Etude expérimentale et théorique des mécanismes microphysiques mis en jeu dans la capture des aérosols radioactifs par les nuages PDF Download
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Author: Alexis Dépée
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Book Description
Les particules atmosphériques sont un sujet d'importance dans plusieurs couches de la société. Leur présence dans l'atmosphère est aussi bien une problématique météorologique et climatique qu'un enjeu de santé publique, notamment de par l'accroissement des maladies cardiovasculaires. En particulier, les particules radioactives émises dans l'atmosphère à la suite d'un accident nucléaire peuvent polluer les écosystèmes durant plusieurs années. Le récent accident du Centre Nucléaire de Production d'Électricité de Fukushima Daiichi en 2011 nous rappelle que, même aujourd'hui, le risque zéro n'existe pas. À la suite d'une émission dans l'atmosphère, les particules nanométriques diffusent et s'agglomèrent alors que les particules de plusieurs micromètres sédimentent. Les tailles intermédiaires vont, quant à elles, pouvoir être transportées à l'échelle globale dont le mécanisme principal de rabattement au sol provient des interactions avec les nuages et les précipitations. Afin d'améliorer la connaissance de la contamination des sols consécutive à de tels accidents, la compréhension de la capture des aérosols par les nuages est alors essentielle. Dans ce but, un modèle microphysique est implémenté dans ce travail, considérant les mécanismes microphysiques qui interviennent dans la capture des aérosols par des gouttes de nuage, notamment les forces électrostatiques dès lors que les radionucléides ont pour propriété de fortement se charger. Des mesures en laboratoire sont alors réalisées à l'aide de In-CASE (In-Cloud Aerosols Scavenging Experiment), expérience conçue dans ce travail, afin de comparer le modèle développé aux observations, et ce, toujours à une échelle microphysique où les paramètres d'influence régissant la capture au sein du nuage sont contrôlés. Par ailleurs, des systèmes de charge des particules et des gouttes sont conçus pour soigneusement maîtriser les charges électriques, tandis que l'humidité relative est précisément pilotée. Les nouvelles connaissances de la capture des particules par des gouttes de nuage qui en découlent, concernant entre autres les effets électrostatiques, sont ensuite incorporées au modèle de nuage convectif DESCAM (Detailed SCAvenging Model). Ce modèle à microphysique détaillée décrit un nuage de sa formation jusqu'aux précipitations, permettant d'étudier l'impact des nouvelles données sur le rabattement des particules à méso-échelle. De plus, des modifications sont apportées à DESCAM pour élargir l'étude aux nuages stratiformes qui constituent en France, la majorité des précipitations. À terme, cette étude ouvre la voie à l'amélioration de la modélisation du rabattement atmosphérique des particules, et notamment à la contamination des sols dans les modèles de crise de l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire.
