1.2.4.1 Evolution de la stabilité de la couche limite atmosphérique au cours d’une journée

L’évolution diurne des polluants peut être influencée par la dynamique de la couche limite atmosphérique (CLA). On entend par CLA (en anglais : Planetary Boundary Layer, PBL), la première couche de la troposphère qui se développe le jour par convection. Elle est directement influencée par le sol et sa hauteur dépend essentiellement des mouvements convectifs. La CLA est directement soumise aux effets de surface (effet de relief, propriétés radiatives du sol, etc.). Cette couche limite est épaisse de quelques mètres et atteint jusqu’à 3- 5 km selon les saisons et les zones géographiques.

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L’évolution de la CLA est régie par un cycle diurne (Figure I.14), principalement lié aux variations journalières du rayonnement solaire. Dès le lever du soleil, le sol est chauffé par rayonnement solaire. Des convections thermiques (masses d’air chaudes ascendantes) vont contribuer à homogénéiser la CLA. On parle de couche de mélange ou de couche convective. A proximité du sol, dans la couche limite de surface, le gradient de température est décroissant et on a un flux turbulent. La turbulence joue un rôle essentiel en favorisant les échanges verticaux, ce qui permet la dilution des polluants émis. Après le coucher du soleil, la surface terrestre refroidit par rayonnement infrarouge, créant une couche atmosphérique ayant une température inférieure à celle des couches supérieures (inversion de température) ce qui la rend stable jusqu’au lever du jour.

La stabilité de cette couche nocturne est d’autant plus forte que l’altitude est faible. Elle se caractérise par peu de turbulences et des mouvements verticaux limités, ce qui contribue à l’accumulation ou au confinement des polluants. Au-dessus de cette couche, la couche de mélange de la journée précédente devient une couche résiduelle, en général neutre, qui contient les polluants mélangés la veille. La CLA est donc influencée par les processus de surface et notamment par les émissions naturelles ou anthropiques de polluants qui y sont injectés. Elle est le siège de la pollution atmosphérique. La situation météorologique (vent, température, humidité, insolation) est déterminante dans le développement de cette pollution atmosphérique. La distribution des espèces dans l’atmosphère dépend du temps de résidence et des durées caractéristiques des échanges horizontaux et verticaux. Le temps de résidence est conditionné par l’efficacité des puits tels que le dépôt de surface et des réactions chimiques.

L’Afrique de l’Ouest, une zone marquée par un fort cycle saisonnier de vents, de température, de couverture nuageuse et de précipitations (Knippertz et al., 2015b), est dominée par des vents secs de Nord-Est venus du Sahara durant la période du mois de Novembre à Février. Dans cette région, la variabilité atmosphérique est contrôlée par des processus de différentes échelles spatio-temporelles allant de la distribution spatiale globale de température de surface de la mer à la convection locale (Knippertz et al., 2017).

De nombreux programmes notamment AMMA, DACCIWA et le réseau INDAAF ont mis en

place des campagnes de terrain (pendant la période Juin, Juillet et Août 2006) portant sur les

données météorologiques de la zone d’étude et la composition chimique de l’atmosphère, pour mieux comprendre le phénomène de mousson, sa variabilité journalière et annuelle, ainsi que les impacts sur la physique et la chimie de l’atmosphère à l’échelle régionale et globale.

Les évolutions diurnes de concentrations de plusieurs composés chimiques (isoprène, OH, HO2,

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durant la campagne AMMA (Fabien, 2017). Des valeurs minimales sont trouvées pour NO et

NO2 proche de la mi-journée et s’expliquent principalement par la dynamique de la couche

limite. Aux environs de la mi-journée, l’élévation de la couche limite est maximale et conduit à une dilution des composés dans un plus grand volume de mélange (Fabien, 2017).

Figure I. 14: Evolution typique de la stabilité de la couche limite au cours de la journée (Stull, 1988).

I.1.2.4.2 Vent

Le vent est l’un des paramètres météorologiques le plus important pour le transport et la dispersion des polluants. Il intervient à toutes les échelles tant par sa direction que par sa vitesse. La vitesse du vent augmente généralement avec l’altitude et donc au fur et à mesure que les polluants s’élèvent, leur dispersion est facilitée et ce d’autant plus que le vent est fort. En revanche, un vent de faible vitesse favorise l’accumulation locale des polluants. Le « profil » de la vitesse du vent est différent selon le jour ou la nuit. Le jour, l’air qui se déplace en altitude est rapidement ramené au sol par les courants de convection thermique, renforçant ainsi les vents de surface. Par contre, ce profil est different pendant la nuit, où la convection thermique est la plus faible. La circulation des vents est généralement modifiée par les phénomènes météorologiques locaux, la topographie et les obstacles. Ces éléments peuvent canaliser l’écoulement des polluants dans des directions privilégiées. Dans la région du golfe de Guinée, les vents dominants sont ceux de la mousson et de l'harmattan. La figure I.15 illustre une série de roses de vent produite à partir des données recueillies, lors des campagnes de DACCIWA (2015-2017) à Abidjan et à Cotonou.

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Figure I. 15: Diagramme de roses des vents à Abidjan et à Cotonou lors des campagnes de DACCIWA

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Les roses des vents obtenus en surface montrent clairement que la direction du vent et son intensité dépendent fortement de la saison à Abidjan et à Cotonou. En effet, en période humide, le vent dominant vient principalement du Sud (S) et/ou du Sud-Ouest (S-W) avec une vitesse comprise entre 2 et 14 m/s, alors que pendant la saison sèche le vent dominant vient presque entièrement du Nord (N) avec une vitesse qui atteint 20m/s (voir figure I.15).