (T ) c oc Faible solubilité du DMS K(T)=vitesse de transfert du DMS à travers l'interface air-mer [m s-1] coc=concentration du DMS à la surface de l'océan [mol m-3] k=constant de Henri [mol m-3 Pa-1] Patm=pression de vapeur du DMS dans l'atmosphère [Pa] Coc est estimé à partir d'un modèle de biologie marine, K(T) (fonction de la température) est estimé à partir d'une paramétrisation des échanges air-mer

14 Modélisation des sources Un exemple de précurseur naturel des aérosols organiques : COV COV = composés organiques volatils, e.g., isoprène : CH2C(CH3)CHCH2 Émis par la végétation, probablement comme protection Les COV dans l'atmosphère conduisent à la formation d'aérosols organiques (oxydation avec OH- ou autres radicaux) Le flux des COV émis par la végétation peut être estimé (relation générale): E=k ( p feuille pair ) / R E=flux d'émission [mol m-2 s-1] k=coefficient de diffusion pfeuille=pression de vapeur du COV dans les feuilles pair=pression de vapeur du COV dans l'air R=résistance au transfert Ces paramètres sont difficiles à estimer : on y préfère des paramétrisations semiempiriques en fonction de paramètres macroscopiques

15 Modélisation des sources Un exemple de précurseur naturel des aérosols organiques : COV E i Ei (T, RPA, CO 2 ) E= i f i Ei (T, RPA,CO 2 ) E=flux d'émission total Ei=flux d'émission pour la plante i T=temperature RPA=rayonnement photosynthétique actif CO2=concentration en dioxyde de carbone fi=fraction de surface couverte par le type de plante i L'émission des COV est fonction (compliqué) de : température ; activité photosynthétique ; concentration de CO dans l'atmosphère. 2 L'augmentation de la concentration de CO2 dans l'atmosphère (activité humaine) interagit avec l'émission des COV : plus CO2 moins COV émis

16 Modélisation des sources Variables utilisées pour modéliser les sources (paramètres) Aérosols primaires Combustibles fossiles : facteur d'émission quantité de biomasse brûlée Pour chaque espèce susceptible de brûler Sels marins Pour chaque secteur d'activité Feux de végétations : facteurs d'émission consommation de combustible technologie de réduction d'émissions vitesse du vent à la surface de la mer état de la mer Poussières désertiques vitesse du vent à la surface et quantité de végétation humidité du sol composition minéralogique du sol Gaz précurseurs des aérosols secondaires DMS concentration du DMS à la surface de la mer biologie marine échanges mer-atmosphère température COVs température activité photo-synthétique, concentration en CO2 de l'atmosphère

17 Modélisation des sources Sources épisodiques Certain sources difficiles à modéliser à cause des émissions épisodiques : Cendre volcanique Aérosols soufrés volcaniques Autres?

18 Processus atmosphériques c +S P = F t Une fois émis, les aérosols et les précurseurs subissent des processus qui peuvent constituer à la fois source ou puits. c + S P = F t Le transport est aussi considéré un processus atmosphérique

19 Processus atmosphériques Nucléation Nucléation : transformation de matière d'une phase à une autre à travers de noyaux Processus à la base des transformations du type gaz précurseur aérosol secondaire Les molécules des gaz précurseurs peuvent former des agrégats de molécules embryon ou noyau d'aérosol +S P La nucléation est une source d'aérosols secondaires c = F t La nucléation requiert conditions de sursaturation Sursaturation : pression de vapeur du gaz > pression de vapeur saturante Le processus antagoniste de la nucléation gaz particule est l'évaporation : des molécules nucléent sur le noyau et autres s'évaporent Rock candies : obtenus avec solutions aqueuse de sucre sursaturés

20 Processus atmosphériques Nucléation Il existe un rayon critique au-delà duquel la particule d'aérosol secondaire est stable ; pour r < rayon critique, l'évaporation est prépondérante et la particule ne se forme pas La modélisation du processus de nucléation est en pleine développement : études théoriques + validation avec mesures de laboratoire Exemple : nucléation des aérosols soufrés à partir de l'acide sulfurique gazeux [Vehkamäki et al., JGR, 2002] Le taux de nucléation J est fonction de : concentration du H SO gazeux ; 2 4 température T humidité relative HR J =f ( H 2 SO 4, HR, T ) HR augment la dimension des noyaux et a un effet sur le rayon critique T H2SO4 HR

