CEA - DAM

Modélisation et simulation du transport atmosphérique

Des actions relatives à la modélisation physique et à la simulation numérique tridimensionnelle du transport atmosphérique peuvent s'inscrire dans différents contextes :

		prévention d'actes de malveillance et réponse à la menace terroriste,
		études radio écologiques de sites et évaluation d'impact environnemental et sanitaire,
		détection de gaz rares et d'aérosols dans le cadre du contrôle du respect des traités internationaux (Traité d'interdiction complète des essais nucléaires - Tice et Traité de non prolifération - TNP).

Les simulations réalisées concernent la dispersion d'éléments radioactifs ou chimiques sous forme de gaz ou de particules. Le transport est résolu :

		à l'échelle locale (de quelques mètres à 100 km),
		à la méso-échelle (de quelques dizaines à 1000 km),
		à grande échelle (> 1000 km).

Echelle locale

Le code Estet 3.4

Les simulations 3D utilisant des maillages permettent de connaître très précisément la répartition d'un polluant à l'échelle d'un bâtiment, d'un site industriel, voire d'un quartier urbain. Dans l'exemple suivant, on a mis en œuvre le logiciel de Mécanique des Fluides ESTET 3.4 qui, par ailleurs, a fait l'objet d'exercices de validation par comparaison entre résultats de calculs et résultats expérimentaux.

Le bâtiment industriel, présenté sur la figure 1, comporte un système de ventilation où l'air vicié est émis par des extracteurs situés en terrasse. Cet air est susceptible d'être recyclé par une bouche d'aspiration, également située en terrasse. La simulation, en champ très proche, de la répartition autour du bâtiment de l'air vicié extrait montre qu'une très faible quantité de celui-ci est susceptible d'être reprise par la ventilation, même dans la situation défavorable où le vent souffle dans l'axe extracteur - bouche d'aspiration.

Figure 1

Aria régional

ARIA Régional, est un code de calcul développé par EdF et ARIA Technologies. Il se compose de plusieurs modules permettant le traitement statistique des données météorologiques et la préparation des données d'émission (Site Manager), le calcul des écoulements avec prise en compte de la topographie (MINERVE) et le calcul de la dispersion par la méthode des bouffées gaussiennes (TRAMES) ou par la méthode des particules lagrangiennes (SPRAY).
Les écoulements calculés sont représentatifs de la climatologie du site étudié en termes de direction et de module du vent et de stabilité atmosphérique. Les résultats des calculs de répartition dans l'atmosphère et de dépôt du polluant ont été comparés avec succès à des résultats expérimentaux, ce qui valide à la fois le modèle et le logiciel.

Méso-échelle

Les distances caractéristiques de la méso-échelle sont de plusieurs dizaines à quelques centaines de km entre les sources et les capteurs avec un temps de transport de 1 à 2 jours. Les codes mis en œuvre sont MM5 et FLEXPART. MM5 est un code, largement utilisé et validé par la communauté scientifique, qui résout les équations des écoulements atmosphériques. Quant à FLEXPART, c'est un code de dispersion dit « lagrangien », ce qui signifie que le terme source est discrétisé par un grand nombre de particules émises dans l'atmosphère.

Dans le contexte du Tice, on cherche à interpréter les pics de xénon détectés par le réseau des Spalax, système de prélèvement automatique en ligne avec l'analyse des aérosols de l'air et de mesure des isotopes radioactifs du xénon. La simulation des écoulements et de la dispersion permet de bien comprendre les phénomènes à méso-échelle. Ainsi, dans l'exemple suivant (figure n°2), des calculs ont été réalisés dans le cas de la détection potentielle du xénon à Marseille.

Figure 2 : Module de la vitesse et lignes de courant de l'écoulement dans la vallée du Rhône le 6 février 2003 à 15h. Calculs obtenus par MM5 sur trois domaines imbriqués en two-way nesting. Calcul final à un pas de grille de 3 km, interpolé par MINERVE à la précision de 1 km. Dimensions du domaine : 106 km x 262 km.
Les carrés indiquent les positions des stations Météo-France. Ils sont colorés en fonction du module de la vitesse mesurée localement, selon la même échelle de couleurs que la simulation. On constate que les résultats MM5 sont proches des mesures Météo-France.

Grande échelle

Pour les échelles supérieures à 1 000 Km, la Direction des applications militaires (DAM) utilise deux modèles numériques de transport atmosphériques complémentaires. Le code HYSPLIT(HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model.) est un code particulaire lagrangien : un élément de volume d'air est représenté par une particule. Le code LMDZ ( ) est un modèle eulérien de circulation générale : un maillage global de l'atmosphère est défini, et les diverses quantités physiques sont calculées au sein de chaque maille.

La modèle HYSPLIT, l'exemple d'Algeciras

Au début du mois de juin 1998, des émissions de radioactivité sont détectées dans le sud de la France et, par la suite, dans toute l'Europe. Après enquête, il s'avère qu'un appareil de radiothérapie contenant une source de césium 137 (¹³⁷Cs) a été mis au rebut, puis incinéré, dans la région d'Algeciras, au sud de l'Espagne. Cet incident se serait produit le 30 mai 1998.
L'animation ci-dessous montre la simulation par le code HYSPLIT de l'évolution du panache de ¹³⁷Cs entre 0 et 500 m d'altitude toutes les 3 heures sur une durée de 3 jours. On suppose que la source (point rouge) émet 100 Bq entre 00h00 et 03h00 le 30 mai 1998. On constate que le sud de la France est touché par la radioactivité et ensuite tout le sud-est du pays avec la Suisse et le nord de l'Italie, ce qui est en accord avec les mesures effectives. Les points jaunes représentent les positions des capteurs ayant détecté du césium durant cet événement.

Le modèle LMDZ, l'exemple du Radon 222

Le modèle eulérien 3D LMDZ est particulièrement adapté pour calculer les concentrations de Radon-222 (²²²Rn) dans l'atmosphère. Le radon est émis continuellement au dessus des continents. Sa période radioactive est de 3,8 jours son flux (1 atome/cm²/sec) est connu. La figure 3 représente la concentration en mBq/m³ calculée après une émission de radon de 10 jours, le 10 janvier 1998 sur l'Europe de l'Ouest.

Figure 3 : Concentration de Radon (mBq/m³) en surface le 10 janvier 1998. Simulations LMDZ guidées vers les données ECMWF (2.2°x2° : 160 x 98 cellules avec 19 niveaux)

Les calculs des champs météorologiques et des concentrations peuvent être validés par des comparaisons avec les mesures de radon effectuées quotidiennement en certaines stations de la planète. La concentration calculée (en rouge Figure 4) est ainsi comparée aux mesures (points noirs) à la station irlandaise de Mace Head pour l'année 1998. La résolution choisie du modèle LMDZ est de 2° environ, la concentration initiale du radon est nulle dans l'atmosphère. Une période de 10 jours environ est nécessaire pour atteindre un équilibre et reproduire les pics de radon observés.

Figure 4 : Concentration de Radon au sol en mBq/m³ en 1998 (jour 1 à 360) pour la station côtière de Mace Head, Irlande. La comparaison des calcul (en rouge) et des mesures (point noirs) montre une exellente corrélation.