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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

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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

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Coagulation

Collision de deux particules formant une plus grosse


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Coagulation

Nucléation

Formation de nouvelles particules

Molécules de gaz


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Coagulation

Molécules de gaz

Nucléation

Condensation

Evaporation

Condensation de molécules de gaz sur une particule existante

Molécules de gaz


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Coagulation

Nucléation

Condensation

Réactions hétérogènes

Chimie gazeuse=> Formation de composés condensablespar oxydation des COV, NOx, SOx

Evaporation


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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

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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

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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?

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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

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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

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(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%

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• 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

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• 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

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-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)

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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

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• 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

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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



2. Mécanisme de formation prenant en compte l’ensemble des processus chimiques [Thèse débutée depuis le 1/11/2019]

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• 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


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.)

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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

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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).

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• 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

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Organisation

https://sshaerosol.wordpress.com/


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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


Futurs développements


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