Formation sur la dispersion atmosphérique en milieux urbains
3. Principes de base du transport et de la dispersion atmosphériques
Lorsqu'un polluant est rejeté dans l'atmosphère, il est transporté, ou advecté, loin de la source tout en étant dispersé ou dilué par le processus de la diffusion turbulente. Le polluant peut aussi être éliminé de l'atmosphère par le dépôt au sol. Deux types de dépôt sont généralement distingués : le dépôt sec et le dépôt humide. Le dépôt humide se fait à travers le lessivage par les précipitations sous le nuages («washout») ou le lessivage par l'eau nuageuse («rainout»). La figure 3.1 illustre les mécanismes physiques les plus pertinents, impliqués dans le transport et la dispersion atmosphériques. Des transformations chimiques ou radiologiques peuvent également survenir.
Figure 3.1: Les processus les plus importants affectant le transport et la dispersion de polluants en suspension dans l'air [1].
La dispersion est essentiellement gouvernée par la turbulence qui mélange le nuage de polluants avec l'air ambiant, et dont la concentration moyenne décroit en s'éloignant de la source. Les trois types de turbulence qui agissent pour disperser un panache sont la turbulence mécanique, la turbulence thermique (flottabilité) et la turbulence due au cisaillement du vent. La turbulence mécanique est causée par le contact de l'air avec les éléments présents en surface, tels que les bâtiments, les arbres et les collines. Non seulement la turbulence mécanique disperse un panache, mais si les éléments de surface sont suffisamment importants, elle peut changer la direction du panache lors de son déplacement. La turbulence de cisaillement du vent résulte de brusques changements de la vitesse ou de la direction du vent. La turbulence thermique est causée par des bulles d'air chaud qui monte, soit en raison d'une explosion, un incendie ou une instabilité verticale, par exemple le réchauffement diurne de l'air près du sol.
La concentration d'un polluant dans l'air à un endroit donné dépend de plusieurs facteurs, à savoir: la quantité de polluant rejeté à la source (le taux d'émission et la durée), la distance à partir de la source, et les conditions météorologiques. Les conditions météorologiques les plus importantes sont la vitesse du vent, la direction du vent, et les gradients verticaux de température. Si la température de l'air diminue fortement avec la hauteur, cela se traduit par une atmosphère instable qui a tendance à mélanger les polluants verticalement dans une couche plus profonde, résultant en des concentrations de polluants faibles à modérées au niveau du sol. Si la température augmente ou est constante avec l'altitude, l'atmosphère est stable; le brassage vertical est limité, les polluants s'accumulent dans les bas niveaux, et les concentrations près du sol seront élevées.
La concentration du polluant est souvent exprimée en fonction de la masse totale des polluants dans un volume standard d'air. La mesure la plus fréquemment utilisée dans le système métrique est le microgramme de polluant dans un mètre cube d'air (μg/m3). Cette mesure peut être utilisée soit pour des particules ou des gaz. Les concentrations de gaz peuvent aussi être exprimées en parties par million (ppm), où 1 ppm représente 1 mètre cube de polluant dispersé dans 1 million de mètres cubes d'air. En utilisant la densité de chaque gaz polluant, sa concentration peut être convertie de ppm à μg/m3, ou vice versa. A titre d'exemple pour le dioxyde de soufre, aux conditions de référence, 1 ppm = 2.620 μg/m3.
Les modèles mathématiques qui tiennent compte de ces processus (le transport, la diffusion, le lessivage, le dépôt, la transformation) peuvent être utilisés pour prédire les concentrations du polluant en suspension dans l'air ou déposé en surface en différents endroits de l'espace.
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