Modélisation microphysique de la formation et de l'évolution d'aérosols et de leurs précurseurs dans les sillages d'avions

• Auteur / Autrice : Xavier Vancassel
• Direction : Philippe Mirabel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Strasbourg 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sillage (aérodynamique)

Aviation

Panaches (dynamique des fluides)

Pollution

Troposphère

Stratosphère -- Pollution

Aérosols

Pollution -- Mesure

Pollution atmosphérique

Résumé

L'aviation civile connaît depuis maintenant plusieurs années et principalement dans les pays développés une croissance hors normes. Celle-ci s'accompagne malheureusement d'une augmentation des nuisances associées, dont parmi les plus préoccupantes, les émissions qualifiées de "polluantes". L'avion comme tout véhicule propulsé par un système à combustion émet des résidus divers tels que du dioxyde de carbone, des oxydes d'azote et de soufre, de l'eau etc. L'intérêt porté à ces émissions gazeuses, notamment dans le cadre du médiatique "effet de serre" tend pourtant à masquer des conséquences moins directes, comme les effets potentiels des aérosols formés dans les panaches (les traînées de condensation par exemple). Les basses températures rencontrées aux altitudes typiques de vol provoquent effectivement une condensation rapide de certaines espèces en phase gazeuse qui, dans un panache en expansion, sont susceptibles de former de nouvelles particules ayant potentiellement un impact chimique et radiatif susceptible de bouleverser l'équilibre local de la basse stratosphère et de la haute troposphère. Afin de déterminer les caractéristiques de ces particules et d'en favoriser les prédictions, les multiples processus de formation et d'évolution d'aérosols (nucléation, croissance etc. ) ont été considérés dans un modèle numérique, basé sur des mécanismes de collision. Le système étudié a été simplifié au cas d'un mélange binaire gazeux formé d'eau, d'acide sulfurique et d'un aérosol primaire (suies). Le modèle a ainsi été appliqué aux panaches d'avions réels (le Concorde par exemple) mais aussi à une simple chambre de combustion montée sur un banc d'essai expérimental. Les résultats, provenant notamment de nombreuses études de sensibilité, devraient permettre d'une part d'améliorer notre compréhension des phénomènes microphysiques et d'autre part de contribuer à établir des corrélations entre la nature des émissions aériennes et leurs impacts sur l'équilibre atmosphérique.

Civil aviation has known for years and mainly in the developed countries an exceptional growth. This one has unfortunately been followed by an increase in the associated harmful effects, especially polluting emissions. Aircraft as any vehicle propelled by a system with combustion emits various residues such as carbon dioxide, nitrogen and sulphur oxides, water etc. The main interest carried to these gas emissions, in particular within the framework of "the greenhouse effect" studies tends to mask less direct consequences, in particular the potential effects of the aerosols formed in plumes. The low temperatures reached at typical altitudes of flight (approximately 10000 m) cause indeed a fast condensation of certain species in gas phase which, in an expanding plume, are likely to form new particles having potentially chemical and radiative impacts which could modify the stratospheric equilibrium. In order to determine the features of these particles (size distribution, concentration etc. ) and to make predictions, the main processes of formation and evolution of aerosols (nucleation, growth etc. ) have been considered in a model, based on collision mechanisms. The system we have studied has been simplified by considering a gas phase water and sulphuric acid binary mixture and a primary aerosol (soot particles). The model has thus been applied to real aircraft plumes (Concorde for instance) but also to a combustion chamber on a test rig. The results, coming in particular from many sensitivity studies, should improve our understanding of the microphysical processes occurring in a plume and should also make us contribute to establish correlations between aircraft emissions and their impacts on the atmospheric equilibrium.