6.3 Mod ´elisation de l’impact des ´emissions de compos ´es organiques volatils
6.3.1 Impact des ´emissions de compos ´es organiques volatils sur la com-
chimie =S−P µ (6.34)
o `u S et P repr ´esentent la production photochimique et le taux de perte au premier ordre, respectivement. Comme mentionn ´e plus haut, les concentrations des esp `eces ayant des temps de vie courts sont calcul ´ees en n ´egligeant l’effet du transport.
Le mod `ele de chimie inclut 60 esp `eces et 133 r ´eactions chimiques dont 29 r ´eactions de photodissociation (M ¨uller et Stavrakou, 2004). La distribution de la vapeur d’eau est ´egalement fournie par l’analyse de l’ECMWF. Le m ´ecanisme chimique est enti `erement d ´ecrit par M ¨uller et Stavrakou (2004).
Une simulation du mod `ele d ´ebute le 1erseptembre et se termine au 31 d ´ecembre de la seconde ann ´ee. Les r ´esultats pr ´esent ´es et discut ´es dans la partie suivante corres-pondent `a la seconde ann ´ee de la simulation. Le pas de temps utilis ´e est de 6 heures. Approximativement 4 heures sont n ´ecessaire pour une simulation de deux ans sur le SGI Origin 3400 de l’IASB.
6.3 Mod ´elisation de l’impact des ´emissions de
compo-s ´ecompo-s organiquecompo-s volatilcompo-s compo-sur la compocompo-sition
atmo-sph ´erique
L’impact des ´emissions biog ´eniques de compos ´es organiques volatils sur la com-position chimique de la troposph `ere est ´evalu ´e en comparant les r ´esultats du mod `ele IMAGES obtenus avec et sans ´emissions de compos ´es organiques. Nous quantifie-rons ces effets dans une atmosph `ere actuelle (carat ´eris ´ee par une forte pollution au-dessus des r ´egions industrielles) et dans une atmosph `ere pr ´e-industrielle (suppos ´ee non pollu ´ee). Les ´emissions de compos ´es organiques volatils biog ´eniques (isopr `ene et monoterp `enes) utilis ´es dans le mod `ele IMAGES sont celles de notre inventaire MO-HYCAN de r ´ef ´erence d ´ecrit au chapitre pr ´ec ´edent. Les sources des autres esp `eces consid ´er ´ees dans le mod `ele IMAGES sont d ´ecrites en d ´etail par M ¨uller et Brasseur (1995); M ¨uller et Stavrakou (2004).
6.3.1 Impact des ´emissions de compos ´es organiques volatils sur
la composition chimique dans une atmosph `ere pollu ´ee
La distribution du rapport de m ´elange de l’isopr `ene `a la surface dans une atmosph `ere actuelle est pr ´esent ´ee `a la Figure 6.2. De mani `ere g ´en ´erale, cette distribution est simi-laire `a celle des ´emissions en raison du faible temps de vie photochimique de l’isopr `ene
(1-2 heures), qui limite l’effet du transport de cette esp `ece dans le mod `ele. Le rapport de m ´elange de l’isopr `ene atteint plus de 10 ppbv l `a o `u les ´emissions sont les plus ´elev ´ees : Am ´erique du Sud, Afrique Tropicale et Australie. En ´et ´e en Am ´erique du Nord et en Sib ´erie, le rapport de m ´elange de l’isopr `ene est g ´en ´eralement sup ´erieur `a 1 ppbv et inf ´erieur `a 5 ppbv.
(pptv) Rapport de mélange à la surface de l’isoprène
IMAGES, Juillet
(pptv) Rapport de mélange à la surface de l’isoprène
IMAGES, Janvier a
b
FIG. 6.2: Distribution des rapports de m ´elange `a la surface de l’isopr `ene calcul ´es par le
De mani `ere analogue, la distribution des rapports de m ´elange d’α-pin `ene refl `ete la distribution des ´emissions. Ces rapports de m ´elange sont compris entre 200 et 500 pptv en Amazonie et en Afrique Tropicale. Ils atteignent environ 500 pptv dans les r ´egions bor ´eales en ´et ´e. En moyenne globale et annuelle, le rapport de m ´elange `a la surface d’α-pin `ene est environ 10 fois plus faible que celui de l’isopr `ene.
