Notre atmosphère : un milieu multiphasique Siège de...

Deguillaume Laurent

Physicien-Adjoint

Laboratoire de Météorologie Physique

Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand

Notre atmosphère : un milieu multiphasique

Siège de transformations bio-physico-chimiques

Sources

Transformations

Microphysiques Photochimie

Microbiologie

Solubilisation

Transport

Rayonnement solaire

Rayonnement IR

Aérosols

GAZ

Emissions

Impact climatique

Impact sur la pollution

Nouvelles particules d’aérosol

Gaz traces modifiés Dépôt s

humides

Evaporation

Dépôts secs

CCN

Activation

Cadre scientifique

Sources

Transformations

MicrophysiquesPhotochimie

Microbiologie

Solubilisation

Transport

Rayonnement solaire

Rayonnement IR

Aérosols

GAZ

Emissions

Impact climatique



Gaz traces modifiés

Dépôt humides

Evaporation

Dépôt secs

CCN

Activation

Plan de mon exposé

1- Les gaz et particules - Pollution

- Climat

2- Formation des nuages - Climat

3- Transformation dans les nuages - Climat

- Pollution

4- Observation des nuages

O2 CO2

N2 CH4

N2O CFC

1 an

-

100 ans ou +

Perturbation du climat

Échelle globale

O3 SO2

NOy H2SO4

HNO3 PAN

1 jour

-

1 an

Épisodes de pollution

Échelle continentale et

régionale

NO2

Aérosols

1 minute

-

1 jour

Pollution locale

Échelle urbaine

Rues Canyon

Radicaux 10 secondes

1 minute

Dominés par la chimie

Constituants majeurs : CO2 50 - 200 ans O2 5 103 ans N2 1.6 107 ans

Les gaz et les particules Formation des nuages Transformation dans les nuages Observations

Échelles : ordres de grandeur

Émissions + Chimie

Pollution régionale

Dépôt

Temps de vie

Pollution globale

CH4

CO

O3

N2O

Pollution locale


Problème: pollution à différentes échelles

Consommation annuelle d’énergie

(1012 Watts)


Pollution à l’échelle urbaine et régionale : Quelques exemples

Problèmes urbains : le « smog » de Londres SO2 , aérosols acides et suies

Année localisation mortalité excédentaire

1930 1948 1952 1962

Vallée de la Meuse Donora, Pennsylvanie Londres Londres

63 20

4000 700

Excès de mortalité associé au smog

Concentration de SO2, de particule et mortalité durant l’épisode de Londres 1952

(d’après Wilkins, 1954)

SO2 NOx

Particules

Pour tous les épisodes : fortes concentrations de SO2 et de particules, présence d’un brouillard dense

Pollution acide, due à la transformation du SO2 émis notamment par la combustion en acide sulfurique

- milieu des années 40 : premières observations dans la région de Los Angeles

=> présence d’oxydants en concentration très élevée lors de journées chaudes et ensoleillées => dommages sur les cultures agricoles liés à une nouvelle forme de pollution

expérience de laboratoire reproduisant les symptômes observés sur les plantes en les exposant à de l’air synthétique polluée contenant des composés organiques volatils (COV), des oxydes d’azote (NOx) et en présence d’irradiation solaire. Mise en évidence d’un mécanisme du type :

COV + NOx + h O3 + « autres produits »

- début des années 50 :

- 1970 à 2000 :

Concentrations élevées de O3 observées dans le panache de la plupart des grandes agglomérations urbaines (Mexico : [O3] > 400 ppbv!)

O3



Le smog de Los Angeles : ozone et oxydants photochimiques

O3OH HO2

NO NO2

NO2 NO

RO2RO

COV réduit(hydrocarbure)

COV oxydéROOH

temps de vie gamme de concentration

~ quelques semaines

~ 1 journée

~ heures - mois

~ 1 seconde

O3

NOx (NO, NO2)

COVs (> 100 espèces)

HOx (OH,HO2,RO2)

10 ppb - 200 ppb

10 ppt - 100 ppb

10 ppbC - 1 ppmC

0.1 ppt - 10 ppt

O3+h

HNO3

H2O2

RCHO +h

h

h



Pollution à l’échelle globale : Quelques exemples


L’effet de serre

Effet naturel, lié à l’existence de notre atmosphère

Augmentation de la concentration des gaz à effet de serre depuis le début de la révolution industrielle (CO2, CH4, O3 etc.)

