Lessivage de l'atmosphère par la pluie : approche microphysique
Arnaud Querel a soutenu sa thèse le 7 décembre 2012 à Aubière.
Lors d’une éventuelle libération dans l’atmosphère de matières radioactives sous forme particulaire, celles-ci vont se disperser et se déposer au sol. Deux types de dépôts sont généralement distingués : le dépôt sec et le dépôt humide. Les travaux de cette thèse sont consacrés uniquement au dépôt humide, et plus spécifiquement au rabattement des particules par la pluie sous le nuage (washout), les phénomènes se déroulant dans le nuage (rainout) n'étant pas étudiés ici. Des expériences sont menées à l’échelle microphysique pour, au final, améliorer la modélisation méso-échelle du lessivage des aérosols atmosphériques par la pluie.
Le modèle DESCAM du Laboratoire de Météorologie Physique (Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand) permet de calculer la formation d’un nuage et des précipitations consécutives ; il est particulièrement adapté au suivi des interactions entre les gouttes et les aérosols. Entre autres choses, il décrit de manière détaillée, et dans chaque couche de l’atmosphère, l’évolution des distributions granulométriques en masse et en nombre de particules pour chaque types d’aérosols. Cependant, ce modèle nécessite la connaissance fine d’un paramètre micro-physique : l’efficacité de collecte. L’efficacité de collecte est le rapport entre la masse de particules qu’une goutte collecte sur son passage et la masse de particules initialement présentes dans le volume qu'elle traverse.
Afin de mesurer ce paramètre indispensable à une bonne modélisation, l’installation BERGAME (Banc d’Etude du Rabattement Goutte/Aérosol et des Mesures d’Efficacité de collecte) a été dimensionnée et construite à Saclay. Il s’agit principalement d’un générateur de gouttes, d’une colonne de 10 m de hauteur et d’une cuve remplie d’aérosols. Les gouttes qui atteignent leur vitesse limite de chute traversent la cuve, puis la masse de particules qu’elles captent au cours de cette traversée est mesurée par fluorimétrie, ce qui permet de déterminer l’efficacité de collecte.
Les mesures d’efficacité de collecte s’étant avérées totalement en désaccord avec les modèles classiquement utilisés, un montage optique a été imaginé pour mesurer la forme des gouttes et l’écoulement d’air autour de celles-ci, et tenter de comprendre quels mécanismes de collecte sont négligés dans ces modèles. Un nouveau modèle d’efficacité de collecte des aérosols de 0,3 à 3 µm de diamètre par des gouttes d’un diamètre de 2 mm est alors proposé. Il intègre quantitativement, ce qui est nouveau, la capture des aérosols dans le sillage de la goutte.
Les efficacités de collecte ainsi mesurées et paramétrées sont ajoutées au modèle DESCAM, permettant une modélisation plus fiable du rabattement des aérosols atmosphériques par la pluie. Des modifications significatives de la modélisation du lessivage par DESCAM sont alors observées, ouvrant ainsi la voie à une amélioration de l'évaluation de la contamination des sols par les modèles de dispersion atmosphérique de la radioactivité utilisés à l’IRSN.