Cycle de la pollution atmosphérique

Introduction à la pollution atmosphérique : II - 1
Cycle de la pollution atmosphérique
stratosphère
2. DISPERSION ET TRANSPORT
3. ÉLIMINATION
réaction
pluie
1. ÉMISSION
dépôt
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 2
Échelle spatiale de la pollution atmosphérique
Micro Échelle
qq m à 100m
Environs immédiats
Locale
100 à 500m
Proximités des sources :
autoroutes, boulevards, usine
Quartier
500 m à 5 km
Petites villes, quartiers
urbains
Urbaine ou
régionale
5 à 100 km
Villes, grandes métropoles
zones rurales
Continentale
100 à 5000 km
Pollution transfrontalière
Planétaire
> 5000 km
Eruptions volcaniques
Explosions nucléaires
NOx,O3,H2S
NOx,O3,SO2
CO,CFC
1E+7
DISTANCE (M)
planétaire
dp <0.1m
1E+6
continentale
dp <1m
1E+5
régionale
1E+4
1E+3
locale
1E+2
dp <70 microns
dp <100 microns
dp >100 microns
Particules dp >1000 microns
1E+1
1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7
TEMPS (SECONDES)
Heure Jour Semaine An
Dispersion des polluants: effets spatial et temporel
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 3
http://cerea.enpc.fr/fich/doc_ENPC_modelling.pdf
http://cerea.enpc.fr/fich/doc_ENPC_modelling.pdf
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 4
Type des sources d ’émissions:
Ponctuelles (cheminées)
Linéaires
Diffuses
(autoroute)
(chauffage domestique en ville)
définition fonction de l ’environnement géographique
choisi: à l ’échelle continentale une ville peut être
considérée comme une source ponctuelle.
Dispersion et Transport assurés par
turbulence thermique
- gradient vertical de température
vents
-vent en altitude >1000m
-vent au sol
turbulence mécanique:
-vent + relief ou bâtiment
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 5
Gradient thermique vertical
Gradient thermique: T vs Altitude z
la pression diminue quand z augmente
 si on détend un gaz alors T
si on comprime un gaz alors T
l ’air sec se refroidit de 10OC par km
1OC par 100m: gradient adiabatique sec
l ’air humide saturé se refroidit de 6.5OC
par km: gradient pseudo-adiabatique
humide
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 6
Gradient thermique vertical(suite)
La comparaison entre le gradient réel
de la température et le gradient
adiabatique sec détermine les
conditions de stabilité de l ’atmosphère:
CAPACITÉ À LA
DISPERSION
(TRÈS) INSTABLE..…(très) bonne
NEUTRE……..moyenne
(TRÈS) STABLE …….(très) faible
NEUTRALITÉ
NEUTRALITÉ
ALTITUDE (m)
600
500
400
ADIABATIQUE
SÈCHE
NEUTRE
300
200
100
PARCELLE D ’AIR
EN MOUVEMENT ET
SA TEMPÉRATURE
0
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
TEMPÉRATURE (C)
Position initiale
ÉQUILIBRE
- 10
10
- 500 M
- 12
12
- 300 M
- 14
14
- 100 M
z
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 7
INSTABILITÉ
INSTABILITÉ
ALTITUDE (m)
600
500
PARCELLE D ’AIR
EN MOUVEMENT ET
SA TEMPÉRATURE
400
ADIABATIQUE
SÈCHE
SURADIABATIQUE
300
200
100
0
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
TEMPÉRATURE (C)
Position initiale
- 9.5
10
- 500 M
- 12
12
- 300 M
- 14.4
14
- 100 M
z
PLUS CHAUD QUE L ’ENVIRONNEMENT:
LA PARCELLE MONTE ENCORE
PLUS FROID QUE L’ENVIRONNEMENT:
LA PARCELLE DESCEND ENCORE
STABILITÉ
STABILITÉ
700
PARCELLE D ’AIR
EN MOUVEMENT ET
SA TEMPÉRATURE
ALTITUDE (m)
600
500
ADIABATIQUE
SÈCHE
