Initiation à la science des aérosols

Initiation à la science des aérosols
Dr. Martin Aubé
Groupe de recherche et d'applications en physique au Collège de Sherbrooke
Département de physique
Cégep de Sherbrooke, Canada
09/2003
1 Les aérosols
Les aérosols sont des petites particules en suspension dans l'air. À l'instar des gaz à effet de
serre, les aérosols jouent un rôle important dans le bilan radiatif de l'atmosphère. Toutefois
ce rôle est mal quantifié jusqu'à présent ce qui justifie l'intensification des efforts consacrés à
leur étude. En plus de leur impact sur le climat, les aérosols perturbent les observations
astronomiques et les mesures de télédétection.
La taille des aérosols s'étend du centième de micron à quelques dizaines de microns. Plus
la taille d'un aérosol est importante plus son temps de résidence dans l'atmosphère sera
court car il est plus sensibles à la sédimentation gravitationnelle. La sédimentation
gravitationnelle est en effet dominée par le poids de la particule.
Les aérosols sont émis soit par voie naturelle ou soit suite à l'activité humaine (émissions
anthropiques). Les sources peuvent être directes ou indirectes en ce sens qu'il est possible
que certains aérosols prennent naissance suite à la condensation de gaz atmosphériques
alors que d'autres sont directement émis sous forme de particule. Les principales sources
naturelle directes sont les volcans, le feux de biomasse (feux de forêts), le soulèvement de
poussières par les vents au sol (plus important dans les régions arides), par la vaporisation
de l'eau de mer provenant de l'écume en surface (encore une fois provoqué par le vent à la
surface), par la végétation (pollen, spores), etc. Les sources naturelles d'aérosols
secondaires proviennent de réactions chimiques basées sur la conversion de la phase
gazeuse à la phase solide qui prennent place dans la brume et les nuages. Les sources
anthropiques sont principalement concentrées autour des installations industrielles lourdes

telles que les fonderies ainsi que dans les zones à forte densité de population (urbaines) et
proviennent soit de réactions chimiques produites par l'activité humaine, par la combustion de
carburants fossiles et de biomasses ainsi que par la circulation (poussières). Le tableau 1
résume les différentes sources d'aérosols et leur composition.
Tableau 1: Sources d'émissions d'aérosols
Sources naturelles Sources anthropiques
Primaires Secondaires Primaires Secondaires
Poussières (vent sur
le sol nu)
Sulfates à partir de
gaz biotiques
Poussières de la
circulation et de
l'industrie
Sulfates à partir du
SO2 industriel
Sels marins (vent sur
l'océan)
Sulfates à partir du
SO2 d'origine
volcanique
Suie (combustion de
carburants fossiles et
biomasse)
Organiques carbonés
à partir de VOC
(Volatile Organic
Compound)
Cendres volcaniques Organiques carbonés
à partir des VOC
Organiques carbonés
(combustion de
biomasse)
Nitrates à partir du
NOx
Organiques carbonés
(feux de forêts)
Nitrates à partir du
NOx
Suie (feux de forêts)
La composition chimique des aérosols est très variable et dépend à la fois de la répartition
géographique des sources et de la dynamique atmosphérique. La détermination de la
proportion des différents types d'aérosols à un endroit et pour un moment donné n'est donc
pas aisée. Néanmoins, un certain nombre de modèles ont été élaborés afin de décrire la
composition moyenne de la population d'aérosols selon le type d'environnement. Parmi ces
modèles, les travaux de Shettle and Fenn (1979) demeurent une référence valable. Le
tableau 2 résume chaque modèle décrivant la composition de la population d'aérosols pour
les régions rurales, urbaines, maritimes et troposphériques (z>2 km). Notez que le modèle
troposphérique est sensiblement le même que le modèle rural, les grosses particules en
moins (r2 est supprimé).