Émissions (sources de x)

Dépôt (puits de x)

Transformations chimiques et physiques (sources et/ou puits de x)

Cx = Quantité de x

Volume

Concentration Cx et nature

Advection (transport horizontal)

Turbulence (transport vertical)

Hauteur de la couche de mélange


Evaluation de l’impact de la pollution atmosphérique


Mesures in situ

Modélisation

++ Conditions réelles -- Information intégrée

++ Interactions complexes entre processus ++ Aide à l’interprétation

des mesures in situ et en laboratoire

Mesures en laboratoire

++ Données cinétiques et thermodynamiques

-- Conditions contrôlées

Evaluation de l’impact de la pollution atmosphérique

Sources

Transformations


Microbiologie

Solubilisation

Transport

Rayonnement solaire

Rayonnement IR

Aérosols

GAZ

Emissions

Impact climatique




Dépôt humides

Evaporation

Dépôt secs

CCN

Activation

La complexité devient encore plus forte car il n’y a pas que des composés gazeux… on trouve également des particules!



- matière particulaire (liquide ou solide) omniprésente dans l’atmosphère

- taille des particules : 0.001-10 mm

- concentration en masse : 10-100 mg par m3 d’air

- composition : très variable

aérosols primaires particules émises directement dans l’atmosphère sous forme solide ou

liquide

Exemple: aérosols minéraux (érosion des sols), les sels de mer (embruns),

cendres volcaniques, la suie….

aérosols secondaires particules, formées dans l’atmosphère, par des processus de conversion de

gaz en particules

Exemple: les sulfates et les nitrates, certains métaux, la majorité des

particules organiques présentes dans l’atmosphère

Les aérosols

Bioaerosol


Pekin

Feux de puits de pétrole-Koweit


Qq exemples

1 - processus mécanique :

2 - processus physico-chimiques :

soulèvement par action du vent sur les surfaces continentales ou marines

les particules produites ont un diamètre > 1 mm

la composition des particules est semblable à celle du matériau parent

production de particules par condensation (conversion gaz/particule)

les particules produites ont un diamètre < 1 mm

deux origines principales :

combustion : condensation par refroidissement de vapeur chaude (organiques...)

transformation chimique dans l’atmosphère. Le mécanisme général est du type:

oxydation formation d’espèces peu volatiles production d’aérosol

exemple : NO2(g) + OH(g) HNO3(g) NO3-(aérosol)


Processus d’émission


Une nouvelle problématique… la matière organique

VieillissementOxydation

COSVi

O3

CO + CO2

Minéralisation

COSVj

Oligomères

Vieillissement

Oxydation

Oligmérisation

ECOC

SO42-

NO3-

Cl-

NH4+

Autres

Phase particulaire

atmosphérique

NOx, SO2 ...

Composés inorganiques

Nitrate/sulfate/ammonium...

Emissions

primaires

particules

inorganiques

Fuel /

BiomasseRéactivité

EC

réfractaire

Combustion

Mélange

Sources

océaniques

Sources

anthropiques

Sources

biogéniques

COV AOP

AOS

COSVi


Les particules sont ensuite transformées dans l’atmosphère

Station Melpitz milieu rural Mai-Juin 2008 Sulfate - augmente la journée par

condensation H2SO4

Nitrate - équilibres gaz/particules (HNO3 et NH3) Organiques - augmentation la nuit

(condensation espèces semi-volatiles en fonction de la température et RH)

- augmentation du taux d’oxydation la journée (processus photochimique/ozonolyse)

Sources

Transformations


Microbiologie

Solubilisation

Transport

Rayonnement solaire

Rayonnement IR

Aérosols

GAZ

Emissions

Impact climatique




Dépôt humides

Evaporation

Dépôt secs

CCN

Activation

On a vu que la présence des particules a un impact sur la pollution et le climat. Le nuage va alors ajouter une nouvelle dimension… La phase aqueuse (liquide ou solide) avec des impacts sur la pollution et le climat.


Condensation Evaporation

Vapeur

Eau liquide Glace

Déposition Sublimation

Congélation Fonte

Comment créer un nuage?


• Dépasser le seuil d’eau que l’air peut contenir sous forme de vapeur

• Cette capacité est fonction de la température: plus il est froid moins il peut en contenir

• Atteindre la saturation et donc la condensation :

Ajouter de l’eau à l’air OU Refroidir l’air

(très peu efficace) (processus ultra dominant)




Vapeur

Eau liquide Glace


Congélation Fonte



≠ Formation d’une interface

= Demande en énergie

Formation d’eau liquide =

Gain en énergie MAIS

Il existe une taille critique pour laquelle le rapport surface/volume devient suffisamment faible pour que l’embryon puisse grossir spontanément. Cette taille critique ne peut jamais être atteinte aux conditions thermodynamiques rencontrées dans l’atmosphère.

Nécessité d’un substrat – d’une surface hydrophile

Nécessité d’un noyau de condensation



Les particules sont présentes sur le continent dans des concentrations variant de 103 à 106 par cm3

Les sources sont nombreuses, grande variabilité physique et chimique spatialement et temporairement

Les bonnes candidates pour former les nuages sont les particules les plus grosses ou celles qui chimiquement sont très hydrophiles



Les aérosols !!

