Modélisation de la dispersion atmosphérique généralités

Mécanismes de la dispersion atmosphérique 

Dispersion turbulente : concepts généraux Un nuage de polluants rejeté dans l’atmosphère est soumis aux différents mécanismes qui régissent les écoulements de l’atmosphère. Les processus principaux sont : advection, diffusion, dépôt au sol, lessivage, et réactions chimiques éventuelles. Par définition, la dispersion turbulente est caractérisée par l’association des phénomènes d’advection et de diffusion. L’advection est le transport du nuage par le vent moyen. Ce processus déplace le nuage, et peut même changer sa forme si l’écoulement du vent n’est pas uniforme, mais ne change pas la concentration en polluant. La diffusion peut être de deux types : moléculaire ou turbulente. — La diffusion moléculaire se réfère au mouvement des molécules du nuage de polluants dans l’air, et est due aux différences de concentration observées dans l’espace (gradients de concentration). Elle a néanmoins peu d’influence dans l’étude de la pollution atmosphérique. — La diffusion turbulente, quant à elle, prédomine et est due à l’existence de tourbillons dans la CLA, qui brassent tridimensionnellement le nuage de polluants. Elle a deux origines : mécanique (cisaillement du vent) et thermique (gradient vertical de température). L’effet conjugué des phénomènes d’advection et de diffusion turbulente génère alors la dispersion du nuage de polluants. Il est important de noter que la dispersion turbulente dépend fortement des caractéristiques turbulentes de l’écoulement. Il existe en effet une gamme très large de tourbillons dans la CLA et tous participent à leur manière au transport et à la diffusion du nuage. Globalement : les gros tourbillons par rapport au nuage le déplacent et contribuent ainsi à l’advection, ceux comparables à la taille du nuage le morcellent et contribuent ainsi à la diffusion turbulente, et enfin les tourbillons petits par rapport au nuage ne sont pas efficaces pour le morceler (Perkins et al., 2005). L’efficacité de la dispersion turbulente étant due aux tailles relatives de ces tourbillons par rapport au nuage, comme celui-ci se déforme et se déplace au cours du temps, nous comprenons qu’elle variera également au fur et à mesure de l’étalement du nuage. En particulier, elle sera différente que nous soyons en champ proche ou loin de la source d’émission. Il en ressort que la modélisation de la dispersion turbulente est une tâche complexe et basée principalement sur la difficulté à modéliser correctement les structures tourbillonnaires. Nous nous attacherons dans le paragraphe 2.2 à réaliser une revue des principaux modèles et techniques existants. 25 Chapitre 2. Modélisation de la dispersion atmosphérique : généralités Au cours de ce travail de thèse, nous nous intéressons à la modélisation de la dispersion atmosphérique à l’échelle locale (milieu urbain ou autour de sites industriels), c’est-à-dire pour des distances de l’ordre de quelques mètres à quelques kilomètres et correspondant à des échelles temporelles de l’ordre de quelques dizaines de secondes à quelques dizaines de minutes : on parle de modélisation en champ proche. 2.1.2 Influence de l’environnement sur la dispersion L’environnement, par le biais de la nature des sols, du relief ou encore des bâtiments, influence fortement la dispersion des polluants et constitue donc une perturbation importante à prendre en compte lors de la modélisation de la dispersion. Pour cela, notons que deux voies sont possibles : la prise en compte implicite de la géométrie de la perturbation au sein-même de la paramétrisation mathématique du modèle, ou alors la résolution explicite tridimensionnelle des champs dynamiques permettant de décrire la géométrie de cette perturbation. Nous présentons ici succintement l’influence des différents types de perturbations dues à l’environnement. 

Influence de la nature des sols

La nature des sols intervient au niveau du paramètre de rugosité dynamique z0, introduit en chapitre 1. Exprimé en mètres, il caractérise l’influence globale de la couche limite de surface sur le profil de vent moyen. En effet, plus la rugosité est importante, plus le frottement au sol est important, et plus le profil de vitesse est cisaillé. Les propriétés thermiques (flux de chaleur) des sols sont également des facteurs influençant la dispersion. 

Influence du relief

Les reliefs accidentés (vallées, falaises, collines, etc.) modifient les écoulements atmosphériques et induisent donc une modification de leurs caractéristiques physiques, en particulier la turbulence, par rapport au cas d’un sol plat. Il est précisé dans Perkins et al. (2005) que le comportement de l’écoulement sur un relief dépend de la stabilité thermique de l’atmosphère. Dans le cas d’une atmosphère neutre, le panache suit les variations du relief. Dans le cas d’une atmosphère stable, le panache reste approximativement dans le même plan horizontal et contourne le relief.