Soutenance mémoire
L’atmosphère terrestre
L’atmosphère terrestre est composée de différentes couches superposées. Depuis le sol, on distingue notamment la troposphère, la stratosphère, la mésosphère, suivie de la thermosphère (figure 1.1). On divise les basses couches atmosphériques (altitude inférieure à 10 km) en deux parties distinctes :
• la couche libre, la partie supérieure de la troposphère. Le vent y est déterminé par de grands mouvements d’ensemble à l’échelle de la planète et est appelé vent géostrophique. Il résulte de l’équilibre entre les forces de gradient de pression et la force de Coriolis due à la rotation de la Terre ;
• la couche limite atmosphérique (CLA), la partie proche de la surface terrestre. Le sol y perturbe l’écoulement de l’air et donne naissance à une forte agitation appelée turbulence. La variation diurne du rayonnement solaire y est directement perceptible d’un point de vue thermique. L’air, principalement concentré dans la troposphère, est composé essentiellement d’azote et d’oxygène. L’air propre et sec est constitué de 78 % d’azote, 21 % d’oxygène, 1 % d’argon, et de 0,33 % de dioxyde de carbone. S’ajoutent à cela la vapeur d’eau et les aérosols. Les aérosols sont des particules liquides ou solides de taille 0,01 à 100 microns environ, d’origine et de nature variées. Les principales familles d’aérosols sont :
• les aérosols stratosphériques d’acide sulfurique liés en majeure partie aux éruptions volcaniques;
• les aérosols troposphériques marins produits par les océans ;
• les aérosols désertiques constitués par des poussières minérales;
• les aérosols anthropiques liés à la pollution urbaine ou aux feux de végétation et les aérosols résultants de transformations chimiques. Retenons que l’atmosphère se décompose en trois groupes : les molécules d’air sec et les gaz permanents, le contenu en eau et les aérosols.
La pollution atmosphérique
« On entend par pollution de l’atmosphère, l’émission dans l’atmosphère de gaz ,des fumées ou de particules solides ou liquides , corrosifs, toxiques ou odorantes de nature à incommoder la population, à compromettre la santé ou la sécurité publique ou à nuire aux végétations , la production agricole et aux produits agro-alimentaires, à la conservation des constructions et monuments ou au caractère des sites »*. *(Loi n°83-03 du 5 février 1998 relative à la protection de l’environnement- Ministère de l’Aménagement du Territoire et de l’Environnement) La pollution atmosphérique est donc un phénomène qui met en jeu des émetteurs naturels ou anthropogéniques, un milieu (l’atmosphère), des récepteurs (l’homme, l’animal, le végétal ou le matériau) et une sensibilité. Son étude peut être distinguée en trois grandes échelles spatio-temporelles. Ces échelles sont fonction du transport des polluants et donc de leur durée de vie qui dépend de la stabilité des substances chimiques :
• échelle locale (rue, quartier, ville donc de 10 m à 10 km). La pollution provient des effets directs du chauffage individuel, des fumées des usines et des modes de transport. L’impact des divers polluants est direct sur la santé des hommes et des animaux, sur la végétation et sur les matériaux. La procédure courante d’observation à cette échelle repose sur des échantillonnages au niveau du sol par les réseaux de surveillance de la qualité de l’air.
• échelle régionale (environ 100 km). A cette échelle, des phénomènes physicochimiques complexes et variés interviennent. Elle concerne les zones où des phénomènes secondaires apparaissent, tels que les pluies acides ayant un impact non négligeable sur les forêts, les écosystèmes aquatiques ou la production d’ozone dans les basses couches atmosphériques.
• échelle globale (environ 1000 km). A cette échelle, les études couvrent de très vastes régions où les effets des polluants les plus stables chimiquement agissent sur l’ensemble de la planète : réduction de la couche d’ozone à haute altitude ou encore augmentation de l’effet de serre qui pourrait provoquer des changements climatiques importants.
