Institut National Polytechnique de Toulouse

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Institut National Polytechnique de Toulouse N° d'ordre : 2198 THESE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Discipline : Sciences des Procédés Présentée et soutenue publiquement par Sophie MOUKHTAR Le 11 février 2005 IMPACT DES EMISSIONS NATURELLES SUR LES EPISODES DE POLLUTION PHOTOCHIMIQUE. APPLICATION A LA REGION DU FOSSE RHENAN Jury MM. LE BRAS G. Rapporteur Directeur de recherche CNRS THUNIS P. Rapporteur Responsable de recherche, JRC BRUNET Y. Examinateur Directeur de recherche, INRA CROS B. Examinateur Professeur Université Paul Sabatier, Toulouse DOUSSIN J.F. Examinateur Maître de conférences, Université de Paris 7 TORRES L. Examinateur Professeur, INP Toulouse VAUTARD R. Examinateur Directeur de recherche, CNRS SIMON V. Directeur de thèse Maître de conférences, INP Toulouse ROUÏL L. Co-Directeur de thèse Ingénieur, INERIS

  • contribution des cov biotiques dans la formation d'épisode photochimique

  • impact des emissions naturelles sur les episodes de pollution photochimique

  • émissions annuelles de cov par l'écosystème forestier

  • ozone

  • cov par les modèles de prévision de la qualité de l'air

  • cov

  • examinateur directeur de recherche


Publié le : mardi 1 février 2005
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Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 285
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Institut National Polytechnique de Toulouse
N° d’ordre : 2198
THESE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE
DE TOULOUSE
Discipline : Sciences des Procédés
Présentée et soutenue publiquement par
Sophie MOUKHTAR
Le 11 février 2005
IMPACT DES EMISSIONS NATURELLES SUR LES
EPISODES DE POLLUTION PHOTOCHIMIQUE.
APPLICATION A LA REGION DU FOSSE RHENAN
Jury
MM. LE BRAS G. Rapporteur
Directeur de recherche CNRS
THUNIS P. Rapporteur
Responsable de recherche, JRC
BRUNET Y. Examinateur
Directeur de recherche, INRA
CROS B.
Professeur Université Paul Sabatier, Toulouse
DOUSSIN J.F. Examinateur
Maître de conférences, Université de Paris 7
TORRES L.
Professeur, INP Toulouse
VAUTARD R. Examinateur
Directeur de recherche, CNRS
SIMON V. Directeur de thèse
Maître de conférences, INP Toulouse
ROUÏL L. Co-Directeur de thèse
Ingénieur, INERISRESUME :
Les Composés Organiques Volatils (COV) biotiques jouent un rôle significatif dans la
formation et le développement d’épisodes de pollution photochimique. Leur forte réactivité et leur
abondance dans la troposphère, en font des précurseurs significatifs de l’ozone, des PANs et du
formaldéhyde.
La prise en compte de ces COV par les modèles de prévision de la qualité de l’air se heurte
aux incertitudes relatives à la quantification de leurs émissions et aux mécanismes chimiques de la
troposphère dans lesquels ils sont impliqués.
Dans ce contexte, la prise en compte des COV biotiques dans le modèle de chimie-transport
CHIMERE a été améliorée en intégrant une double approche, numérique et expérimentale. Concernant
les émissions biotiques, des mesures de terrain réalisées lors d’une campagne européenne, ont permis
la détermination sur site de taux et flux d’émission de COV biotiques de trois espèces forestières très
abondantes en France : Abies alba, Fagus sylvatica et Pseudotsuga menziesii, à partir de la méthode
des cuvettes instrumentées. Ces résultats, complétés par une étude bibliographique, ont permis de
mettre à jour la base de données des facteurs d’émission spécifique de la zone d’étude et de la France.
Cette base de données a été utilisée pour estimer les émissions annuelles de COV par l’écosystème
forestier français.
Concernant la réactivité des COV biotiques, une synthèse critique de la bibliographie a
conduit à l’élaboration d’un nouveau mécanisme chimique permettant de mieux modéliser leur
réactivité. Les développements effectués ont abouti à une nouvelle version du modèle CHIMERE dont
les résultats ont été évalués par rapport aux observation disponibles dans la région du Fossé Rhénan,
région fortement émettrice de COV biotiques. Si la modélisation des concentrations d’ozone est peu
affectée par les modifications apportées, la modélisation des concentrations de PANs et de
formaldéhyde y est nettement sensible.
Une importante étude de sensibilité relative à la prise en compte des COV biotiques dans les
modèles, a permis de mettre en évidence la nécessité et la pertinence de réaliser des compromis et des
simplifications pour modéliser la contribution des COV biotiques dans la formation d’épisode
photochimique à l’ozone. Des mesures de terrain et des travaux pour affiner la connaissance des
processus réactionnels seront néanmoins toujours nécessaires pour simuler correctement les autres
polluants secondaires ainsi que les aérosols organiques.
DISCIPLINE : Sciences des procédés
MOTS CLES : COV, terpènes, écosystème forestier, émissions, modélisation, CHIMERE, pollution
photochimique, ozone, PANs, formaldéhyde.
Laboratoire Chimie Energie et Environnement, Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs en Arts
Chimiques et Technologiques, 118, route de Narbonne, 31077 TOULOUSETABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GÉNÉRALE.............................................................................................1
CHAPITRE I : LES COV BIOTIQUES.................................................................................5
1. GENERALITES SUR LES COV BIOTIQUES.................................................................................5
1.1. Qu’est ce qu’un COV ?...................................................................................................5
1.2. Les COV biotiques..........................................................................................................5
1.3. Mécanismes de biosynthèse............................................................................................8
1.4. Régulation des émissions de terpénoïdes aux échelles cellulaire et foliaire................10
1.5. Rôle des composés terpéniques....................................................................................13
2. MESURE DES ÉMISSIONS BIOTIQUES.............................................................................................14
2.1. Les méthodes micrométéorologiques............................................................................14
