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Introduction à la pollution atmosphérique : II - 1

Cycle de la pollution atmosphérique

1. ÉMISSION

2. DISPERSION ET TRANSPORT

3. ÉLIMINATION

pluie

réaction

dépôt

stratosphère


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, quartiersurbains

Urbaine ourégionale

5 à 100 km Villes, grandes métropoleszones rurales

Continentale 100 à 5000 km Pollution transfrontalière

Planétaire > 5000 km Eruptions volcaniquesExplosions nucléaires

1E+1

1E+2

1E+3

1E+4

1E+5

1E+6

1E+7

1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7

TEMPS (SECONDES)

DIS

TA

NC

E (

M)

Particules dp >1000 microns

dp >100 microns

dp <100 microns

dp <70 microns

NOx,O3,H2S NOx,O3,SO2

dp <1m

CO,CFC

dp <0.1m

Heure Jour Semaine An

locale

régionale

planétaire

Dispersion des polluants: effets spatial et temporel

continentale


http://cerea.enpc.fr/fich/doc_ENPC_modelling.pdf

http://cerea.enpc.fr/fich/doc_ENPC_modelling.pdf


Type des sources d ’émissions:

Ponctuelles (cheminées)

Linéaires (autoroute)

Diffuses (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


Gradient thermique vertical

Gradient thermique: T vs Altitude zla 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 km1OC par 100m: gradient adiabatique sec

l ’air humide saturé se refroidit de 6.5OC par km: gradient pseudo-adiabatique humide


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) bonneNEUTRE……..moyenne

(TRÈS) STABLE …….(très) faible

10

12

14

- 500 M

- 100 M

- 300 M

z

PARCELLE D ’AIREN MOUVEMENT ETSA TEMPÉRATURE

- 10

- 14

- 12

ÉQUILIBRE

Position initiale

NEUTRALITÉNEUTRALITÉ

0

100

200

300

400

500

600

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

TEMPÉRATURE (C)

AL

TIT

UD

E (

m)

ADIABATIQUESÈCHENEUTRE


10

12

14

- 500 M

- 100 M

- 300 M

- 14.4

z


- 9.5

- 12Position initiale

INSTABILITÉ

PLUS CHAUD QUE L ’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE MONTE ENCORE

PLUS FROID QUE L’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE DESCEND ENCORE

INSTABILITÉ

0

100

200

300

400

500

600

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

TEMPÉRATURE (C)

AL

TIT

UD

E (

m)

ADIABATIQUESÈCHESUR-ADIABATIQUE

10

12

14

- 500 M

- 100 M

- 300 M

z


- 11

- 13


STABILITÉ

PLUS CHAUD QUE L ’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE REMONTE

PLUS FROID QUE L’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE REDESCEND

STABILITÉ

0

100

200

300

400

500

600

700

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

TEMPÉRATURE (C)

AL

TIT

UD

E (

m)

ADIABATIQUESÈCHESOUS-ADIABATIQUE


10

12

14

- 500 M

- 100 M

- 300 M

z


- 12.6

- 11.3


INVERSION DE TEMPÉRATUREFORTE STABILITÉ

PLUS CHAUD QUE L ’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE REMONTE RAPIDEMENT

PLUS FROID QUE L’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE REDESCEND RAPIDEMENT

TRÈS FORTE STABILITÉ

0

100

200

300

400

500

600

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

TEMPÉRATURE (C)

AL

TIT

UD

E (

m)

ADIABATIQUESÈCHEINVERSION DETEMPÉRATURE

Panaches des cheminés: panache sinueuxgradient sur-adiabatique = instabilité


Panaches conique:gradient sous-adiabatique - stabilité

Panaches horizontal:Inversion - forte stabilité


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 hautGradient sous-adiabatique dans le bas


Panache d ’enfumage (tourmenté vers le bas)Inversion de température dans le hautGradient 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

Z

température

Air très stable

Air neutre oustable

AVANT LE LEVER DU SOLEIL


Z

température

Air instable

Air neutre oustable

LEVER DU SOLEIL

Air très stable

Hauteur de mélange

Z

température

Air instable

Air neutre oustable

AVANT MIDI

Hauteur de mélange


Z

température

Air instable

DÉBUT APRÈS-MIDI

Hauteur de mélange

Z

température

Air instable

SOIRÉE - NUIT

FORMATION DE LA COUCHE D ’INVERSION


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


Cheminée en amont:vent

H

2.5 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


En altitude le vent est parallèle aux isobares

1000

1004

1008

1012

1016

1020

F.gradientde pression.

F.Coriolis.

millibars

Hautes pressions

Basses pressions

VENT

Au sol, le vent traverse les isobares

1000

1004

1008

1012

1016

1020

F. gradientde pression.

F.Coriolis.

millibars

Hautes pressions

Basses pressions

VENT

F. de friction


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) Modèle physique (maquette) à l’échelle réduite en laboratoire2) Modèles statistiques (à partir de données historiques)3) Modèles numériques 4) Modèles semi-empiriques (ex. modèle gaussien)


Modèle gaussien de dispersion

Y, Z fonction dela stabilité de l ’atmosphère:classe de Pasquil

x

yz

Hauteur effective de mélange:


Jour : rayonnement solaireincident

NuitVitesse duvent (m/s)

Fort Modéré Léger Légèrement couvertou couverture ennuages bas>1 /2

Couvertureen nuage< 3/8

< 2 A A-B B Très stable2-3 A_B B C E F3-5 B B-C D D E5-6 C C-D D D D> 6 C D D D D

Stabilité de l ’atmosphère: classes de Pasquill-Guifford

A-B-C: instablesD: neutreE-F: stables

y

z


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


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

Milieu atmosphérique Milieu terrestre Milieu aquatiqueSO2 Capture et lessivage par

pluies et neiges.Transformation en sulfates

Sol : dégradationmicrobienneVégétaux : absorption,adsorption

Absorption à lasurfacedes lacs et océans

H2S Oxydation en SO2

NOx Transformations en nitratesPhotoréactions avec COV

Sol : réactions chimiquesVégétaux : absorption,adsorption

CO Réactions avec radicauxOH dans la stratosphère

Sol : activitémicrobiologique

CO2 Végétaux : photosynthèse Absorption à lasurface

HC-COV Transformation chimiquePhotoréactions avec NOx etO3

Sol: activitémicrobiologiqueVégétation : réactionbactérienne, absorption

O3 Réaction avec NOx Réactions à lasurface

Éliminations des polluants


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 température des gaz: 120O C diamètre de la cheminée 1.5 m 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

OBJECTIFLa modélisation peut servir à plusieurs objectifs. Cependant, ce guide vise plus particulièrementl'objectif suivant : démontrer (par modélisation) qu'une nouvelle source ou qu'un ensemble denouvelles sources ne contribuera pas au dépassement des normes en vigueur pour les polluantsconcernés aux articles 6 à 9 du Règlement sur la qualité de l'atmosphère (RQA) ou pour toutautre polluant pour lequel le MDDEP a fixé des critères d'air ambiant.

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