SOUSADIABATIQUE
400
300
200
100
0
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
TEMPÉRATURE (C)
Position initiale
- 11
10
- 500 M
- 12
12
- 300 M
- 13
14
- 100 M
z
PLUS CHAUD QUE L ’ENVIRONNEMENT:
LA PARCELLE REMONTE
PLUS FROID QUE L’ENVIRONNEMENT:
LA PARCELLE REDESCEND
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 8
INVERSION DE
TEMPÉRATURE
FORTE STABILITÉ
TRÈS FORTE STABILITÉ
ALTITUDE (m)
600
500
400
ADIABATIQUE
SÈCHE
INVERSION DE
TEMPÉRATURE
300
200
PARCELLE D ’AIR
EN MOUVEMENT ET
SA TEMPÉRATURE
100
0
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
TEMPÉRATURE (C)
Position initiale
- 12.6 10
- 500 M
- 12
12
- 300 M
- 11.3 14
- 100 M
z
PLUS CHAUD QUE L ’ENVIRONNEMENT:
LA PARCELLE REMONTE RAPIDEMENT
PLUS FROID QUE L’ENVIRONNEMENT:
LA PARCELLE REDESCEND RAPIDEMENT
Panaches des cheminés: panache sinueux
gradient sur-adiabatique = instabilité
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 9
Panaches conique:
gradient sous-adiabatique - stabilité
Panaches horizontal:
Inversion - forte stabilité
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 10
Panache tourmenté vers le haut:
Inversion de température dans le bas
Gradient sur-adiabatique dans le haut
Panache piégé (tourmenté vers le bas)
Inversion de température dans le haut
Gradient sous-adiabatique dans le bas
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 11
Panache d ’enfumage (tourmenté vers le bas)
Inversion de température dans le haut
Gradient sur-adiabatique dans le bas
Évolution d ’un panache suivant le cycle
quotidien:
- la nuit par temps clair, le sol et l ’air des basses couches se
refroidissent par rayonnement plus vite que l ’air : inversion de
température
Air neutre ou
stable
Z
AVANT LE LEVER DU SOLEIL
Air très stable
température
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 12
Air neutre ou
stable
Z
LEVER DU SOLEIL
Air très stable
Hauteur de mélange
Air instable
température
AVANT MIDI
Air neutre ou
stable
Z
Air instable
Hauteur de mélange
température
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 13
DÉBUT APRÈS-MIDI
Z
Air instable
Hauteur de mélange
température
SOIRÉE - NUIT
Z
Air instable
FORMATION DE LA
COUCHE D ’INVERSION
température
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 14
Turbulence mécanique:
Le gradient thermique n ’est pas le seul
indice du pouvoir dispersif de
l ’atmosphère
La friction du vent sur le sol et les
bâtiments influence aussi la dispersion:
accumulation derrière des obstacles
sous le vent
hauteur de cheminée = 2.5 la hauteur
des édifices environnants
Cheminée en amont:
vent
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 15
Cheminée en amont:
vent
2.5 H
H
Vent:
 résulte des forces:
- du gradient de pression, des
hautes vers les basses pression
- de Coriolis, déviation de 90o à
droite dans l ’hémisphère nord à cause
de la rotation de la terre
- et de friction au sol
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 16
En altitude le vent est parallèle
aux isobares
F.gradient
de pression.
Basses pressions
millibars
1000
1004
1008
VENT
1012
1016
1020
F.Coriolis.
Hautes pressions
Au sol, le vent traverse les isobares
Basses pressions
F. gradient
de pression.
VENT
millibars
1000
1004
1008
1012
1016
1020
F. de friction
Hautes pressions
F.Coriolis.
