Soutenance mémoire
L’atmosphère terrestre
L’atmosphère terrestre est composée de différentes couches superposées. Depuis le sol, on distingue notamment la troposphère, la stratosphère, la mésosphère, suivie de la thermosphère (figure 2.1). On divise les basses couches atmosphériques (altitude inférieure à 10 km) en deux parties distinctes :
• la couche libre, la partie supérieure de la troposphère. Le vent y est déterminé par de grands mouvements d’ensemble à l’échelle de la planète et est appelé vent géostrophique. Il résulte de l’équilibre entre les forces de gradient de pression et la force de Coriolis due à la rotation de la Terre ;
• la couche limite atmosphérique (CLA), la partie proche de la surface terrestre. Le sol y perturbe l’écoulement de l’air et donne naissance à une forte agitation appelée turbulence. La variation diurne du rayonnement solaire y est directement perceptible d’un point de vue thermique. La hauteur de la CLA varie dans le temps et dans l’espace. Elle est comprise en moyenne entre 100 et 3000 mètres. La partie supérieure de la CLA est appelée la couche d’Ekman. Les masses d’air y subissent à la fois le frottement de l’air sur la surface terrestre, la stratification thermique de l’air et la force de Coriolis. La rotation de la direction du vent avec l’altitude peut atteindre 30 à 40°. Ensuite la couche de surface, de dix à quelques dizaines de mètres, représente environ 10 % de la CLA. La turbulence y est homogène, et la force de Coriolis négligeable devant les forces de frottement dues au sol. Enfin, la direction du vent (composante horizontale de la vitesse) ne varie pas avec la hauteur alors que son intensité est proportionnelle au logarithme de l’altitude. La partie inférieure de la couche de surface, directement en contact avec la surface terrestre, est la sous-couche rugueuse. Elle se trouve au voisinage immédiat du sol. C’est une zone de mélange des sillages des obstacles rencontrés par le vent. Les champs de vitesses y sont fortement hétérogènes et instationnaires et les forces de frottement y sont prépondérantes. Son épaisseur varie en fonction de la nature du terrain, de quelques millimètres en mer à quelques dizaines de mètres en zone urbaine. C’est au travers de cette couche que se font les échanges de masse, d’énergie, et d’humidité entre le sol et la couche limite atmosphérique. Elle est caractérisée par la longueur de rugosité aérodynamique. Le lecteur intéressé par l’atmosphère et ses caractéristiques est invité à lire le manuel de météorologie générale (Triplet & Roche, 1986), un classique de l’enseignement de la météorologie en France. L’air, principalement concentré dans la troposphère, est composé essentiellement d’azote et d’oxygène. L’air propre et sec est constitué de 78 % d’azote, 21 % d’oxygène, 1 % d’argon, et de 0,33 % de dioxyde de carbone. S’ajoutent à cela la vapeur d’eau et les aérosols. Les aérosols sont des particules liquides ou solides de taille 0,001 à 10 microns environ d’origine et de nature variées. Les principales familles d’aérosols sont : les aérosols stratosphériques d’acide sulfurique liés en majeure partie aux éruptions volcaniques ; les aérosols troposphériques marins produits par les océans ; les aérosols désertiques constitués par des poussières minérales ; les aérosols anthropiques liés à la pollution urbaine ou aux feux de végétation et les aérosols résultants de transformations chimiques. Retenons que l’atmosphère se décompose en trois groupes : les molécules d’air sec et les gaz permanents, le contenu en eau et les aérosols.