Changement du rapport de mélange à la surface du CO
IMAGES, Juillet
(%)
FIG. 6.3: Distribution des changements du rapport de m ´elange `a la surface du
mo-noxyde de carbone (CO), dus aux ´emissions de compos ´es organiques biog ´eniques. Ces valeurs ont ´et ´e calcul ´ees par le mod `ele IMAGES pour une atmosph `ere actuelle, en juillet.
L’une des esp `eces produites lors de l’oxydation des compos ´es organiques volatils est le monoxyde de carbone. La Figure 6.3 pr ´esente la distribution de l’augmentation du rapport de m ´elange `a la surface du CO pour le mois de juillet. Cette augmenta-tion exc `ede 100% en Amazonie. La grande ´etendue des r ´egions o `u ces augmentaaugmenta-tions sont importantes est li ´ee au transport du CO, le temps de vie du CO ´etant sup ´erieur `a un mois. Le rapport de m ´elange `a la surface du CO augmente g ´en ´eralement de 20 `a 40% dans l’H ´emisph `ere Nord, atteignant 70% en Sib ´erie Orientale. Dans l’H ´emisph `ere Sud, l’augmentation est de l’ordre de 60% sur les oc ´eans. Les valeurs plus faibles de l’augmentation not ´ees dans l’est du Br ´esil et surtout en Afrique Tropicale sont dues `a la pr ´epond ´erance des ´emissions dues aux feux de for ˆets et de savane dans ces r ´egions. L’oxydation des compos ´es organiques volatils biog ´eniques entraˆıne une augmentation moyenne du monoxyde de carbone d’environ 25% en janvier et de l’ordre de 50% en juillet. La quantit ´e totale int ´egr ´ee du monoxyde de carbone augmente de 248 `a 347 Tg, indiquant une augmentation d’environ 40%. Cette augmentation est en grande par-tie li ´ee `a l’augmentation du temps de vie global du CO. Ce dernier passe en effet de
38 `a 48 jours, soit une augmentation d’environ 25%, lorsque l’oxydation des compos ´es organiques volatils biog ´eniques est consid ´er ´ee.
Le formald ´ehyde, CH2O est un autre produit de l’oxydation des compos ´es orga-niques volatils biog ´eorga-niques. Il est particuli `erement abondant au-dessus des sources de compos ´es biog ´eniques. La Figure 6.4 montre les changements de la colonne de CH2O en juillet due `a l’oxydation de l’isopr `ene et d’α-pin `ene. La colonne de formald ´ehyde est plus ´elev ´ee (40-100%), particuli `erement dans les r ´egions bor ´eales, en Amazonie et dans le Sud de l’Afrique o `u les changements peuvent atteindre plus de 200%.
Changement de la colonne de CH O2 IMAGES, Juillet
(%)
FIG. 6.4: Distribution des changements de la colonne de formald ´ehyde (CH2O), dus aux ´emissions de compos ´es organiques biog ´eniques. Ces valeurs ont ´et ´e calcul ´ees par le mod `ele IMAGES pour une atmosph `ere actuelle, en juillet.
