Soutenance mémoire
Pollution gazeuse et particulaire de l’atmosphère
Composition de l’atmosphère
L’atmosphère est la mince couche gazeuse qui entoure notre planète. Bien que son épaisseur soit environ 10 fois plus fine que le rayon de la terre, elle a un rôle essentiel dans la présence de la vie sur Terre en particulier en filtrant les rayonnements solaires. L’atmosphère est principalement composée d’azote à 76.74%, 19.61% d’oxygène, 1.96% d’argon et de vapeur d’eau à 0.33% en moyenne, et d’une grande variété d’autres composés chimiques appelés constituants mineurs dont la concentration varie de quelques ppm (parties par million de volume) à quelques dizaines de ppt (parties par milliard de volume).
La température de l’atmosphère est caractérisée par son évolution en fonction de l’altitude. Les minima et maxima de la température définissent des limites entre les diérentes couches de l’atmosphère comme le montre le profil type de la température atmosphérique sur la Figure. 1.1) :
La troposphère est la couche atmosphérique située entre la surface terrestre et une altitude (tropopause) qui varie selon la saison et la latitude entre 8 km aux pôles et 15 km au-dessus de l’Équateur. La température décroît avec l’altitude de 6¶C/km en moyenne jusqu’à son minimum à la tropopause. La troposphère représente 85% de la masse totale de l’atmosphère. Elle est le siège de plusieurs processus météorologiques et climatiques tels que le cycle de l’eau, la formation des nuages et l’eet de serre. La couche la plus basse de la troposphère appelée couche limite atmosphérique est caractérisée par des transferts d’énergie entre la surface et l’atmosphère. Les polluants émis au sol se mélangent avec l’air proche de la surface que nous respirons. Même présents en très petites quantités, ces polluants sont néfastes pour la santé humaine, ainsi que la végétation. Il est donc important de quantifier l’impact des activités humaines sur la composition de l’atmosphère.
La stratosphère est la couche atmosphérique située au-dessus de la troposphère et s’étend de la tropopause à la stratopause à environ 50 km d’altitude. Elle est caractérisée par la couche d’ozone qui protège la vie sur Terre en absorbant la plus grande partie du rayonnement ultraviolet émis par le Soleil. Par conséquent, la température y croît régulièrement avec l’altitude. Au plus haut point de la stratosphère (la stratopause), la température avoisine 270 Kelvin (K). La stratosphère est dynamiquement stable, à cause de l’absence de convection régulière ou de turbulences associées à cette couche de l’atmosphère. L’un des problèmes majeurs associé à cette couche et auquel l’humanité fait face actuellement est la destruction de la couche d’ozone au-dessus des deux pôles terrestres, liée aux activités humaines.
La mésosphère est située entre la stratopause à 50 km et la mésopause à 90 km, la température y décroît régulièrement avec l’altitude. C’est à la mésopause qu’on trouve les températures les plus basses de l’atmosphère terrestre (-173°C). Cette couche est considérée comme une zone de transition entre l’environnement atmosphérique classique et l’environnement spatial.
La thermosphère est une zone atmosphérique située au-dessus de la mésopause entre 85 km et 600 km d’altitude. Elle est caractérisée par une forte croissance de la température avec l’altitude. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons à la couche la plus basse de l’atmosphère (la troposphère) telle qu’on l’a définie dans cette section, qui est constituée de plusieurs polluants qui se mélangent avec l’air que nous respirons.
Polluants gazeux
L’ozone troposphérique
Dans la troposphère, l’ozone (O3) est un polluant atmosphérique et un gaz à eet de serre qui n’est pas directement émis mais produit chimiquement dans l’atmosphère à partir de réactions chimiques complexes. Par conséquent, l’O3 est qualifié d’espèce secondaire. C’est une espèce relativement stable, son temps de vie chimique étant typiquement de l’ordre de une à quelques semaines. L’oxydation photochimique du monoxyde de carbone (CO), du méthane (CH4) et des composés organiques volatils (COVs), en présence d’oxydes d’azote (NOx) reste la source majeure de la production d’ozone, aussi bien à l’échelle locale et régionale que globale. Ces composés constituent donc ce qu’on appelle les précurseurs chimiques de l’ozone. Les plus fortes concentrations d’ozone troposphérique sont souvent observées pendant l’été à cause des réactions chimiques qui se produisent sous l’eet du rayonnement solaire. Les pics de pollution peuvent être aussi observés lors d’épisodes de forte circulation automobile, mais surtout sous des conditions météorologiques particulières qui favorisent la production photochimique de l’O3, comme des températures élevées et des vents faibles (Meleux et al., 2007; Jacob and Winner, 2009; Im et al., 2011) .
