Lessivage des aérosols par les précipitations

Une façon pour ces particules d'être éliminées de l'atmosphère est le dépôt sec ou sédimentation, c’est à dire le processus de chute dû à leur poids et leur rencontre avec une surface. Une autre voie d'élimination est le lessivage des particules lors d’évènements de précipitation. Lorsqu’une goutte de pluie (de rayon R) précipite, elle peut entrer en collision avec des particules d’aérosol (de rayon r) et les collecter. Lors de sa chute, elle occupe, par

unité de temps, un cylindre de volume égal à R Ut

2

π , ou Ut est sa vitesse de chute. Une

première approximation serait de conclure que toutes les particules présentes dans ce volume sont collectées. Cependant, la collision entre une particule de rayon r et une gouttelette de diamètre R intervient lorsque le centre de la particule se trouve dans le cylindre de diamètre R + r (Figure 2.18a). A cela, il faut ajouter la vitesse de chute de la particule. Donc le volume de

collision par unité de temps devient

π(

R+r

)

2

[

U_t

( ) ( )

R −u_t r

]

. Lorsque la gouttelette précipite,

elle perturbe les lignes de courants autour d’elle, et modifie la trajectoire de la particule se trouvant à proximité (Figure 2.18c). La collision dépend donc de la taille de la goutte, de celle de la particule ainsi que de leurs positions respectives.

Figure 2.18 a, b, c : Schémas représentant une particule de rayon r dont le centre est dans la section balayée par une goutte de rayon R, par unité de temps. a) Représentation de la section balayée par la goutte collectrice, en bleu. b) La distance ∆ entre la goutte et la particule est inférieure à la valeur critique ∆0 : il y a collision. c) La distance ∆ entre la

goutte et la particule est supérieure à la valeur critique ∆0 : la gouttelette suit la ligne de

courant sans entrer en collision.

L’analyse précédente ne tient compte que de la taille des particules en négligeant totalement leur masse. Deux effets supplémentaires sont à prendre en compte pour connaître la quantité de particules collectées : les mouvements Browniens et l’inertie des particules. En effet, les particules peuvent être collectées par une gouttelette à cause de leur mouvement Brownien. Ce déplacement aléatoire des particules entraîne certaines d’entre elles en contact avec la

goutte, ce qui va augmenter le processus de collection. Ces mouvements Browniens

diminuent lorsque la taille de la particule augmente, seules les particules dont le rayon est

inférieur à 0.1 µm seront sensibles à ce mécanisme de dépôt. L’impaction par inertie

intervient quand une particule n’est pas capable de suivre les lignes de courants, sa trajectoire n’est pas déviée et elle entre en collision avec la goutte. L’impaction par inertie augmente avec la taille des particules et renforce le processus de collection des particules dont le rayon est supérieur à 0.5 µm. Les particules dont le rayon est compris entre 0.1 et 0.5 µm ont donc une efficacité de lessivage relativement faible.

Pour calculer la quantité de particules collectées par une gouttelette, on utilise l’efficacité de collection E. Ce paramètre est par définition égal au rapport du nombre de particules collectées par la goutte sur le nombre total de particules présentes dans le cylindre de collision. L’efficacité de collection a été paramétrée par Slinn (1983) en se basant sur des données expérimentales (Figure 2.19). Le coefficient d’efficacité des particules les plus grosses ( r > 10 µm) et des particules les plus fines ( r < 1nm) est proche de un. Les particules dont le coefficient d’efficacité est minimum ( r ~ 0.5 µm) sont collectées uniquement par collision.

2.3 Interactions aérosol et précipitation 47 C oe ff ic ie nt d’ ef fi ca ci té E

Rayon des particules collectées (µm)

Figure 2.19 : Estimation semi-empirique du coefficient d'efficacité E de deux gouttes (R=0.1mm et R=1mm) en fonction de la taille des particules collectées. La densité des particules collectées est constante.

2.4. C

ONCLUSION

Dans ce chapitre, nous avons dressé le bilan des connaissances sur les principales propriétés des trois types majeurs d’aérosols qui prédominent en Afrique de l’ouest : les poussières désertiques, les aérosols issus de feux de biomasse et les aérosols marins. Leurs caractéristiques sont résumées dans le Tableau 2.7. Suivant la saison et la situation géographique (nord ou sud de la zone AMMA, près des zones sources…), un type d’aérosol prédomine. Lorsque les observations ont lieu plus loin des sources, les résultats des campagnes de mesure montrent une coexistence de tous les types d’aérosols. Ce mélange des différents types d’aérosol impose d’améliorer notre connaissance des processus de formation et de vieillissement des aérosols. Une caractéristique commune à tous ces aérosols est la possibilité de voir se former au cours de leur transport atmosphérique une pellicule de surface constituée d’une espèce plus hygroscopique pouvant modifier leurs propriétés optiques et hygroscopiques. Cependant les observations seules ne permettent qu’un diagnostique ponctuel et sont donc insuffisantes pour comprendre les processus mis en jeu et l’impact global des aérosols. Pour cela il est nécessaire de coupler des observations à des exercices de simulation. En effet, la modélisation offre un moyen de retracer l’historique des différentes masses d’air, de simuler le devenir de la particule jusqu’à l’état dans lequel on l’observe et de déterminer les environnements que la particule a pu rencontrer durant son transport.

Tableau 2.7 : Tableau récapitulatif des différentes caractéristiques physiques ou chimiques des trois types majeurs d’aérosols en Afrique. Sources : inventaire des émissions AEROCOM (flux), Alfaro et Gomes (2001) Tegen et al. (2002) et Tegen et al. (2004) (poussières désertiques), Haywood et al. (2003b) (aérosols de feux de biomasse) Schulz et al. (2004) (aérosols marins).

Poussières désertiques Aérosols de biomasse végétale Sels de mer

Mécanisme de Formation

Production mécanique (arrachement

des poussières par le vent) Feux de biomasse Production mécanique (bubbling)

Composition Quartz, alumino-silicate, carbonate, … Carbone élémentaire (EC), Sulfate,

Nitrate, Ammonium

NaCl, Sulfate, Nitrate, Ammonium, Calcium, Potasium

Capacités

hygroscopiques Faible Moyenne Forte

0.3 1.7 4.3 0.4 4.4

Diamètre médian des modes de particules

en nombre (

µµµµ

m) Dépend de la vitesse de friction

0.25 10

Dépend de la vitesse de friction

Déviation standard 1.7 1.6 1.5 1.8 2.0 1.6 2.0

Flux total en nombre 4.1.1025 9.6.1025 1.5.1028 7.4 x 1026 4.6.1026

Temps de séjour atmosphérique

Journée à la semaine

Quelques minutes à

quelques jours Journée à la semaine

Quelques minutes à quelques jours Journée à la semaine Quelques minutes à quelques jours

Dans le document Impact des systèmes convectifs sur les propriétés hygroscopiques des aérosols : analyse de deux cas d'étude durant la campagne AMMA (Page 67-73)