Author: Alexis Dépée
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Les particules atmosphériques sont un sujet d'importance dans plusieurs couches de la société. Leur présence dans l'atmosphère est aussi bien une problématique météorologique et climatique qu'un enjeu de santé publique, notamment de par l'accroissement des maladies cardiovasculaires. En particulier, les particules radioactives émises dans l'atmosphère à la suite d'un accident nucléaire peuvent polluer les écosystèmes durant plusieurs années. Le récent accident du Centre Nucléaire de Production d'Électricité de Fukushima Daiichi en 2011 nous rappelle que, même aujourd'hui, le risque zéro n'existe pas. À la suite d'une émission dans l'atmosphère, les particules nanométriques diffusent et s'agglomèrent alors que les particules de plusieurs micromètres sédimentent. Les tailles intermédiaires vont, quant à elles, pouvoir être transportées à l'échelle globale dont le mécanisme principal de rabattement au sol provient des interactions avec les nuages et les précipitations. Afin d'améliorer la connaissance de la contamination des sols consécutive à de tels accidents, la compréhension de la capture des aérosols par les nuages est alors essentielle. Dans ce but, un modèle microphysique est implémenté dans ce travail, considérant les mécanismes microphysiques qui interviennent dans la capture des aérosols par des gouttes de nuage, notamment les forces électrostatiques dès lors que les radionucléides ont pour propriété de fortement se charger. Des mesures en laboratoire sont alors réalisées à l'aide de In-CASE (In-Cloud Aerosols Scavenging Experiment), expérience conçue dans ce travail, afin de comparer le modèle développé aux observations, et ce, toujours à une échelle microphysique où les paramètres d'influence régissant la capture au sein du nuage sont contrôlés. Par ailleurs, des systèmes de charge des particules et des gouttes sont conçus pour soigneusement maîtriser les charges électriques, tandis que l'humidité relative est précisément pilotée. Les nouvelles connaissances de la capture des particules par des gouttes de nuage qui en découlent, concernant entre autres les effets électrostatiques, sont ensuite incorporées au modèle de nuage convectif DESCAM (Detailed SCAvenging Model). Ce modèle à microphysique détaillée décrit un nuage de sa formation jusqu'aux précipitations, permettant d'étudier l'impact des nouvelles données sur le rabattement des particules à méso-échelle. De plus, des modifications sont apportées à DESCAM pour élargir l'étude aux nuages stratiformes qui constituent en France, la majorité des précipitations. À terme, cette étude ouvre la voie à l'amélioration de la modélisation du rabattement atmosphérique des particules, et notamment à la contamination des sols dans les modèles de crise de l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire.
Author: Jean-Pierre Lacaux
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Languages : fr
Pages : 229
