Maud Leriche Alexandre Berger Didier Gazen Juan Escobar Pierre Tulet Estimation de la formation des AOS par la chimie nuageuse: simulation 2D sur le Puy-de-Dôme Maud Leriche Alexandre Berger Didier Gazen Juan Escobar Pierre Tulet 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

CUMULUS : contexte Impact qualité de l’air / santé OH Propriétés physico-chimiques ? AOS COVO Photo-oxydation Photo-oxydation gaz Impacts sur les propriétés CCN ? COV (isoprène) Impacts sur les propriétés des gouttes ? Impact climatique ? 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

Le projet CUMULUS : organisation Tâche 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 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 Paramétrisation de la microphysique Paramétrisation de la chimie 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

Dégroupements des espèces des mécanismes existants COVO issus de l’oxydation de l’isoprène en phase gaz 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

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-stationnaire R-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  bi Yi Coefficients bi dépendent des ai et du poids de chaque composé Xi dans l’espèce condensée X -> nécessite simulation 0D 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

Développement de ReLACS2-AQ (2) Utilisation du modèle M2C2 en version 0D avec un mécanisme intermédiaire entre le mécanisme détaillé de M2C2 et le mécanisme réduit ReLACS2-AQ ENTREES Ajout des espèces primaires considérées dans ReLACS2-AQ, Ajout des données permettant le transfert gw (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). SORTIES Évolution temporelle des concentrations (g et w) des espèces chimiques du mécanisme réactionnel pour les trois scénarios Évolution temporelle du pH 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

Développement de ReLACS2-AQ (3) Exemple de l’espèce condensée ALD2 ALD2 = CH3CHO + CH3CH2CHO + CH3CH2CH2CHO CH3CHO + OH  RO21 + CO2 : k1 CH3CH2CHO + OH  RO25 + CO2 : k2 CH3CH2CH2CHO + OH  RO25 + CO2 : k3 ALD2 + OH  β1 RO21 + β2 RO25 + β3 CO2 : k β1 β2 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

Sélection des cas d’étude dans la base de données du Puy de Dôme Couche limite peu développée  pollution non locale Cas nuageux au printemps  émission biogénique importante Cas nuageux en automne  faible émission biogénique Pour chaque saison : 1 flux océanique (non pollué) 1 flux continental (pollué) 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

Configuration du modèle Définition de la coupe 2D pour le 6 avril 2004 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 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

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 Température potentielle (K) 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011 Évolution du nuage t = 15 mns t = 30 mns Nuage orographique typique stable 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

Chimie aqueuse issue de ReLACS-AQ Puy-de-Dôme Aval 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 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

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 Acide formique Acide acétique Acide pyruvique Acides organiques totaux Contribution aux AOS 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

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

En perspectives… Module de formation des AOS par la chimie nuageuse dans MesoNH 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 6ème Réunion des utilisateurs Méso-NH 13-14 octobre 2011

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