6 ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 20111 Estimation de la formation des AOS par la chimie nuageuse: simulation 2D sur le Puy-de-Dôme

6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

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Estimation de la formation des AOS par la chimie nuageuse:simulation 2D sur le Puy-de-

DômeMaud LericheAlexandre Berger

Didier GazenJuan EscobarPierre Tulet


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CUMULUS : contexte

Photo-oxydation

OH

COV(isoprène)

Photo-oxydation gaz

COVO

Impacts sur les propriétés des gouttes ?

AOS

Impacts sur les propriétés CCN ?

Impact climatique ?

Propriétés physico-chimiques ?

Impact qualité de l’air / santé


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Le projet CUMULUS : organisationTâche 1 : Études des processus

photochimiques en phase aqueuse (A. Monod)

T1.1 : Premières étapes de la photo-oxydation en phase aqueuse

T1.2 : Formation des oligomères et des produits polyfonctionnels

T1.3 : Synthèse des produits non disponibles dans le commerce

Tâche 2 : Simulations expérimentales intégrées de la formation des AOS (J.F Doussin)

T2.1 : Formation des AOS à partir des produits oxydés en phase aqueuse Nébulisation des solutions aqueuse oxydées après la photo-oxydation d’1 COV (T1) + influence de l’irradiation solaire sur la formation des AOS?

T2.2 : Photo-oxydation de l’isoprène durant des cycles d’évapo-condensation Influence des concentrations initiales NOx et des particules prééxistantes

Tâche 3 : Paramétrisation des processus physico-chimiques

contrôlant la formation des AOS (L. Deguillaume)

T3.1 : Développement du modèle : extension de la chimie organique

T3.2 : Adaptation de M2C2 à la simulation des expériences en chambre et validation

T3.3 : Simulation des expériences intégrées: analyse des résultats

Paramétrisation de la microphysique

Paramétrisation de la chimie

Tâche 4 : Transfert d’échelles, simulations numériques de nuages observés (M. Leriche)

T4.1 : Développement du modèle Méso-NH pour inclure la formation des AOS à partir des processus nuageux

T4.2 : Sélection de cas d’étude dans la base de données du Puy de Dôme

T4.3 : Tests de sensibilité sur des simulations 2D idéalisées

T4.4 : Simulation des cas d’étude en mode cas réel


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Dégroupements des espèces des mécanismes existants

COVO issus de l’oxydation de

l’isoprène en phase gaz


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Développement de ReLACS2-AQ (1)

Réduction du mécanisme chimique en phase aqueuse : Sous-réaction-bilan aqueuse pour chaque composé Xi du composé condensé X :

Xi + OH radical peroxyle R-OO. + composés Yn On suppose que d(R-OO.)/dt=0 : équilibre photo-stationnaireR-OO. Y’n : décomposition

R-OO. + R-OO. Y’’n : auto self

R-OO. + OH- Y’’’n : hydrolyse basique

Finalement, Xi + OH α1 Yn + α2 Yn’ +α3 Yn

’’ +α4Yn’’’

Coefficients α2, α3 et α4 dépendent de la compétition entre les différentes voies de R-OO.

compétition

Réaction-bilan du composé condensé X = somme des sous-réactions-bilan pour chaque composé Xi :X + OH i Yi

Coefficients i dépendent des i et du poids de chaque composé Xi dans l’espèce condensée X -> nécessite simulation 0D


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- Ajout des espèces primaires considérées dans ReLACS2-AQ,- Ajout des données permettant le transfert gw (Heff, α, réactions d’équilibre) pour les nouvelles espèces solubles de ReLACS2-AQ,- Ajout des réactions en phase aqueuse considérées dans ReLACS2-AQ,- Initialisation des concentrations initiales, des émissions et dépôts à partir des scénarios urbain, rural et marin de Ervens et al. (2003).