Les types d’aérosols
Les différents types d’aérosols que nous connaissons ont une classification typique dans les études climatologiques (Vergaz, 2001 ; D’Almeida et al., 1991 ; Shettle et enn, 1979 ; World Climate Programme, 1986), qui ne prétend pas être exhaustive, mais introduit simplement les caractéristiques déterminantes qui permettent d’aborder l’étude particulière des aérosols d’une région spécifique. Dans leur composition ils sont fondamentalement composés d’éléments tels que le fer, magnésium, silicium, soufre, argon, calcium, nickel, chrome, chlore, manganèse, potassium, cobalt ou titane (Cameron, 1981). Il est évident que l’étude des quantités et des types d’aérosols encombrant l’atmosphère revêt une importance particulière pour comprendre les mécanismes qui déterminent leur présence dans la planète (Hofmann, 1994 ; Preining, 1991). Le suivi de leurs propriétés verticales y est d’un grand intérêt dans les études climatologiques environnementales (Ten Brink, 1993 ; Hofmann et al., 1994 ; Lacis et al., 1995). Ces propriétés, qui seront pour la plupart étudiées dans les autres chapitres, passent par la détermination des indices de turbidité (trouble), de l’épaisseur optique des aérosols (Aerosol Optical Depth), des paramètres physiques (distribution en nombre, en taille, etc.), des paramètres radiatifs (albédo, facteur de phase, paramètre d’asymétrie, etc.). La détermination de la variabilité spatio-temporelle de l’aérosol atmosphérique requiert des mesures courantes tout au long de périodes suffisamment longues. Les données mesurées sont fournies en général par de courtes campagnes intensives ou par des campagnes effectuées durant de longues périodes (Twomey, 1977; Bates et al., 1998). Il a été développé quelques réseaux mondiaux de suivi des propriétés des aérosols sur la base d’utiliser le même modèle d’appareil de mesure de l’épaisseur optique dans diverses stations dispersées à travers le globe terrestre (Shettle et fenn, 1979 ; Cachorro et al., 2000). Les données de Tamanrasset, appartenant au réseau mondial AERONET (Holben et al., 1998) ainsi que les données, de la campagne AMMA que nous détaillons dans le chapitre 4, sont utilisées dans ce travail de thèse. Notons que Blida fait également partie de ce réseau mondial. Ces mesures sont généralement faites avec des photomètres solaires qui mesurent avec des largeurs de bande variables, entre 10 et 40 nm. Toutefois, on peut aussi effectuer ces mesures au moyen de spectromètres avec une plus grande résolution spectrale (Cuomo et al, 1994 ; Holben et al., 1998). De nombreuses publications, ces dernières vingt années, soulignent l’importance de l’étude des aérosols du point de vue climatique (Lacis et Mishchenko, 1995; Quinn et al., 1996 ; Raes, 1997; Cachorro et al., 1998).
Les moyens actuels disponibles à l’étude des aérosols
Depuis le début des années 1980, suite à la prise de conscience des impacts des aérosols sur la santé et le climat, de nombreux réseaux d’observation des aérosols ont été mis en place, permettant une estimation des concentrations en aérosols à la surface de la terre. C’est le cas du réseau EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme) en Europe (Hjellbrekke, 2004), et IMPROVE (Interagency Monitoring of protected Visual Environment) en Amérique du Nord, qui regroupent des données collectées depuis une vingtaine d’années. Plus récemment, le réseau d’observation CESOA collecte des observations aux hautes latitudes Sud. L’Organisation Météorologique Mondiale surveille le niveau des GES et des aérosols depuis les années 60, époque où elle a établi un réseau mondial qui, depuis lors, a été intégré à la VAG (Veille de l’Atmosphère Globale), principale source d’informations sur la chimie de l’atmosphère relevant de l’Organisation, et ce en en collaboration avec le PNUE ( Programme des Nations Unies pour l’Environnement ) pour le volet financement. La VAG a pour objectif le rassemblement et l’interprétation de données et d’informations provenant de toutes les parties du globe sur la composition chimique de l’atmosphère (gaz en faibles concentrations, aérosols, etc.), ainsi que sur les paramètres physiques qui y sont liés (rayonnement solaire, U.V., etc.) En Algérie, la veille de l’Atmosphère Global (Abderrahim et al., 2007a). Ces réseaux sont un moyen essentiel de validation des modèles globaux en surface, mais l’impact des aérosols sur le climat étant très lié à leur répartition sur la verticale, ces mesures ne sont pas suffisantes pour appréhender les quantités d’aérosols ainsi que leur forçage radiatif. Depuis une dizaine d’années, des réseaux de photomètres et de LIDAR ont été installés comme le réseau mondial AERONET (AErosol RObotic NETwork ; Blida et Tamanrasset en font partie1 ), le réseau