diaporam - Météo et Climat Tremplin pour l`enseignement des

Physico-chimie de l’atmosphère
ou
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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