Dans la section pr ´ec ´edente, nous avons vu que la principale voie d’oxydation des compos ´es organiques volatils biog ´eniques est initi ´ee par r ´eaction avec le radical hy-droxyleOH·. La Figure 6.5 montre les changements du rapport de m ´elange `a la surface deOH·produits par l’introduction de l’isopr `ene et des terp `enes dans le mod `ele IMAGES, en juillet. De mani `ere g ´en ´erale, le rapport de m ´elange deOH· est fortement r ´eduit (-50 `a -100%) sur les r ´egions continentales, du fait sa consommation par la r ´eaction 6.17 et par sa r ´eaction avec les produits d’oxydation des compos ´es biog ´eniques, dont le monoxyde de carbone. Dans le Sahara et dans les r ´egions oc ´eaniques aux basses la-titudes de l’H ´emisph `ere Nord, une augmentation est not ´ee (jusqu’ `a plus de 10%), due
`a l’augmentation des concentrations des NOxprovenant de la d ´ecompositon des
per-oxylacyles nitrates transport ´es depuis les r ´egions pollu ´ees. En effet, des concentrations ´elev ´ees de NO favorisent la conversion du radical hydroperoxyle HO2· en radical
Changement du rapport de mélange à la surface de OH•
IMAGES, Juillet
(%)
FIG. 6.5: Distribution des changements du rapport de m ´elange `a la surface du radical
hydroxyle (OH·), dus aux ´emissions de compos ´es organiques biog ´eniques. Ces valeurs ont ´et ´e calcul ´ees par le mod `ele IMAGES pour une atmosph `ere actuelle, en juillet. entraˆıne une diminution d’environ 30% du radical hydroxyle `a la surface terrestre.
Dans les r ´egions pollu ´ees o `u les concentrations d’oxydes d’azote sont particuli `e-rement ´elev ´ees, l’oxydation des compos ´es organiques biog ´eniques entraˆıne une pro-duction nette d’ozone (r ´eactions 6.1 et 6.2). La Figure 6.6 illustre les changements des rapports de m ´elange `a la surface (a) de l’ozone et (b) des oxydes d’azote, pour le mois de juillet. Le rapport de m ´elange de l’ozone `a la surface augmente g ´en ´eralement de plus de 10% aux latitudes moyennes, et de plus de 20% au-dessus de l’est des Etats-Unis, de l’Europe m ´editerrann ´eenne et de l’est de la Chine. Les fortes augmentations (≥ 20%) du rapport de m ´elange de l’ozone au-dessus du Nord de l’Afrique, et de l’Oc ´ean Pacifique et de l’Oc ´ean Atlantique sont dues `a la d ´ecomposition des peroxylacyles ni-trates, qui ont ´et ´e transport ´es des r ´egions pollu ´ees vers des r ´egions moins pollu ´ees, lib ´erant des oxydes d’azote (r ´eaction inverse de la r ´eaction 6.24), et favorisant donc la formation d’ozone dans ces r ´egions. La diminution de l’ozone au-dessus des r ´egions continentales de l’H ´emisph `ere Sud est principalement due `a la diminution des concen-trations d’oxydes d’azote cons ´ecutive `a la formation de nitrates organiques et de per-oxylacyles nitrates. Les diff ´erences du rapport de m ´elange de l’ozone sont de l’ordre de 8 `a 12 ppbv (diff ´erences absolues) au-dessus des continents aux latitudes moyennes. Ces r ´esultats sont en accord avec ceux de Wang et Shallcross (2000).
Les rapports de m ´elange des oxydes d’azote (NO+NO2) diminuent en effet de 10 `a plus de 50% au-dessus de la plupart des r ´egions continentales aux Tropiques ainsi qu’aux hautes latitudes, suite `a l’oxydation des compos ´es biog ´eniques. Par contre, au-dessus
des oc ´eans et des r ´egions d ´esertiques comme le Sahara, ces rapports de m ´elange sont g ´en ´eralement plus ´elev ´es (0 `a ≥200%). Ces augmentations sont, comme dans le cas de l’ozone, li ´ees `a la d ´ecomposition des peroxylacyles nitrates transport ´es depuis les r ´egions pollu ´ees.
La Figure 6.7 montre les moyennes zonales des changements de la concentration de OH· (a), de l’ozone (b) et de NO+NO2 (c) en fonction de l’altitude et de la latitude. Les concentrations de OH· diminuent (de 30 `a 60%) principalement pr `es des sources (altitudes inf ´erieures `a 2 km) de compos ´es biog ´eniques (latitudes comprises entre -30 et 30°, et entre 30 et 70°), du fait de leur oxydation par ce radical. Les diminutions de
OH·rencontr ´ees `a de plus hautes altitudes (jusqu’ `a plus de 50% vers 8-12 km au niveau de l’ ´equateur) sont li ´ees `a l’oxydation de compos ´es tels que le monoxyde de carbone (r ´eaction 6.10), les nitrates d’alkyles (r ´eaction 6.22), les hydroperoxydes (r ´eaction 6.27) et les esp `eces partiellement oxyd ´ees telles que les c ´etones et les ald ´ehydes dont les temps de vie sont plus longs que les compos ´es biog ´eniques initiaux.
