Aérosols urbains

L’essor de l’industrialisation durant le 20è siècle a conduit à une augmentation exponentielle des émissions de gaz et de particules d’aérosol d’origine anthropique. Les particules émises en milieu urbain résultent majoritairement de phénomènes de combustion nécessaire à la production d’énergie (chauffage domestique, industrie, transport).

 Caractérisation physico-chimiques des aérosols urbains

Comme pour les feux de biomasse, les processus de combustion émettent directement des particules organiques (OCp) ainsi que du carbone-suie (Black Carbon, BC). Mais ces processus émettent également des gaz, et notamment du dioxyde de soufre (SO2), des oxydes d’azote (NOx), des oxydes de carbone (CO, CO2) et des composés organiques volatils (COV), précurseurs de particules inorganiques de sulfate, de nitrate ou d’ammonium, et d’aérosols organiques secondaires (AOS). Les activités humaines étant très variées, les particules émises révèlent donc des compositions chimiques mais aussi des propriétés physiques très différentes.
Les aérosols anthropiques urbains sont principalement constitués de particules submicroniques, formées près des sources d’émission, ayant une durée de vie suffisamment importante pour évoluer et grossir. Pratiquement, il est généralement admis que les très fines particules primaires émises (OCp, BC) concentrées sur les villes grossissent au cours de leur transport dans le panache de polluants par coagulation de particules entre elles ou par condensation de gaz et d’espèces secondaires sous l’effet de la photochimie.

La figure ci-dessous représentant des particules de sulfate, de carbone-suie et d’aérosol organique illustre la complexité des particules d’aérosol urbain qui ne sont ni sphériques ni homogènes.

 impacts radiatifs des aérosols urbains

De par leurs propriétés radiatives, les particules d’aérosols peuvent réchauffer ou refroidir les couches atmosphériques dans lesquels elles sont présentes (effet radiatif direct). La difficulté est de pouvoir quantifier ces effets, d’autant plus qu’ils sont antagonistes suivant la nature des particules et les longueurs d’onde considérées (visible ou infrarouge). Les concentrations importantes d’aérosols en ville, et leurs propriétés fortement absorbantes (carbone-suie notamment) peuvent donc influencer sur la thermodynamique de la couche limite urbaine (CLU). Ainsi, en conditions hivernales, lorsque les concentrations sont les plus fortes, un feedback positif peut se mettre en place : en réchauffant la CLU, les aérosols limitent les flux en surface et donc stabilisent la CLU qui se charge à nouveau en aérosols.
De plus, les propriétés de l’aérosol urbain peuvent influencer les formations nuageuses et de brouillard (nombreuses particules de petites tailles pouvant servir de noyaux de condensation une fois devenus hydrophiles), ainsi que leur dissipation (effet radiatif semi-direct).

Les impacts radiatifs des aérosols urbains sur la dynamique urbaine ont été récemment quantifiés pour l’expérience CAPITOUL par simulation à l’aide du modèle MESO-NH grâce à un module de calcul on-line des propriétés optiques des particules, en fonction de leur composition et de leur taille, développé dans le cadre de la thèse de B. Aouizerats (2010). Les résultats montrent que dans le cas d’une ville moyennement polluée comme Toulouse, et sous un régime de vent moyen, la présence d’aérosols et leur interaction avec le rayonnement solaire conduisent à une diminution du flux solaire à la surface de l’ordre de 30 W/m² par diffusion et absorption du rayonnement. Cet effet induit des rétroactions sur la dynamiques, et notamment sur la température de la couche limite, à l’échelle de la région toulousaine.