Etude expérimentale et théorique des mécanismes microphysiques mis en jeu dans la capture des aérosols radioactifs par les nuages

Experimental study and modelling of the microphysical effects involved in the aerosol particle scavenging by clouds

• Auteur / Autrice : Alexis Dépée
• Direction : Andrea Flossmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Atmosphère
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie physique (Clermont-Ferrand)
• Jury : Président / Présidente : Alfons Schwarzenböeck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie Monier, Pascal Lemaître, Céline Planche, Nicolas Rimbert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Bergametti, Serge Soula

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérosols radioactifs

Mots clés libres

Rabattement Atmosphérique

Efficacité de collecte

Forces électrostratiques

Thermophorèse

Diffusiophorèse

Modélisation du mouvement brownien

Suivi lagrangien des particules

Contamination des sols

Nuage

Capture dans le nuage

Modèle à microphysique détaillée

Chargeur par champ

Chargeur par induction

Fluorescéine

Ombroscopie

Modélisation écoulement d’air

Atmospherical scavenging

Collection efficiency

Electrostatic forces

Thermophoresis

Diffusiophoresis

Brownian motion modelling

Lagrangian particle tracking

Ground contamination

Cloud

In-cloud collection

Detailed microphysical model

Field charger

Induction charger

Fluorescein

Shadowgraphy

Airflow modelling

Résumé

Les particules atmosphériques sont un sujet d’importance dans plusieurs couches de la société. Leur présence dans l’atmosphère est aussi bien une problématique météorologique et climatique qu’un enjeu de santé publique, notamment de par l’accroissement des maladies cardiovasculaires. En particulier, les particules radioactives émises dans l’atmosphère à la suite d’un accident nucléaire peuvent polluer les écosystèmes durant plusieurs années. Le récent accident du Centre Nucléaire de Production d’Électricité de Fukushima Daiichi en 2011 nous rappelle que, même aujourd’hui, le risque zéro n’existe pas. À la suite d’une émission dans l’atmosphère, les particules nanométriques diffusent et s’agglomèrent alors que les particules de plusieurs micromètres sédimentent. Les tailles intermédiaires vont, quant à elles, pouvoir être transportées à l’échelle globale dont le mécanisme principal de rabattement au sol provient des interactions avec les nuages et les précipitations. Afin d’améliorer la connaissance de la contamination des sols consécutive à de tels accidents, la compréhension de la capture des aérosols par les nuages est alors essentielle. Dans ce but, un modèle microphysique est implémenté dans ce travail, considérant les mécanismes microphysiques qui interviennent dans la capture des aérosols par des gouttes de nuage, notamment les forces électrostatiques dès lors que les radionucléides ont pour propriété de fortement se charger. Des mesures en laboratoire sont alors réalisées à l’aide de In-CASE (In-Cloud Aerosols Scavenging Experiment), expérience conçue dans ce travail, afin de comparer le modèle développé aux observations, et ce, toujours à une échelle microphysique où les paramètres d’influence régissant la capture au sein du nuage sont contrôlés. Par ailleurs, des systèmes de charge des particules et des gouttes sont conçus pour soigneusement maîtriser les charges électriques, tandis que l’humidité relative est précisément pilotée. Les nouvelles connaissances de la capture des particules par des gouttes de nuage qui en découlent, concernant entre autres les effets électrostatiques, sont ensuite incorporées au modèle de nuage convectif DESCAM (Detailed SCAvenging Model). Ce modèle à microphysique détaillée décrit un nuage de sa formation jusqu’aux précipitations, permettant d’étudier l’impact des nouvelles données sur le rabattement des particules à méso-échelle. De plus, des modifications sont apportées à DESCAM pour élargir l’étude aux nuages stratiformes qui constituent en France, la majorité des précipitations. À terme, cette étude ouvre la voie à l’amélioration de la modélisation du rabattement atmosphérique des particules, et notamment à la contamination des sols dans les modèles de crise de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire.

Atmospheric particles are a key topic in many social issues. Their presence in this atmosphere is a meteorological and climatic subject, as well as a public health concern since these particles are correlated with the increase of cardiovascular diseases. Specially, radioactive particles emitted as a result of a nuclear accident can jeopardise ecosystems for decades. The recent accident at the Fukushima Daiichi’s nuclear power plant in 2011 reminds us that the risk, even extremely unlikely, exists.After a release of nuclear material in the atmosphere, nanometric particles diffuse and coagulate, while micrometric particles settle due to gravity. Nevertheless, the intermediate size particles can be transported at a global scale when the main mechanism involved in their scavenging comes from the interaction with clouds and their precipitations. To enhance the ground contamination knowledge after such accidental releases, the understanding of the particle in-cloud collection is thus essential. For this purpose, a microphysical model is implemented in this work, including the whole microphysical mechanisms acting on the particle collection by cloud droplets like the electrostatic forces since radionuclides are well-known to become significantly charged. Laboratory measurements are then conducted through In-CASE (In-Cloud Aerosols Scavenging Experiment), a novel experiment built in this work, to get comparisons between modelling and observations, once again at a microphysical scale where every parameter influencing the particle in-cloud collection is controlled. Furthermore, two systems to electrically charge particles and droplets are constructed to set the electric charges carefully while the relative humidity level is also regulated. These new research results related to the particle collection by cloud droplets following the electrostatic forces, among others effects, are thus incorporated into the convective cloud model DESCAM (Detailed SCAvenging Model). This detailed microphysical model describes a cloud from its formation to the precipitations, allowing the study at a meso-scale of the impact of the new data on the particle scavenging. Moreover, some changes are made in DESCAM to expand the study to stratiform clouds since the major part of the French precipitations come from the stratiform ones. Finally, this work paves the way for the enhancement of the atmospheric particle scavenging modelling, including the ground contamination in the crisis model used by the French Institute in Radiological Protection and Nuclear Safety.