Tableau 2: Modèle d'aérosol.
Modèle χSU χBC χSD χSS η1ρ1
[mm]
log(σ1)η2r2 [mm] log(σ2)
Rural
(100%)
0,7 0 0,3 0 0,999875 0,027 0,35 0,000125 0,43 0,4
Urbain (100%) 0,56 0,2 0,24 0 0,999875 0,025 0,35 0,000125 0,4 0,4
Maritime
(100%)
0 0 0 1 1 0,16 0,4 0 - -
Troposphère
(z>2 km)
0,7 0 0,3 0 1 0,027 0,35 0 - -
Adapté de Shettle and Fenn (1979) pour une humidité relative de 0% (tableaux 1 et 2). Les
indices 1 et 2 se réfèrent aux modes 1 et 2 de la distribution de taille de l'équation 2.
Dans ce tableau η1=contribution relative à la concentration totale en particules du mode de
rayon moyen r1, η2=contribution relative à la concentration totale en particules du mode de
rayon moyen r2, σ1 et σ2 =largeur de la distribution de taille correspondante, et χSU, χBC, χSD, χSS
représentent les contributions relatives de chaque type d'aérosols à la concentration totale en
particules.
Tel que l'ont démontré bon nombre de campagnes de mesures sur les aérosols, la
distribution de tailles des aérosols est assez bien décrite par une distribution lognormale
exploitant bon nombre des paramètres décrits ci-haut:
nr=dr
dr =tot ∑
i=1
2i
ln10rlog10 i 2 ×exp
−log10 r−log10 ri2
2 log10 i2
(1)
r = rayon géométrique de la particule
ρtot = concentration totale en particules
Cette distribution n'est ni plus ni moins qu'une distribution normale ou gaussienne exprimée
sur une échelle logarithmique. La figure 1 donne un exemple de ce type de distribution pour
le modèle rural de Shettle and Fenn 1979 tel que décrit au tableau 2.

Figure 1: Distribution de taille bi-modale lognormale pour le modèle rural de Shettle and
Fenn (1979). La courbe violette représente la somme du mode grossier et du mode fin.
Le profil vertical des aérosol est très variable mais dans l'ensemble l'essentiel des aérosols
est contenu dans les deux premiers kilomètres de l'atmosphère. Il est assez usuel d'adopter
un profil moyen de forme exponentielle décroissante avec une échelle de hauteur de H=2 km.
Il va de soi qu'à proximité de sources importantes, le profil vertical peut s'écarter largement
de ce profil exponentiel.
z=0e
−z
H
(2)
2 Optique atmosphérique
L'atmosphère terrestre absorbe ou rétrodiffuse vers l'espace la presque totalité des longueurs
d'ondes de la radiation solaire incidente. En fait il n'existe essentiellement que deux fenêtres
spectrales pour lesquelles l'atmosphère se montre relativement transparent. La première
fenêtre couvre le spectre visible (0,4 à 0,7 µm) et les longueurs d'ondes voisines du proche
infrarouge et proche ultraviolet. La seconde couvre le domaine du spectre radio des
longueurs d'ondes de ~0,1 mm jusqu'à ~15 m. La figure 2 illustre la transparence de
l'atmosphère telle que modélisée pour un atmosphère standard des latitudes moyennes
0,00
0,01
0,10
1,00
10,00
100,00
1E- 11
1E- 10
1E- 09
1E- 08
1E- 07
1E- 06
1E- 05
1E- 04
1E- 03
1E- 02
1E- 01
1E+00
1E+01
1E+02
r (micron)
n(r)
mode 1
fin
mode 2
grossier

(US62) par MODTRAN. Un agrandissement de cette figure est présenté à la figure 3 pour la
région visible et proche infrarouge. Nous y avons identifié les bandes exemptes de l'effet des
gaz atmosphériques qui sont sujets à une plus grande variabilité (dans l'ordre décroissant
d'importance: H2O, CO2, O3). La contribution individuelle de chacun de ces gaz est illustrée à
la figure 4. Par souci de simplicité, l'étude des aérosols doit se faire à des longueurs d'ondes
peu affectées par ces gaz, ce qui permet d'éviter le problème complexe de la modélisation
spatiale et temporelle de ces gaz. La contribution des autres gaz peut être considérée
essentiellement constante (pour une pression atmosphérique constante) et par conséquent
facile à modéliser. Effectivement, une pression atmosphérique supérieure est indicatrice
d'une masse d'air plus grande et ce qui influe directement (de façon linéaire) sur la
contribution des gaz. Pour l'étude des aérosols, la contribution de ces molécule est vue
comme un bruit qu'il faut soustraire au signal détecté.
0
5000
10000
15000
20000
25000
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Transmission atmosphérique
(modtran)
Longueur d'onde (nm)
Transmission
Figure 2: Transmission atmosphérique telle que modélisée par modtran pour un atmosphère
standard aux latitudes moyennes (US62).