2.2. La méthode des cuvettes................................................................................................15
3. MODÉLISATION DES TAUX D’ÉMISSION.......................................................................................17
3.1. Elaboration des algorithmes d’émission biotique........................................................17
3.2. Détermination du flux d’émission à l’échelle du couvert végétal.................................19
3.3. Nouvelle méthodologie..................................................................................................20
4. CONCLUSION DU CHAPITRE I...........................................................................................................23
CHAPITRE II : CHIMIE TROPOSPHÉRIQUE DES COV BIOTIQUES.....................25
1. BREF RAPPEL SUR LA CHIMIE ATMOSPHERIQUE.......................................................................26
1.1. La troposphère..............................................................................................................26
1.2. L’ozone..........................................................................................................................27
1.3. Le radical hydroxyle .....................................................................................................31
1.4. Le radical Nitrate (NO )...............................................................................................323
2. PROCESSUS REACTIONNELS DES PRINCIPAUX TERPÈNES DANS LA TROPOSPHÈRE......33
2.1. Réactivité de l’isoprène.................................................................................................33
2.2. Réactivité de l’a-pinène................................................................................................39
2.3. Réactivité du b-pinène..................................................................................................43
2.4. Réactivité du D-limonène..............................................................................................47
2.5. Réactivité du sabinène..................................................................................................503. LES AUTRES MONOTERPÈNES.........................................................................................................52
4. LES AUTRES COV.................................................................................................................................55
4.1. Les sesquiterpènes.........................................................................................................55
4.2. Réactivité du MBO
5. RÉACTIVITÉ DES COMPOSES ORGANIQUES SECONDAIRES EN PHASE GAZEUSE.............57
5.1. Réactivité des carbonyles secondaires : MVK et MAC.................................................57
5.2. Le pinonaldéhyde, la nopinone et la sabina cétone......................................................60
6. CONVERSION GAZ/PARTICULES : FORMATION DES AÉROSOLS ORGANIQUES
SECONDAIRES................................................................................................................................................63
6.1. Généralités....................................................................................................................63
6.2. Les AOS bio tiques.........................................................................................................64
7. CONCLUSION DU CHAPITRE II.........................................................................................................65
CHAPITRE III : MODÉLISATION DES ÉPISODES DE POLLUTION
PHOTOCHIMIQUE – LES OUTILS .................................................................................. 67
1. PRÉSENTATION GENERALE DU MODÈLE CHIMERE..................................................................68
2. CONSTRUCTION D’UNE BASE DE DONNÉES D’ÉMISSIONS BIOTIQUES...............................70
2.1. Les bases de données de végétation..............................................................................70
2.2. Potentiel d’émission Ej et densité Dj............................................................................71
3. DESCRIPTION DU CODE CHIMIQUE DANS CHIMERE.................................................................71
3.1. Le code chimique initial : MELCHIOR 1.....................................................................71
3.2. Le code chimique réduit : MELCHIOR 2.....................................................................74
4. CRÉATION D’UN CODE CHIMIQUE SPÉCIFIQUE DES COV BIOTIQUES..................................75
4.1. Prise en compte des carbonyles secondaires................................................................75
4.2. Réaction de recombinaison de radicaux.......................................................................77
4.3. Description du code chimique spécifique des COV biotiques......................................78
5. CONCLUSION DU CHAPITRE III.......................................................................................................90
CHAPITRE IV : DÉTERMINATION DE FACTEURS D’ÉMISSION BIOTIQUES -
APPLICATION A LA RÉGION DU FOSSE RHÉNAN....................................... .............93
1. LE PROJET « QUALITÉ DE L’AIR DANS LE RHIN SUPÉRIEUR »................................................94
1.1. Les finalités du projet ; description générale de la campagne de mesures..................94
1.2. Composition forestière de la zone d’étude....................................................................97
1.3. Potentiel d’émission biotique sur la zone étudiée.........................................................99
2. MATERIELS ET METHODES...............................................................................................................992.1. Les périodes de mesures...............................................................................................99
2.2. Dispositif expérimental...............................................................................................101
3. RESULTATS.........................................................................................................................................102
3.1. Etude de Abies alba.....................................................................................................102