Les rapports de m ´elange des oxydes d’azote diminuent ´egalement au voisinage des sources de compos ´es organiques volatils biog ´eniques, `a des altitudes inf ´erieures `a 2 km. Ces diminutions sont dues `a la formation de nitrates organiques. Les fortes aug-mentations de ces oxydes d’azote vers 3 km d’altitude sont dues `a la d ´ecomposition des peroxyles nitrates. A de plus hautes altitudes, les oxydes d’azotes transport ´es de-puis les altitudes inf ´erieures sont consomm ´es du fait de la formation de nitrates et de PAN qui est stable thermiquement aux basses temp ´eratures typiques de la troposph `ere sup ´erieure. Cette consommation entraˆıne une diminution des oxydes d’azote atteignant plus de 30% dans ces r ´egions.
Les moyennes zonales des changements du rapport de m ´elange de l’ozone montrent une augmentation dans la plupart des r ´egions et particuli `erement (plus de 15%) aux basses altitudes de l’H ´emisph `ere Nord (g ´en ´eralement riches en oxydes d’azote). Au-dessus des oc ´eans, l’apport des NOxpar la d ´ecomposition des peroxylacyles nitrates transport ´es depuis les continents contribue `a la formation d’ozone. Les valeurs plus faibles, voire n ´egatives `a de plus hautes altitudes (vers 7 km) au niveau de l’ ´equateur sont dues `a la diminution des concentrations de NOxnot ´ee plus haut, entraˆınant une consommation nette d’ozone due `a l’oxydation d’autres esp `eces comme le CO (r ´eactions 6.10, 6.11 et 6.8).
Finalement, l’oxydation des compos ´es organiques volatils par le radical hydroxyle
OH· conduit `a une augmentation du temps de vie d’autres esp `eces. Ainsi, le temps de vie du m ´ethane est d’environ 7.57 ans en absence d’ ´emission de compos ´es orga-niques biog ´eorga-niques, et de l’ordre de 9.45 ans lorsque ces compos ´es sont pris en compte oxyd ´es, ce qui repr ´esente une augmentation d’environ 25%.
Changement des rapports de mélange à la surface de NO+NO2 IMAGES, Juillet (%) a b
Changement du rapport de mélange à la surface de O3
IMAGES, Juillet
(%)
FIG. 6.6: Distribution des changements des rapports de m ´elange `a la surface de l’ozone
(O3) (a) et des oxydes d’azote (NO+NO2) (b), dus aux ´emissions de compos ´es orga-niques biog ´eorga-niques. Ces valeurs ont ´et ´e calcul ´ees par le mod `ele IMAGES dans une atmosph `ere actuelle, en juillet.
Changement (%) de la concentration de OH•
IMAGES, Juillet - moyenne zonale
Pression(hPa)
Altitude(km)
Latitude (°)
Changement (%) des rapports de mélange
de NO+NO2
IMAGES, Juillet - moyenne zonale
Pression(hPa)
Altitude(km)
Latitude (°) Changement (%) du rapport de mélange
de O3 IMAGES, Juillet - moyenne zonale
Pression(hPa) Altitude(km) Latitude (°) c a b
FIG. 6.7: Distribution des moyennes zonales des changements de la concentration du
radical hydroxyle (OH·) (a), des rapports de m ´elange de l’ozone (O3) (b) et des oxydes d’azote (NO+NO2) (c), dus aux ´emissions de compos ´es organiques biog ´eniques. Ces valeurs ont ´et ´e calcul ´ees par le mod `ele IMAGES pour une atmosph `ere actuelle, en juillet. Les tirets sp ´ecifient les valeurs n ´egatives des changements.
