Pollution atmosphérique Classification, ordres de grandeur Bruno Sportisse, sportiss@cerea.enpc.fr CEREA, Joint Laboratory Ecole des Ponts/EDF R&D INRIA/ENPC CLIME project 2007 B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 1 / 20
Plan Composition chimique de l atmosphère 1 Composition chimique de l atmosphère 2 Structure verticale de l atmosphère 3 Quelques échelles de temps 4 Exercices B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 2 / 20
Air sec Composition chimique de l atmosphère Espèce Symbole Fraction molaire Azote N 2 780 000 ppmv Oxygène O 2 210 000 ppmv Argon Ar 9300 ppmv Dioxyde de carbone CO 2 365 ppmv Ozone O 3 1 ppbv-10 ppmv Méthane CH 4 1.8 ppmv Protoxyde d azote N 2 O 314 ppbv TAB.: Composition chimique indicative de l air sec (2000). Pour les unités : 1 ppmv pour 10 6 mol mol 1 et 1 ppbv pour 10 9 mol mol 1. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 3 / 20
Évolution Composition chimique de l atmosphère Espèce (unité) Préindustriel (1750) 1960 1980 1990 1998 CO 2 (ppmv) 278 315 325 352 365 CH 4 (ppmv) 0.7 1.27 1.57 1.68 1.745 N 2 O (ppbv) 270 300 303 310 314 CFC-11 (pptv) 0 11 173 275 268 CFC-12 (pptv) 0 33 297 468 533 TAB.: Évolution estimée de quelques espèces chimiques (prendre garde aux unités). 1 pptv pour 10 12 mol mol 1. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 4 / 20
Composition chimique de l atmosphère Phases de la matière «Corps» Taille Molécule gazeuse 0.1 nm Aérosol «fin» 1 nm-1 µm Aérosol «grossier» 10-20 µm Goutte de nuage 10-50 µm Goutte de pluie 0.1 mm TAB.: Taille caractéristique des divers «corps» atmosphériques. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 5 / 20
Composition chimique de l atmosphère Émissions des oxydes d azote Source Flux annuel Combustion fossile 33 Feux de biomasse 7.1 Aviation 0.7 Sols 5.6 Éclairs 5 Total 51.4 TAB.: Émissions de NO x dans la troposphère (2000), en Tg(N)an 1 (l oxygène atomique n est pas comptabilisé dans les émissions). Le téragramme est défini par 1 Tg = 10 12 g. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 6 / 20
Composition chimique de l atmosphère Émissions de COV Source Flux annuel Combustion fossile 161 Feux de biomasse 33 Total biogénique (végétation) 377 dont isoprène (C 5 H 8 ) 220 dont monoterpène (C 10 H 16 ) 127 dont autres 30 Total 571 TAB.: Émissions de COV dans la troposphère (2000), en Tg(C) an 1. Les émissions liées à la végétation sont particulièrement incertaines (d autres estimations donnent deux fois plus d émission). B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 7 / 20
Composition chimique de l atmosphère Spéciation des COV Composé Automobile Évaporation Solvants Chauffage (essence) (gaz) éthylène 16.4 toluène 16 2.8 53.3 8.5 méta-para-xylène 9.4 1.1 12.2 isopentane 8.1 26.3 benzène 6.9 1.5 0.1 15.3 propène 6.8 acétylène 6.5 1,2,4-TMB 4.1 4.8 ortho-xylène 3.7 8.1 éthylbenzène 3.2 4.2 1,3-butadiène 2.5 éthane 1.9 n-pentane 1.8 8.6 23.7 n-butane 1.8 35.8 33.9 1-butène 1.6 1,3,5-TMB 1.2 1.9 1,2,3-TMB 1. n-heptane 0.9 1.6 trans-2-pentène 0.8 trans-2-butène 0.8 1.3 isobutane 0.7 12.3 isooctane 0.6 1-pentène 0.6 cis-2-butène 0.6 n-hexane 0.6 1.8 12.6 3.4 n-octane 0.5 1.3 cis-2-pentène 0.5 isoprène 0.4 propane 0.1 3.4 15.3 1-hexène 0.1 TAB.: Spéciation standard (en % de la fraction massique) des COV en fonction des secteurs émetteurs. TMB désigne le triméthylbenzène. La contribution la plus importante par secteur est encadrée. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 8 / 20
Plan Structure verticale de l atmosphère 1 Composition chimique de l atmosphère 2 Structure verticale de l atmosphère 3 Quelques échelles de temps 4 Exercices B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 9 / 20
Structure verticale de l atmosphère Profil vertical de température 100 Thermosphère Mésopause 80 (km) z Altitude 60 40 Mésosphère Stratosphère Stratopause 20 Tropopause Troposphère 0 180 200 220 240 260 280 300 Température (K) FIG.: Profil vertical de température (atmosphère standard USA 1976). B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 10 / 20
