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Sources et Transfert des Aérocontaminations

Présentation générale

Dans toute problématique liée à l’aérocontamination on retrouve une source de contaminants particulaires (aérosols) ou gazeux, ensuite une évolution et/ou un transfert de ces contaminants dans l’environnement (intérieur ou extérieur). La démarche principale pour prédire la concentration en polluant dans un environnement donné consiste à déterminer les taux d’émission de chaque source de contaminant et à modéliser leurs évolutions et transfert par des codes de calcul. La principale difficulté des cette approche consiste à déterminer précisément les taux d’émission de chaque source, les caractéristiques de la contamination (pour des particules par exemple déterminer le diamètre aérodynamique et le facteur de forme dynamique) et d’obtenir des modèles d’évolution et de transfert des polluants représentatifs de la réalité des processus. En continuité avec les études engagées dans le dernier plan quadriennal nous poursuivons les études permettant de mieux caractériser les sources d’émission de particules (fractionnement de liquide, chute de poudre…) et les études permettant d’améliorer les modèles de transferts des polluants (techniques d’assimilation de données pour les modèles régionaux de chimie‑transport, modélisation de dépôt‑entraînement dans des gaines de ventilation et transfert dans les environnements intérieurs). Les compétences spécifiques de cette thématique sont d’une part la physique et la métrologie des aérosols, et d’autre part l’utilisation du potentiel informationnel des mesures dans une modélisation inverse, en se plaçant à l’interface de deux approches : modèle direct/traitement de la mesure ou bien la caractérisation d’un phénomène (tendance spatiale, temporelle) à partir de ses mesures discrètes uniquement.

Caractérisation des sources

1. Métrologie des aérosols

Il est possible de différencier trois grandes familles de processus conduisant à la génération d’aérosols : condensation d’une vapeur, mise en suspension de poudre, dispersion d’un liquide sous forme de gouttelettes. Les principaux sujets de recherche concernent :

La mise en suspension d’aérosol par chute ou transport de poudre (thèse IRSN/UP12, contrat de recherche TECALIMAN).

La génération d’aérosol par le fractionnement d’une surface liquide (thèse IRSN/UP12 et étude en collaboration avec l’IRSN).

Mise en suspension d’aérosols viraux par des épisodes de toux (thèse CSTB/CERTES)

La caractérisation des aérosols émis par les activités domestique (PRIMEQUAL2)

Ces études comportent une phase de caractérisation expérimentale des processus, une phase de caractérisation des modèles physiques impliqués dans la dispersion puis une phase de modélisation globale du phénomène. Ces outils sont ensuite utilisés pour prédire les termes sources nécessaires aux modèles de dispersion des aérosols dans les différents environnements.

2. Estimation des sources par modélisation inverse

Ce sujet a été développé essentiellement dans le cadre de la thèse de Anis Khlaifi. Une partie de ce travail répond à des questions soulevées dans le cadre du projet européen « Tracing Of Airborne Dust », auquel nous avons participé à travers la collaboration avec la société « LECES Environnement » de Metz (2.1). L’identification des sources de pollution et de leurs contributions à partir des mesures dans l’environnement a été traitée par deux approches, adaptées à deux problématiques différentes.

2.1. Identification des sources complexes (plusieurs espèces) par leurs profils (« signatures ») et détermination de leur contribution au niveau total des poussières dans l’environnement. Les profils des sources ont été obtenues « en aveugle » à partir des analyses des poussières autour des sources, par une application originale des méthodes de classification et de reconnaissance des formes (PCA, KPCA, ICA) ; leur contributions respectives ont été ensuite évaluées par une méthode statistique (PMF) très peu utilisée en France.

2.2. Estimation des débits des sources chroniques et connues. Par rapport au cas précédent, la différenciation entre les sources ne se fait plus par leur profil, car il s’agit d’une seule espèce, et le problème se résume à l’estimation de leurs contributions en termes d’émission, dans un but de surveillance. Le problème inverse étudié dans le cadre de la même thèse a été formulé pour un cas réel d’étude, et a consisté en l’estimation de 3 sources industrielles à partir des mesures données par les capteurs du réseau de qualité de l’air dans la région. Pour sa résolution, un couplage original entre un modèle de dispersion des polluants (modèle gaussien de Pasquill) et un algorithme génétique a été développé. L’analyse des différentes configurations liées à la transmission de l’information entre les sources et les capteurs par le vent a donné naissance à une réflexion sur la conception d’un réseau de mesure dont l’objectif, original, serait la restitution des émissions des sources.