Les principaux polluants
Un polluant est un corps d’origine anthropique ou non, à l’état solide, liquide ou gazeux, contenu dans l’atmosphère et qui ne fait pas partie de la composition normale de l’air ou qui y est présent en quantité anormale. Suivant un critère de toxicité, de spécificité de sources et de la pollution générée, les principaux polluants mesurés par les organismes de surveillance de la qualité de l’air sont les oxydes d’azote (NOX), le dioxyde de soufre (SO2), le monoxyde de carbone (CO), les particules en suspension (PS), le plomb (Pb), les composés organiques volatils (COV) et l’ozone (O3). Une description complète des effets de ces polluants à court, moyen et long terme figure sur le rapport du Haut Comité de Santé Publique (HCSP annexe 1, 2000), et est reproduite ci-dessous.Les principaux polluants atmosphériques se classent dans deux grandes familles bien distinctes : les polluants primaires (SO2, PS, NOX, COV, CO) et les polluants secondaires (O3). Les polluants primaires sont directement issus des sources de pollution alors que les polluants secondaires résultent des phénomènes de dispersion et de transformations photochimiques dans l’environnement. En hiver, la pollution atmosphérique est essentiellement due aux polluants primaires. En été, elle est beaucoup plus intense avec un mélange de polluants, différent de celui d’hiver. Les polluants secondaires dits photo-oxydants se forment par action du rayonnement solaire sur les polluants précurseurs que sont principalement le dioxyde d’azote NO2 et les composés organiques volatils COV. Les polluants primaires et secondaires sont plus ou moins nuisibles à la santé humaine, selon leur concentration dans l’air, et à la sensibilité de l’individu. Par conséquent, les législations nationales et internationales existent afin de réguler et contrôler la quantité de pollution émise dans l’atmosphère, et afin de s’assurer que les objectifs pour améliorer la qualité ambiante de l’air soient atteints. La réglementation française relative aux seuils de qualité de l’air a évolué avec notamment le décret du 6 mai et l’arrêté du 17 août 1998. L’annexe 1 (source : ASPA) reprend pour chacun des polluants réglementés, les objectifs de qualité, les valeurs limites, les seuils d’alerte et les seuils d’information lorsqu’ils sont définis.
Les réseaux de surveillance de la qualité de l’air
Les réseaux de surveillance de la qualité de l’air regroupent un nombre relativement faible de stations de mesures. L’ASPA est en charge d’un réseau constitué de trente deux stations de mesures réparties sur toute l’Alsace dont quatorze sur la communauté urbaine de Strasbourg (figure 3.1). La classification et l’implantation de ces stations répondent à des normes définies suivant une procédure harmonisée afin de faciliter les échanges et le recueil d’information avec les instances européennes. Elles sont réalisées en fonction des objectifs de surveillance, de la composition communale, des densités de population et des sources d’émissions de polluants. Les stations de mesures répondent aussi à des critères de fonctionnement des matériels utilisés : surveillance des matériels, proximité d’alimentation électrique… La classification recommandée pour les stations de mesures est : station trafic, station industrielle, station urbaine, station périurbaine, station rurale et station d’observations spécifiques. En pratique ces classes de stations sont divisées en deux principaux groupes : les stations dites de fond (urbaine, périurbaine et rurale), loin des sources émettrices de polluants, et les stations de proximité (trafic et industrielle), au voisinage des sources de rejets. On distinguera donc la pollution de fond et la pollution de proximité. La pollution de proximité est issue directement des sources de rejets, alors que la pollution de fond prend en compte l’ensemble des phénomènes en jeux ; on parle alors d’immission des polluants ou des concentrations ambiantes. Quant aux critères d’implantation des stations de mesures, ils tiennent compte de l’accessibilité des stations, de leur sécurité, des servitudes d’utilisation des matériels et de leur environnement immédiat. Les stations situées dans les écoles ou hôpitaux permettent d’avoir une surveillance de la qualité de l’air que les enfants et les malades respirent. Elles sont de ce fait bien acceptées par la population.
