La pollution atmosphérique

La pollution atmosphérique est analysée au travers de la concentration du monoxyde de

carbone (CO), espèce chimique qui n’interagit pas avec les autres composants chimiques. Cette

caractéristique en fait un traceur de l’écoulement atmosphérique particulièrement adapté pour

l’étude du transport de la pollution.

La figure 5.8 présente les séries temporelles de concentration de CO mesurées en surface à

Marseille et Aix. Les trois sites Marseille Plombières, Marseille Paradis et Marseille Rabatau

sont respectivement localisés au nord, au centre et au sud de la ville. Cette figure montre que

durant la journée du 26 juin 2001, la concentration de CO est maximale vers 06:00-07:00 TU sur

la ville de Marseille avec des valeurs de l’ordre de 2200-2300 ppb, tandis que le maximum de

concentration est de 1300 ppb vers 08:00 TU sur Aix. A Marseille Paradis et Marseille Rabatau

et au centre d’Aix, la concentration de CO diminue ensuite de manière importante et s’établie

entre 700 et 1200 ppb sur Marseille et entre 500 et 1000 ppb sur Aix pour le reste de la journée.

A Marseille Plombières, la concentration de CO diminue lentement de 2000 à 1500 ppb, puis

chute brutalement vers 18:00 TU.

Les fortes concentrations de CO observées sur la figure 5.8, sont des valeurs attendues sur

une ville, puisque ce composant chimique est émis essentiellement par la combustion liée aux

5.3 Application à l’étude de la pollution

117

activités humaines. Les pics matinaux de CO au centre et au sud de la ville de Marseille et au

centre d’Aix sont directement associés aux émissions du trafic routier. Les plus fortes

concen-trations du nord de la ville de Marseille (Marseille Plombières) et leurs relatives stabilités sont

vraisemblablement dues à la présence de zones industrielles dans ce secteur.

F

IG

. 5.8:

Séries temporelles de la concentration du monoxyde de carbone (CO) mesurées le 26 juin 2001 par les stations de surface de Marseille Plombières, Marseille Paradis, Marseille Rabatau (respectivement localisées au nord, au centre et au sud de la ville) et à Aix Centre.

La figure 5.9 présente des champs de CO mesurés à 800 m d’altitude par les avions ARAT et

Dornier vers respectivement 12:00 et 14:30 TU. Vers 12:00 TU, la concentration de CO mesurée

au nord de la ville de Marseille atteint 260 à 280 ppb. Des concentrations du même ordre de

grandeur sont également observées au nord-est de Saint Chamas et d’Aix-les-Milles. Vers 14:30

TU, les concentrations de CO au nord de Marseille ont diminué puisque des valeurs de 150 à

180 ppb sont mesurées. Par contre, des concentrations de CO d’environ 200 à 220 ppb persistent

au nord-est de Saint Chamas et d’Aix-les-Milles.

F

IG

. 5.9:

Champs de monoxyde de carbone (CO) obtenus par la méthode de Krigg à partir des mesures du 26 juin 2001 de l’avion ARAT vers 12:00 TU (a) et Dornier vers 14:30 TU (b).

la surface et 800 m d’altitude sont d’environ 7 et 3 respectivement pour le nord de Marseille

et Aix. Comme nous le verrons par la suite, ces valeurs s’expliquent par l’altitude du palier de

l’avion, qui a volé au dessus et dans la couche limite atmosphérique respectivement au nord de

Marseille et à Aix.

5.3.2 Les conditions météorologiques

Avant d’étudier le transport et la diffusion des polluants à l’aide du réseau de profileurs, une

description des conditions météorologiques de la basse atmosphère est nécessaire. La figure

5.10 présente les conditions dynamiques observées dans la zone côtière en milieu de journée.

F

IG

. 5.10:

Champs de vents en surface à 12:00 TU (a) et 14:30 TU (b) d’après les stations météorologiques au sol. Champs de vents déduits de la méthode appliquée au réseau de profileurs aux altitudes de 500 (c) et 1000 m (d) à 13:00 TU.

Les champs de vent de surface montrent que la zone côtière est soumise à une situation

de brise de mer. Les directions du vent relevées sur l’ensemble des stations météorologiques

sont typiques des épisodes de brises de mer de cette région (cf. Chapitre 6). La zone côtière

5.3 Application à l’étude de la pollution

119

est globalement sous l’influence d’une brise régionale de forte intensité (4-7ms

⁻1

) de secteur

sud sur l’étang de Berre, qui tourne au secteur sud-ouest à ouest à l’est de l’étang de Berre. Sur

Marseille, la situation est plus complexe puisque le nord de la ville est soumis à une légère brise

locale de secteur ouest (2-3ms

⁻1

), tandis que le sud de la ville est sous l’influence de la brise

régionale de secteur sud. Par ailleurs, la brise de secteur ouest, qui souffle au centre de la ville

de Marseille à 12:00 TU, est remplacée par la brise de sud à 14:30 TU (Delbarre et al., 2005).