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LA MEMOIRE REPOSE SUR UNE SERIE DE TRAVAUX QUI SE SITUENT DANS LE CONTEXTE GENERAL DES RECHERCHES RELATIVES A L'EFFET POSSIBLE D'UN ENSEMENCEMENT PAR DES PARTICULES D'IODURE D'ARGENT (AGI) DANS LES ORAGES A GRELE. PLUS PARTICULIEREMENT, CES TRAVAUX CONCERNENT D'UNE PART LA METHODOLOGIE DE DETERMINATION DU CONTENU EN AGI DES PRECIPITATIONS PRODUITES PAR LES NUAGES ENSEMENCES, D'AUTRE PART LA RECONSTITUTION, A PARTIR DE MESURES AU SOL ET PAR TELEDETECTION, DE L'HISTOIRE DE L'AGENT D'ENSEMENCEMENT A PARTIR DE SON INJECTION: CETTE RECONSTITUTION EST ENTREPRISE DE FACON APPROFONDIE DANS QUATRE CAS D'ETUDE TIRES DE L'EXPERIENCE HELVETICO-FRANCO-ITALIENNE GROSSVERSUCH IV. ENFIN UNE ETUDE PAR SIMULATION NUMERIQUE VIENT SOUTENIR L'INTERPRETATION, ET CONDUIT A DES CONCLUSIONS SUR LES RESULTATS OBTENUS, ET PLUS GENERALEMENT LES CONDITIONS NECESSAIRES POUR LA REALISATION DE CE TYPE D'ETUDE ET LES RESULTATS QUE L'ON PEUT EN ATTENDRE
Author: NIKOLAOS.. HATZIANASTASSIOU
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Languages : fr
Pages : 170
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LES INTERACTIONS ENTRE LES PARTICULES D'AEROSOLS, LES NUAGES ET LE RAYONNEMENT SOLAIRE CONSTITUENT UN SYSTEME TRES COMPLEXE. CES INTERACTIONS SONT ASSEZ MAL CONNUES ET ELLES SONT PARAMETRISEES DANS LES MODELES CLIMATIQUES ACTUELS, DE FACON IMPARFAITE. DANS CES MODELES, ON CONSIDERE QUE LES AEROSOLS NE SE MODIFIENT PAS. CEPENDANT, EN SE SERVANT DES NOYAUX DE CONDENSATION (CCN), LES PARTICULES D'AEROSOLS PARTICIPENT A PLUSIEURS CYCLES NUAGEUX AVANT D'ETRE LESSIVEES ET DEPOSEES A LA SURFACE TERRESTRE. A CAUSE DE DIVERS PROCESSUS QUI ONT LIEU PENDANT UN CYCLE NUAGEUX LES PARTICULES D'AEROSOLS SUBISSENT DES MODIFICATIONS PAR LES NUAGES. AINSI, A LA FOIS LEURS EFFETS DIRECT ET INDIRECT PEUVENT ETRE MODIFIES EGALEMENT. L'OBJET DE CETTE ETUDE EST L'INFLUENCE DE LA SUCCESSION DES CYCLES NUAGEUX SUR L'EFFET INDIRECT DES PARTICULES D'AEROSOLS. UN MODELE MICROPHYSIQUE SPECTRAL (DESCAM) A SERVI POUR L'ETUDE DE L'INFLUENCE D'UN SPECTRE DE PARTICULES D'AEROSOLS SUR LES PROPRIETES MICROPHYSIQUES D'UN NUAGE AINSI QUE LA REDISTRIBUTION DE CE SPECTRE APRES L'EVAPORATION DU NUAGE. EN UTILISANT UN CODE DE CALCULS DE MIE ET UN MODELE DE TRANSFERT RADIATIF, LES PROPRIETES OPTIQUES ET RADIATIVES ONT ETE ESTIMEES POUR DIFFERENTS TYPES DE NUAGES. L'IMPACT DE LA MICROPHYSIQUE SUR LES PROPRIETES RADIATIVES ET OPTIQUE DE NUAGES A ETE ETUDIEE EN CALCULANT L'EVOLUTION TEMPORELLE DE CES PROPRIETES EN LIAISON AVEC L'EVOLUTION DES PROPRIETES MICROPHYSIQUES NUAGEUSES. LES COMPARAISONS ENTRE LES RESULTATS DU MODELE ET LES OBSERVATIONS LORS DE LA CAMPAGNE EXPERIMENTALE NARE 1993 ONT MONTRE UN BON ACCORD. QUELQUES SCHEMAS DE PARAMETRISATIONS DES PROPRIETES RADIATIVES DE NUAGES COMPARES AVEC LES RESULTATS DU MODELE DETAILLE ONT MONTRE DES DEVIATIONS IMPORTANTES. LES RESULTATS SONT PRESENTES POUR UN SEUL ET POUR PLUSIEURS CYCLES NUAGEUX AINSI QUE POUR DIFFERENTS CAS DE POLLUTION ATMOSPHERIQUE. DE PLUS, UNE ETUDE PRELIMINAIRE SUR L'INFLUENCE DES CYCLES NUAGEUX CONSECUTIFS SUR L'EFFET DIRECT DES PARTICULES D'AEROSOLS EST DONNEE.
Author: Pierre Monnier (météorologiste.)