Cartographie de la qualité de l’air par modélisation numérique
La modélisation numérique est un outil de compréhension, d’analyse et dans certains cas de prévision. Les modèles numériques, dites « d’atmosphère et d’océan », ont d’abord été créés pour simuler les régimes de vent et de courant à l’échelle du globe. Pour cela, ils utilisent les équations de la mécanique des fluides et calculent ainsi avec une résolution de quelques centaines de kilomètres, l’évolution de paramètres tels que le vent, la température, l’humidité, l’eau nuageuse ou les précipitations.Il existe un grand nombre de modèles numériques de transports et transformations d’éléments dans l’atmosphère. Ces modèles se distinguent suivant les échelles spatiales et temporelles prises en compte mais aussi suivant les équations de transport utilisées. Le PREDIT (programme national de recherche et d’innovation dans les transports terrestres) propose depuis mai 2000 sur son site Web un inventaire et description de ces modèles existants (http://www.predit.prd.fr/02-Predit/Imt/). Cet inventaire fonctionne sur la base du volontariat des équipes de modélisateurs. Actuellement, il regroupe aujourd’hui 36 modèles provenant des entreprises ou équipes de recherche françaises ou belges. Mais il ne peut prétendre répertorier tous les modèles existants, beaucoup d’autres modèles d’origines diverses existent. L’augmentation des ressources en temps de calcul rend possible un couplage de modèles pour ne constituer qu’un seul modèle intégré de notre environnement physique. Dans le domaine de la qualité de l’air, il devient possible de modéliser l’évolution physico-chimique des polluants, leur émission, leur transport, leur diffusion, leur dépôt et transformation chimique (Giambanis et al. 1998, Leuzzi et al. 1998, Sallès et al. 1996). Divers modèles sont aujourd’hui couramment utilisés par les spécialistes de la qualité de l’air (Maneux 2001). Ils permettent d’accéder à une estimation des concentrations des polluants atmosphériques dans l’espace et dans le temps. Une description détaillée de tous ces modèles peut être trouvée dans le rapport du European Topic Center on Air Quality, ‘Ambient Air Quality’ (Moussiopoulos et al. 1996). Il est possible de les classifier suivant l’échelle spatiale utilisée pour modéliser l’environnement :
• à l’échelle locale, les modèles tiennent en compte la topographie locale et des obstacles. Ils permettent de suivre, à fine résolution spatiale, l’évolution d’une situation de pollution. La zone d’étude est limitée à celle d’un tronçon de rue ou d’un quartier.
• à l’échelle urbaine, les modèles se distinguent suivant la résolution spatiale de travail, les paramètres d’entrées utilisés, l’initialisation du modèle, les conditions aux frontières, les techniques numériques utilisées. La qualité des résultats de chacun des modèles dépend de la qualité des paramètres d’entrées.
• à l’échelle régionale, les domaines d’étude s’étendent sur une centaine de kilomètres horizontalement et sur des périodes d’une durée de quelques jours. La résolution du maillage est de l’ordre du kilomètre. Un modèle de pollution atmosphérique est constitué d’outils développés séparément :
• un module pour simuler des écoulements de l’air dans la couche limite atmosphérique en trois dimensions. Il prend en compte le relief, les caractéristiques du sol, le forçage par des conditions météorologiques au bord du domaine et des termes sources de polluants pour leur dispersion passive ;
• un module chimique gérant l’évolution d’un nombre limité représentatif de polluants primaires. Les réactions chimiques dans la couche limite atmosphérique font intervenir un grand nombre d’espèces chimiques et des réductions de schémas cinétiques sont nécessaires pour limiter le temps de calcul ;
• un cadastre des émissions des polluants. Les résolutions temporelles de ces cadastres s’échelonnent en général du pas de temps annuel au pas de temps horaire. Il est difficile d’obtenir des informations à l’échelle spatio-temporelle de l’ordre du kilomètre et de l’heure. Une distribution spatiale et temporelle des émissions est estimée à partir d’informations connues sur les émissions. La modélisation de la pollution atmosphérique à l’échelle de la ville et à l’échelle régionale doit faire face à des difficultés importantes. En effet :
• l’inventaire des émissions de polluants est complexe, demande du temps et implique la gestion d’un nombre important de données et leurs réactualisations ;
• les phénomènes sont complexes et liés les uns aux autres et s’étendent sur une très grande variété d’échelle de temps et d’espace. L’étendue spatio-temporelle impliquée est plus grande que celle pouvant être prise en compte par l’état des connaissances et les moyens de calcul dont nous disposons ;
• les modèles employés doivent être choisis de manière à bien représenter la plus grande variété de situations possibles. Vingt et une institutions faisant appel à vingt-quatre modèles différents ont récemment participé à un exercice de modélisation de la pollution atmosphérique (Lohmeyer et al. 2002). Les résultats montrent qu’il n’existe aujourd’hui aucune procédure standard pour ce type d’exercice et que les résultats diffèrent d’un facteur 4 selon les modèles et les paramètres d’entrées utilisés. Des études sont encore nécessaires pour améliorer et valider les modèles ou les données d’entrées.
