Physico-chimie de l’atmosphère ou Cliquez pour modifier le style du titre Quelques bases pour comprendre Cliquez pour modifier le style des les pollutions sous-titres duatmosphériques masque 31 mars 2016 Virginie Marécal Petite introduction… Ce qu’on entend par « pollutions atmosphériques » Quelques notions indispensables Vous avez plus de 35-40 ans Le trou d’ozone Antarctique … correspond à la diminution très importante de l’ozone dans la stratosphère au printemps qui résulte de la combinaison de conditions météorologiques particulières et de l’apport de composés halogénés (CFC) issus des activités humaines. …. on espère « has been » dans quelques dizaines d’années @NASA Vous avez plus de 35-40 ans Les pluies acides … résultent essentiellement de la pollution de l’air par le dioxyde de soufre (SO2) produit par l’usage de combustibles fossiles riches en soufre, ainsi que des oxydes d’azote (NO/NO2) qui se forment lors de toute combustion, produisant respectivement de l’acide sulfurique et de l’acide nitrique. …. quasiment « has been » Une forêt dévastée par les pluies acides en République tchèque @Lovecz Vous étiez à l’écoute des médias au printemps dernier (ou ce mois de mars) La (mauvaise) qualité de l’air ….traduit la quantité de composés nocifs pour la santé, sous forme de gaz (ozone, NO2, SO2,…) ou de particules fines, présents dans l’atmosphère près de la surface l’air qu’on respire …. souvent d’actualité Le Monde.fr Vous étiez à l’écoute des médias cet hiver Le changement climatique … correspond à une perturbation de l'équilibre énergétique de la Terre, provoquant un réchauffement de la surface terrestre qui résulte selon la Conventioncadre des Nations Unies des émissions de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone CO2, méthane CH4, protoxyde d’azote N2O, composés halogénés), engendrées par les activités humaines. Les principaux gaz à effet de serre ne sont pas nocifs pour la santé. Petite introduction… Ce qu’on entend par « pollutions atmosphériques » Quelques notions indispensables Structure verticale de l’atmosphère la stratosphère la troposphère Caractéristiques des principaux constituants chimiques gazeux de l’atmosphère Gaz à effet de serre Gaz « réactifs » Extrait de « physique et chimie de l’atmosphère »- Ed. Belin Temps caractéristiques moyens de transport Extrait de « physique et chimie de l’atmosphère »- Ed. Belin Echelles de temps et d’espace Extrait de « physique et chimie de l’atmosphère »- Ed. Belin L’ozone dans la stratosphère @NASA O3 Absorption d’une grande partie des UV © Domaine public Moyennes mensuelles des colonnes totales d’ozone mesurées par l’instrument satellite TOMS sur la période 1978-1993 Variabilité géographique et saisonnière de l’ozone stratosphérique @NASA. Studying Earth's Environment From Space. June 2000. http://www.ccpo.odu.edu/SEES/index.html Le cycle de Chapman (1929) Au dessus de 30 km, l < 240nm : O2 + hn O + O [1] L’oxygène atomique libéré peut réagir avec l’oxygène moléculaire : O2 + O + M O3 + M + DQ [2] (réaction très rapide, responsable de l’augmentation de la température avec l’altitude dans la stratosphère) L’ozone absorbe entre 200 et 320 nm : O3 + hn O2 + O [3] (absorption très efficace des UV par l’ozone) Comment équilibrer la production ? O3 + O O2 + O2 [4] (seulement 20% expliqués en fait par cette voie) La destruction catalysée O3 + X XO + O2 XO + O O2 + X O3 + O 2 O2 Il a fallu plus d’une trentaine d’années pour comprendre les mécanismes chimiques à l’origine de l’équilibre de l’ozone. Contrôle de l’ozone par des constituants beaucoup moins. abondants . 3 familles principales de catalyseurs X/XO : composés hydrogénés (HOx) ; composés azotés (NOx) ; CFC (ClOx) ; composés bromés (BrOx). Ou O3 + X XO+ O2 XO + O3 X + 2 O2 O3 + O3 3 O2 Sources des catalyseurs Emissions essentiellement en surface, d’origines anthropique et naturelle, à partir de processus physiques (évaporation, dégazage,…) et biologiques (dénitrification, fermentation,…). Emissions sous forme d’espèces chimiquement stables dans la troposphère, qui diffusent dans la stratosphère (7 à 10 ans) : - HOx: H2O (limité par condensation), H2, CH4 (marécages, culture du riz, ruminants, feux de biomasse, termites,… - NOx: N2O (océans, sols des forêts tropicales, sols, engrais, combustion des fuels fossiles, combustion de la biomasse) - ClOx/BrOx: CH3Cl et CH3Br (origine naturelle), CFC et halons (origine anthropique) Le problème spécifique du trou d’ozone en Antarctique @NASA Evolution de la moyenne mensuelle d’octobre de