Modélisation de l'aérosol carboné : cas particulier des particules fractales de combustion

• Auteur / Autrice : Bertrand Bessagnet
• Direction : Robert Rosset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie de l'atmosphère
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fractales

Particules (matière)

Aérosols atmosphériques

Mots clés libres

Particules

Aérosols

Distribution

Modélisation

Organiques

Fractales

Résumé

Depuis une trentaine d'années environ, les pays industrialisés pnt pris conscience des risques pour l'avenir de notre atmosphère si rien n'était entrepris pour modifier notre comportement vis à vis de l'environnement. A cet égard, l'étude des particules d'aérosols est nettement en retard par rapport à celle de la phase gazeuse. Elle est en effet beaucoup plus complexe par rapport à la phase gazeuses de l'atmosphère : sources et distributions spatio-temporelles plus localisées, nécessaire traitement à la fois de leur granulométrie et d eleur chimie, chimie hétérogène de surfaces ''imparfaites et sales'' (compte tenu des nombreuses espèces chimiques présentes dans l'atmosphère), intégration dans leur composition des caractéristiques chimiques des divers milieux rencontrés lors de leur transport, etc. . . Par ailleurs, des bases de données expérimentales existent, parfois très détaillées localement, souvent peu documentées quant aux distributions spatiales. Les réseaux de mesures commencent à peine à intégrer les particules dans leur indice de qualité de l'air (indice ATMO en France), sous la forme de normes telles que PM2. 5 (masse des particules de diamètre inférieur à 2. 5 μm) ou PM10. Une première partie sera consacrée à une synthèse bibliographique sur l'aérosol carboné ; une analyse de sa composition, de sa structure et de son comportement physico-chimique sera évoquée. Cette partie préparera un deuxième chapitre, dédié à l'élaboration et à la présentation d'outils numériques permettant de décrire l'ensemble des processus chimiques et microphysiques en jeu. Il sera notamment question de modéliser la formation d'espèces secondaires condensables, formées par photooxydation dans l'atmosphère (transferts Gaz/particule). Une approche novatrice de l'aérosol, prenant en compte la morphologie des particules, sera proposée. En effet, la communauté scientifique a décrit jusqu'àprésent les différents processus en considérant des particules sphériques. Bien que cette approche soit classique pour la formulation des processus, il nous a paru important d'introduire un paramètre fractal de morphologie dans la description de ces processus. En effet, nous verrons que l'aire d'échange gaz/particules est d'une importance capitale dans les processus de chimie hétérogène (absorption, catalyse de surface, etc. . . ). Le paramètre de dimension fractale permet ainsi de quantifier le rapport surface/volume des particules. L'importance de la contribution des sources mobiles sur la charge totale de matière particulaire en zone urbaine, nous a amené à étudier l'évolution des particules émises par un véhicule. Dans des conditions réelles d'émission, le modèle de particules fractales permet de suivre l'evolution des particules (compositions, tailles, etc. . . ) du pot d'échappement vers le milieu ambiant. Nous verrons en effet que les particules de combustion sont particulièrement bien décrites par l'approche fractale. Des analyses de sensibilité seront présentées. L'impact de la teneur en souffre des carburants sera notamment analysé, qui permettra d'expliquer l'apparition, observée par certains auteurs, de nanoparticules à l'échappement. Au vu de ces effets néfastes sur les systèmes catalytiques, le soufre est impliqué dans les futures régulations des carburants d'ici à 2004 en Europe et aux Etats-Unis

In the last three decades, industrialized countries have become aware of the risks to the future of our atmosphere if nothing was done to change our behaviours on our environment. In this perspective, the study of the airborne aerosol particles is clearly lagging behind that of the gas phase. Processes are indeed much more complex compared to the gaseous phase: sources, spatial and temporal distributions more localized, necessary treatment of both their particle size and chemistry, heterogeneous chemistry of ''imperfect and dirty'' surfaces (considering the many chemical species present in the atmosphere), integration of the chemical characteristics into their composition of the various media encountered during their transport, etc. . . Measurement networks are only just starting to implement particles into their strategy and air quality index (ATMO index in France); standards such as PM2. 5 (mass of particles smaller than 2. 5 μm) or PM10 have been then defined. The first part of this research work is devoted to a bibliographic synthesis on the carbonaceous aerosol; an analysis of its composition, structure and physico-chemical behaviour is discussed. This section introduces a second chapter, dedicated to the development and presentation of numerical tools to describe all chemical and microphysical processes involved. The formation of condensable secondary species is particularly discussed, they are produced by photooxidation in the atmosphere (gas / particle transfers). An innovative aerosol modelling approach, considering particle morphology, is proposed. Indeed, the scientific community has described up to now the different processes assuming spherical particles. Although this approach is classic for the formulation of processes, it seemed important to introduce a fractal morphology parameter into the description of these processes. Indeed, we see that the gas / particle exchange surface is of major importance for heterogeneous chemistry processes (absorption, surface catalysis, etc. ). The fractal dimension parameter thus makes it possible to quantify the surface / volume ratio of particles. The importance of mobile sources contribution on the total load of particulate matter in urban areas has driven us to study the evolution of particles emitted by a single vehicle. In actual emission conditions, the fractal particle model tracks the evolution of the particles (compositions, sizes, etc…) from the exhaust pipe to the ambient environment. We observe that combustion particles are particularly well described by the fractal approach. Sensitivity analyses are presented. The impact of the sulphur content of fuels is analysed, which will explain the outbreak of nanoparticles at the exhaust, phenomenon observed by some authors. Due to these adverse effects on catalytic systems, sulphur is involved in future fuel regulations by 2004 in Europe and the United States.