EFFICACITE DE COLLECTE SANS LES EFFETS ELECTROSTATIQUES

Afin d’étudier les effets électrostatiques, une partie de la matrice est modifiée pour des rayons d’aérosols et de gouttes inférieurs à 1,3 μm et 100 μm, respectivement, en interpolant les résultats numériques :

• Du CHAPITRE 2, présentés en Annexe F, pour des tailles de goutte entre 15 et 100 μm ; • Pour des gouttes inférieures à 15 μm, les résultats numériques présentés en documents

complémentaires de Zhang et Tinsley (2018) sont considérés car les hypothèses de simulation du modèle développé (Dépée et al., 2019) ne sont valables que pour des gouttes mille fois plus massives que l’aérosol (voir section 2.1.1).

Pour ces efficacités de collecte modifiées, la masse volumique de l’aérosol est de 1500 kg.m-3, les conditions thermodynamiques sont celles de la troposphère moyenne (-17°C et 540 hPa). Ces conditions de pression et de température sont acceptables dans toutes les simulations présentées dans ce chapitre. En effet, Tinsley et Leddon (2013) estiment que l’efficacité de collecte varie de moins de 20 % si on passe des conditions thermodynamiques de la troposphère moyenne à celles du sol (+15°C et 1013 hPa) et de 40 % si on passe des conditions thermodynamiques de la troposphère moyenne à celles de la haute troposphère (-56°C et 180 hPa).

4.1.3.1 EFFICACITE DE COLLECTE SANS LES EFFETS ELECTROSTATIQUES

Pour étudier les effets électrostatiques avec DESCAM, il est nécessaire de pouvoir se comparer à un cas de référence sans les forces électrostatiques. Ainsi, comme énoncé précédemment, les résultats de notre modèle et de ceux de Zhang et Tinsley (2018) ont été utilisés, ici sans charge électrique sur la goutte et les aérosols. Lorsque l’humidité relative n’est pas à la saturation - pour 50, 75, et 95 % - les contributions de la thermophorèse et de la diffusiophorèse sont évaluées par le modèle de Wang et al. (1978) puis ajoutées aux efficacités de collecte déterminées pour une humidité relative de 100 %. Cette hypothèse permet de ne pas recalculer les efficacités pour ces 3 humidités relatives avec

notre modèle, ce qui aurait nécessité beaucoup de temps de calculs. Cette approche est justifiée dès lors que le modèle de Wang et al. (1978) a été comparé à notre modèle en section 2.4 - donnant des résultats très similaires - et validé par l’expérience In-CASE (voir section 3.3.4).

La nouvelle matrice d’efficacités de collecte ainsi établie est présentée sur la Figure 4-14 (gauche) et comparée à la matrice d’origine (droite) pour une humidité relative de 100 % (haut) et 50 % (bas). L’encadré rouge correspond à la partie de la matrice changée. On nommera la matrice modifiée « 𝐶𝑎𝑠_𝑅𝑒𝑓». On remarque des différences notables entre la matrice originale et la nouvelle (𝐶𝑎𝑠_𝑅𝑒𝑓). Ces différences peuvent être notamment attribuées à la masse volumique de l’aérosol et aux conditions thermodynamiques utilisées entre les deux matrices (et au type d’interpolation). En effet, Flossmann et al. (1985) n’énoncent pas la valeur de ces paramètres, utilisés lors de la création de l’ancienne matrice avec les modèles de Wang et al. (1978) et Grover et al. (1977).

Dans les simulations de ce chapitre, la matrice d’efficacités de collecte affectée à l’aérosol atmosphérique (type 1) est la nouvelle matrice dépourvue des effets électrostratiques (𝐶𝑎𝑠_𝑅𝑒𝑓).

Figure 4-14 (Droite) Matrice originale et (Gauche) modifiée (« 𝐶𝑎𝑠_𝑅𝑒𝑓 ») d’efficacités de collecte sans les forces électrostatiques pour une humidité relative de (Haut) 100 % et (Bas) 50 %. L’encadré

rouge est la partie modifiée de la matrice DESCAM d’origine. L’encadré noir représente les efficacités de collecte issues de la modélisation.