la colonne totale d’ozone, mesurée par l’instrument TOMS (depuis 1979 en continu sur plusieurs satellites) DU (Dobson Unit) Comment ça se forme le trou d’ozone ? Vortex en hiver @NASA http://www.ccpo.odu.edu /SEES/index.html Destruction rapide de l’ozone Formation de nuages stratosphériques polaires (PSC ) @NASA Activation du chlore sur les PSC par le soleil au printemps Petit résumé: au cours de l’hiver, un courant circum-polaire (vortex) isole les régions polaires. Les conditions de très basses températures dans le vortex permettent l’apparition de nuages stratosphériques, capables de convertir les espèces réservoirs du chlore en chlore « activable » grâce au rayonnement solaire au début du printemps. Quelles tendances de la couche d’ozone? On constate depuis la fin des années 1970 une décroissance à l’échelle globale de la couche d’ozone. Cette décroissance est très marquée aux Pôles mais est significative aux latitudes moyennes aussi. Elle est principalement due aux émissions de CFC/Halons (composés halogénés). WMO ozone assessment 2010 @esrl/naa/gov Les protocoles internationaux de réduction des émissions de CFC/halons EESC: Quantité totale effective d’halogènes (chlore et brome) dans la stratosphère WMO ozone assessment 2010 @esrl/naa/gov « total ozone recovery » (retour à la normale) Les modèles numériques, validés sur les périodes passées permettent d’effectuer des projections en ce qui concerne le retour éventuel à la « normale ». Comme pour les modèles de climat, les incertitudes sont fortes et il est intéressant de considérer l’information apportée par l’ensemble des modèles internationaux. Extrait du rapport 2014 « Quadriennal ozone assessment » publié par l’Organisation Mondiale de la Météorologie Ozone et UV @infosoleil.com Oxygène, Ozone et vie sur Terre Il y a environ 600 millions d’années, la concentration en O2 était 10 fois plus faible que maintenant, mais la concentration d’ozone atteignait déjà 80% de sa valeur actuelle, ce qui assurait déjà une protection efficace vis-à-vis des rayons ultra-violets pour permettre le développement de la vie sur les continents. Extrait de « physique et chimie de l’atmosphère »- Ed. Belin La couche d’ozone et les UV © Domaine public Exemple de prévisions des UV (Météo-France) 5 mai 1999, 6h TU (MOCAGE-Météo-France) 5 mai 1999, 12h TU 5 mai 1999, 18h TU @meteofrance.com Collaboration depuis 2002 avec Sécurité Solaire. @infosoleil.com Quel impact sur l’UV de la diminution de l’ozone stratosphérique ? Les effets de l’évolution de l’ozone et des nuages, dans un contexte de changement climatique, se compensent en partie, mais sont très forts dans les zones polaires WMO ozone assessment 2010 @esrl/naa/gov WMO ozone assessment 2010 @esrl/naa/gov Un peu de science-fiction… 35 Latitudes moyennes (30° à 50° N) ; estimation pour un 2 juillet à midi local. … Et si le 30 Latitudes moyennes (30° à 50°) protocole de Condition pour un 2 juillet à midi local Montréal n’avait pas été décidé? Index UV 25 20 15 Estimation actuelle 10 Equivalent Chlore de 1980 5 1980 2000 2020 Extrait de P. Newman et al., Atmos. Chem. Phys. , 2008 2040 2060 Ce résultat est basé sur une hypothèse de croissance de 3% par an en équivalent chlore stratosphérique. La qualité de l’air Le Monde.fr Grandes familles de polluants gazeux Primaire = directement émis Secondaire = issu de transformations physico-chimiques 1. Oxydes d’azote (primaires et secondaires): NO et NO2 ou NOx)=NO+NO2 2. Dioxyde de soufre (primaire): SO2 3. Monoxyde de carbone (primaire):CO 4. Composés organiques volatils (primaires): COV – Composés carbonés (hors CO et CO2) ayant une pression de vapeur saturante suffisamment élevée pour être volatilisés dans l’air – Origine naturelle ou anthropique 5. Ozone (secondaire): O3 L’ozone troposphérique est nocif pour la santé alors que l’ozone stratosphérique nous protège des UV Les ingrédients de la formation de l’ozone troposphérique NO2 NO + O3 + NO + RO2 COV NO2 + RO Ozone , oxydes d’azote et COV Simulation de l’ozone à la surface Extrait de « Composition, chemistry, and climate of the atmosphere “ Singh 1995 L’ozone varie de façon non linéaire en fonction de la quantité d’oxydes d’azote et de COV L’aérosol atmosphérique Particule liquide ou solide en suspension dans l’atmosphère condensation Rayonnement solaire Aérosols espèces condensables : SOA, H2SO4, HNO3 … transformations Aérosols primaires chimiques BC, OC, sels marins, poussières Précuseurs volatils : SO2, NOx, NH3, COV nuages santé 1µm dépôt sec et humide, sédimentation