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 17
Topographie vs dispersion
 effets de littoral (enfumage du littoral)
effets de vallée (forte stabilité)
Modélisation de la dispersion
atmosphérique
Prévoir les relations:
Sources d’émissions vs Concentrations des milieux récepteurs
(en tenant compte des conditions météorologiques)
1)
2)
3)
4)
Modèle physique (maquette) à l’échelle réduite en laboratoire
Modèles statistiques (à partir de données historiques)
Modèles numériques
Modèles semi-empiriques (ex. modèle gaussien)
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 18
Modèle gaussien
de dispersion
z
y
x
Y, Z fonction de
la stabilité de
l ’atmosphère:
classe de Pasquil
Hauteur effective de mélange:
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 19
Stabilité de l ’atmosphère: classes de Pasquill-Guifford
Vitesse du
vent (m/s)
<2
2-3
3-5
5-6
>6
Jour : rayonnement solaire
incident
Fort
Modéré
Léger
A
A_B
B
C
C
A-B
B
B-C
C-D
D
A-B-C:
D:
E-F:
B
C
D
D
D
Nuit
Couverture
Légèrement couvert
ou couverture en
en nuage
nuages bas>1 /2
< 3/8
Très stable
E
F
D
E
D
D
D
D
instables
neutre
stables


y
z
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 20
Conditions de bonne dilution des polluants
vitesse du vent élevée (bon transport
horizontal)
hauteur de mélange élevée (large
volume d ’air de dilution)
instabilité de l ’air (bonne diffusion
verticale)
précipitations
Conditions de faible dilution des polluants
 vitesse du vent faible
hauteur de mélange basse
forte stabilité de l ’air (condition
d’inversion)
absence de précipitations
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 21
Mécanismes d’élimination des
contaminants
 réactions chimiques
entraînement par les précipitations:
dépôts humides
dépôts secs: sédimentation, capture par
les végétaux, absorption dissolution
dans les lacs, les océans
Éliminations des polluants
SO2
H2S
NOx
CO
CO2
HC-COV
O3
Milieu atmosphérique
Capture et lessivage par
pluies et neiges.
Transformation en sulfates
Milieu terrestre
Sol : dégradation
microbienne
Végétaux : absorption,
adsorption
Milieu aquatique
Absorption à la
surface
des lacs et océans
Oxydation en SO2
Transformations en nitrates Sol : réactions chimiques
Photoréactions avec COV Végétaux : absorption,
adsorption
Réactions avec radicaux
Sol : activité
OH dans la stratosphère
microbiologique
Végétaux : photosynthèse Absorption à la
surface
Transformation chimique Sol: activité
Photoréactions avec NOx et microbiologique
O3
Végétation : réaction
bactérienne, absorption
Réaction avec NOx
Réactions à la
surface
Introduction à la pollution atmosphérique : II - 22
Exemple de prévisions avec
le modèle gaussien
 On envisage de construire une usine de pâtes et papiers qui doit
rejeter 200 kg/j de H2S. Une petite ville est située à 1. km au Nord
Est du site prévu pour cette usine et environ 10% des vents
balayant la ville proviennent du Sud-Ouest.
 Par exemple, on peut calculer les concentrations en H2S qu’on
pourrait observer en ville pour les différentes hauteurs de
cheminées suivantes (10 m, 30 m) et pour les conditions
météorologiques typiques suivantes:
vitesse du vent 5 m/s et atmosphère neutre (classe D )
 Données:
vitesse des gaz en sortie de cheminée: 15 m/s
diamètre de la cheminée
1.5 m
température des gaz: 120O C
température de l’air ambiant 15O C
Pour en savoir plus sur la modélisation de la dispersion atmoshpérique:
http://www.mddep.gouv.qc.ca/air/atmosphere/guide-mod-dispersion.pdf
GUIDE DE LA MODÉLISATION DE LA DISPERSION ATMOSPHÉRIQUE
OBJECTIF
La modélisation peut servir à plusieurs objectifs. Cependant, ce guide vise plus particulièrement
l'objectif suivant : démontrer (par modélisation) qu'une nouvelle source ou qu'un ensemble de
nouvelles sources ne contribuera pas au dépassement des normes en vigueur pour les polluants
concernés aux articles 6 à 9 du Règlement sur la qualité de l'atmosphère (RQA) ou pour tout
autre polluant pour lequel le MDDEP a fixé des critères d'air ambiant.