européen EARLINET (A European Aerosol Research LIdar Network to Establish an Aerosol Climatology2 ) ou les réseaux asiatiques ADNET (Asian Dust Network3 ) et MPLNET (Micro-Pulse Lidar Network4 ). Ce type d’observation fournit des mesures de l’épaisseur optique sur toute la hauteur de l’atmosphère, ce qui permet d’estimer les quantités d’aérosols sur la verticale. Les observations satellite comme les images MODIS (MoDerate resolution Imaging Spectrometer) fournissent une estimation de l’épaisseur optique et de l’effet direct des aérosols à échelle globale. Mais ces observations ne sont pas complètes, notamment en ce qui concerne les zones ou l’albédo de la surface terrestre est élevé, sur les déserts et les zones englacées entre autres, mais aussi dans les zones couvertes par des nuages. Plus récemment, le projet CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation ) a permis d’embarquer à bord de satellites des LIDAR, fournissant des profils verticaux de l’épaisseur optique des aérosols le long de la trajectoire du satellite. Cet outil est actuellement très utilisé pour valider les modèles numériques. L’inconvénient majeur des observations réalisées par LIDAR ou satellite est qu’elles ne permettent pas de séparer les contributions des différents types d’aérosols, excepté dans les situations où l’un d’entre eux est largement majoritaire, dans le cas d’un épisode de transport de poussières désertiques par exemple. La plate-forme Internet ICARE regroupe tout un ensemble d’observations de satellites et de LIDAR, et organise la distribution de ces données selon les besoins des utilisateurs
Restitution des profils atmosphériques par lidar de rétrodiffusion seul
Les lidars à rétrodiffusion ne permettent pas des mesures directes des variables physico-chimiques. L’information fondamentale apportée par les sondages Lidar à l’étude des aérosols atmosphériques est la restitution de la structure verticale des propriétés optiques des aérosols. Cependant, cette information n’est pas mesurée directement par le Lidar. A la place, la grandeur observée est la rétrodiffusion apparente – Eq. (4.13) – ou aussi appelée réflectivité Lidar. Les techniques Lidar de mesure des aérosols, qui utilisent une seule ou quelques longueurs d’onde, requièrent la connaissance à priori de l’indice de réfraction complexe et/ou de la distribution de taille des aérosols (Chudzynski, 2002). En atmosphère urbaine, ces informations sont difficiles à obtenir à cause de la diversité des types d’aérosols et de distributions multimodales complexes. Des méthodes originales (Mondelain, 2001 ; Del Guasta and Marini, 2000) existent faisant l’hypothèse forte que la distribution de probabilité en taille et en composition des aérosols ne varient pas avec l’altitude.A partir des signaux lidars (ondes rétrodiffusées) enregistrés sur les chaînes de détection on cherche à déterminer les grandeurs atmosphériques suivantes :
• La présence de nuages et de couches d’aérosols en analysant la discontinuité sur les profils lidar à 532 nm et 1064 nm
• L’altitude de ces couches nuageuses et d’aérosols en analysant également la discontinuité sur les profils lidar à 532 nm et 1064 nm
• Les propriétés optiques de diffusion : β(z), α(z), δ (épaisseur optique liée aux concentrations en particules) par inversion du signal lidar à 532 nm
• La phase thermodynamique des nuages (eau, glace) en analysant la dépolarisation à 532 nm Les conditions préalables pour la détermination de ces différents paramètres sont :
1) Un bon rapport signal-bruit
2) Un profil lidar moyen comme moyenne de nombreux profils lidars successifs
3) Des zones propres pour un étalonnage relatif La modélisation des ondes rétrodiffusées consiste en un traitement et en premier lieu en leur décomposition en une somme d’échos distincts afin de caractériser les différentes cibles rencontrées sur le trajet du faisceau laser. Ce processus de modélisation des ondes lidar est crucial pour densifier le nuage de points (Dubayah and Blair, 2000) et pour étudier la morphologie des réponses spécifiques des objets dans un objectif de classification (Ducic et al., 2006). La qualité des observations du Mini Lidar est donc principalement liée à deux aspects : i) la conception et la mise en œuvre de l’instrument et ii) la connaissance des incertitudes et des sources de bruits, de manière à optimiser ses spécifications instrumentales pour pouvoir achever les objectifs scientifiques. La figure 4.9 montre un exemple de mesures Lidar où a) coefficient de rétrodiffusion apparent (km-1 sr-1) en fonction de l’altitude mesurée par le lidar au dessus du sol. L’étalonnage du système repose sur l’hypothèse de zone(s) propre(s) et b) représentation schématique des différentes régions de l’atmosphère et des diffuseurs.