Les champs de vent en altitude vers 13:00 TU montrent que globalement les caractéristiques

de surface se retrouvent à 500 m d’altitude, tandis qu’à 1000 m d’altitude l’écoulement diffère

légèrement. En effet, à 500 m d’altitude, le vent est de secteur sud-est sur Marseille et l’étang

de Berre, et s’oriente au secteur ouest à l’est de l’étang de Berre. A 1000 m d’altitude, le champ

de vent est de secteur est sur Marseille, et tourne au secteur sud-est et sud respectivement au

dessus et à l’est de l’étang de Berre. Dans les deux cas, le vent s’intensifie de 3-4 à 6-7 ms

⁻1

en direction de la mer.

La nature de l’écoulement à 500 et 1000 m d’altitude est difficile à estimer sur les seuls

paramètres dynamiques, pour une situation météorologique tel que le 26 juin 2001, durant

la-quelle le forçage synoptique est de direction identique à la celle de la brise de mer. Néanmoins,

la bonne correspondance des directions du vent entre la surface et le niveau 500 m indiquerait

que la brise de mer régionale est établie au moins jusqu’à 500 m d’altitude. Ceci est confirmé

par l’étude de Delbarre et al. (2005) qui montre, à partir de nombreux instruments (Lidar,

ra-dar UHF et radiosondages), que la limite entre l’écoulement synoptique et la brise de mer sur

Marseille se situe aux alentours de 800 m en début d’après-midi du 26 juin 2001.

Pour compléter la dynamique de la basse troposphère, une analyse de la structure de la

couche limite atmosphérique (CLA) dans la zone côtière doit être menée. Comme l’étude sur la

pollution atmosphérique portera essentiellement sur l’est de la zone côtière, seules les mesures

des radars UHF de l’Observatoire de Marseille (Ob) et d’Aix-les-Milles (Ax) sont utilisées ici.

La figure 5.11 présente les coupes hauteurs-temps de la constante de structure de l’indice de

réfraction de l’airC

_n²

et du taux de dissipationεde ces deux instruments.

La CLA se développe bien à Ax au cours de cette journée. Elle atteint une altitude de 1000

m et 1200 m vers respectivement 12:00 et 14:30 TU. Les mouvements turbulents y sont très

importants avec un taux de dissipation de l’ordre de10

⁻2

m

2

s

⁻3

.

F

IG

. 5.11:

Coupes hauteur-temps de la constante de structure de l’indice de réfraction de l’airCn²et du taux de dissipationεmesurées respectivement à Aix-les-Milles (a,b) et à l’Observatoire de Marseille (c,d). La courbe noire indique les maxima deCn².

zones de maxima sont présentes à deux niveaux distincts dans l’après-midi. La coupe

hauteur-temps deεindique le passage de deux "bouffées" vers 12:00 TU et 14:00 TU de forte intensité,

supérieure à25.10

⁻4

m

2

s

⁻3

, surmontées d’un maxima deC

_n²

.

Une analyse plus poussée des mesures du radar UHF de Ob est nécessaire pour comprendre

ces observations. La figure 5.12 présente des coupes hauteurs-temps de la vitesse verticale et du

taux de dissipation auxquelles ont été ajoutés les vecteurs de composantes zonale et verticale

du vent. Les basses couches (200 à 400 m d’altitude) sont soumises à un écoulement de secteur

ouest avant 12:00 TU, qui bascule sur un écoulement de composante est vers 14:00 TU. Ils

correspondent aux brises de mer de secteur ouest et sud-est qui soufflent à Ob respectivement à

12:00 et 14:30 TU et qui ont été mesurées au sol (cf.Figure 5.10). Au dessus de ces niveaux, un

5.3 Application à l’étude de la pollution

121

flux d’est est observé en milieu de journée. Il représente la brise de secteur sud-est surmontée

de l’écoulement synoptique qui souffle sur Marseille en altitude (cf.Figure 5.10).

