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P H Y S
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
44
P
H
Y
S
I
Q
U
E
A
T
M
O
S
P
H
É
R
I
Q
U
E
CONTRIBUTION
À L’ÉTUDE DU COMPORTEMENT
DU RADON-220, DU RADON-222
ET DE LEURS DESCENDANTS
DANS L’ATMOSPHÈRE
T. Kataoka(1), E. Yunoki(1), K. Michihiro(1), H. Sugiyama(1),
M. Shimizu(1), O. Tsukamoto(2), K. Sahashi(3), T. Maitani(4)
et T. Mori(1)
(1) Okayama Prefectural Institute for Environmental Science
and Public Health
739-1, Uchio, Okayama 701-0298, JAPON
(2) Faculty of Science, Okayama University, Okayama, JAPON
(3) Professor Emeritus of Okayama University, Okayama, JAPON
(4) Research Institute for Bioresources, Okayama University, Kurashiki,
JAPON
RÉSUMÉ
ABSTRACT
Nous avons mesuré simultanément les concentrations atmosphériques en
Pb (descendant radioactif du 220Rn), celles en descendants radioactifs à vie
courte du 222Rn et certains paramètres météorologiques, dans trois sites du
village de Kamisaibara (préfecture d’Okayama, Japon) éloignés les uns des
autres de deux à trois kilomètres. Les données obtenues révèlent que les
variations des concentrations en 212Pb, de celles en descendants du 222Rn et de
leur rapport Pb/Rn-descendants à ces trois sites sont corrélées, mais aussi
que les dégagements du 220Rn et du 222Rn près des sites d’observation influent
de façon considérable sur ces concentrations. Une étude plus approfondie
montre que l’adjonction de Pb/Rn (rapport de la concentration en 212Pb à la
concentration en 222Rn) ou de Pb/Rn-descendants, en tant qu’indicateur, à
l’une des concentrations en 212Pb, en 222Rn et en descendants du 222Rn permet
d’obtenir des informations sur la basse atmosphère locale. C’est pourquoi,
outre les concentrations en 212Pb, en 222Rn et en descendants du 222Rn, il est
important de prendre en compte le facteur Pb/Rn ou Pb/Rn-descendants
pour comprendre le comportement des polluants atmosphériques dans un
site urbain ou industriel.
212
A contribution to the study of the behaviour of 220Rn, 222Rn
and their daughters in the atmosphere
We simultaneously measured the concentrations of 212Pb (a 220Rn daughter) and short-lived 222Rn daughters, and some meteorological elements at
three sites 2-3 km apart in Kamisaibara Village (Okayama Prefecture,
Japan). The resulting data shows that variations of the concentrations of
212
Pb and 222Rn daughters and of the ratio Pb/Rn-daughters at these three
sites are correlated, but that their levels are considerably influenced by
emanations of 220Rn and 222Rn from the soil near the observation sites. The
results of further treatment make it clear that the addition of Pb/Rn (the
ratio of the concentrations of 212Pb and 222Rn) or of Pb/Rn-daughters as an
indicator to one of the concentrations of 212Pb, 222Rn and 222Rn daughters
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin1999
45
enables us to get information about the state of the lower atmosphere.
Considering the above, the ratio Pb/Rn or Pb/Rn-daughters will be useful as a
tracer for elucidation of the behaviour of air pollutants in urban and industrial
areas, as well as the concentrations of 212Pb, 222Rn and 222Rn daughters.
INTRODUCTION
Le 220Rn et le 222Rn sont des gaz rares radioactifs en lesquels le 224Ra et le
Ra contenus dans le sol se désintègrent respectivement. Ces gaz sortent du
sol et diffusent dans l’atmosphère. Pendant leur diffusion, ils se désintègrent
en produisant des descendants radioactifs solides (tableau 1).
a
Ra
226
224
3,62 jours
α
220
Rn
55,6 s
α
216
Po
0,145 s
212
Po
2,98.10-7 s
64 % β
212
Bi
60,6 min
α
α
β
212
Pb
10,64 h
36 %
208
Pb
stable
α
β
Tableau 1a - Filiation radioactive
du 220Rn (partie de la chaîne
de filiation radioactive
de la famille du thorium).