Architecture du traitement des données par Lidar
L’architecture du traitement des données par Lidar est illustrée par la figure 5.1 Le niveau 0 se compose des données brutes constituées des profils verticaux rétrodiffusés par l’atmosphère. Le niveau 1 apporte une information sur la qualité des données. L’information permet de séparer rapidement le signal utile du bruit. Le niveau 1 contient les profils verticaux rétrodiffusés par l’atmosphère et corrigés du bruit ainsi que d’un flag de qualité. Les données de niveau 2 sont constituées des profils de rétrodiffusion corrigés et de la classification de la structure de l’atmosphère. La classification est effectuée en trois étapes:
• Identification de la couche limite atmosphérique (CLA)
• Identification des régions contenant des particules (Nuages, Aérosols)
• Identification de régions dominées par la présence de molécules. La quantité de particules présente dans ces régions est faible et peut être négligée. Les données de niveau 2 permettent de retrouver les paramètres physiques:
• L’épaisseur optique des différentes couches (nuages et aérosols)
• La phase thermodynamique des nuages
• Les altitudes de bases et sommets des nuages
L’altitude de la Couche Limite Atmosphérique (CLA)
|
Table des matières
Remerciements
Résumé
Liste des acronymes
Liste des figures
Liste des tableaux
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 QUELQUES ELEMENTS SUR LA POLLUTION DE L’AIR PAR LES AEROSOLS
1.1 Introduction
1.2 Définition de la pollution atmosphérique
1.2.1 L’atmosphère terrestre
1.2.2 La pollution atmosphérique
1.2.3 Les principaux polluants
1.2.4 Le cas particulier de l’ozone
1.3 La pollution par les particules
1.3.1 Définition
1.3.2 Les types de particules
1.4 Quelques propriétés des particules atmosphériques
1.4.1 La taille des particules
1.4.2 Les types d’aérosols
1.5 Les moyens actuels disponibles à l’étude des aérosols
1.6 Le réseau de surveillance de la qualité de l’air en Algérie
1.6.1 Buts du réseau
1.6.2 La station d’analyse destinée à la surveillance de l’air
1.6.3 Schéma de l’extérieur de la cabine Samasafia
1.6.4 Aspect extérieur d’une station d’analyse
1.6.5 Schéma de l’intérieur de la cabine Samasafia
1.7 Caractéristiques des concentrations
1.7.1 Les niveaux des mesures
1.7.2 Evaluation des mesures
1.7.3 Unités de mesure des polluants
1.8 Etudes des aérosols en Algérie
1.8.1 Importance des particules
1.8.2 Etude 1 : Alger (2001-2006)
1.8.3 Etude 2 : Alger (2005)
1.8.4 Etude 3 : Oran (2005)
1.8.5 Alger (2002-2008)
1.9 Conclusion
Références bibliographiques du chapitre 1
CHAPITRE 2 LES PARTICULES ATMOSPHERIQUES EN SUSPENSION OU AEROSOLS
2.1 Introduction
2.2 Les aérosols atmosphériques
2.2.1 Qui sont-ils ?
2.2.2 Impact des aérosols sur le climat
2.2.3 Origines des aérosols atmosphériques
2.2.4 Origines naturelles
2.2.5 Origines anthropogènes
2.3 Mécanisme de formation
2.3.1 Concentration des aérosols
2.3.2 Classes d’aérosols
2.3.3 Temps de résidence des aérosols atmosphériques
2.4 Composition minéralogique ou chimique
2.5 Modélisation des propriétés optiques
2.6 Propriétés microphysiques et optiques des aérosols atmosphériques
2.6.1 Propriétés microphysiques des aérosols atmosphériques
2.6.1.1 Taille des particules
2.6.1.2 Indice de réfraction
2.6.1.3 Distribution lognormale
2.6.1.4 Forme des particules