F

IG

. 5.12:

Coupes hauteurs-temps de la vitesse verticale et du taux de dissipation mesurés entre 11:00 et 15:00 TU par le profileur UHF de Ob (l’échelle de couleur indique l’intensité de ces deux paramètres). Sur chacune de ces coupes, les vecteurs représentent les composantes zonale et verticale du vent (un facteur 3 est appliqué à la composante verticale pour permettre de visualiser par ces vecteurs les ascendances et subsidences).

Le profileur UHF de Ob voit donc passer la brise de secteur sud-est, qui remplace la brise

de secteur ouest préalablement établie. Comme nous l’avons déjà mentionné dans le chapitre

1, deux systèmes de brises de mer peuvent s’établir sur les côtes découpées, comme celle de

Marseille, et donner naissance lorsqu’ils se rencontrent à une zone de convergence, caractérisée

par une forte ascendance et un mélange turbulent important (Mélas et al., 1998, 2000).

La figure 5.12 montre qu’entre 11:30 et 12:45 TU, un rotor se forme au sommet du courant

de brise de mer d’ouest d’épaisseur 300 m. Dans un premier temps, une subsidence de 0,5 à

0,7 ms

⁻1

est observée, suivie par une ascendance de 0,5 à 1ms

⁻1

. Au même instant, un fort

taux de dissipation de20à50.10

⁻⁴

m

²

s

⁻³

est mesuré par le radar, indiquant la présence sur les

600-700 premiers mètres de l’atmosphère d’un fort mélange turbulent. Entre 13:00 et 14:00 TU,

une seconde ascendance de 0,5 à 1,2ms

⁻1

est observée à Ob, avec également un fort taux de

dissipation entre 200 et 800-900 m d’altitude, d’intensité identique à la "bouffée" précédente.

Ces observations indiqueraient que la zone de convergence des deux brises passe à Ob une

première fois vers 12:00 TU, puis une seconde fois vers 14:00 TU. Ceci peut s’expliquer par

l’opposition plus importante de la brise d’ouest à l’avancée de celle de sud-est après 12:00 TU,

entraînant le retour de la zone de convergence sur Ob, avant que la brise de sud-est ne reprenne

le dessus vers 14:00 TU pour continuer sa progression vers le nord.

Suite à cette analyse détaillée de la dynamique au dessus de Ob, la détermination de la

hau-teur de la CLA est plus aisée maintenant. D’après la figure 5.11, la CLA qui se développe dans

le courant de brise de mer de secteur ouest, atteint une altitude maximale de 500 m en fin de

ma-tinée et possède en son sein un taux de dissipation de5à15.10

⁻⁴

m

²

s

⁻³

. Après l’établissement

de la brise de secteur sud-est, le sommet de la CLA (maxima deC

2

n

du premier niveau) décroît

de 500 à 300 m d’altitude et le taux de dissipation est de10à15.10

⁻4

m

2

s

⁻3

. Les maxima de

C

_n²

du second niveau (∼900 m) peuvent alors être associés à la limite thermodynamique entre

la brise de mer de sud-est et l’écoulement synoptique.

Cette étude de la dynamique de la basse atmosphère montre deux points importants pour

l’étude de la pollution qui va suivre. Tout d’abord, la CLA ne dépasse pas 500 m d’altitude sur

Marseille alors qu’elle atteint plus de 1000 m vers Aix, caractéristique spatiale de la CLA sur

la zone côtière qui sera abordée plus en détail au chapitre 6. Cette constatation indique que les

mesures de concentration de CO des avions ARAT et Dornier ont été effectuées au dessus de

la CLA sur le nord de Marseille et en son sein vers Aix. Ceci explique le rapport de facteur

7 et 3 obtenu précédemment entre les concentrations de CO en surface et 800 m d’altitude

respectivement dans le nord de Marseille et au dessus d’Aix.

Par ailleurs, une convergence des deux systèmes de brises de mer se produit en milieu de

journée au centre de Marseille. Cette zone de convergence peut atteindre presque 1 km

d’alti-tude. Ces observations confirment les résultats des simulations numériques de Lemonsu et al.

(2005). La présence de ce phénomène sur Marseille indique que des transferts verticaux de

polluants peuvent avoir lieu sur des altitudes importantes. Par conséquent, le nuage de CO

ob-servé à 800 m d’altitude au nord de Marseille, est probablement dû à ce phénomène. Les fortes

concentrations de CO émises dans la matinée sur le sud de la ville peuvent avoir été transférées

des basses couches jusqu’à 800 m d’altitude, puis transportées vers le nord par le flux de secteur

sud présent à ce niveau.

Dans le document Etude de la couche limite atmosphérique côtière durant ESCOMPTE 2001. Evaluation et amélioration des performances d'un radar UHF. (Page 131-137)