A model for the decay of TKE in the CBL from the time evolution of the length and velocity scales: application in a Eulerian dispersion model
Cet article propose un modèle non différentiel simplifié pour prédire la décroissance de l'énergie cinétique turbulente et dériver des diffusivités de l'Eddy dépendantes de la hauteur dans la couche limite convective en suivant l'évolution temporelle des échelles caractéristiques de vitesse et de longueur, démontrant que cette approche surpasse les paramétrisations indépendantes de la hauteur dans les scénarios de cisaillement lorsqu'elle est incorporée dans des modèles de dispersion eulériens.
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Chaque jour, l'air le plus proche de la surface de la Terre respire selon un rythme dicté par le soleil. Le matin, lorsque la lumière du soleil frappe le sol, l'air se réchauffe et commence à s'agiter. Ce brassage crée une couche d'air turbulent et mélangé appelée couche limite convective. Imaginez cela comme une gigantesque marmite invisible de soupe, remuée par la chaleur de la journée, où la chaleur, l'humidité et les polluants sont constamment brassés et dispersés. Ce mélange est vigoureux et efficace, maintenant l'air bien homogène du sol jusqu'à une certaine hauteur. Mais à mesure que le soleil commence à se coucher, la source de chaleur s'estompe. L'agitation ralentit, la marmite cesse de bouillir et l'air commence à se stabiliser. Cette transition d'un état chaotique et bien mélangé vers un état calme et stratifié est un moment critique pour l'atmosphère. C'est le moment où la capacité de l'air à diluer et à transporter des substances change radicalement, un changement qui impacte directement la manière dont la fumée d'une usine ou les émanations d'une rue citadine voyagent dans le ciel et finissent par atteindre les populations vivant en dessous.
Comprendre exactement comment cet air se stabilise n'est pas seulement une question de curiosité académique ; c'est une nécessité pratique pour prédire la qualité de l'air. Lorsque le soleil se couche, les tourbillons turbulents qui maintenaient autrefois l'air en mouvement perdent leur énergie. Cependant, ils ne disparaissent pas instantanément. Une couche d'air, appelée couche résiduelle, subsiste au-dessus de la nouvelle couche stable qui se forme près du sol. Dans cette couche résiduelle, les vestiges de la turbulence de la journée continuent de tourbillonner, mais ils s'éteignent lentement. Si un polluant est libéré dans cette couche mourante, son destin dépend entièrement de la rapidité avec laquelle cette turbulence s'estompe et de la manière dont l'air se déplace verticalement. Si la turbulence meurt trop vite, le polluant pourrait se retrouver piégé dans un ruban d'air mince et concentré, voyageant loin sans se disperser. Si elle persiste, le polluant pourrait continuer à se mélanger et à se diluer. Pendant des décennies, les scientifiques ont utilisé des modèles mathématiques complexes pour simuler ce processus, s'appuyant souvent sur des calculs lourds pour résoudre des équations difficiles afin de suivre l'énergie de l'air. Ces modèles sont puissants, mais ils sont également coûteux en termes de calcul et difficiles à exécuter rapidement pour des prévisions de la qualité de l'air en temps réel.
Une équipe de chercheurs du Brésil a proposé une méthode plus simple et plus directe pour comprendre ce déclin. Au lieu d'essayer de résoudre les équations complexes et changeantes qui régissent chaque minuscule tourbillon d'air, ils se sont concentrés sur la vue d'ensemble : la taille de la couche d'air et la vitesse à laquelle elle se déplace. Ils ont réalisé qu'au coucher du soleil, alors que le flux de chaleur de surface — la quantité de chaleur s'élevant du sol — diminue, la hauteur de la couche de mélange rétrécit et la vitesse des courants ascendants de l'air ralentit de manière prévisible. En suivant la façon dont ces deux caractéristiques principales, la hauteur de la couche et la vitesse de l'air, changent au fil du temps, les chercheurs ont construit un modèle qui décrit le déclin de l'énergie turbulente sans avoir besoin de résoudre les lourdes équations différentielles utilisées par les méthodes traditionnelles. C'est un passage du calcul de chaque goutte d'eau d'une rivière à la simple mesure de la largeur et de la vitesse du courant pour comprendre son comportement.