3.2. Etude de Fagus sylvatica............................................................................................115
3.3. Etude de Pseudotsuga menziesii.................................................................................127
4. POTENTIEL D’ÉMISSION BIOTIQUE EN FRANCE.......................................................................136
4.1. Mise au point d’un inventaire forestier spécifique de la France................................136
4.2. Emission des COV biotiques à l’échelle nationale.....................................................138
5. CONCLUSION DU CHAPITRE IV......................................................................................................144
CHAPITRE V : EMISSIONS BIOTIQUES ET ÉPISODES DE POLLUTION : ETUDE
DE SENSIBILITÉ......................................................................................................... .......145
1. EVALUATION DU MODÈLE CHIMERE..........................................................................................147
1.1. Simulation des concentrations d’ozone.......................................................................147
1.2. Simulation des autres polluants secondaires..............................................................150
1.3. Discussion...................................................................................................................153
2. EVALUATION DE LA CONTRIBUTION DES COV BIOTIQUES : SIMULATION DE CAS
IDÉALISÉS.....................................................................................................................................................153
2.1. Impact des COV sur les concentrations d’ozone........................................................154
2.2. Impact des émissions biotiques sur les autres composés............................................159
3. SENSIBILITÉ A LA REPARTITION GEOGRAPHIQUE DE LA VEGETATION...........................160
3.1. Simulation des concentrations d’isoprène..................................................................163
3.2. Simulation des polluants secondaires.........................................................................163
4. LE NOUVEL INVENTAIRE DES EMISSIONS BIOTIQUES...........................................................166
4.1. Impact sur les émissions annuelles de biotiques à l’échelle régionale......................166
4.2. Impact sur les concentrations de polluants secondaires............................................167
5. LES ALGORITHMES D’ÉMISSION...................................................................................................170
5.1. Impact sur les émissions de COV biotiques................................................................170
5.2. Impact sur les concentrations d’isoprène...................................................................172
5.3.............................................173
5.4. Discussion...................................................................................................................175
6. IMPLÉMENTATION DU CODE CHIMIQUE SPÉCIFIQUE DES COV BIOTIQUES.....................177
6.1. Mise à jour du schéma initial......................................................................................177
6.2. Intégration des autres monoterpènes..........................................................................180
6.3. Discussion...................................................................................................................1867. BILAN DES DÉVELOPPEMENTS RÉALISÉS ET DISCUSSION...................................................187
8. CONCLUSION DU CHAPITRE V......................................................................................................192
CONCLUSION GENERALE..............................................................................................195
BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................201
ANNEXES..............................................................................................................................229Introduction générale
INTRODUCTION
La perturbation de l’équilibre biosphère-atmosphère, due à la modification des proportions et des
concentrations de certains polluants à l’état de traces dans l’atmosphère constitue aujourd’hui l’un
des problèmes essentiels en matière de qualité de l’air. En effet, des changements, à l’échelle du
globe, des concentrations de certains des constituants traces de l’atmosphère (CO, CO ,2
hydrocarbures, NOx, O , aérosols, composés soufrés...) peuvent avoir des conséquences sur le bilan3
radiatif de la Terre et sur le climat (effet de serre), sur la chimie de l’atmosphère (acidification des
précipitations, brouillards), sur la biomasse (formation de produits phytotoxiques responsables du
dépérissement des forêts), sur la disparition des espèces végétales et animales, sur les cycles
biogéochimiques des éléments...
Si pendant longtemps, les pollutions soufrées et particulaires (grosses particules, suies...) ont été les
plus sévères et en particulier responsables de troubles respiratoires chez l’Homme et de
l’acidification des précipitations, elles connaissent aujourd’hui une régression dans la plupart des
pays développés. En revanche, les émissions d’hydrocarbures et d’oxydes d’azote ne cessent
d’augmenter et sont à l’origine de la pollution photochimique de l’atmosphère.
Une partie des hydrocarbures non méthaniques présents dans l’atmosphère et responsables de cette
pollution sont d’origine biotique. Parmi ceux-ci, l’isoprène et les monoterpènes sont, sans conteste,
les principaux, par l’abondance de leurs émissions et leur importante réactivité. Ainsi, ces
composés jouent un rôle important dans la problématique liée à la pollution photochimique. En
effet, en présence d’oxydes d’azote et sous l’action des radiations solaires, ils sont susceptibles de
perturber le cycle naturel NO -O -NO de formation-destruction de l’ozone.2 3
Le problème de la formation et de la destruction d’ozone est fondamental en chimie de
l’atmosphère en raison de sa grande réactivité chimique. L’ozone est un oxydant puissant qui joue
un rôle clé dans la formation du plus réactif des oxydants atmosphériques : le radical OH. Enfin,
agressif pour l’Homme et la végétation, l’ozone est, de plus, par ses propriétés radiatives, un gaz à
effet de serre.
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