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Pages : 58
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Author: Madé Fode
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Pages : 50
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Author: Sarah Berthet
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Languages : fr
Pages : 208
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Un bilan des aérosols en jeu (CCN et IN) dans les processus de nucléation des particules de nuage élémentaires (gouttelettes et cristaux de glace) est implanté dans un nouveau schéma microphysique à 2 moments dans le modèle MésoNH. Il répond à la nécessité d'intégrer un suivi des concentrations en noyaux de nucléation dans la microphysique du nuage. En effet CCN et IN déterminent la concentration en nombre des gouttelettes et des cristaux primaires ; ceux-ci sont à l'origine de processus microphysiques qui déterminent les propriétés radiatives et précipitantes du nuage. Ainsi, l'intérêt pour le bilan radiatif des nuages à l'échelle globale nécessite-t-il de pouvoir estimer localement l'impact des aérosols sur les nuages, grâce à des outils de modélisation numérique à l'échelle des structures nuageuses qui sont capables de résoudre les processus de nucléation hétérogène des gouttelettes et des cristaux à partir des CCN et des IN, respectivement. En conséquence, le bilan des particules d'aérosols réalisé dans MésoNH s'appuie sur le traitement des concentrations en aérosols, à la fois interstitiels et activés pour chaque mode de CCN et d'IN, au moyen de couples de variables 3D pronostiques. Le bilan considère les principaux termes reflétant l'interaction aérosol-nuage, avec une attention particulière accordée à la représentation des processus de nucléation hétérogène des particules nuageuses. Ainsi établi, ce bilan permet de considérer simultanément l'activation de populations multimodales de CCN et d'IN, leur lessivage par impaction, leur transport, et donc la variabilité spatio-temporelle de ces noyaux de nucléation. La sensibilité d'un système nuageux à la formulation de la nucléation hétérogène de la glace est mise en évidence sur un cas de nuage orographique. Un cas idéalisé de ligne de grain est ensuite utilisé pour illustrer les interactions complexes qui existent entre la dynamique et la microphysique nuageuse lorsqu'elle est pilotée par une population multimodale d'aérosols.
Author: Olivier Boucher
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Languages : fr
Pages : 223
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LA QUESTION DE L'INFLUENCE DES AEROSOLS SUR LE CLIMAT EST DEVENUE PRIMORDIALE POUR LA COMPREHENSION DU SYSTEME CLIMATIQUE. LES AEROSOLS SONT EN EFFET SUSCEPTIBLES D'AVOIR CONTREBALANCE, TOUT DU MOINS EN PARTIE, L'EFFET DE SERRE ADDITIONNEL DES GAZ TRACES D'ORIGINE ANTHROPIQUE DEPUIS LE DEBUT DE L'ERE INDUSTRIELLE. ILS INFLUENCENT LE CLIMAT PAR LEUR EFFET SUR LE RAYONNEMENT ATMOSPHERIQUE. CET EFFET PEUT ETRE DIRECT PAR DIFFUSION ET ABSORPTION DU RAYONNEMENT SOLAIRE ET TELLURIQUE, OU INDIRECT PAR L'INTERMEDIAIRE DES NUAGES DONT ILS MODIFIENT LES PROPRIETES MICROPHYSIQUES ET OPTIQUES. CETTE THESE ABORDE LE PROBLEME DES AEROSOLS A L'ECHELLE GLOBALE, AVEC POUR OBJET DE QUANTIFIER LES FORCAGES RADIATIFS DIRECT ET INDIRECT DES AEROSOLS. LE PREMIER CHAPITRE EST CONSTITUE D'UNE BREVE INTRODUCTION ET DE RAPPELS THEORIQUES SUR LES AEROSOLS, LEUR ACTIVATION DANS LES NUAGES ET LEURS PROPRIETES OPTIQUES. LE SECOND CHAPITRE PRESENTE BRIEVEMENT LES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DU MODELE DE CIRCULATION GENERALE UTILISE PAR LA SUITE, ET EN PARTICULIER LES PARAMETRISATIONS DE LA CONDENSATION, DE LA PRECIPITATION ET DU TRANSFERT RADIATIF. LE TROISIEME CHAPITRE