6.3.2 Impact des ´emissions de compos ´es organiques volatils sur
la composition chimique dans une atmosph `ere pr
´e-industriel-le (non pollu ´ee)
Dans l’atmosph `ere pr ´e-industrielle, caract ´eris ´ee par des ´emissions anthropiques (de CO, de NOxet d’hydrocarbures anthropiques) nettement plus faibles qu’aujourd’hui, l’oxydation des compos ´es biog ´eniques poss `ede des cons ´equences quelque peu diff ´e-rentes sur la composition atmosph ´erique.
Changement du rapport de mélange à la surface du CO
IMAGES, Juillet
(%)
FIG. 6.8: Distribution des changements du rapport de m ´elange `a la surface du
mo-noxyde de carbone (CO), dus aux ´emissions de compos ´es organiques biog ´eniques. Ces valeurs ont ´et ´e calcul ´ees par le mod `ele IMAGES pour une atmosph `ere pr ´e-industrielle, en juillet.
La Figure 6.8 montre l’augmentation du rapport de m ´elange `a la surface de CO due aux ´emissions biog ´eniques de compos ´es organiques en juillet. Bien que ces change-ments montrent une distribution similaire `a celle obtenue pour une atmosph `ere pollu ´ee (Cf. Figure 6.3), leurs valeurs sont environ deux fois plus ´elev ´ees, en particulier dans les r ´egions tropicales o `u les ´emissions biog ´eniques sont dominantes. Les ´emissions pr ´e-industrielles dues au br ˆulage de la biomasse ont ´et ´e suppos ´ees cinq fois plus faibles qu’ `a l’ ´epoque actuelle dans nos calculs, ce qui explique le changement maximum (plus de 200%) observ ´e `a l’ouest de l’Afrique. Le rapport de m ´elange du CO augmente d’en-viron 120% en moyenne globale en juillet lorsque l’oxydation des compos ´es organiques biog ´eniques est prise en compte.
Les deux autres esp `eces pr ´esentant des changements importants de leur rapport de m ´elange en pr ´esence de compos ´es organiques biog ´eniques dans une atmosph `ere
Changement du rapport de mélange à la surface de NO+NO2 IMAGES, Juillet (%) a b
Changement du rapport de mélange à la surface de O3
IMAGES, Juillet
(%)
FIG. 6.9: Distribution des changements des rapports de m ´elange `a la surface de l’ozone
(O3) (a) et des oxydes d’azote (NO+NO2) (b), dus aux ´emissions de compos ´es orga-niques biog ´eorga-niques. Ces valeurs ont ´et ´e calcul ´ees par le mod `ele IMAGES pour une atmosph `ere pr ´e-industrielle, en juillet.
non pollu ´ee sont l’ozone et les oxydes d’azote. La Figure 6.9 montre les changements des rapports de m ´elange de l’ozone (a) et des oxydes d’azote (NO + NO2) (b). Dans une atmosph `ere non pollu ´ee, les radicaux alkylperoxyles r ´eagissent principalement avec le radical hydroperoxyle (r ´eaction 6.26) ou avec les autres radicaux peroxyles (r ´eaction 6.30). Dans ce cas, la production d’ozone n’a pas lieu. De plus, sur les continents, les concentrations d’oxydes d’azote diminuent de 20 `a plus de 50% en cons ´equence de la formation de nitrates organiques et de peroxylacyles nitrates. Sur les oc ´eans, les peroxylacyles nitrates transport ´es depuis les continents se d ´ecomposent, lib ´erant des oxydes d’azote. Les valeurs ´elev ´ees des changements relatifs des rapports de m ´elange sont li ´ees aux faibles valeurs des rapports de m ´elange d’oxydes d’azote `a l’ ´epoque pr ´e-industrielle.
En cons ´equence, l’ozone au-dessus des continents diminue (5 `a 30%, voire 40%), tan-dis que la d ´ecomposition des peroxylacyles nitrates au-dessus des oc ´eans et du Sahara entraˆıne une augmentation de l’ozone atteignant plus de 20%.