- Évolution temporelle des concentrations (g et w) des espèces chimiques du mécanisme réactionnel pour les trois scénarios- Évolution temporelle du pH

ENTREES

SORTIES

Utilisation du modèle M2C2 en version 0D avec un mécanisme intermédiaire entre le mécanisme détaillé de M2C2 et le

mécanisme réduit ReLACS2-AQ


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Exemple de l’espèce condensée ALD2ALD2 = CH3CHO + CH3CH2CHO + CH3CH2CH2CHO

CH3CHO + OH RO21 + CO2 : k1CH3CH2CHO + OH RO25 + CO2 : k2CH3CH2CH2CHO + OH RO25 + CO2 : k3ALD2 + OH β1 RO21 + β2 RO25 + β3 CO2 : k

β1

β2


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Sélection des cas d’étude dans la base de données du Puy de Dôme

Cas nuageux au printemps émission biogénique importante

Cas nuageux en automne faible émission biogénique

Couche limite peu

développée pollution non

locale

Pour chaque saison :1 flux océanique (non pollué)1 flux continental (pollué)


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Configuration du modèle

Champs ECMWF

Champs CGIAR: 250m de résolution

- Schéma de turbulence 3D- Schéma microphysique de Kessler- Durée de la simulation 1800 s- 60 points, Δx=250m- 35 niveaux verticaux, Δz = 20m en surface à 120m à 2400m

Définition de la coupe 2D pour le 6 avril 2004


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Initialisation dynamique et chimique

Dynamique : création d’un Radiosondage-type : P, U, V, , rv

Chimie : à partir des mesures disponibles à la station et de la littérature

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0,5 1

Facteur multiplicatif

Altitude

(km)

profi l 1 = uniforme

profi l 2 = stratosphère

profi l 3 = couche limite

750

800

850

900

950

1000

275 280 285 290

Pre

ssio

n (h

Pa)

Température potentielle (K)


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Évolution du nuage

Nuage orographique typique stable

t = 15 mns t = 30 mns


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Chimie aqueuse issue de ReLACS-AQ

• H2O2 et SO2 solubles dans l’eau nuageuse et réagissent dans la phase aqueuse

• Beaucoup de H2SO4 formé.• H2SO4 montre le lessivage, et

passage en phase particulaire• Transport vers l’aval de l’air

appauvri en H2O2 et SO2

Puy-de-Dôme Aval


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Formation d’acides organiques via la phase aqueuse avec ReLACS2-AQ

• Production significative de HCOOH, CH3COOH, acide pyruvique UR21, dans la phase aqueuse

• Somme des acides organiques proche de 3 pptv

Contribution aux AOS

Acide formique Acide acétique

Acide pyruvique Acides organiques totaux


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Discussions et Conclusions La simulation 2D idéalisée du nuage est un cadre

idéal pour effectuer des tests de sensibilité sur la chimie aqueuse,

Le profil orographique et stable de ce nuage a permis de mieux comprendre les processus physico-chimiques associés (transport, lessivage, passage en phase particulaire…) en se plaçant en amont et en aval de la montagne,

La simulation avec le mécanisme ReLACS-AQ montre une production significative de H2SO4 et de HCOOH dans la phase aqueuse,

Une première simulation avec le mécanisme développé ReLACS2-AQ donne une première estimation de la production d’acides organiques susceptibles de former des AOS dans le phase aqueuse.


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En perspectives…

Ajout de la chimie de la méthacroléine et de la méthyle vinyle cétone en phase aqueuse dans ReLACS2-AQ

Ajout de l’émission en ligne de l’isoprène dans la simulation 2D

Effectuer des simulations 3D en cas réel Développement de nouveaux scénarios de

nuages orographiques au Puy de Dôme à partir des nouvelles mesures à venir avec notamment des mesures de COV et d’AOS

Chimie Gaz + AqueuseReLACS2-AQ

Module AérosolsORILAM

ActivationAbdul-Razzak 2004

Chimie Gaz + AqueuseReLACS-AQ

Module Lessivage Aérosols

Microphysique des nuagesKessler

Microphysique des nuagesC2R2

Module de formation des AOS par la chimie nuageuse dans MesoNH


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MERCIMERCI

Documents

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