4.1.3.2 HYPOTHESES DE MODÉLISATION

L’ensemble des simulations présentées dans les sections suivantes repose sur plusieurs hypothèses : • Pour étudier la variation de la contribution de la collecte dans la microphysique avec et sans

les forces électrostatiques, un second type d’aérosol (nommé type 2) a été défini dans DESCAM. Afin que cet aérosol ne modifie pas la dynamique du nuage, son spectre granulométrique est le même que l’aérosol atmosphérique (type 1), mais sa concentration est diminuée d’un facteur 100. Le spectre des deux types est présenté sur la Figure 4-15 ; • Dans le cas de référence sans les forces électrostatiques, la matrice d’efficacités de collecte

• Lorsque l’étude porte sur les forces électrostatiques, on suppose que l’aérosol de type 2 est radioactif possédant les mêmes caractéristiques que les radionucléides mesurés par Adachi et al. (2013) à la suite de l’accident CNPE-FD de 2011. Comme vu en section 1.1.1, ces radionucléides ont un rayon moyen 1,3 μm pour une activité par particule de 1,4 Bq. Faisant l’hypothèse que l’activité des aérosols radioactifs est proportionnelle à leur masse, l’activité des aérosols radioactifs sur toute la grille de tailles d’aérosol dans DESCAM est déduite. Enfin, la charge électrique de ces aérosols est calculée en appliquant le modèle de Clement et Harrison (1992) dans le cas où l’aérosol radioactif est dilué dans l’aérosol atmosphérique (ce qui est le cas de l’aérosol de type 2 par rapport à l’aérosol type 1 dans les simulations). La loi de charge de l’aérosol radioactif (type 2) considérée dans les simulations de ce chapitre est présentée sur la Figure 4-16. Seuls les aérosols de rayon compris entre 49,6 nm et 1,26 μm possèdent une charge, les plus gros aérosols (>1,26 μm) sortent du domaine d’étude tandis que la charge électrique des plus petits (<49,6 nm) est calculée comme étant nulle. À noter que la charge est toujours positive (ce qui est caractéristique d’un émetteur Beta comme le Césium 134 et 137) ;

Figure 4-15 Spectre granulométrique de l’aérosol atmosphérique (type 1) dans DESCAM suivant le spectre d’un aérosol continental de Jaenicke (1993).

• Les matrices d’efficacités de collecte avec les effets électrostatiques (présentées dans la section suivante) sont statiques et présupposent un aérosol sec. Pourtant, celui-ci est susceptible de grossir par hygroscopicité. Il change alors de classe de taille et, par conséquent, sa charge électrique est considérée comme plus importante suivant la corrélation de la Figure 4-16. Cette augmentation de la charge est un problème de conservation inhérent aux hypothèses faites dans DESCAM. Pour réduire cet effet, l’aérosol de type 2 possède un facteur d’hygroscopicité kappa de 0,001 - soit 600 fois inférieur au kappa du sulfate de sodium du type 1. Considérer une telle valeur de kappa pour l’aérosol de type 2 possède d’autres avantages :

o Il est caractéristique d’un aérosol très hydrophobe en accord avec les mesures d’Adachi et al. (2013) qui ont montré que le Césium-134 et 137 s’était attaché à des aérosols sphériques hydrophobes composés de métaux ;

o Dans DESCAM, l’activation est régie par la théorie de Köhler (1936) où la contribution de Raoult est formulée suivant la kappa-théorie (Petters et Kreidenweis, 2007). Sur la Figure 4-17, sont présentées des courbes d’équilibre du rayon humide d’un aérosol avec la sursaturation d’un air humide pour différents rayons d’aérosol sec et pour des valeurs de kappa de 0,61 et 0,001, représentatifs de l’aérosol de type 1 et 2 respectivement. Dans DESCAM, un aérosol sec de type 1 avec un rayon de 30 nm sera activé pour une sursaturation d’environ 0,35 % - correspondant au maximum de la courbe. Pour le même rayon sec, l’aérosol de type 2 sera activé pour des sursaturations de plus de 3,11 %. Ainsi, les aérosols de type 2 sont moins sensibles à l’activation. Les aérosols de type 2 étant plus difficiles à activer, ils seront dont plus sensibles à la collecte.

