Dépôt sec des aérosols submicroniques sur une surface liquide en mouvement

Névénik Calec a soutenu sa thèse le 2 décembre 2013 à Cadarache.

Que ce soit par rejets chroniques ou accidentels, l’impact d’une installation nucléaire sur l'environnement dépend essentiellement des transferts atmosphériques qui, comme le montre les accidents de Tchernobyl et de Fukushima, conditionnent la contamination des surfaces et les impacts à moyen et à long termes sur l’environnement et les populations. Dans ce  contexte, ce travail s’intéresse à la caractérisation et à la modélisation du dépôt sec des aérosols submicroniques sur des surfaces liquides en mouvement telles que des rivières. Contrairement au dépôt humide qui est conditionné par le rabattement et le lessivage (pluie et nuages), le dépôt sec est un phénomène qui dépend tout à la fois des caractéristiques des aérosols, des surfaces réceptrices et de l’écoulement de l’air.  En pratique, l’évaluation du dépôt sec s’appuie sur l’estimation d’un flux modélisé par le produit d’une concentration particulaire et d’une vitesse de dépôt qui peut varier sur plusieurs ordres de grandeurs en fonction de l’état des surfaces réceptrices (surfaces forestières, neigeuses, urbaines, prairiales, plaines nues…). Ce sujet est motivé par la quasi-absence d’études sur les mécanismes de dépôt sec sur les hydrosystèmes continentaux tels que les rivières et il concerne les aérosols submicroniques car ce sont ceux qui présentent les plus faibles efficacités de dépôt et de filtration et les plus longs temps de résidence dans l’atmosphère. De plus, ils sont potentiellement les plus dangereux pour les êtres vivants car ce sont ceux qui peuvent pénétrer le plus profondément dans les voies respiratoires. Compte tenu de l’inexistence de données sur le dépôt sec des aérosols submicroniques sur une surface liquide en mouvement, la démarche s’est appuyée sur deux axes : 1) l’acquisition expérimentale de vitesses de dépôt et 2) l’analyse et l’interprétation des résultats au moyen d’un travail de modélisation.

Les expérimentations de dépôts ont été réalisées avec des aérosols d’uranine injectés dans la maquette de la soufflerie Interface Océan Atmosphère (IOA) de l’Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre qui permet d’étudier les couplages entre les écoulements d’air et d’eau. Ces expérimentations ont permis d’obtenir de nombreuses vitesses de dépôt sec pour différentes configurations caractérisées en fonction des conditions de vent (couches limites caractérisées pour 7 vitesses de vent : 1; 2; 4; 5; 7,5 et 9,5 m/s), de courant (co et contre-courant et trois vitesses débitantes : 0, 6 et 12 cm/s), d’ambiance (température et humidité de l’air et température de l’eau), de déformations de la surface liquide (mesures des vagues) et de distribution granulométrique des aérosols injectés.

La partie modélisation a consisté à adapter le modèle à résistance de Slinn et Slinn (1980). Ce modèle est basé sur l’hypothèse de la conservation du flux vertical dans la couche limite. Cette dernière est décomposée en deux compartiments : une couche de dépôt très fine et saturée en eau au contact de la surface et une couche de transfert située au-dessus. La couche de transfert apporte des particules à la couche de dépôt par diffusion turbulente et par sédimentation et au sein de la couche de dépôt les particules se déposent sous l’effet de plusieurs mécanismes tels que la diffusion brownienne, la sédimentation, l’impaction et les mécanismes phorétiques. Les principales adaptations apportées par ce travail ont consisté à prendre spécifiquement en compte les différentes classes de particules du spectre granulométrique du champ aérosolique, à évaluer les évolutions de ce spectre en fonction des mécanismes d’hygroscopicité et d’agrégation et à intégrer les mécanismes de diffusiophorèse et de thermophorèse respectivement produits par l’évaporation de l’eau et le gradient de température à l’interface air/eau.

Pour tenir compte des propriétés hygroscopiques des aérosols d’uranine, les vitesses de dépôt sont analysées en fonction des conditions d’humidité et adimensionnées par la vitesse de frottement. Dans tous les cas, les vitesses de dépôt adimensionnées par la vitesse de frottement varient de 10−3 pour une vitesse de vent de 1 m/s à 10−5 – 10-4 pour des vitesses de vent supérieures à 5 m/s. Il est montré que l’évolution des vitesses adimensionnées est inversement proportionnelle à la vitesse du vent lorsque la surface de l’eau est lisse (entre 1 et 5 m/s) et qu’elle devient proportionnelle dès que les déformations de la surface deviennent significatives (au-delà de 5 m/s). Bien que les résultats ne permettent pas d’identifier clairement un effet du courant sur la vitesse de dépôt, la modélisation montre que la diffusion turbulente est prépondérante dans la couche de transfert et que l’effet des mécanismes hygroscopiques sur la sédimentation y est peu significatif. Dans la couche de dépôt, les effets hygroscopiques ne sont plus négligeables et le dépôt des particules les plus fines peut être bloqué par les mécanismes phorétiques dès que l’écart entre les températures de l’air et de l’eau devient important. Dans tous les cas, les confrontations modèle/expériences s’avèrent satisfaisantes à conditions de prendre correctement en compte la distribution granulométrique des aérosols.