Mesures de concentration par LIDAR
L’acronyme LIDAR signifie Light Detection And Ranging (détection et télémétrie à l’aide de la lumière). C’est un système d’analyse de la qualité de l’air, qui repose sur une technologie laser. La mesure des paramètres atmosphériques nécessite des méthodologies lidar différentes selon que l’on étudie les nuages, les aérosols, ou les variables météorologiques (pression, températures, humidité, vent). Il permet de mesurer à distance la concentration de différents polluants présents dans l’atmosphère en fonction de la distance. On peut ainsi localiser des nuages de polluants, à 10 mètres près, sur plusieurs kilomètres de distance, dans les diverses directions pointées par le LIDAR. On peut alors obtenir avec une bonne résolution spatiale, une cartographie en 3 dimensions de la concentration d’un polluant donné comme par exemple : l’ozone, le dioxyde de soufre, le dioxyde d’azote, le benzène ou bien encore le toluène (Thomasson et al. 2001). L’association en charge de la qualité de l’air dans le Rhône et la région Lyonnaise COPARLY (http://www.atmo-rhonealpes.org/coparly/) possède un laboratoire mobile équipé d’un lidar. Les spécifications du lidar sont détaillées sur le site : http://medias.obs-mip.fr/escompte/maquette/Lidar_coparly.php3. Le coût d’un tel dispositif est extrêmement élevé et limite son utilisation. Un lidar est un instrument qui transpose le principe du radar en lumière visible. Le principe consiste à envoyer dans l’atmosphère de brèves impulsions lumineuses au faisceau extrêmement fin et dans une bande très étroite (un laser). Ce faisceau laser est à la fois diffusé et absorbé par les molécules (gaz) et par les aérosols, contenus dans l’atmosphère. L’extinction augmente avec la quantité d’aérosols et avec la concentration en molécules. Une partie de cette lumière est rétrodiffusée vers l’émetteur. Les signaux renvoyés sont recueillis au foyer d’un télescope, amplifiés et analysés. Le fait que le laser soit pulsé permet une détection en fonction du temps entre le laser et le point de mesure. Le retard et la distribution de l’intensité de l’écho permettent ainsi de mesurer la distance entre la station et les molécules présentes sur le trajet du faisceau, ainsi que leur distribution. En effet, lors de son trajet dans l’atmosphère, cette impulsion de lumière cohérente va interagir avec les molécules et les particules présentes. Cette interaction se caractérise par une diffusion de la lumière dans toutes les directions et, pour certaines d’entre elles, une plus ou moins forte absorption. Chaque molécule ou particule possède une interaction qui lui est propre : sa signature optique. Une fois envoyée dans l’atmosphère, une fraction de cette impulsion va être renvoyée (ou rétrodiffusée) par chaque particule ou molécule rencontrée sur son trajet, tel un écho optique. Cette fraction est directement liée à sa signature optique vis-à-vis de la longueur d’onde (couleur) de l’impulsion Laser utilisée. Pour pouvoir déterminer la concentration d’un polluant gazeux, il faut utiliser, en plus de la diffusion, le processus d’absorption de la molécule : on parle de lidar à absorption différentielle (DIAL pour Differential Absorption Lidar). Cette méthode repose sur l’émission simultanée de deux impulsions laser dans l’atmosphère. Le choix des longueurs d’onde utilisées dépend du spectre d’absorption du polluant recherché, ainsi que des possibles interférences avec les spectres d’autre corps au moment de la mesure. L’une des longueurs d’onde appelée λON sera choisie comme fortement absorbée par le polluant ; l’autre λOF le sera au contraire beaucoup moins. Elles sont suffisamment proches pour que l’on puisse supposer que les propriétés de diffusion des aérosols sont identiques. Et elles sont choisies pour donner des valeurs d’absorption similaires avec les autres interférents. La présence du polluant recherché à une certaine distance engendre donc une diminution du signal rétrodiffusée à la longueur d’onde λON et non à λOF. L’étude de la différence des deux signaux permet de déduire la concentration du polluant en fonction de la distance. Les techniques lidar de mesure des aérosols, qui utilisent une seule ou quelques longueurs d’onde, requièrent la connaissance a priori de l’indice de réfraction complexe et/ou de la distribution de taille des aérosols (Chudzynski 2002). En atmosphère urbaine, ces informations sont difficiles à obtenir à cause de la diversité des types d’aérosols et de distributions multimodales complexes. Des méthodes originales (Mondelain 2001, Del Guasta & Marini 2000) existent faisant l’hypothèse forte que la distribution de probabilité en taille et en composition des aérosols ne varie pas avec l’altitude z. Les informations complémentaires sur la distribution de tailles des aérosols et leurs compositions sont obtenues par impaction (dépôt de polluant sur les fibres d’un filtre) et étude des filtres au niveau du sol. Seul le nombre total par unité de volume varie en fonction de l’altitude. Cette analyse de la qualité de l’air reposant sur une technologie laser permet d’étudier la concentration en polluants le long du trajet laser. Elle ne permet actuellement pas un balayage angulaire rapide dans toutes les directions afin d’établie une cartographie de la distribution spatiale des polluants.