Signalons encore que dans une atmosph `ere pr ´e-industrielle, le temps de vie du m ´ethane est ´evalu ´e `a 7.1 et 11.5 ans en absence et en pr ´esence de compos ´es orga-niques volatils biog ´eorga-niques, respectivement, montrant ainsi une augmentation d’environ 63% due pincipalement `a la r ´eaction des compos ´es biog ´eniques et de leurs produits d’oxydation avec le radical hydroxyle OH·.
6.4 Conclusions
En conclusion, nous avons vu que l’oxydation des compos ´es organiques volatils biog ´eniques entraˆıne une augmentation des concentrations du monoxyde de carbone pouvant atteindre plus de 100% au-dessus de l’Amazonie dans une atmosph `ere ac-tuelle, et plus de 200% au-dessus de l’Amazonie et de l’Afrique dans une atmosph `ere pr ´e-industrielle.
Les oxydes d’azote diminuent (de 0 `a plus de 50%) g ´en ´eralement sur les continents (du fait de la formation de nitrates organiques) et augmentent (de 10 `a plus de 200%) sur les oc ´eans (du fait de la d ´ecomposition des peroxylacyles nitrates transport ´es depuis les continents).
Sur les continents, l’ozone augmente au-dessus des r ´egions riches en oxydes d’azo-te, cette augmentation pouvant atteindre jusqu’ `a 20%. Le transport des peroxylacyles nitrates et la lib ´eration des oxydes d’azote qui en r ´esulte entraˆınent une production accrue d’ozone au-dessus des oc ´eans.
La concentration du radical hydroxyleOH· diminue fortement (jusqu’ `a plus de 70%) sur les continents, tandis qu’elle diminue moins (voire augmente) au-dessus des oc ´eans, en cons ´equence de l’oxydation de compos ´es organiques volatils biog ´eniques dans une atmosph `ere actuelle.
Finalement, le temps de vie du m ´ethane augmente de 25% en cons ´equence de l’oxydation des compos ´es organiques volatils biog ´eniques par le radical hydroxyle. Dans l’atmosph `ere pr ´e-industrielle, l’impact des compos ´es organiques biog ´eniques est plus important (+63%).
7
Conclusions g ´en ´erales
Nous avons d ´evelopp ´e un mod `ele d ´etaill ´e de la canop ´ee, MOHYCAN, permettant de calculer les ´emissions de compos ´es organiques volatils par la v ´eg ´etation `a l’aide d’algorithmes bas ´es sur les ´etudes de Guenther et al. (1993); Guenther (1997);
Guen-ther et al. (1999). MOHYCAN d ´etermine les ´eclairements visible et infrarouge, direct
et diffus, et calcule la temp ´erature des feuilles, par ´equilibre d’ ´energie, `a diff ´erents ni-veaux dans la canop ´ee, en distinguant les feuilles au soleil des feuilles `a l’ombre. Outre son traitement d ´etaill ´e du transfert radiatif, ce mod `ele poss `ede donc l’avantage de per-mettre le calcul de la temp ´erature de la feuille, ce qui n’avait pas ´et ´e fait auparavant dans le mod `ele de Guenther et al. (1995) utilis ´e pour ´etablir l’inventaire global GEIA (adopt ´e par la plupart des mod `eles de chimie troposph ´erique). Nous avons ensuite uti-lis ´e des donn ´ees provenant de campagnes de mesure pour ´evaluer les ´emissions de compos ´es organiques volatils biog ´eniques calcul ´ees avec MOHYCAN. Les donn ´ees des campagnes de mesure nous ont permis d’ ´etudier dans le d ´etail diff ´erents aspects du mod `ele et des algorithmes d’ ´emissions.
Nous avons montr ´e que le mod `ele de transfert radiatif utilis ´e dans MOHYCAN repro-duit correctement l’att ´enuation observ ´ee du rayonnement actif pour la photosynth `ese (PAR) dans la canop ´ee. Il repr ´esente particuli `erement mieux cette att ´enuation qu’un mod `ele simple, et ce sans ajustement du mod `ele `a l’aide d’observations. Le mod `ele indique que la p ´en ´etration du rayonnement est la plus forte pour de faibles valeurs de