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Approche microphysique du lessivage des aérosols radioactifs par les nuages : influence de la charge électrique des aérosols

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Laboratoire d'accueil : ​​Laboratoire de physique et de métrologie des aérosols (LPMA)

Date de début de thèse : octobre 2016

Nom du doctorant : Alexis DÉPÉE


Descriptif du sujet

Pour prédire les conséquences radiologiques d'un accident nucléaire, l'IRSN développe des modèles simulant la dispersion et le dépôt des aérosols radioactifs dans l'environnement. Le dépôt des particules est très sensible à deux mécanismes : les lessivages sous le nuage (washout) et dans le nuage (rainout). Ma thèse se focalise sur le rainout. Des études récentes ont d'ailleurs montré que 60 % du lessivage total de l'atmosphère était lié à ce mécanisme.

Une première étape consiste à étudier les mécanismes microphysiques régissant le rainout : la collecte par les gouttelettes et l'activation des aérosols en gouttelettes par condensation. Dans cette étude, deux approches sont déployées. La première consiste à exploiter un modèle de formation de nuage appelé DESCAM (DEtailed SCAvenging Model) pour étudier l'impact des mécanismes microphysiques sur la dynamique du nuage (action déjà démarrée). La deuxième vise à quantifier expérimentalement certains des mécanismes microphysiques intervenant sur le rabattement dans le nuage. Les aérosols radioactifs se chargeant naturellement, des efforts particuliers seront portés sur les forces électriques et le phénomène de charges images. En effet, la littérature soulève des interrogations récurrentes sur ces effets électrophorétiques comme étant responsables d'une augmentation de la collecte des aérosols dans les nuages de plusieurs ordres de grandeur. Ainsi, l'enjeu est de simuler en laboratoire une atmosphère représentative d'un nuage en contrô1ant soigneusement les conditions thermodynamiques afin de mesurer des efficacités de collecte pour des aérosols représentatifs (en granulométrie et en charge électrique) de ceux rejetés lors des accidents nucléaires. En conséquence, des modèles de charges images et de charge des aérosols radioactifs ont été implémentés pour déterminer les valeurs théoriques des efficacités de collecte [1] et la charge portée par des aérosols radioactifs [2].

Il s'agira de qualifier un modèle de charges images comme effet moteur du rainout et de l'intégrer dans le modèle DESCAM. Pour ce faire, des modifications importantes sont en cours dans ce modèle de nuage pour caractériser le rabattement d'aérosols chargés pour différentes natures de nuages - convectives ou stratiformes. À terme, des abaques du lessivage par les nuages seront établis et pourront être ajoutés aux modèles de l'IRSN.

[1]    Tinsley, B. A., Rohrbaugh, R. P., Hei, M., & Beard, K. V. (2000). Effects of image charges on the scavenging of aerosol particles by cloud droplets and on droplet charging and possible ice nucleation processes. Journal of the atmospheric sciences, 57(13), 2118-2134.
[2]    Clement, C. F., & Harrison, R. G. (1992). The charging of radioactive aerosols. Journal of aerosol science, 23(5), 481-504.