Transferts de polluants atmosphériques en vallée alpine : étude chimique et météorologique

Pollutant transport in the atmosphere of an alpine valley : a meteorological and chemical study

• Auteur / Autrice : Pierre Couëtoux
• Direction : Chantal Staquet, Christine Piot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels

Mots clés

Mots clés libres

Pollution atmosphérique

Vallée alpine

Modèle chimie-transport

Mesures In situ

Atmospheric pollution

Alpine valley

Chemistry transport model

In situ measurements

Résumé

La pollution atmosphérique, notamment aux particules fines (PM), a été identifiée comme une source majeure de décès dans le monde. Trois facteurs en contrôlent le niveau : les émissions des polluants, leur transport par le vent et la réactivité des espèces chimiques impliquées. La vallée de l'Arve en Haute-Savoie est particulièrement sujette à ces épisodes de pollution. Sa topographie encaissée induit un faible transport des espèces émises en fond de vallée lesquelles s'accumulent localement. Ces espèces sont de multiples origines, à la fois économiques et associées au chauffage individuel, majoritairement de type poêles à bois. L'ensemble de ces activités sont émettrices de différentes espèces chimiques (PM, oxydes d'azote, ozone, …). De ce fait, les niveaux de pollution mesurés dans la vallée par l'agence de surveillance de la qualité de l'air de la région Auvergne Rhône-Alpes (ATMO AuRA) dépasse régulièrement les seuils recommandés par l'Union Européenne. Le réseau réglementaire de mesures de la qualité de l'air d'ATMO AuRA en vallée de l'Arve comprend, à ce jour, trois stations de fond de vallée. Cependant ces stations, de même que l'extrapolation de la qualité de l'air aux autres territoires de la vallée, ne permettent pas de rendre compte de la diversité des influences météorologiques et des sources ponctuelles ; en conséquence la qualité de l'air au-dessus de la vallée et le long des pentes n'est pas connue. Une préoccupation sociétale est apparue récemment, relative à l'état de pureté supposée de l'air en altitude. Une connaissance de base des vents de pente permet déjà d'apporter un élément de réponse : le long des pentes sud, la chaleur du sol est évacuée par des mouvements d'air ascendants qui transportent l'air le long des pentes depuis le bas de la vallée. Si le fond de vallée est pollué, l'air le long de ces pentes sud, très favorables au logement, le sera également. L'air au-dessus du fond de vallée peut donc être pollué, ce dont aucune mesure ne rend actuellement compte. L'objet du travail de thèse est de déterminer et comprendre la distribution des niveaux de pollution observés en vallée de l'Arve en moyenne et haute altitude à différentes périodes de l'année, par une étude conjointe de la physique et de la chimie de l'atmosphère. Du point de vue de la chimie, l'objectif est de déterminer les transferts de polluants entre basse et haute vallée et entre haute vallée et moyenne/haute altitude. Des mesures en continu des principaux polluants (particules fines et gaz) seront effectuées par des capteurs innovants développés au laboratoire EDYTEM à Chambéry. Ces capteurs, répartis en de multiples sites entre le fond de la vallée de l'Arve et la haute altitude, permettront une caractérisation à fine échelle des processus physico-chimiques. En parallèle, sur les mêmes sites, des systèmes de collecte des dépôts atmosphériques totaux seront déployés afin de réaliser une caractérisation chimique de ces dépôts par des analyses de traceurs et indicateurs des sources d'émissions de polluants. A cette analyse chimique in situ sera associée une étude de la circulation atmosphérique dans la vallée, depuis le fond de vallée jusqu'aux sommets, afin de déterminer (i) les vents dominants en fonction de la circulation atmosphérique à grande échelle et (ii) le transport des polluants en résultant en tenant compte de leur réactivité chimique. Cette étude reposera sur une modélisation numérique couplant dynamique de l'atmosphère et chimie-transport des principaux polluants, en tenant de leurs sources d'émission (en fond de vallée et extérieures à la vallée). Un lien quantitatif avec la chimie des polluants sera réalisé en comparant les concentrations des polluants calculées numériquement avec celles mesurées in situ pour des épisodes donnés (par exemple associés à un phénomène d'inversion hivernal). D'autre part, des capteurs pourront être déployés aux lieux d'accumulation des polluants prédits par le modèle.

Air pollution, particularly fine particulate matter (PM), has been identified as a major source of death worldwide. Three factors control the level of pollution: pollutant emissions, their transport by the wind and the reactivity of the chemical species involved. The Arve Valley in Haute-Savoie is particularly prone to these pollution episodes. Its steep topography means that the species emitted at the bottom of the valley are poorly transported and accumulate locally. These emissions come from a variety of sources, both economic and associated with individual heating, mainly wood-burning stoves. All these activities emit various chemical species (PM, nitrogen oxides, ozone, etc.). As a result, the pollution levels measured in the valley by the air quality monitoring agency for the Auvergne Rhône-Alpes region (ATMO AuRA) regularly exceed the thresholds recommended by the European Union. ATMO AuRA's statutory air quality measurement network in the Arve valley currently includes three valley-bottom stations. However, these stations, as well as the extrapolation of air quality to other areas of the valley, do not allow the diversity of meteorological influences and point sources to be taken into account; as a result, air quality above the valley and along the slopes is not known. Society has recently become concerned about the supposed purity of the air at altitude. A basic understanding of slope winds already provides an element of an answer: along the southern slopes, the heat from the ground is evacuated by upward air movements that transport the air along the slopes from the bottom of the valley. If the valley floor is polluted, the air along these southern slopes, which are very suitable for housing, will also be polluted. The air above the valley floor may therefore be polluted, something for which there are currently no measurements. The aim of the thesis work is to determine and understand the distribution of pollution levels observed in the Arve valley at medium and high altitudes at different times of the year, through a joint study of the physics and chemistry of the atmosphere. From a chemical point of view, the aim is to determine the transfer of pollutants between the lower and upper valleys and between the upper valley and medium/high altitudes. Continuous measurements of the main pollutants (fine particles and gases) will be taken using innovative sensors developed at the EDYTEM laboratory in Chambéry. These sensors, distributed over multiple sites between the bottom of the Arve valley and high altitude, will enable fine-scale characterisation of physico-chemical processes. At the same time, on the same sites, systems for collecting total atmospheric deposits will be deployed in order to carry out a chemical characterisation of these deposits by analysing tracers and indicators of pollutant emission sources. This in situ chemical analysis will be combined with a study of atmospheric circulation in the valley, from the valley floor to the summits, in order to determine (i) the prevailing winds as a function of large-scale atmospheric circulation and (ii) the transport of the resulting pollutants, taking into account their chemical reactivity. This study will be based on numerical modelling combining atmospheric dynamics and chemistry-transport of the main pollutants, taking into account their emission sources (at the bottom of the valley and outside the valley). A quantitative link with the chemistry of the pollutants will be established by comparing the concentrations of the pollutants calculated numerically with those measured in situ for given episodes (for example associated with a winter inversion phenomenon). In addition, sensors could be deployed where the pollutants predicted by the model accumulate.