2.6.2 Principales propriétés optiques des cibles atmosphériques
2.6.2.1 Généralités
2.6.2.2 L’absorption
2.6.2.3 La diffusion
2.6.2.4 L’extinction
2.6.3 Autres Principales propriétés optiques des cibles atmosphériques
2.6.3.1 L’albédo de diffusion simple
2.6.3.2 Le facteur d’asymétrie
2.6.3.3 La fonction de phase
2.6.3.4 L’épaisseur optique en aérosols
2.6.3.5 L’exposant d’Angström
Références bibliographiques du chapitre 2
CHAPITRE 3 CARACTERISATION DES AEROSOLS ATMOSPHERIQUES A TAMANRASSET
3.1 Introduction et généralités
3.1.1 Objectif
3.1.2 Instrumentation
3.1.3 La campagne AMMA
3.2 Les aérosols désertiques
3.2.1 Généralités
3.2.2 Caractéristiques des aérosols désertiques
3.3 Modélisation des aérosols désertiques de la région de Tamanrasset
3.3.1 Introduction
3.3.2 Le photomètre solaire
3.3.3 Les mesures photométriques
3.4 Résultats globaux de la campagne de mesures à Tamanrasset
3.4.1 Modélisation de l’aérosol désertique
3.4.2 Détermination du facteur et du coefficient d’Angstrom
3.5 L’épaisseur optique et le coefficient d’Angstrom à Tamanrasset
3.6 Pollution dérivée des aérosols
3.7 Analyse de la granulométrie et des épaisseurs optiques
3.7.1 Répartition en taille des aérosols
3.7.2 Répartition volumique des aérosols
3.7.3 Composition chimique des aérosols
3.8 Conclusion
Références bibliographiques du chapitre 3
CHAPITRE 4 OUTILS THEORIQUES ET INSTRUMENTAUX POUR L’ETUDE DES AEROSOLS DESERTIQUES
4.1 L’observation des aérosols
4.2 La technique Lidar
4.2.1 Généralités
4.2.2 Principe du Lidar
4.2.3 Phénomènes associés à la télédétection
4.3 Détermination des équations générales d’un lidar atmosphérique
4.3.1 Les coefficients d’absorption et de rétrodiffusion
4.3.2 La loi de Beer-Lambert appliqué au Lidar
4.4 Principaux modes de fonctionnement
4.4.1 Lidar rétrodiffusion
4.4.2 Lidar à absorption différentielle ou lidar DIAL
4.4.3 Lidar Doppler cohérent
4.5 Intérêts et avantages du lidar
4.6 Présentation du lidar utilisé à Tamanrasset
4.6.1 Objectifs scientifiques
4.6.2 Caractéristiques du mini lidar
4.6.3 Les équations du mini-lidar
4.6.4 Restitution des profils atmosphériques par lidar de rétrodiffusion seul
4.7 Le lidar spatial CALIOP
4.7.1 Introduction
4.7.2 Caractéristiques du lidar CALIOP
4.7.3 Couverture spatiale du Lidar CALIOP
4.7.4 Les équations du Lidar CALIOP
4.8 Conclusion
Références bibliographiques du chapitre 4
CHAPITRE 5 APPLICATION DE LA TELEDETECTION ACTIVE DES AEROSOLS PAR OBSERVATION LIDAR
5.1 Introduction et généralités
5.2 Traitement des données par Lidar
5.2.1 Architecture du traitement des données par Lidar
5.2.2 Exemples de traitement des données lidar
5.2.3 Analyse d’un profil lidar typique de Tamanrasset
5.3 Synergie entre le lidar au sol et le lidar spatial CALIOP
5.3.1 Introduction
5.3.2 Principe de la technique LIBOD
5.4 Application de la technique LIBOD à la région de Tamanrasset
5.5 Méthodes d’obtention de la concentration des aérosols
5.5.1 Par la technique lidar DIAL
5.5.2 Exploitation des inversions à partir du coefficient d’extinction du lidar
5.5.3 Application au site de Tamanrasset
5.6 Commentaires et conclusion
Références bibliographiques du chapitre 5
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
Références bibliographiques générales
Annexe A Le réseau AERONET
Annexe B Lidar equations for total elastic backscatter systems in opposite direction
Télécharger le rapport complet