21 Processus atmosphériques Condensation Condensation : changement de phase sur des aérosols pré-existantes (nucléation hétérogène) Processus à la base des transformations du type : augmentation de taille des particules Les molécules des gaz précurseurs (semi-volatils) peuvent condenser sur des particules pré-existantes noyau de condensation La nucléation n'est pas une source proprement dite pour les aérosols secondaires, mais un processus qui change la distribution en taille Le taux de condensation J est fonction de : concentration de l'espèce gazeuse c ; pression saturante de l'espèce gazeuse psat ; rayon de courbure de la particule r ; température T. J =f (c, psat, r, T ) Condensation favorisée par des r grands : plus simple sur des aérosols grossiers que fins

22 Processus atmosphériques Coagulation Coagulation : processus d agglomération de particules entre elles Processus à la base des transformations du type : augmentation de taille des particules Les particules se mélangent par agitation thermique (mouvement brownien) et peuvent s'unir entre eux après collision (forces de Van der Waals) La coagulation est un processus qui change la distribution en taille La coagulation est particulièrement important quand les concentrations sont élevés (régions pollués) Le taux de coagulation (évolution de la concentration numerique en fonction de la taille de la particule) est défini par l'équation de coagulation de Smoluchowski (physique statistique)

23 Processus atmosphériques Production d'aérosols dans les nuages Espèces gazeuses solubles se dissolvent dans les nuages, se transforment, et sont émises en forme d'aérosols après ré-évaporation de l'eau Processus à la base des transformations du type : gaz précurseur aérosol secondaire La production dans les nuages est une source d'aérosols secondaires c Il est nécessaire modéliser 3 sous-phénomènes : +S P = F transfert de gaz en solution aqueuse ; t réactions chimiques en phase aqueuse ; re-évaporation et émission des aérosols secondaires. Exemple : production des aérosols soufrés dans les nuages à partir du dioxyde de soufre gazeux SO2 gazeux (soluble) nuages oxydation H2SO4 liquide (peu concentré) évaporation H2SO4 liquide (concentré)

24 Processus atmosphériques Dépôt humide (lessivage) Dépôt humide : perte des aérosols à travers la pluie c + S P = F Le dépôt humide est une puits d'aérosols t Le dépôt humide fonctionne seulement pour aérosols solubles dans l'eau : il est le puits principal des aérosols en atmosphère Dépend de la présence de précipitations (distribution spatiale et temporale hétérogène) Ils existent deux type de lessivage : lessivage dans les nuages ; lessivage sous les nuages. Lessivage dans les nuages : aérosols incorporés dans la phase aqueuse gouttelettes grossissent précipitations aérosols lessivés Lessivage sous les nuages : précipitations aérosols impactés par le pluie incorporés dans les gouttelettes aérosols lessivés

25 Processus atmosphériques Dépôt humide (lessivage) Le flux de lessivage dans les nuages Fdans est fonction de : fraction volumique des nuages f ; efficacité de la conversion eau liquide des nuages en pluie β ; concentration des aérosols atour la nuage c ; solubilité des aérosols x. F dans =β f x c Le flux de lessivage sous les nuages Fsous est fonction de : rayon des gouttes de pluie R ; r taille et solubilité des aérosols, à travers le paramètre d'efficacité avec laquelle les aérosols sont collectés par la pluie α ; taux de précipitation P ; r concentration des aérosols sous la nuage c. F sous= 3 Pr α c 4 R r ρeau

26 Processus atmosphériques Dépôt sec Dépôt sec : dépôt direct des aérosols à la surface c + S P = F Le dépôt sec est une puits d'aérosols t Le dépôt sec est importante en l'absence de précipitations Une formule générale pour la modélisation du flux de dépôt sec : E=v ds c surf E=flux de dépôt sec [particules (ou kg...) m-2 s-1] vds=vitesse de dépôt sec [m s-1] csurf=concentration d'aérosols à la surface [particules (ou kg...) m-3] La vitesse (et le flux) de dépôt sec est fonction de : taille des particules (minimum à ~ 1 μm) concentration à la surface (seulement pour particules grossières) Vitesse de dépôt sec en fonction de la taille des particules et de la concentration [Kerkweg et al., ACP, 2006]

