La couche limite atmosphérique

Nous l’avons vu au paragraphe précédent, la couche limite atmosphérique (CLA) est la partie de l’atmosphère la plus proche du sol et dans laquelle les effets de la force de Coriolis s’estompent petit à petit en faveur des forces de frottement dues à l’influence du sol, lorsque l’on se rapproche de ce dernier. Ainsi, à l’intérieur de la CLA les mouvements de l’air atmosphérique sont fortement perturbés par les discontinuités qu’impose la surface terrestre. Par exemple, les effets du relief et des obstacles génèrent l’apparition de perturbations qui peuvent se propager jusque dans l’atmosphère libre (onde de relief, déferlement de pente, etc.). La présence du sol impose aussi la création de phénomènes thermiques (échanges de chaleur entre le sol et l’air) pouvant entrainer la formation d’écoulements locaux telles que les brises de mer ou de montagne par exemple. De par sa position proche du sol, la couche limite atmosphérique devient une partie privilégiée de l’atmosphère lorsque l’on s’intéresse aux interactions entre cette dernière et les activités humaines. Nous détaillerons ainsi cette couche inférieure dans les paragraphes suivants afin de présenter les notions physiques nécessaires à la compréhension du cheminement de notre étude.

I.2.2.1. Caractéristiques de la couche limite atmosphérique

D’un point de vue assez général, l’épaisseur de la couche limite atmosphérique est comprise entre 100 et 2000 m. Pour étudier la CLA, on considère que sa structure est uniforme horizontalement et qu’elle peut être divisée en trois couches, représentées sur la

Figure 3.

• la couche de transition d’Ekman, dans la partie supérieure, à l’intérieur de laquelle les effets du frottement sur le sol et de Coriolis s’équilibrent ;

• la couche limite de surface (CLS), dans la partie la plus proche du sol. Elle est définie comme la région où la température diminue rapidement avec l'altitude pendant la journée, et où les flux de quantité de mouvement, de chaleur sensible et latente sont

conservatifs et égaux à ceux du sol. Elle s'étend du sol à quelques centaines de mètres et représente environ 10% de la hauteur de la couche limite atmosphérique. Les propriétés dynamiques et turbulentes y sont homogènes horizontalement, et la force de Coriolis négligeable devant les forces de frottement dues au sol ;

• la canopée, zone dans laquelle l’effet individuel des obstacles (microrelief, bâtiments, arbres) peut être mis en avant.

Figure 3 : Structure de la couche limite atmosphérique (Stull, 1988)

On peut aussi observer que la CLA, n’est pas homogène au court du temps (Stull, 1988). En effet, l’alternance entre les cycles diurnes et nocturnes permet la création de flux thermiques variables entrainant la formation de couches stables et instables. De plus, l’irrégularité de la nature du sol (variation de rugosité ou de flux de chaleur) impose une inhomogénéité spatiale de la couche limite permettant alors d’observer, à l’intérieur de cette CLA, le développement de couches limites internes. (Folcher, 1989 ; Costes 1996).

I.2.2.2. Ordres de grandeurs spatiaux et temporels : hypothèse de restriction à

l’étude de la CLS

Dans les paragraphes précédents, nous avons présenté la structure verticale de l’atmosphère et les différentes couches la composant. Pour la suite de ce travail de recherche, il est important de connaître les tailles caractéristiques des domaines que nous aurons à utiliser. Cette limitation spatiale du domaine d’étude nous permettra de nous focaliser sur la ou les couches atmosphériques et d’en présenter minutieusement les propriétés afin de comprendre les différents mécanismes.

Lors de ce travail de thèse nous aurons à étudier des rejets de polluant sur un site industriel. Par conséquent, la plupart des rejets se feront près du sol ou au niveau de cheminées que l’on peut trouver sur ces sites (cheminées rejetant du SO₂ sur les raffineries par

Atmosphère libre

Couche d’Ekman

Couche de surface

Canopée Vitesse moyenne du vent Vent géostrophique Vitesse moyenne 0,001δ δ 0,1δ z0 Altitudes

exemple). Ainsi, de manière très générale, les rejets de polluants que l’on peut trouver dans le monde industriel se situent au maximum à une altitude de l’ordre de la centaine de mètres. Le paragraphe précédent propose une épaisseur de l’ordre de 1000 m pour la couche limite atmosphérique et plus précisément, de l’ordre de la centaine de mètres pour la couche limite de surface. Ainsi, la plupart des rejets de polluants se situent dans la couche limite de surface. Les complexes industriels et leurs alentours que nous étudierons sont des domaines qui peuvent atteindre plusieurs kilomètres carrés et par conséquent la dispersion du polluant se fera sur des distances de l’ordre du kilomètre. Il est alors intéressant de fournir un ordre de grandeur sur la dispersion verticale d’un panache sur de telles distances. On trouve dans la littérature (Briggs, 1973) des abaques permettant le calcul d’écarts-types et même si la dispersion de polluant dépend de nombreux paramètres tels que l’état de stabilité atmosphérique ou du type de sol (dégagé, urbain), on peut trouver un ordre de grandeur nous permettant de limiter l’étude de la dispersion jusqu'à une certaine altitude.

0 400 800 1200 1600 2000 Distance à la source (m) 0 200 400 600 800 1000 σz ( m )

Classes de stabilité de Pasquill A-B

C D E-F

Figure 4 : Evolution de l’écart-type vertical en fonction de la distance à la source pour différents états de stabilité (Briggs, 1973)

La Figure 4 montre que sur une distance d’un kilomètre, la dispersion verticale d’un panache est principalement inférieure à 500 m, quel que soit l’état de stabilité de l’atmosphère. Cet ordre de grandeur permet de fixer par avance une hauteur de domaine pour les études numériques qui suivront. En général, lors des futures études que nous devrons réaliser par la suite, nous choisirons des domaines dont la hauteur ne dépasse pas quelques centaines de mètres, nous assurant ainsi de caractériser la plupart des panaches sur un site complexe. De plus, on peut noter que lorsque l’atmosphère sera instable, la hauteur caractéristique de dispersion et la hauteur de la CLS augmenteront simultanément. Par

conséquent, cette étude rapide nous permet de restreindre notre travail à la couche limite de surface que nous détaillerons précisément dans le paragraphe I.2.4. Nous ferons abstraction de la couche d’Ekman et de l’atmosphère libre, nous permettant de ne pas prendre en compte la force de Coriolis ainsi que les différentes autres couches de l’atmosphère.

Outre l’aspect spatial, il est aussi nécessaire de regarder l’aspect temporel des phénomènes étudiés dans la CLS. En effet, l’écoulement dans la couche limite atmosphérique et par conséquent dans la couche limite de surface, est fortement turbulent. Une des propriétés de cette turbulence est d’être découplée des grandes variations météorologiques qui se développent à l’échelle de plusieurs jours. Par conséquent, pour un temps de l’ordre de l’heure, ce qui correspond au temps caractéristique des phénomènes étudiés dans la CLS, on pourra admettre que les variations météorologiques sont suffisamment lentes pour être considérées comme constantes (Van Der Hoven, 1957).