ABORDE LA PROBLEMATIQUE DES EFFETS CLIMATIQUES DES AEROSOLS ET PRESENTE LES TRAVAUX DEJA EFFECTUES SUR LE SUJET. EN PARTICULIER, UNE PRESENTATION DES MODELES DE CHIMIE-TRANSPORT UTILISES DANS CETTE ETUDE EST REALISEE. SEULS SONT D'AILLEURS PRIS EN COMPTE ICI LES AEROSOLS SOUFRES. L'EFFET DIRECT EST ABORDE AU TRAVERS D'UNE ETUDE DE SENSIBILITE A LA TAILLE DES AEROSOLS ET A LA COMPOSITION CHIMIQUE DES AEROSOLS SOUFRES. CONTRAIREMENT A UNE IDEE REPANDUE, LA TAILLE DES AEROSOLS, POURVU QUE CEUX-CI RESTENT DANS LE MODE D'ACCUMULATION, ET LA COMPOSITION CHIMIQUE DES AEROSOLS, POUR LE SYSTEME NH#4/SO#4/H#2O, JOUENT UN ROLE LIMITE DANS LA DETERMINATION DU FORCAGE RADIATIF. DES CALCULS RADIATIFS, EFFECTUES SUR UNE COLONNE ISOLEE AVEC DES MODELES DE COMPLEXITE CROISSANTE, NOUS PERMETTENT DE DRESSER UNE LISTE DES FACTEURS EXTERNES QUI MODULENT FORTEMENT L'EFFET DIRECT DES AEROSOLS, COMME L'ANGLE ZENITHAL DU RAYONNEMENT SOLAIRE INCIDENT, LA NEBULOSITE, OU L'ALBEDO DE SURFACE. LES CORRELATIONS ENTRE CES PARAMETRES SONT UNE SOURCE POTENTIELLE IMPORTANTE D'INCERTITUDES DANS LE CALCUL DE L'EFFET DIRECT. DANS LE CINQUIEME CHAPITRE, NOUS UTILISONS DEUX APPROCHES FORT DIFFERENTES POUR ESTIMER L'EFFET INDIRECT. LA PREMIERE REPOSE SUR UNE RELATION EMPIRIQUE ENTRE LA CONCENTRATION MASSIQUE EN SULFATES ET LA CONCENTRATION DU NUAGE EN GOUTTELETTES. LA SECONDE EXPLOITE LE CONTRASTE HEMISPHERIQUE DE TAILLE DE GOUTTELETTES OBSERVE PAR SATELLITE. CES DEUX ESTIMATIONS CONDUISENT, DE MANIERE QUELQUE PEU FORTUITE, A DES FORCAGES RADIATIFS SIMILAIRES. TOUTEFOIS, CES DEUX APPROCHES RESTENT DES ETUDES DE SENSIBILITE ; UNE QUANTIFICATION DES INCERTITUDES, LORSQUE CELA EST POSSIBLE, NOUS APPELLE EN EFFET A BEAUCOUP DE PRUDENCE. LA DERNIERE PARTIE PRESENTE UNE PARAMETRISATION PLUS COMPLETE, MAIS PRELIMINAIRE, DE LA MICROPHYSIQUE DES NUAGES D'EAU LIQUIDE ET CONSTITUE UN PREMIER PAS VERS UNE MEILLEURE PRISE EN COMPTE DES EFFETS INDIRECTS DES AEROSOLS DANS UN MODELE DE CIRCULATION GENERALE
Author: Dimitri Caro
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Languages : fr
Pages : 197
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Les propriétés microphysiques des aérosols et des hydrométéores ont des conséquences à l'échelle locale (précipitations, pics de pollution), régionale (inondations, pluies acides), et globale (changements climatiques). Une étude multi-échelle s'impose donc pour comprendre et prédire de façon satisfaisante les phénomènes météorologiques concernant les aérosols et les nuages. Les limitations de temps de calcul et de mémoire rendent actuellement impossible une modélisation détaillée des processus microphysiques. Des schémas microphysiques plus simples doivent donc être développés pour déterminer à partir des processus et des caractéristiques de petite échelle, les propriétés grande échelle des aérosols et nuages. Un schéma quasi-spectral de microphysique chaude BUSCAM ("bulk scavenging model") a été développé pour prédire les concentrations et les rapports de mélange des aérosols, des gouttelettes et des gouttes de pluie. Il considère, explicitement et analytiquement, la nucléation des gouttelettes (Abdul-Razzak et al., 2000), la condensation et l'évaporation (Chaumerliac et al., 1987), les processus de rupture et de collision-coalescence des gouttes avec les noyaux de collection de Long (1974) et la paramétrisation de l'autoconversion de Berry et Reinhardt (1974), ainsi que le lessivage des aérosols. Le schéma a été testé dans le cadre de la dynamique simple du modèle parcelle d'air, et comparé avec les résultats de detailed scavenging model DESCAM (Flossmann et al., 1985). Ensuite, il a été utilisé dans le cadre dynamique du modèle cinématique 2D (Szumowski et al., 1998) dédié au Hawaiin Rainband Project (1990), puis comparé avec les observations et les résultats de DESCAM. Les résultats montrent que le BUSCAM se comporte de façon satisfaisante. De plus, ce modèle permet pour la première fois de traiter simultanément l'évolution des nuages et le lessivage des aérosols. Il améliore donc la représentation des interactions entre les nuages et la pollution atmosphérique