Transfert des polluants et aérocontaminations

1. Caractérisation du transfert d’aérosol et bioaérosols dans les environnements intérieurs

Métrologie des aérosols appliquée à la caractérisation des transferts (métrologie du facteur de forme dynamique et de la densité apparente des aérosols : contrat IRSN)

La modélisation du transfert d’un bioaérosol dans un environnement représentatif du tertiaire (thèse CSTB/UP12).

Projet CLEANAIRNET (projet ANR en partenariat avec le CEMAGREF, Laval Mayenne Technopole, GEPEA/école des Mines de Nantes, LMEI/CSTB, ADRIA Normandie, LACTALIS, SOREDAB SAS et CLAUGER.  Le CERTES et le GEPEA de l’école des Mines de Nantes) sur la caractérisation du dépôt et réentraînement dans les gaines de ventilation des usines de l’agroalimentaire.

 2. Assimilation des mesures d’un réseau de qualité de l’air sur un modèle de chimie-transport

Les modèles de chimie-transport décrivent des phénomènes très complexes et qui demandent des données d’entrée entachées souvent d’incertitudes importantes. Pour améliorer les résultats d’un tel modèle, on peut appliquer la technique d’assimilation des données qui consiste à utiliser les observations in situ pour contraindre les champs simulés à rester proche de la réalité des observations. Dans le cadre de la thèse de Adriana Coman, en collaboration avec le groupe Modélisation du LISA (Université Paris 12) nous développons un  système d’assimilation séquentielle d’observations d’ozone mesuré par le réseau de qualité de l’air AIRPARIF dans le modèle CHIMERE (développé au LISA et au LMD, Ecole polytechnique), à l’échelle de l’Ile‑de‑France. Le développement d’une méthode d’assimilation séquentielle (EnKF) réalisé par Mlle Coman a permis une amélioration des champs simulés d’ozone et de NO2 par rapport aux observations d’AIRPARIF.

 3. Cartographie des polluants en zone urbaine à partir des mesures d’un réseau de qualité de l’air

En complément de la cartographie de la pollution obtenue par les champs simulés corrigés par assimilation de données, la thèse de Mlle Coman porte sur une analyse comparative de la cartographie obtenue à partir des mesures du réseau AIRPARIF uniquement, correspondant aux mêmes moments que les champs simulés par le modèle CHIMERE. Cette deuxième approche s’appuie sur des modèles probabilistes basés sur la structure spatiale de la dispersion des polluants déterminée empiriquement à partir des mesures (Krigeage spatial ou spatio‑temporel). L’aspect spatial est complété par une prédiction locale des niveaux d’ozone, en utilisant le technique des réseaux de neurones, à partir de l’historique d’une station de mesure d’AIRPARIF.

4. Modélisation de l’impact de la pollution sur les matériaux du bâti

Une deuxième collaboration avec le LISA (UP12), groupe « Interaction Matériaux-Atmosphère », vise la modélisation de l’interaction matériaux-pollution atmosphérique, où deux phénomènes ont été étudiés : la salissure (soiling) du verre et la sulphatation de la pierre. Grâce aux campagnes de mesures effectuées dans plusieurs villes dans le cadre des projets européens (en particulier le projet MULTI-ASSESS), un premier modèle d’évolution temporelle du soiling du verre moderne a été publié. Des similitudes ont été retrouvées entre le phénomène de soiling du verre et la sulphatation du calcaire (PRIMEQUAL2). En utilisant les mesures de soiling du verre moderne fournies par d’autres projets européens (SELF‑CLEANING GLASS, VIDRIO) ou conventions internationales (ICP-MATERIALS) ainsi que les concentrations de polluants et les paramètres météorologiques, une première fonction dose-réponse est en cours de développement.

Personnes impliquées

E. Géhin (PR), A. Ionescu (MCF), Y. Candau (PR), C. Motzkus (ATER), A. Coman (ATER), A. Khlaifi, S. Delaby (doctorant CSTB/UP12), G. Hersen (doctorant CSTB/UP12), T. Geryes (doctorant IRSN/UP12)

Principales publications

Motzkus C.., Géhin E.., Gensdarmes F., Study of airborne particles produced by normal impaction of millimetric droplets onto a liquid film, Experiments in Fluids, accepté, 2008.