À noter que les masses sont conservées dans DESCAM ; ainsi, une goutte qui se désactive remet en suspension la masse de particules qu’elle a intégrées depuis son activation. Comme les activités sont réparties massiquement sur les aérosols, les charges électriques sont donc conservées lors de la désactivation des gouttes.

Figure 4-17 Courbes d’équilibre du rayon humide d’un aérosol avec la sursaturation de l’air par rapport à l’eau liquide (température +15°C et tension de surface 7,38x10-2 N.m-1) pour différents

rayons secs et des paramètres d’hygroscopicité de l’aérosol de 0,61 (type 1) et 0,001 (type 2). Issues de la théorie de Köhler (1936) où la contribution de la loi de Raoult est formulée suivant la

• La charge sur la goutte est fixée suivant les mesures de Takahashi (1973), pour un nuage convectif et stratiforme (voir section 1.2.2) ;

• Lorsqu’une goutte capte un aérosol de type 2, sa charge électrique est supposée constante. L’hypothèse est justifiée lorsqu’une goutte d’un nuage convectif de rayon 100 μm, portant 400 000 charges élémentaires (Takahashi, 1973), capte un aérosol portant au maximum 550 charges élémentaires. Pour autant, l’hypothèse est beaucoup moins vraie pour une goutte d’un nuage stratiforme moins chargée - 200 charges élémentaires sur une goutte de rayon 15 μm (Takahashi, 1973). Néanmoins, la probabilité qu’une goutte capte plusieurs aérosols de type 2 est quasi nulle - dès lors que leur concentration est très faible (1 % de celle de l’aérosol atmosphérique de type 1) ;

• La polarité des gouttes de nuage n’est pas connue. Plusieurs hypothèses divergentes sont présentées dans la littérature. Tandis que certaines études font état d’une prédominance de charges négatives dans les nuages (Colgate et Romero, 1970 ; Magono et Kikuchi, 1961 ; Webb et Gunn, 1955), d’autres travaux trouvent des signes majoritairement positifs (Twomey, 1956 ; Gunn, 1952), alors que certains auteurs suggèrent une fraction égale de charges positives et négatives dans un nuage (Katsyka et al., 1961 ; Phillips et Kinzer, 1958). Une distribution tripolaire de charges dans les nuages avec une importante cellule convective est même proposée par Malan (1964; 1952). Dans le cadre de cette étude théorique, il a été choisi de considérer des charges de même polarité sur toutes les gouttes de nuage.

L’aérosol de type 2 possédant une charge électrique pour des rayons compris entre 49,6 nm et 1,26 μm (Figure 4-16), seules les efficacités comprises dans cet intervalle de taille sont modifiées (pour des tailles de gouttes inférieures à 100 μm). Quatre matrices sont alors calculées suivant les hypothèses précédentes :

o La matrice « 𝐶𝑜𝑛𝑣_𝐴𝑡𝑡𝑟𝑎𝑐 » pour le cas CCOPE où les gouttes possèdent les charges caractéristiques d’un nuage convectif et de polarité opposée à l’aérosol ;

o La matrice « 𝐶𝑜𝑛𝑣_𝑅𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠 » pour le cas CCOPE où les gouttes possèdent les charges caractéristiques d’un nuage convectif et de polarité identique à l’aérosol ;

o La matrice « 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝐴𝑡𝑡𝑟𝑎𝑐 » pour les cas stratiformes idéaux où les gouttes possèdent les charges caractéristiques d’un nuage stratiforme et de polarité opposée à l’aérosol ;

o La matrice « 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝑅𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠 » pour les cas stratiformes idéaux où les gouttes possèdent les charges caractéristiques d’un nuage stratiforme et de polarité identique à l’aérosol.

Au total, 3 simulations ont été réalisées pour chaque type de nuage - sans les forces électrostatiques, avec les forces électrostatiques où les deux polarités sur la goutte sont considérées.