1.2 Organisation et états de la CLA
1.2.1 Composition de la CLA
La couche de surface, en contact avec le sol, où les
flux turbulents de chaleur, de quantités de mouvement son
considérés uniformes avec l'altitude, la couche de mélange
ou couche d'Eckman et la couche de surface représente environ un
dixième de la CLA.
La partie haute de la troposphère est quant à elle
non turbulente de par sa stabilité thermique et s'appelle
l'atmosphère libre, comme montre la figure 2.
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DU TRAFIC AUTOMOBILE
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Figure 2 : Cycle diurne de la CLA (Stull,1988 ; Delmas et
al, 2005).
1.2.2 Transport au sein de la CLA :
- L'advection :
C'est le transport qu'occasionnent les vents. Au sein de la
CLA, ils sont de l'ordre de 1 à 10 m/s d'altitude pour les composantes
horizontales, alors que la composante verticale excède rarement les 1
cm/s.
Du fait du frottement de l'air sur le sol, le profil de vent
adopte un caractère logarithmique, plus ou moins perturbé par les
processus thermique.
- La turbulence :
C'est les structures turbulentes, créées
mécaniquement ou thermiquement, qui permettent le transport vertical.
Leurs tailles varient de quelques millimètres à des structures de
1 km (Fraigneau, 1996).
1.2.3 Stabilité de la couche limite
L'étude classique de la CLA fait ressortir un cycle
diurne, présenté sur la figure 2, étroitement lié
aux trois états la caractérisant selon le gradient vertical de
température potentielle ?è / ?z, où è est
la température potentielle :
La température potentielle correspond à la
température qu'aurait une masse d'air s'élevant adiabatiquement
dans la CLA. Elle permet de ne pas tenir compte de la variation de
température occasionnée par le changement de pression lorsqu'une
masse d'air s'élève dans l'atmosphère de manière
adiabatique.
Le gradient de température potentielle donne
l'écart à l'adiabaticité du gradient vertical de
température absolue. Ceci permet alors de déterminer
l'état thermique dans la quel se trouve la couche limite
atmosphérique, (Christelle Philippe, 2004)
- Si ?è / ?z est positif, la CLA est dans un
état thermiquement stable conduisant à une turbulence
relativement peu développée. En effet, les forces de
flottabilité vont s'opposer à toute élévation des
masses d'air, les plus chaudes se trouvant à une altitude plus
élevée que les plus froides (Christelle Philippe, 2004). De ce
fait, les effets thermiques vont contrer le développement des
fluctuations turbulentes verticales engendrées par les contraintes de
cisaillement du vent. La couche limite stable apparaît peu de temps avant
le coucher du soleil avec la diminution du chauffage radiatif et
s'épaissit au fil de la nuit lors du refroidissement de la surface.
Au-dessus, la disparition de la CLA turbulente au coucher du soleil peut
s'expliquer soit par un « effondrement de la CLA », avec une
décroissance rapide (environ 1h) de la hauteur de la couche
d'entraînement et/ou de l'inversion thermique précédent sa
disparition, soit par le remplacement de la CLA par une « couche
résiduelle » dans laquelle la turbulence s'atténue
(turbulence fossile) en l'absence de mécanisme
générateur(Bruno Sportisse, 2007), bien que l'inversion soit
encore observable comme sur la figure 3.
Figure 3 : Couche limite stable ?è / ?z est
positif (Bruno Sportisse, 2007)
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- Si ?è / ?z est négatif, la CLA est
instable (figure 4), car les forces de flottabilité vont favoriser le
transport vertical en provoquant l'ascension des masses d'air chaudes. Elles
génèrent ainsi une turbulence d'origine convective. La turbulence
est créée par l'instabilité thermique des particules ainsi
engendrée (Christelle Philippe, 2004). Le mélange des masses
d'air est très important jusqu'au sommet de la CLA : cette couche est
appelée couche convective mélangée (ou couche d'Ekman). Le
frottement sur la surface se fait de moins en moins sentir avec l'altitude. La
turbulence y est importante, véhiculée par des tourbillons de
différentes tailles. Par conséquent, cette couche
s'homogénéise, et facilite la dispersion des polluants depuis le
lieu de leur émission. Une couche d'entraînement se forme à
l'interface entre la couche de mélange et la troposphère libre. A
cet endroit les champs moyens tendent vers leur valeur dans l'atmosphère
libre stable. (Bruno Sportisse, 2007)
Figure 4 : Couche limite stable ?è / ?z est
négatif (Bruno Sportisse, 2007)
- Si ?è / ?z est nul, la CLA est thermiquement
neutre comme montre la figure 5, le profil de température est alors
adiabatique. La turbulence atmosphérique est purement mécanique,
les effets convectifs étant nuls (Christelle Philippe, 2004). Cet
état de la CLA est rare, et se rencontre plutôt lors de la
transition entre la CLA instable vers la CLA stable. Cependant, la CLA est
« quasi-neutre » (proche de la neutralité) dès que le
vent est fort ou lorsque la couverture nuageuse réduit les
échanges thermiques. (Bruno Sportisse, 2007)
Figure 5 : Couche limite stable ?è / ?z est
neutre (Bruno Sportisse, 2007)
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