Présentation de l’outil SSH-aerosol Enjeux...
Transcript of Présentation de l’outil SSH-aerosol Enjeux...
Présentation de l’outil SSH-aerosolEnjeux scientifiques
Karine Sartelet (CEREA) et Florian Couvidat (INERIS)
14/11/2019 1
Qu’est-ce qu’un aérosol?
• Les aérosols sont des particules en suspension dans du gaz.
• Les particules sont formés de différents composés
• Primaires (poussières, carbone élementaire, …)
• Secondaires (composés inorganiques, organiques, …).
• Différentes tailles: du nm à ̴10 µm
• Emissions ≠ Concentrations
14/11/2019 2
Composition des particules PM10 au Cap Corse pendant l’été 2013 (Chrit et al. 2018, Atmos. Chem, Phys.)
Poussière
Carbone élémentaire
Matière organique
Matière inorganique
Les modèles d’aérosols
14/11/2019 3
Coagulation
Collision de deux particules formant une plus grosse
Les modèles d’aérosols
14/11/2019 4
Coagulation
Nucléation
Formation de nouvelles particules
Molécules de gaz
Les modèles d’aérosols
14/11/2019 5
Coagulation
Molécules de gaz
Nucléation
Condensation
Evaporation
Condensation de molécules de gaz sur une particule existante
Molécules de gaz
Les modèles d’aérosols
14/11/2019 6
Coagulation
Nucléation
Condensation
Réactions hétérogènes
Chimie gazeuse=> Formation de composés condensablespar oxydation des COV, NOx, SOx
Evaporation
Les modèles d’aérosols
14/11/2019 7
Coagulation
Nucléation
Condensation
EvaporationChimie gazeuse
Exemples:- MAM (Modal Aerosol Model, Sartelet et al. 2006 Aer. Sci. Tech.)- SIREAM (Size Resolved AerosolModel, Debry et al. 2007 Atmos. Chem. Phys.)- Modules d’aérosols de CHIMERE (Bessagnet et al. 2004, Couvidatet al. 2018 Geophys. Mod. Dev.)- MADE3 (Modal AerosolDynamics model forEurope, Kaiser et al. 2019 Geosci.
Mod. Dev)
Réactions hétérogènes
Modèle 3D versus modèle d’aérosols
14/11/2019 8
Emissions
(anthropiques/
naturelles)
Transport
(météorologie)
Module radiatif
Dépôt de polluants
Formation et chimie des
nuages
Formation gaz et aérosols
Différents types de modèles 3D:
- Echelle locale: par exemple CFD, modèles de rue
- Modèles chimie transport
- Modèles de climat/météorologique
Modèle 3D versus modèle d’aérosols
14/11/2019 9
Différents types de modèles 3D:
- Echelle locale: par exemple CFD, modèles de rue
- Modèles chimie transport
- Modèles de climat/météorologique
Emissions
(anthropiques/
naturelles)
Transport
(météorologie
Module radiatif
Dépôt de polluants
Formation et chimie des
nuages
Formation gaz et aérosolsSSH-aerosol
Modèle de formation de particules:
1. Utilisable dans différents types de modèles 3D
Représentation cohérente des aérosols pour la modélisation multi-échelle
approches très simples / très rapides ET des approches complexes / plus réalistes / prenant plus de temps de calcul
2. Utilisé par les expérimentateurs
Intégration de nouveaux processus dans le modèle grâce aux mesures des expérimentateurs
Pourquoi SSH-aerosol?
14/11/2019 10
Module de chimie gazeuse H²O
Formation des composés condensables
Module SCRAM:Résout les équations de formation et d’évolution des particules
Module thermodynamique Calcule les équilibres entre concentrations dans le gaz et concentrations dans la particuleISORROPIA pour inorganiquesSOAP pour organiques
La gestion des aérosols inorganiques par SOAP est en phase de tests
Appel au module thermodynamique
Structure du modèle
14/11/2019 11
Données d’entrées:Concentrations de précurseurs et de particules + paramètres météorologiques
Concentrations de particules (nombre et masse)
(Zhu et al. 2015, Geosci. Mod. Dev.)