208
Tl
3,05 min
Depuis que Hess et Schmidt (1918) et
Schmidt (1926) ont calculé les répartitions verticales des filiations radioactives du 220 Rn et du 222 Rn dans
l’atmosphère, ces deux filiations radioactives sont utilisées comme traceurs
pour étudier la diffusion verticale et le
transport à longue distance dans la basse
troposphère, en se servant de la différence de leurs demi-vies. Jacobi et
André (1963) ont calculé les répartitions
verticales de ces filiations radioactives à
partir de cinq types de répartition des
coefficients de diffusion verticale en
régime stationnaire. Fontan et al. (1966)
ont étudié la relation entre ces filiations
radioactives et les paramètres météorologiques. Malakov et al. (1966) se sont
intéressés à l’influence de la variation
du dégagement du 220Rn et du 222Rn sur
les concentrations des descendants
radioactifs du 220Rn et des descendants
radioactifs à vie courte du 222Rn (218Po,
214
Pb, 214Bi et 214Po, ci-après appelés descendants du 222 Rn). Ikebe (1970) a
effectué des recherches sur la relation
entre les concentrations en 220Rn et en
b
226
Ra
1,6.103 ans
α
222
Rn
3,824 jours
α
218
Po
3,11 min
214
Po
1,64.10-4 s
210
Po
138,3 jours
β
214
α
Bi
β
Tableau 1b - Filiation
radioactive du 222Rn
(partie de la chaîne
de filiation radioactive
de la famille
de l’uranium-radium).
Bi
α
5,01 jours
β
214
Pb
27,0 min
210
α
19,9 min
β
210
Pb
22,3 ans
206
Pb
stable
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
46
Rn et la vitesse du vent. Druilhet et Fontan (1973) ont calculé les coefficients
de diffusion verticale à l’aide des données moyennes relatives à deux années de
mesures continues des concentrations en 212Pb (le descendant radioactif du 220Rn)
et en 222Rn et des paramètres météorologiques (le vent et la température).
Guedalia et al. (1973, 1974) et Lopez et al. (1974) ont comparé les profils verticaux des concentrations en 212Pb et en 222Rn mesurés à l’aide d’un avion.
Rangarajan et al. (1974) et Cuculeanu et al. (1992) ont mesuré les variations à
long terme des concentrations des descendants du 220Rn et du 222Rn. En utilisant
les descendants de ces deux gaz rares radioactifs, Shimo et al. (1982) ont estimé
le temps de résidence des aérosols dans l’atmosphère. Polian et al. (1986) ont
estimé le transport à longue distance du 212Pb et du 222Rn en analysant, à l’aide des
trajectoires des masses d’air, les variations de leurs concentrations mesurées dans
plusieurs stations antarctiques et subantarctiques.
222
Lacs et rivières
Dépôts de minerai uranique
Lieu de mesure
Frontière préfectorale
Préfecture de Tottori
0
Parmi les auteurs mentionnés ci-dessus, seuls Fontan et al. (1966) et Polian et al.
(1986) ont étudié la relation entre ces filiations radioactives et les conditions météorologiques dans la basse atmosphère. Les premiers ont simplement expliqué qualitativement la relation entre ces filiations radioactives et les paramètres météorologiques,
en ne citant qu’un exemple. Les seconds ont simplement effectué des recherches sur
le transport à longue distance du 212Pb et du 222Rn, mais n’ont pas
analysé en détail la relation entre leurs concentrations et la situa1
2 km
tion météorologique locale.
La concentration en 222Rn mesurée en un point trouve son origine à la fois dans les régions proches et dans les régions éloignées de ce point (Ikebe et al., 1983 ; Hattori et Ichiji, 1998).