Structure verticale de l atmosphère Profil vertical de pression 100 80 Réel Hydrostatique Altitude z (km) 60 40 20 Stratopause Tropopause Couche limite atmosphérique 0 10-4 10-3 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Pression (hpa) FIG.: Profil vertical de pression (atmosphère standard USA 1976) versus profil hydrostatique (calculé avec une hauteur d échelle H = 7.3 km). B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 11 / 20
Structure verticale de l atmosphère Profil vertical de quelques espèces 60 50 Altitude z (km) 40 30 20 10 N 2 O CH4 CO O 3 0 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Fraction molaire (en ppb) FIG.: Distribution verticale typique de quelques espèces (fraction molaire en ppb), 30 nord, mois de mars. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 12 / 20
Plan Quelques échelles de temps 1 Composition chimique de l atmosphère 2 Structure verticale de l atmosphère 3 Quelques échelles de temps 4 Exercices B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 13 / 20
Quelques échelles de temps Temps caractéristiques Transport Temps caractéristique Continental 1 semaine Intercontinental 2 semaines Hémisphérique 1 mois Inter-hémisphérique 1 année Couche limite atmosphérique 1 heure - 1 journée Troposphère libre ( 5000 m) 1 semaine Troposphère 1 mois Échange troposphère vers stratosphère de 5 à 10 ans Échange stratosphère vers troposphère de 1 à 2 ans TAB.: Temps caractéristiques du transport atmosphérique. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 14 / 20
Quelques échelles de temps Temps de vie des CFC Espèce Symbole chimique Temps de vie (an) CFC 11 CCl 3 F 45 CFC 113 CCl 2 FCClF 2 85 CFC 12 CCl 2 F 2 100 CFC 114 CClF 2 CClF 2 300 CFC 13 CClF 3 640 CFC 115 CF 3 CClF 2 1700 TAB.: Temps de vie de quelques CFC. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 15 / 20
Quelques échelles de temps Temps de vie des principales espèces chimiques 10 ans 1 an 1 mois 1 semaine 1 jour 1 heure NO x DMS C 5 H 8 H 2 O 2 CO CFC N 2 O CH 4 CH 3 CCl 3 CH 3 Br O 3 troposphérique Aérosols SO 2 HO 2 CH 3 O 2 1 s NO3 OH FIG.: Temps de résidence des principales espèces atmosphériques. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 16 / 20
Plan Exercices 1 Composition chimique de l atmosphère 2 Structure verticale de l atmosphère 3 Quelques échelles de temps 4 Exercices B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 17 / 20
Exercices Échange interhémisphérique et krypton 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 J F M A M J J A S O N D FIG.: Évolution du temps d échange interhémisphérique (en année) au cours de l année (avec le krypton comme traceur, année 1987). B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 18 / 20
Exercices Échange tropo/strato et strontium kci) (en Strontium stratosphérique 10 4 10 3 10 2 10 1 sud nord nord + sud ajustement 1963 1964 1965 1966 1967 FIG.: Évolution de la concentration de strontium dans la stratosphère (hémisphères nord et sud), mesurée en kilocivert (1 Ci = 3.7 10 10 Bq). La droite d ajustement est tracée avec une pente de temps caractéristique 1.3 année. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 19 / 20
Exercices Protocole de Montréal : CFC-11 et CFC-12 Fraction molaire en ppt 600 500 400 300 200 100 CFC-11 CFC-12 0 1940 1960 19802000 2020 2040 2060 2080 2100 FIG.: Évolution des fractions molaires de CFC-11 et de CFC-12 (en ppt) de 1955 à 2100. Jusqu en 2005, les fractions molaires sont estimées à partir d observations. en kilotonne/an 600 500 400 300 CFC-11 CFC-12 Émissions 200 100 0 1980 1985 1990 1995 2000 2005 FIG.: Évolution de 1980 à 2004 des émissions (en kilotonne an 1 ) de CFC-11 et de CFC-12. B. Sportisse Pollution atmosphérique 2007 20 / 20