La taille et la composition chimique sont les deux paramètres sensibles (Kohler) On parle alors de noyau de condensation (CCN: Cloud Condensation Nuclei)


Gouttes liquides Cristaux de glace


Congélation Fonte

Particules d’aérosol

Activation

Nucléation

Vapeur


≠

Il sera encore plus difficile de maintenir une interface glace/air: - La congélation spontanée de l’eau n’est possible que sous -35°C la congélation spontanée des gouttelettes de solution sous -40°C - Entre -5°C et -35°C, la glace ne peut se former que par déposition de vapeur sur la particule MAIS: pour initier la glace ces particules, noyaux glaçogènes, doivent dans leur structure mimer le cristal de glace!!!



Grosse goutte de nuage

R=50 N=1000

V=27

Goutte de nuage R=10 N=1000000 V=1

Goutte de pluie R=1000, N=1, V=650

Noyau de condensation R=0.1 N=1000000 V=0.0001

Légende: R rayon en µm N nombre par l V vitesse de chute (cm/s)

taill

e

temps

condensation

Dans la population des hydrométéores il en faut une plus grosse que les autres qui commence à tomber, en collecte, grossit, tombe plus vite …. La croissance s’accélère


collision - coalescence

Les cristaux croissent au dépens des gouttelettes Les cristaux croissent à l’humidité saturante pour le liquide Plus massiques, ils peuvent précipiter dans le nuage, la collection peut commencer



Gouttes liquides Cristaux de glace


Congélation Fonte

Particules d’aérosol

Activation

Nucléation

Vapeur

Coalescence Aggrégation

Givrage


Pour avoir un nuage, il faut: - de l’air humide - qui s’élève - des particules pour servir de noyaux de condensation Pour avoir de la pluie, il faut: - des hydrométéores plus gros que les autres: - des gouttes géantes formées sur noyaux géants - des cristaux sur particules glaçogènes (3-8km) - l’eau surfondue qui atteint 10 km et congèle


Recette…


Ah, Ah…

Particule

Dissolution d’espèces chimiques réactives

(NO3-, Iron, …)

Transfert de masse Gaz liquide

Espèces chimiques solubles

(Oxydants , MO, …)

Photochimie (Gaz / gouttes / Surface)

Evaporation des espèces chimiques Précipitation

Réactivité

Impacts

Capacité oxydante de l’atmosphère – transformation des composés chimiques

Modification des propriétés physico-chimiques des particules et donc propriétés

hygroscopiques – formation des nuages

Espèces cibles

La Matière Organique (MO) émise en grande quantité par les voies anthropiques dans ce milieu


Les transformations dans le nuage

SO2 + OH H2SO4

SO2 (g) <=> SO2 (aq) H2SO4 (aq)

CH3-S-CH3 + Ox. H2SO4

Composés soufrés

Composés azotés

Composés organiques

R-CH3 + Ox. R-COOH CO2

NO2 (g) + OH (g) HNO3

Origine de l’acidité de l’atmosphère

Dimethyl Sulfide Biogenic source


Acidification dans le nuage

COV 1ière génération

RH HO• RO2•

R(OH) RCHO

RC(O)CR RCO(OH)

RO2•

COV 2ième génération

Transfert de masse : H et α

Gouttelette de nuage Phase gazeuse

CO2

-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

Log

(pre

ssio

n d

e v

ape

ur

[mm

Hg]

)

-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

Log

( co

nst

ante

de

He

nry

[M

.atm

-1])

-3 -3

SAR: Structure Activity Relationship

LMC

Transfert de masse : H et α

Cinétique Analogie SAR

R•

Degré d’oxydation

104 à 105 COV mesurés (Goldstein et Galbally, 2007)

LMC: Large Multifonctional Compounds

Produits réactionnels Cinétiques

Incertitudes


Transformation photochimiques

-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

Log

(pre

ssio

n d

e v

ape

ur

[mm

Hg]

)

-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 Lo

g (

con

stan

te d

e H

en

ry [

M.a

tm-1

])

-3 -3

Glycolaldéhyde

- HO2•

Glyoxal

+ CH2O +

Acide glyoxylique Acide oxalique

Ethylène

HO•

HO•

Ervens et al. (2003)

C C

H

H H

H

C C

O2•

H

H

H

HO

H

NO

NO2

C C

O

HH

HO

H

CH2O + HO2• + CO2

C C

O

O2•H

HO

H C C

O

HH

O

C C

O

HH

HO

H C C

OH

OHHO

HO

H HHO•

C C

O

HHO

O

HO•

HO•

C C

O

OHHO

O

HO•

CO2 + HO2•

Phase gazeuse

Phase aqueuse

104 à 105 COV mesurés (Goldstein et Galbally, 2007)