Bilan de l’ozone troposphérique à l’échelle globale
À l’échelle globale, la distribution spatiale et temporelle de l’ozone troposphérique est régie par quatre principaux processus : production et perte chimiques, le dépôt sec au sol et l’échange troposphère-stratosphère. Plusieurs études de modélisation se sont intéressées au bilan global de l’ozone troposphérique durant la période contemporaine (2000), en estimant les 4 processus (Fig. 1.2). La charge globale de l’O3 troposphérique estimée varie aux alentours de 340 Tg/an. Parmi les estimations qui ont été fournies, on cite deux études multi-modèles de référence : 344 ± 39 Tg/an estimé par Stevenson et al. (2006) et 337 ± 23 Tg/an estimé par Young et al. (2013). Malgré les incertitudes liées au calcul de ces processus, les observations par satellites fournissent des résultats similaires à ceux donnés par les modèles, variant entre 319 et 351 Tg/an (Fig. 1.2). Les estimations de la production et de la perte chimique représentent respectivement 5110 ± 606 et 4668 ± 727 Tg/an pour Stevenson et al. (2006), et 4877 ± 853 et 4260 ± 645 Tg/an pour Young et al. (2013). Par conséquent, ces processus chimiques (production et perte chimiques) sont les termes qui dominent le bilan de manière à contrôler les niveaux d’ozone troposphérique. La troposphère libre abrite l’essentiel de la production et de la perte chimique de l’ozone. La distribution spatiale de ces processus chimiques varie considérablement selon la localisation des émissions des précurseurs d’ozone. Le dépôt sec au sol varie aux alentours de 1000 Tg/an, ce qui fait de ce processus le puits le plus important d’ozone. Le dépôt sec d’ozone est plus important sur les surfaces continentales et végétales (Fowler et al., 2001), que sur les océans où la vitesse de dépôt est négligeable (Wesely and Hicks, 2000). Le transport des masses d’air entre la stratosphère et la troposphère par mélange vertical et horizontal, appelé aussi échange troposphère-stratosphère, apporte à la troposphère aux alentours de 500 Tg/an (Fig. 1.2), ce qui représente moins de 10% du terme source du bilan global de l’ozone troposphérique. Le rapport d’évaluation de l’ozone troposphérique TOAR (Tropospheric Ozone Assessment Report ; http ://www.igacproject.org/activities/TOAR) est une activité qui fait partie du projet international IGAC (International Global Atmospheric Chemistry), qui a pour mission de fournir à la communauté scientifique une évaluation de la distribution de l’ozone troposphérique ainsi que les tendances à long terme, afin d’étudier l’impact de l’ozone sur le climat, la santé et l’environnement. La base de données TOAR est constituée d’un vaste réseau d’observations de l’ozone de surface ainsi que de mesures collectées en utilisant plusieurs moyens d’observations (mesures aéroportées et ballons sondes) qui permettent d’avoir une vue globale de la distribution de l’ozone troposphérique. Les résultats du rapport montrent une nette augmentation de l’ozone de surface depuis l’année 2000 sur pour plusieurs sites loin de la pollution locale ainsi que pour un grand nombre de sites très pollués en Asie de l’Est. Les moyens d’observations déployés (ballons sondes, satellites et avions) à travers la région tropicale (depuis l’Amérique du sud jusqu’à l’ouest de l’Océan Pacifique) montrent une augmentation de la colonne troposphérique d’ozone depuis les années 90. Le rapport indique aussi que la charge d’ozone troposphérique mesurée à partir des diérentes données satellitaires est de 296 Tg ± 4% pour la période 2014-2016.
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Table des matières
Introduction
1 Contexte scientifique
1.1 Pollution gazeuse et particulaire de l’atmosphère
1.1.1 Composition de l’atmosphère
1.1.2 Polluants gazeux
1.1.3 Aérosols
1.2 Pourquoi s’intéresser au Bassin Méditerranéen ?
1.2.1 Le Bassin Méditerranéen
1.2.2 Source des polluants
1.2.3 Le programme MISTRALS
1.2.4 Le projet ChArMEx
1.3 Présent et futur du système climatique
1.3.1 Eet de serre
1.3.2 Changement climatique
1.3.3 Forçage radiatif
1.3.4 Les scénarios RCPs
2 Outils de modélisation
2.1 Modélisation numérique de l’atmosphère
2.1.1 Les modèles numériques de l’atmosphère
2.1.2 Le projet ACCMIP
2.1.3 Le modèle de chimie transport MOCAGE
2.1.4 Modélisation des masses d’air
2.2 Modélisation statistique
2.2.1 Classification des masses d’air
2.2.2 Modèle statistique sources-récepteur orienté
2.3 Les observations in situ
2.3.1 Les observations de surface Air Quality e-Reporting
2.3.2 Les observations aéroportées dans le cadre du programme ChArMEx
3 Évolution future de l’ozone de surface au-dessus du Bassin Méditerranéen
3.1 Résumé de l’article en français
3.2 Article I
4 Transport de la pollution gazeuse au-dessus du Bassin Méditerranéen
4.1 Résumé de l’article en français
4.2 Article II
5 Import et export de l’ozone et du monoxyde de carbone au-dessus du Bassin Méditerranéen
5.1 Simulations numériques
5.1.1 Configuration des simulations MOCAGE
5.1.2 Évaluation des simulations MOCAGE
5.1.3 MOCAGE et les campagnes de mesures aéroportées ChArMEx
5.2 Périodes d’Observations Intensives dans le cadre des campagnes TRAQA et GLAM
5.2.1 Pollution lors d’épisodes de Mistral pendant la campagne TRAQA
5.2.2 Épisodes de pollution pendant la campagne de mesures GLAM
5.3 L’ozone et le monoxyde de carbone sur le Bassin Méditerranéen pour l’année 2012
5.4 Bilan de l’ozone et du monoxyde de carbone sur le Bassin Méditerranéen pour l’année 2012
5.4.1 Évolution du bilan de l’ozone
5.4.2 Évolution du bilan du monoxyde de carbone
5.5 Conclusion
Conclusion générale