27 Processus atmosphériques Sédimentation Sédimentation : descente des particules par gravité c + S P = F La sédimentation est une puits d'aérosols t La sédimentation est un puits local et peut redistribuer les aérosols sur la verticale Elle est le phénomène dominant dans la stratosphère (longue durée de vie, humidité limitée, loin de la surface) et pour les particules plus grandes dans la troposphère Une formule générale pour la modélisation du flux de sédimentation (similaire au dépôt sec) : E=v sed c E=flux de sédimentation [particules (ou kg...) m-2 s-1] vsed=vitesse de sédimentation [m s-1] cs=concentration locale d'aérosols [particules (ou kg...) m-3]

28 Processus atmosphériques Sédimentation La vitesse de sédimentation (vitesse de chute) est déterminée par la loi de Stokes : 2 (ρ ρ ) D g C c v sed = p a p 18 μ vsed=vitesse de sédimentation [m s-1] ρp=densité de la particule [kg m-3] ρa=densité de l'air [kg m-3] Dp=diamètre de la particule [m] g=accélération de gravité [m s-2] μ=viscosité dynamique de l'air [kg m-1 s-1] Cc=facteur correctif La vitesse (et le flux) de sédimentation est déterminé par l'équilibre entre : force de gravité résistance aérodynamique à la chute (ρ > ρ ) p a

29 Processus atmosphériques Transport Transport : déplacement spatial lié à la dynamique des masses d'air Le transport est un terme de l équation de continuité c + S P = F t On a plusieurs phénomènes de transport : advection avec les vents transports horizontaux diffusion - mélange dans la couche limite convection transport verticaux Le transport des aérosols est déterminé par les champs météorologiques (vent, profils de pression et température, etc...) En fonction de la durée de vie des aérosols (taille, puits), on peut avoir transport sur des échelles spatiales horizontaux qui peuvent arriver à être intercontinentales

30 Solution de l'équation de continuité Pour modéliser une population d'aérosols, il est nécessaire résoudre l'équation de continuité en considérant tous les processus décrits (émissions, processus d'évolution...) c + S P = F t c = (n v ) k m 2 c +S P t Ils existent plusieurs approches à la solution de l'équation de continuité : approche massique distribution en taille constante approche sectionnelle évolution de la distribution en taille approche modale évolution de la distribution en taille

31 Solution de l'équation de continuité Approche massique Distribution en taille non pas représenté de manière explicite : hypothèse d'une distribution en taille constante et typique On a une série d'équations de continuité pour chaque type d'aérosol i (par rapport à la composition chimique) ci = (c i v ) k m 2 c i +Si Pi t Les processus qui changent la taille ne peuvent pas être représentés (paramétrisation externe à l'approche), e.g., coagulation ; condensation. L'approche massique est considéré obsolète : on y préfère approches qui décrivent l'évolution de la distribution en taille

32 Solution de l'équation de continuité Approche sectionnelle Distribution en taille représenté de manière explicite : quantifié en n classes de rayon rj et masse mj (j=1,...,n) On a une série d'équations de continuité pour chaque classe j et chaque type d'aérosol i: j ci = (c ij v ) k m 2 c ij +Sij Pij t

33 Solution de l'équation de continuité Approche modale Distribution en taille représenté de manière explicite : représentation de la couche d'aérosol comme superposition de n ''modes'' prédéfini Cas avec 7 modes : mode de nucléation ; mode d'aitken (2) ; mode d'accumulation (2) ; mode grossier (2). Les modes d'aitken, d'accumulation e grossier sont divisé en 2 sousmodes : soluble et insoluble (pour décrire processus différents). Pour chaque mode j on a divers équations de continuité, en fonction des types d'aérosols i (espèce chimiques) attribuées au mode : j ci = (c ij v ) k m 2 c ij +Sij Pij t Lors de l'évolution de l'aérosol, on peut avoir transfert de particules d'un mode à un autre

34 Sources par émission et processus atmosphériques Résumé Sources Émission naturel et anthropique aérosols primaires et précurseurs des secondaires Nucléation aérosols secondaires Condensation si représentation sectionnelle ou modale, source pour classes ou modes de particules plus grandes Coagulation si représentation sectionnelle ou modale, source pour classes ou modes de particules plus grandes Production d'aérosols dans les nuages aérosols secondaires Puits Condensation si représentation sectionnelle ou modale, puits pour classes ou modes de particules plus petites Coagulation si représentation sectionnelle ou modale, puits pour classes ou modes de particules plus petites Dépôt humide Dépôt sec Sédimentation Transport