Author: Nicolas Maury
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Languages : fr
Pages : 232
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Book Description
Les cumulus, nuages convectifs peu profonds, résultent de convection humide où la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère a pu condenser sur les particules d'aérosols. Ces nuages, de par leurs impacts radiatifs sur le bilan énergétique de la Terre, leur rôle dans la distribution de l'eau dans la troposphère et leur présence importante sur le globe sont des éléments clés du climat. Cependant, leur durée de vie courte (15-30 minutes) et leur échelle spatiale restreinte (de l'ordre de la centaine de mètres voire du kilomètre) rendent leurs observations in situ délicates d'autant plus que ces nuages sont généralement advectés par le vent moyen. Enfin, il est important de comprendre les processus de mélange entre les cumulus et l'environnement car ceux-ci peuvent modifier la thermodynamique de ces nuages et impacter leur cycle de vie. Le projet NEPHELAE (Network for studying Entrainment and microPHysics of cLouds using Adaptive Exploration) a donc pour objectifs d'étudier ces processus de mélange par une caractérisation spatio-temporelle complète de la microphysique et de la dynamique des nuages grâce au développement d'une flotte de drones. L'objectif de cette thèse est donc de mettre au point une stratégie expérimentale afin d'étudier les processus nuageux par plusieurs drones. La méthodologie employée combine études numériques et observations in-situ par des drones. La première partie de cette thèse se focalise sur la caractérisation des processus de mélange dans les nuages, avec l'appui de simulations LES (Large Eddy Simulation). Deux cas de convection, océanique et continentale ont été simulés par le modèle non-hydrostatique de Météo France (Méso-NH) et ont servi de support pour l'étude individuelle des cumulus, via une méthode d'identification des nuages. Les profils des processus d'entraînement (air environnemental pénétrant dans le nuage) sont plus forts à la base des nuages puis diminuent vers leur sommet avec des plus forts taux pour les nuages de petits volumes alors que le détrainement (air sortant du nuage) est quant à lui plus fort au sommet des nuages. Ces processus de mélange restent indépendants du type de convection. Ces résultats ont été confirmés par l'analyse de cumulus lors des campagnes BIO-MAIDO et NEPHELAE, par ballon captif et par drones. La deuxième partie de cette thèse se concentre sur la définition d'une nouvelle stratégie d'observations permettant la caractérisation d'une section horizontale de nuage. Après avoir simulé un champ de cumulus marins à haute résolution et haute fréquence, des trajectoires adaptatives de drones ont été définies et testées dans cette simulation. Ces trajectoires adaptatives ont été jugées suffisantes pour reproduire les champs thermodynamiques horizontaux. La stratégie expérimentale ainsi validée a été déployée en conditions réelles lors de la campagne de terrain EUREC4A. Les statistiques des cumulus traversés ainsi que les suivis adaptatifs ont permis de quantifier les hétérogénéités dans les sections horizontales des cumulus d'alizés.
Author: Yvette Fernandez
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Languages : fr
Pages : 250
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