Topic description
Les panaches de pollution atmosphérique constituent une voie principale par laquelle les polluants émis par des sources localisées, telles que les centrales électriques, les installations industrielles et les feux de végétation, sont transportés et dispersés aux échelles locale et régionale. Ils sont des composantes omniprésentes des environnements pollués et jouent un rôle clé dans la détermination de la qualité de l'air. Malgré leur importance, leur comportement dynamique et physico-chimique demeure difficile à prédire en raison des interactions complexes entre les caractéristiques des émissions, la chimie atmosphérique et les processus météorologiques.
Ces difficultés proviennent en grande partie de la nature et de l'échelle propres aux panaches de pollution. Les panaches atmosphériques sont des structures intrinsèquement tridimensionnelles, caractérisées par de forts gradients spatiaux, une évolution temporelle rapide et des liens étroits entre les transformations chimiques et le mélange atmosphérique. La chimie au sein des panaches se déroule dans des conditions très différentes de celles de l'atmosphère de fond environnante, ce qui conduit souvent à des comportements chimiques fortement non linéaires. En particulier, les interactions impliquant les oxydes d'azote (NOₓ), l'ozone (O₃) et les composés organiques volatils (COV) peuvent engendrer des régimes chimiques spécifiques aux panaches.
La plupart des modèles atmosphériques peinent à représenter correctement les processus propres aux panaches. Leur résolution spatiale est généralement trop grossière pour résoudre les structures à l'échelle des panaches, ce qui entraîne une dilution et un mélange prématurés des émissions, ainsi que l'hypothèse implicite selon laquelle la chimie peut être simulée à partir d'émissions et de concentrations moyennées à l'échelle des mailles du modèle. Ces approches de moyennage linéaire conduisent à des biais dans la simulation de l'efficacité de production d'ozone, du cycle des radicaux et de la formation de polluants secondaires.
Des stratégies de mesure innovantes permettent une cartographie tridimensionnelle de plus en plus détaillée de la structure et de la composition des panaches de pollution, autorisant une observation directe de leur dynamique, de leur mélange et de leur chimie. Ces observations rendent possible la caractérisation de l'évolution dynamique et physico-chimique des panaches, l'identification des paramètres de contrôle clés sur une large gamme de caractéristiques d'émissions et de conditions météorologiques, l'évaluation de la capacité des modèles à reproduire le transport et la chimie non linéaire des panaches, ainsi que le développement de contraintes observationnelles pour la modélisation.
L'objectif général de ce projet de doctorat est d'exploiter ces avancées afin d'améliorer la compréhension quantitative de la formation et de l'évolution des panaches de pollution atmosphérique. Le projet s'appuiera sur plusieurs études de cas de panaches documentés lors de campagnes de terrain dédiées et intégrera des jeux de données observationnelles à haute résolution, des techniques avancées d'analyse de données et des approches simples de modélisation.
Le volet observationnel s'appuie sur des campagnes de terrain passées et à venir, incluant des mesures de panaches de centrales électriques réalisées lors de la campagne ALPACA (Fairbanks, Alaska, janvier–février ), des mesures de panaches d'incendies lors des campagnes EUBURN-Risks en Espagne en et au Portugal en, ainsi que des mesures de panaches émis par des sources industriels à Marrakech en ou (pilotées par l'Université UM6P). En échantillonnant une grande diversité de panaches ainsi qu'un large éventail de conditions météorologiques et physico-chimiques, le projet permettra une évaluation complète des processus à l'œuvre au sein des panaches.
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Atmospheric pollution plumes are a primary pathway by which pollutants emitted from local sources, such as power plants, industrial facilities, and vegetation fires, are transported and dispersed at local and regional scales. They are ubiquitous features of polluted environments and play a key role in determining air quality. Despite their importance, their dynamical and physicochemical behaviour remains challenging to predict due to complex interactions between emission characteristics, atmospheric chemistry, and meteorological processes.
These challenges stem largely from the nature and scale of pollution plumes. Atmospheric pollution plumes are inherently three-dimensional (3D) structures, characterised by sharp spatial gradients, rapid temporal evolution, and intricate links between chemical transformations and atmospheric mixing. Chemistry with plumes occurs under conditions that differ markedly from those of the surrounding background atmosphere, often resulting in highly non-linear chemical behaviour. In particular, interactions involving nitrogen oxides (NOₓ), ozone (O₃), and volatile organic compounds (VOCs) can generate plume-specific chemical regimes that are not representative of large-scale atmospheric conditions.
Most current regional and global atmospheric chemistry models struggle to represent plume processes. Their spatial resolutions are typically too coarse to resolve plume-scale structures, resulting in premature dilution and mixing of emissions and the implicit assumption that chemistry can be simulated using grid-cell-averaged emissions and concentrations. Such linear averaging approaches fail to capture non-linear plume chemistry and can lead to unrealistic shifts in chemical regimes (e.g. from NOₓ-saturated to NOₓ-limited), thereby introducing biases in simulated ozone production efficiency, radical cycling, and secondary pollutant formation.
Recent advances in observational capabilities now provide an opportunity to explore these issues. Innovative measurement strategies enable increasingly detailed 3D mapping of pollution plume structure and composition, allowing direct observation of plume dynamics, mixing, and chemistry. These observations make it possible to characterise the dynamical and physicochemical evolution of pollution plumes, identify key controlling parameters across a range of emissions characteristics and meteorological conditions, evaluate how well models capture transport and non-linear chemistry of plumes, and develop observational constraints for high-resolution simulations and subgrid representations in large-scale models.
The overarching aim of this PhD project is to exploit these advances to improve our quantitative understanding of the formation and evolution of atmospheric pollution plumes. The project will be based around several case studies of pollution plumes documented during dedicated field campaigns and will integrate high-resolution observational datasets, advanced data analysis techniques, and simplified modelling approaches.
The observational component builds on existing and upcoming field campaigns, including measurements of power plant plumes obtained during the ALPACA campaign (Fairbanks, Alaska, Jan.-Feb. ), of fire plumes during the EUBURN-Risks campaigns in Spain in and in Portugal in, and of industrial sources in Marrakech in or (led by UM6P University). By sampling a wide range of plumes, meteorological and physicochemical conditions, the project will enable a comprehensive assessment of plume processes. In particular, it will allow investigation of transitions in chemical regimes from, for example, ozone titration near the source to net ozone production downwind, as well as the reduction of particle-induced radiative dimming effects as plumes dilute during transport.
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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