Degré d’oxydation


Transformation photochimiques Kampf et al. (2013)

Transfert de masse (H, α)

Gouttelette de nuage

Goutte de pluie

Dilution

Transfert de masse (H, α)

Collision Coalescence

Congélation, Collection

Fonte

Cristaux de glace

Gaz

Rétention

Enfouissement

Dépôt de vapeur

Dégazage

C C

O

HH

HO

H

C C

O

HH

HO

H

C C

O

HH

HO

H C C

O

HH

HO

H

C C

O

HH

HO

H

C C

O

HH

HO

H

C C

O

HH

HO

H

Précipitation

Givrage

Incertitudes


Impact des processus microphysiques


Une nouvelle problématique – les microorganismes


Les microorganismes – effet sur la chimie

Réactivité

chimique

Oxydation

Formation

LMC

Activité

métabolique

Biodégradation

Production

métabolites

Présence de micro-organismes viables

Utilisation des sources de carbone et interactions avec les oxydants

Synthèse de composés de haute masse moléculaire

(EPS, biosurfactants, etc.)

Les bactéries sont connues pour induire la congélation de gouttelettes d’eau nuageuse surfondues.

Sur leur membrane, elle possède des structures protéiniques responsables de l’activité glaçogène (nucléation de la glace).

Les bactéries sont les plus efficaces connues.

Effet sur le nuage, mécanisme de précipitation et surtout quelle concentration?

GRAM + GRAM -

Hygroscopicité

Tension de surface

Activation CCN - complexe

Propriétés de membranes Production de biosurfactants


Les microorganismes – effet sur la microphysique

Mesures in situ

Modélisation

++ Conditions réelles -- Information intégrée

++ Interactions complexes entre processus

++ Aide à l’interprétation des mesures

in situ et en laboratoire

Mesures en laboratoire

++ Données cinétiques et thermodynamiques

-- Conditions contrôlées


Evaluation de l’impact des nuages

Observations

L’observatoire du puy de Dôme

« La tête dans les nuages »

Un exemple de mesures in situ !


Où mesurer les différents composantes de l’atmosphére Structure Verticale de l’Atmosphère


Les mesures in situ au sol

Troposphère libre

Couche Limite

Epaisseur: 500-2000 m Temps de permanence des Polluants:

1 heure Echelle caractéristique : 1-10 km

Variabilité est due à la proximité des sources =

Information locale

0 km

10 km

Epaisseur: 500-10000 m Temps de permanence des polluants:

1 semaine Echelle caractéristique : 100 km

La variabilité est due au transport =

Information globale

0 1 / 2 0 0 1 0 3 / 2 0 0 1 0 5 / 2 0 0 1 0 7 / 2 0 0 1 1 0 / 2 0 0 1 1 2 / 2 0 0 1

2 0

4 0

6 0

8 0

Ozo

ne

(pp

b)

P i c d u M i d i

O H P

P u y d e D ô m e

D o n o n


http://www.free-clipart.net/cgi-bin/clipart/directory.cgi?action=view&link=clipart/Landscapes&image=Park.jpg&img=48

Le sommet du puy de Dôme en hiver souvent immergé dans des nuages


Soufflerie – aspirateur!


Puy de Dôme (Fr) (1465 m)

Gaz O3: Ozone

CO: Oxyde de carbone NO, NO2, NOy : Oxydes d’azote

SO2: dioxyde de soufre CO2: dioxyde de carbone

Météorologie Vitesse et direction du vent

Profils de vent jusqu’à 17 km Pression, Humidité, Température

Précipitations Rayonnement

Station météo pour les parapentistes

http://wwwobs.univ-bpclermont.fr

Poussières Nombre et taille (10 nm et 10µm)

Composition chimique Masse

Propriétés optiques Propriétés hygroscopiques

Epaisseur optique

PM10 Hi-Vol

Aérobiologie Bactéries, virus, spores dans les

gouttelettes de nuage

Radioactivité Radon

Radionucléides naturels (Be7, Pb210..)

Radionucléides artificiels (Cs137..)


Nuages Nombre de gouttes

Chimie des gouttes et de la pluie Quantité d’eau Liquide

Noyaux de condensation

Impacteurs gouttellettes

CVI

Valorisation Tests pour l’aéroporté

Givrage

Soufflerie de recherche

Marin Continentale Anthropique Saharien


Classification des nuages???

Classification des nuages??? Avec la chimie!!


Conservation par congélation et lyophilisation

Identification par séquençage de l’ARN 16S et 26S

~ 0,1 – 1 % des cellules viables de l’eau nuageuse sont cultivables

+ De 500 souches isolées


Notre atmosphère : un milieu multiphasique Siège de...

Documents

Transcript of Notre atmosphère : un milieu multiphasique Siège de...