Composition des aérosols Extrait de « physique et chimie de l’atmosphère »- Ed. Belin En qualité de l’air on utilise le terme particules fines ou « particulate matter » PM10 : aérosols de taille inférieure à 10mm PM2.5 : aérosols de taille inférieure à 2.5mm Mars 2015: Prévision de PM10 produite dans le cadre du projet MACC-IIII Les tendances en surface Augmentation de l’ozone de fond directement liée à l’accroissement des émissions globales d’oxydes d’azote et d’hydrocarbures depuis l’ère industrielle Depuis le début de l’ère industrielle, augmentation pour les aérosols à cause de l’accroissement des émissions anthropiques D’après Marengo et al. [1994] Sur ces 20 dernières années, augmentation ou réduction des aérosols en fonction des changements/réglementations sur les émissions locales Quelle qualité de l’air dans le futur ? En 2030 En 2100 + optimiste Différence avec l’année de référence 2000 de l’ozone à la surface pour différents scénarios d’émissions (ppbv) - optimiste (extrait de Young et al., Atmos. Chem. Phys. 2013) Modélisation de la composition de l’air ou… comprendre pour prévoir Prévision sur 72h du modèle MOCAGE (Méteo-France) La stratégie de modélisation Puisque la résolution directe des équations qui régissent la composition de l’air est impossible, il faut un modèle, représentation simplifiée du système complexe Identifier la question posée Concevoir le modèle, suivant des hypothèses permettant de simplifier le problème et compte-tenu des contraintes (calcul, connaissances,…) Evaluer le modèles par rapport à des observations Boucle de développement : Améliorer le modèle, caractériser ses erreurs Appliquer le modèle : vérifier des hypothèses, prévoir D’après D. Jacob (Harvard) ➀ Sources ➂ Puits Les processus à prendre en compte dans un modèle de chimie atmosphérique Extrait de « physique et chimie de l’atmosphère »- Ed. Belin ➁ Transformations et transport Les éléments constitutifs d’un modèle numérique de chimie atmosphérique En pratique on résout … DCi DCi DCi DCi DCi DCi DCi Dt Dt Transport Dt Chimie Dt Emissions Dt Lessivage Dt Dépôt sec Dt Sé dimentation On choisit un pas de temps: Dt On choisit de calculer les concentrations moyennes dans un volume donné suivant un maillage en 3D pression L’espace découpée en mailles Niveaux du modèle Relief En horizontal En vertical La stratégie de modélisation Puisque la résolution directe des équations qui régissent la composition de l’air est impossible est impossible, il faut un modèle, représentation simplifiée du système complexe Identifier la question posée Concevoir le modèle, suivant des hypothèses permettant de simplifier le problème et compte-tenu des contraintes (calcul, connaissances,…) Evaluer le modèles par rapport à des observations Boucle de développement : Améliorer le modèle, caractériser ses erreurs Appliquer le modèle : vérifier des hypothèses, prévoir D’après D. Jacob (Harvard) L’évaluation par comparaison à l’observation (1) Observations Modèle Aérosols de type sulfate Comparaison sur l’année 2013 entre le modèle MOCAGE et les mesures journalières d’une station située en Irlande Aérosols de type nitrate Aérosols de type ammonium Thèse Jonathan Guth 31/08/2008 12h L’évaluation par comparaison à l’observation (2) Colonne totale prévue par le modèle MOCAGE … et observée par l’instrument satellite OMI Autres outils d’étude de l’air MOPITT (@NASA) Station de recherche PEGASUS (@Laboratoire Interuniversitaire des systèmes Atmosphériques) Les principaux moyens de mesures Les mesures « sol » – Stations de surveillance de la qualité de l’air (cf présentation de demain) – Mesures par télédétection des réseaux lidar et AERONET pour les aérosols – Instruments de recherche in situ ou de télédétection mesurant de nombreuses espèces Les mesures « avion » ATR42 – Avions de recherche instrumentés (in situ et télédétection) mesurant de nombreuses espèces (http://www.safire.fr) – Avions de ligne instrumentés : mesures in situ des programmes MOZAIC puis IAGOS; (http://www.iagos.fr/web) @Safire.fr Les observations « satellite », mesures de télédétection principalement passives par radiomètres – Visée au limbe profil vertical (stratosphère/haute troposphère) – Visée au nadir image 2D horizontale – Difficulté de mesurer des gaz en petites quantités dans la troposphère depuis le haut Vols IAGOS depuis juillet 2011 iagos.fr Exemple de mesures de gaz troposphériques par satellite Dioxyde d’azote NO2 (instrument GOME, colonnes troposphériques moyennes de septembre 1997) : durée de vie de quelques