Les chercheurs ont testé leur nouvelle approche en la comparant aux modèles établis et complexes, ainsi qu'à des données provenant de grandes simulations informatiques de l'atmosphère. Ils ont constaté que leur méthode plus simple reproduisait le comportement de l'énergie turbulente avec une précision remarquable. Dans les scénarios où le mouvement de l'air était principalement piloté par la chaleur s'élevant du sol, leur modèle correspondait presque parfaitement aux simulations complexes. Le nouveau modèle a correctement prédit comment l'énergie des tourbillons d'air s'éteindrait à mesure que le flux de chaleur de surface tomberait à zéro. Plus important encore, ils ont utilisé cette nouvelle compréhension de la turbulence déclinante pour calculer les « diffusivités de l'Eddy ». En termes simples, il s'agit d'une mesure de la facilité avec laquelle l'air peut mélanger et disperser une substance. Leur modèle a produit des valeurs pour ce mélange qui changeaient à la fois avec le temps et la hauteur, capturant la réalité selon laquelle l'air près du sommet de la couche se comporte différemment de l'air près du bas alors que le soleil se couche.
Pour voir l'importance de cela pour la pollution réelle, l'équipe a injecté ces nouvelles valeurs de mélange dans un modèle informatique qui simule le déplacement d'un nuage de polluants à travers l'air. Ils ont lancé deux cas de test différents. Dans le premier cas, où le mouvement de l'air était principalement dicté par la chaleur, leur nouveau modèle et les anciens modèles indépendants de la hauteur produisaient des résultats très similaires. Les deux montraient qu'au coucher du soleil, le polluant se mélangerait d'abord bien, mais une fois que la couche stable d'air près du sol serait devenue assez haute pour l'engloutir, le polluant formerait un ruban mince et élevé qui voyagerait loin sans toucher le sol. Cependant, le second cas de test a révélé une différence cruciale. Ce scénario impliquait des vents forts, qui ajoutent une force mécanique à la turbulence, maintenant l'air en mouvement même lorsque la chaleur s'estompe. Dans cet environnement venteux et cisallé, les anciens modèles, qui supposaient que la capacité de mélange était la même à toutes les hauteurs, sous-estimaient considérablement la dispersion du polluant dans la partie supérieure de la couche. Ils prédisaient que le polluant resterait trop concentré. Le nouveau modèle, qui tenait compte de la façon dont le mélange changeait avec la hauteur et de la manière dont le vent maintenait la turbulence en vie, a montré que le polluant se disperserait en réalité beaucoup plus.
Les conclusions suggèrent que pour les prévisions de la qualité de l'air, surtout dans des conditions venteuses, la hauteur du mélange importe autant que le moment de la journée. Les anciens modèles, plus simples, qui traitaient l'ensemble de la couche comme ayant la même capacité de mélange, pourraient passer à côté de la réalité lorsque les forces mécaniques comme le cisaillement du vent sont fortes. La nouvelle approche, en liant explicitement le déclin de la turbulence au changement de hauteur et de vitesse de la couche d'air, offre une image plus précise de la façon dont les polluants se comportent pendant la transition critique du coucher du soleil. Elle permet de capturer la physique complexe de la couche convective mourante sans la charge de calcul des équations les plus complexes. Pour les prévisionnistes et les planificateurs environnementaux, cela signifie un outil qui est à la fois plus simple à utiliser et plus précis dans ses prédictions, particulièrement lorsque le vent souffle et que le soleil se couche, garantissant que les modèles utilisés pour protéger la santé publique reflètent la nature véritable et dynamique de l'atmosphère.
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