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Table des matières
1 Introduction
2 Quelques éléments sur la qualité de l’air
2.1. Définition de la pollution atmosphérique – les principaux polluants
2.1.1. L’atmosphère
2.1.2. La pollution atmosphérique
2.1.3. Les principaux polluants
2.1.4. Le cas particulier de l’ozone
2.1.5. L’inventaire des émissions
2.2. La surveillance de la qualité de l’air en France
2.3. Les paramètres influençant la qualité de l’air
2.3.1. Influence du vent
2.3.2. Influence de la stabilité de l’atmosphère
2.3.3. Influence de la topographie locale
2.4. La zone d’étude
3 Méthodes actuelles de surveillance et de cartographie
3.1. La surveillance de la qualité de l’air en France par les stations de mesures
3.1.1. Les réseaux de surveillance de la qualité de l’air
3.1.2. Les stations de mesure de concentrations de polluants
3.2. Cartographie de la qualité de l’air par modélisation numérique
3.3. Mesures de concentration par LIDAR
3.4. Etude à l’aide d’images satellitaires dans le domaine optique
3.5. Méthode de cartographie de la qualité de l’air par interpolation
4 Méthode proposée de cartographie à l’aide de données multi-sources
4.1. Objectif et échec des méthodes existantes
4.1.1. Besoins et spécifications
4.1.2. Limites des méthodes existantes de cartographie
4.2. Méthode proposée de cartographie
4.3. Bibliothèque des champs typiques
4.4. Définition mathématique d’un champ typique
4.4.1. Transformée en ondelettes
4.4.2. Analyse multirésolution
4.4.3. Coefficients en ondelettes
4.4.4. Synthèse du champ de concentration
4.4.5. Définition du champ typique
4.5. Construction d’un champ typique
4.5.1. Etape 1 : caractérisation de la ville et construction des cartes d’identité
4.5.2. Etape 2 : localisation des pseudostations à l’aide des cartes d’identité
4.5.3. Etape 3 : construction des stations virtuelles à l’aide d’images satellitaires
4.5.4. Etape 4 : construction du champ typique de pollution
4.6. Conclusion
5 Caractérisation de la ville – construction des cartes d’identité
5.1. Indicateurs morphologiques pour la carte d’identité
5.1.1. Nécessité des indicateurs morphologiques
5.1.2. Description de la base de données BD TOPO®de l’IGN
5.1.3. Positionnement des stations de mesures sur la BD TOPO®
5.1.4. Choix des indicateurs morphologiques
5.1.5. Méthode de calcul et paramètres de la surface de visibilité
5.2. Images satellitaires pour la carte d’identité
5.3. Cadastre des émissions de polluant pour la carte d’identité
5.4. la carte d’identité
6 Pseudostations et stations virtuelles
6.1. Les pseudostations
6.2. La campagne de mesures ACI Ville
6.2.1. Présentation de la campagne
6.2.2. Les mauvaises conditions météorologiques
6.2.3. Validation des pseudostations
6.3. Les stations virtuelles
6.3.1. La démarche entreprise
6.3.2. Modélisation des effets optiques de la pollution
6.3.3. Calcul de la réflectance corrigée F
6.3.4. Traitements des mesures de concentrations de polluants
6.3.5. Corrélations entre la fonction F et les concentrations de polluants
6.3.6. Les résultats de la corrélation
6.4. Conclusion
7 Conclusion
7.1. Intégration des connaissances actuelles
7.2. Algorithme de fusion d’information
7.3. Définition des situations météorologiques
7.4. Les pseudostations
7.5. Les stations virtuelles
Références bibliographiques
Annexe : les normes de la qualité de l’air
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