jours. Monoxyde de carbone CO (instrument MOPITT, 700hPa, moyenne annuelle 2004) : durée de vie de l’ordre de quelques mois. Exemples de mesures d’aérosols par satellite Epaisseurs optiques des aérosols (AOD) issues de l’instrument MODIS @NASA Mesures du lidar CALIOP @NASA Et si on combinait modèles et observations ? en faisant de l’assimilation de données Comme en météorologie, l’assimilation de données en chimie de l’atmosphère consiste à déterminer l’état le plus probable des concentrations des espèces par des méthodes mathématiques combinant de manière optimale les mesures disponibles et une prévision à courte échéance en prenant en compte les erreurs sur les observations et sur le modèle observations Prévision à courte échéance Analyse = état le plus probable fourni par l’assimilation Concentration Temps Exemple d’assimilation de données de surface Observations stations de surface de NO2 Modèle sans assimilation Modèle avec assimilation Exemple d’assimilation d’épaisseurs optiques d’aérosols mesurées par satellite Modèle sans assimilation Observations utilisées dans l’assimilation Modèle avec assimilation Observations indépendantes sur mer Climat et composition de l’air Bilan énergétique de la Terre Bilan énergétique moyen pour la période de mars 2000 à mars 2004 en Wm-2 (d'après Trenberth et al, 2009, education.meteofrance.fr) Evolution des gaz à effet de serre Les activités humaines ont modifié la composition de l’atmosphère en gaz à effet de serre. Depuis le début de l’ère industrielle la quantité d’énergie disponible pour « chauffer » les basses couches de l’atmosphère a augmenté significativement. Bilan des forçages radiatifs Le calcul des forçages radiatifs se fait en utilisant un modèle mathématique détaillée, fondé sur la résolution des équations du transfert radiatif dans l’atmosphère. Extrait du rapport du GIEC 2013 Evolution du forçage radiatif de l’ozone Le forçage troposphérique domine, il est positif tandis que celui de la stratosphère est négatif. Extrait du rapport du GIEC 2013 Forçage radiatif direct des aérosols Forçage radiatif moyen entre 1850 et 2000 Moyenne Ecart type Extrait de Shindell et al. Atmos. Chem. Phys.2013 Les aérosols ont une courte durée de vie dans l’atmosphère et se retrouvent ainsi principalement près de leurs sources. Il reste de grosses incertitudes comme le montre le fort écart type des modèles. A la différence des GES à longue durée de vie, l’effet des aérosols primaires et secondaires d’origine anthropique disparaitrait si les émissions étaient brusquement arrêtées. Evolution future du forçage radiatif des aérosols Scénario GES optimiste Scénario GES pessimiste Augmentation principalement due à la réduction des émissions anthropiques (primaires et secondaires) Extrait de Shindell et al. Atmos. Chem. Phys.2013 Interactions climat-couche d’ozone Un déficit de colonne totale d’ozone se traduit par une intensification du rayonnement UV parvenant dans la troposphère et donc à une réduction du temps de vie (et donc de l’effet de serre) de certaines molécules, comme le méthane. Composition chimique et météorologie sont intimement reliées Sans rétroaction Avec rétroactions Modèle MOCAGE Modèle Arpege-Climat Point sur les recherches actuelles Petite liste à la Prévert… (1) Forte ébullition sur les aérosols secondaires organiques issus des COV qui sont encore mal connus – compréhension des processus – mesure – modélisation Et aussi sur les pollens pour les enjeux de santé – compréhension des processus y compris les interactions avec la pollution – modélisation Des efforts continus pour une meilleure quantification de tous les types d’émissions – émissions dynamiques en particulier par les plantes – cadastres pour les émissions anthropiques Petite liste à la Prévert… (2) Vers des méthodes d’assimilation de données pour la chimie de l’atmosphère de plus en plus avancées Vers plus de mesures depuis les satellites - définition et lancement de nouveaux instruments de mesures - amélioration de méthodes actuelles Famille des satellites d’inversion européens Sentinel (mesure brute quantité géophysique) - mise au point de nouvelles méthodes d’inversion @ESA Dans le contexte du changement climatique - modélisation sur les périodes passées, présentes et futures de la composition chimique de la troposphère et la stratosphère en support aux travaux du GIEC et du WMO « ozone assesment » - impact du climat sur la qualité de l’air aux échelles continentales et nationales FIN … seulement provisoire avant les travaux pratiques