(Couvidat et Sartelet, 2015, Geosci. Mod. Dev. )
(Couvidat et al. 2012 JGR, Chrit et al. 2017 Atmos. Chem. Phys., Majdi et al. Atmos. Chem. Phys. 2019)
(Couvidat et al. en préparation)
Les défis actuels: La modélisation petite échelle et à proximité des sources
• Temps caractéristiques plus petits=> Importance de la dynamique des particules, du partitionnement gaz/particules.
=> Importance de l’état de mélange des particules
14/11/2019 12
(Zhu et al. 2015, Geosci. Mod. Dev.)
Discrétisation de la composition et la taille des particules Mélange interne Mélange interne aveccomposition prédéfinie
• Particules peu mélangées• Simulation: 69% - Observation: 59%
14/11/2019 13
• Forte influence de l’état de mélange sur les concentrations en aérosols secondairesDifférence des concentrations en nitrate (%)
selon si l’état de mélange est pris en compte ou
pas (Juillet 2009) (Zhu et al. JGR 2016).
Les défis actuels: La modélisation petite échelle et à proximité des sources
(Zhu et al. Faraday Disc. 2016).
Index de l’état de mélange –hiver 2010
14/11/2019
• Forte influence de la composition et de l’état de mélange sur les propriétés optiques et donc sur les effets radiatifs des aérosols
• Quelle description de l’état de mélange est nécessaire pour une bonne modélisation du rayonnement et des effets radiatifs des aérosols?
Impact des aérosols sur le rayonnement direct
en août 2009 (%) (Sartelet et al. Atmos. Environ 2018)Effet de l’état de mélange pendant un épisode de
feux (ΔAOD en %) (Majdi et al. Atmos. Environ. 2019)
Les défis actuels: Rayonnement et climat
• Importante pour la santé
• Nombre de particules élevé – masse faible
14/11/2019 15
-4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00
Diamètre (mm)
Dis
trib
uti
on
du n
om
bre
(# c
m-3
)
1 100,10,01
105
0
Mode grossier
Mode d’accumulation
Mode de nucléation
PM10PM2.5Ultrafines
8x104
6x104
4x104
2x104
1,2x105
1,4x105
1,6x105
-4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00
Diamètre (mm)
Dis
trib
uti
on d
u v
olu
me
(mm
3 c
m-3
)
Mode grossier
Mode d’accumulation
Mode de nucléation
PM10PM2.5Ultrafines
1 100,10,01
10
20
30
40
Les défis actuels: Les particules ultrafines
• Grossissent très rapidement => algorithmes numériques pour représenter la masse ET le nombre de manière précise
• Approche sectionnelle nécessaire (Sartelet et al. Aer. Sci. Tech. 2006; Devilliers et al. J. Aer. Sci 2013)
14/11/2019 16
Emissions pot
d’échappement –Condensation/
évaporation du
nonadecane(cf guide utilisateur SSH-aerosol)
Comparaison mesures/modèles
au SIRTA en juillet 2009.
Les défis actuels: Les particules ultrafines
Nombre de particules
Diamètre (µm)0,001 10
Diamètre (µm)0,001 10
(Sartelet et al. en préparation)
• Une des composantes majoritaires des particules fines
• Impacts potentiellement forts sur la santé (HAP, …)
• Nombreuses sources (biogéniques et anthropiques)
• Nombreux composés (de l’ordre de plusieurs millions)
• Difficulté de caractériser et de mesurer certains précurseurs d’aérosols anthropiques
14/11/2019 17
• La représentation des aérosols organiques est souvent très simplifiée dans les modèles de qualité de l’air
• La compréhension de la formation des aérosols organiques et des processus évolue très rapidement
=> Nécessité de maintenir le modèle pour qu’il prenne en compte l’état de l’art des connaissances
=> Nécessité d’avoir dans le modèle les processus clés pour une bonne représentation des AO
Concentrations d’aérosols organiques (OC en µg/m3) en Janvier 2013 (Couvidat et al., GMD, 2018)
Les défis actuels: La formation des aérosols organiques
• Processus clés1. Equilibre gaz/particule très détaillé par rapport à la plupart des modèles
14/11/2019 18
Approche commune: Approche SSH-aerosol:
Sans prise en compte des interactions entre composés sur le partage (idéalité)
Avec prise en compte des interactions: absorption sur l’eau, l’hygroscopicté, interactions avec les ions, l’eau et les composés organiques
Les défis actuels: La formation des aérosols organiques