DELABY, S., ROBINE E., FROMENT C., GEHIN E., PETINGA P., PETIT P., Air intérieur des bureaux. Etude des performances des dispositifs épurateurs, Salles Propres et maîtrise de la contamination, #54, pp. 33-38, 2008

KHLAIFI A., IONESCU A., CANDAU Y. Conception optimale d’un réseau de mesure permettant de caractériser les principaux émetteurs‑application dans une zone industrielle, Revue électronique E-STA, N°spécial, accepté en 2007, sélectionné lors de la 5ème édition des journées STIC&Environnement 2007 (Sciences et Techniques de l'Information et de la Communication pour l'environnement), Lyon 13‑15 novembre 2007.

LEFÈVRE R.A., IONESCU A., AUSSET P., CHABAS A., GIRARDET F., Modelling of the calcareous stone sulphation in polluted atmosphere after exposure in the field, in Building Stone Decay : From Diagnosis to Conservation (Prikryl R., Smith B.J. eds.), Geological Society, London, Special Publications, 271, 131-137, 2007.

IONESCU A., CANDAU Y., Air pollutant emissions prediction by process modelling - Application in the iron and steel industry in the case of a re-heating furnace, Environmental Modeling and Software 22 (2007), 1362-1371, 2007.

LEFÈVRE R.A., IONESCU A., AUSSET P. La sulfatation des pierres calcaires en atmosphère polluée : expérimentation sur terrain et modélisation, Pollution atmosphérique, N° spécial « Effets de la pollution atmosphérique sur les matériaux », Octobre 2007, 47‑53.

IONESCU A.,  LEFÈVRE R.A., CHABAS A., LOMBARDO T., AUSSET P., CANDAU Y., ROSSEMAN L., Soiling modelling based on silica-soda-lime glass exposure at six european sites, Science of the Total Environment 369, 246-255, 2006.

RAMALHO, O., BONNEAU, E., KIRCHNER, S., GEHIN, E., Caractérisation des particules ultrafines émises par les activités domestiques, Pollution Atmosphérique, Vol. 190,  pp. 143-148, 2006.

MOTZKUS, C.,  GEHIN, E., GENSDARMES, F., Etude de la mise en suspension de microgouttelettes lors de l’impact de gouttes sur une surface, Salles Propres et maîtrise de la contamination, #43, pp. 18-26, 2006.

HA, T.L., ROBINE, E., GEHIN, E., Etude de l’aérosol de Legionella. Approche métrologique, Salles Propres et maîtrise de la contamination, #40, pp. 38-42, 2005.

KHLAIFI A., IONESCU A., CANDAU Y.,  Identification des sources et quantification de leur contribution aux niveaux de PM10. Etude d’un site industriel en Italie, A. Zolghadri et G. Roussel (eds.), en : Traitement de l'information pour la surveillance et la gestion préventive des épisodes de pollution atmosphérique, Numéro spécial du Journal Européen des Systèmes Automatisés, (RS-JESA) 39(4), 437-453, 2005.

LEFÈVRE R., IONESCU A., AUSSET P., CACHIER H., CHABAS A., FAVEZ O., LOMBARDO T., OIKONOMOU K., In-the-field experimental simulation using glass soiling sensors and modelling of the atmospheric particles deposition on stained-glass windows with protective double-glazing, Rivista della Stazione Sperimentale del Vetro 3-2005, 51-58, 2005.

LOMBARDO T., IONESCU A., LEFÈVRE R.A., CHABAS A., AUSSET P. CACHIER H., Soiling of silica-soda-lime float glass in urban environment : measurements and modelling, Atmospheric Environment 39, 989-997, 2005.

LOMBARDO T., CHABAS A., LEFÈVRE R.A, IONESCU A., Modelling the soiling of float glass in polluted atmosphere, Glass Technology 46(2), April 2005, 192-196, 2005.

GEHIN, E., RENOUX, A., Theoretical approach of a continuous flow particle counter by condensation of ambient humidity, IDOJARAS, Vol. 108, N°2, pp. 79-94, 2004.

JURSKI, K. GEHIN, E., Heterogeneous condensation process in an air water vapour expansion through a nozzle – Experimental aspect, International Journal of Multiphase Flow, 29, pp. 1137-1152, 2003