• Processus clés1. Equilibre gaz/particule très détaillé par rapport à la plupart des modèles
2. Mécanisme de formation prenant en compte l’ensemble des processus chimiques [Thèse débutée depuis le 1/11/2019]
14/11/2019 19
Les défis actuels: La formation des aérosols organiques
• Prise en compte des NOX
• Formation de composés à très faible volatilité (importants pour les particules ultrafines)
• Réactions intraparticulaires (oligomérisation: formation de grosses molécules par réactions entre petites molécules)
• Réactions dans la phase aqueuse des nuages (réactions des composés phénoliques dans l’eau)
• Mécanismes de vieillissement
• Processus clés1. Equilibre gaz/particule très détaillé par rapport à la plupart des modèles
2. Mécanisme de formation prenant en compte l’ensemble des processus chimiques [Thèse débutée depuis le 1/11/2019]
3. Effet de la viscosité sur la formation d’aérosol• Il y a 7-8 ans, des études expérimentales ont montré que l’aérosol organique
n’était à l’équilibre (partage instantané) à cause de la viscosité de la particule (cinétique d’absorption et d’évaporation lente)
• Une méthode a été développée pour représenter l’effet de la viscosité dans les modèles 3D de qualité de l’air => Premier papier publié en 2019 (Kim et al. 2019 Atmos. Chem. Phys.)
14/11/2019 20
Les défis actuels: La formation des aérosols organiques
14/11/2019 21
Interface
Couche Intermédiaire
Cœur de la particule
GazCondensation/Evaporation
Forte viscosité = faible diffusionLa particule n’est plus à l’équilibre avec la phase gazeuse
Les défis actuels: La formation des aérosols organiques (exemple de la viscosité)
Diffusion
14/11/2019 22
Co
nce
ntr
atio
ns
(µg
/m3)
Simulation avec aérosol non-visqueux
Simulation avec un aérosol visqueux
Exemple d’un composé semi-volatile Exemple d’un composé non-volatile
Les défis actuels: La formation des aérosols organiques (exemple de la viscosité)
Conclusions
• SSH-aerosol: Modèle à la pointe de l’état de l’art pour la formation des aérosols.
• Intégration des connaissances sur les différents processus:• Formation des aérosols secondaires inorganiques et organiques et leurs interactions• Formation des particules ultrafines
• Répondre avec 1 seul modèle à l’ensemble des problématiques liées à la formation des aérosols de l’échelle locale à l’échelle globale.
• Modulaire - différentes approches • ± complexes • ± coûteuses en temps de calcul.
• Destiné à être implémenté dans les modèles de • CFD (processus rapides et dynamique des particules)• qualité de l’air (prise en compte de l’ensemble des processus) • météorologie/climat (état de mélange et rayonnement).
14/11/2019 23
• Comité utilisateurs et développeurs • Réunir annuellement les personnes intéressées• Présenter les utilisations de SSH-aerosol• Présenter les développements de SSH-aerosol• Recueillir les besoins et les avis
• Guide utilisateur: https://sshaerosol.wordpress.com/• Avec présentation de cas tests pour prise en main et démonstration des
fonctionnalités du code
• Possibilité de développer une interface pour faciliter l’utilisation• Version 1.0 disponible depuis octobre 2019• Suivi des développements sur GITHUB:
https://github.com/sshaerosol/ssh-aerosol
14/11/2019 24
Organisation
14/11/2019 25
SOAP• Lien avec les aérosols
inorganiques: Simuler le partage des composés inorganiques avec SOAP pour prendre en compte les interactions entre composés organiques et inorganiques sur la formation de la particule
• Etudier l’impact de la viscosité en fonction de la composition de l’aérosol organique
SCRAM• Etudier le lien entre l’état de
mélange et la thermodynamique
• Etudier le lien entre état de mélange, la formation d’aérosols et les effets radiatifs
• Optimiser la représentation de la formation des particules ultrafines.
H2O• Améliorer la représentation de
la formation des ELVOC
• Prise en compte des réactions intra-particulaires (par exemple l’oligomérisation)
• Etudier le lien entre la formation d’AOS et les émissions anthropiques
https://github.com/sshaerosol/ssh-aerosol
Futurs développements