D’après Ikebe et al. (1983), la composante liée au 222Rn qui se
dégage près du point de mesure montre une variation de concentration en fonction du temps à amplitude faible et à pente douce,
celle qui provient des régions éloignées présentant une variation
B
en fonction du temps à grande amplitude et à pente raide. La
variation effectivement mesurée résulte de la superposition de ces
deux composantes. En l’absence d’alternance des masses d’air
continentales et maritimes, la composante liée au 222Rn venant de
A
loin ne montre pas de grandes variations. De plus, comme la
demi-vie du 212Pb (10,64 heures) est plus courte que celle du 222Rn
(3,82 jours), la part due au 212Pb venant de loin dans la concentraVillage de
C
tion en 212Pb mesurée est plus faible que pour 222Rn. Tout cela
Kamisaibara
montre que les variations diurnes des concentrations en 212Pb, en
222
Rn et en descendants du 222Rn vont refléter la situation météoroFigure 1 - Situation géographique des trois sites de mesure et des
logique près du point de mesure, tout comme celles du rapport de
dépôts de minerai uranique.
la concentration en 212Pb à la concentration en 222Rn (ci-après désigné par Pb/Rn) ou celles du rapport de la concentration en 212Pb à la concentration en
descendants du 222Rn (ci-après désigné par Pb/Rn-descendants). Par ailleurs, la différence entre les demi-vies du 212Pb et du 222Rn provoque une différence entre leurs
répartitions verticales dans l’atmosphère (Jacobi et André, 1963). Ainsi, l’adjonction
de Pb/Rn ou de Pb/Rn-descendants à la concentration en 212Pb, en 222Rn ou en descendants du 222Rn en tant que traceur permet de comprendre en détail les conditions
météorologiques dans la basse atmosphère près du point de mesure.
En outre, certaines études (Larson et al., 1972 ; Lopez et al., 1974 ; Fontan et al.,
1976 ; Dörr et al., 1983 ; Gaudry et al., 1990) suggèrent que le 220Rn, le 222Rn et leurs
descendants sont utiles pour estimer la diffusion et le transport des polluants atmosphériques et des gaz à effet de serre, qui causent de sérieux problèmes d’environnement. De ce point de vue également, il est très important de comprendre en détail la
relation des concentrations en 220Rn, en 222Rn et en leurs descendants avec les conditions météorologiques, et de même pour les rapports Pb/Rn et Pb/Rn-descendants.
Dans la première partie de cette étude, nous examinons la provenance locale des
concentrations en 212Pb et en descendants du 222Rn et du rapport Pb/Rn-descendants.
Ensuite, nous montrons les résultats obtenus sur la relation des concentrations en
212
Pb et en descendants du 222Rn avec la situation météorologique et sur la corrélation
entre Pb/Rn-descendants et les paramètres météorologiques. Lors de l’analyse des
concentrations en 212Pb et en descendants du 222Rn, nous n’avons pas pu séparer les
composantes dues aux régions proches et éloignées du point de mesure.
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
MESURES ET ANALYSES
STATISTIQUES
47
Les mesures des concentrations en 212Pb et en descendants du 222Rn et celles de
certains paramètres météorologiques ont été effectuées simultanément en trois
lieux éloignés les uns des autres de deux à trois kilomètres dans le village de
Kamisaibara (préfecture d’Okayama, Japon), situé à 35° 18’ de latitude nord et
133° 35’ de longitude est. Ces trois lieux sont représentés sur la figure 1 par les
lettres A, B et C. Leur altitude est respectivement de 740, 710 et 540 mètres. Il
existe dans cette région des dépôts de minerai uranique à basse teneur, également
représentés sur la figure 1.
Le site B du village de Kamisaibara
(préfecture d’Okayama)
au Japon.
Concentrations
On trouvera dans Kataoka et al. (1996) la description de la méthode
utilisée pour mesurer simultanément le 212Pb et les descendants du 222Rn
dans l’atmosphère, ainsi que la discussion sur la précision des mesures obtenues.
Paramètres
météorologiques
Nous avons mesuré toutes les heures les paramètres météorologiques suivants : hauteur de neige, rayonnement solaire, rayonnement net, vent, température et pression atmosphérique. Le tableau 2 indique les appareils utilisés pour
les observations météorologiques sur chacun des sites. La hauteur de neige, la
température et la pression atmosphérique sont mesurées de façon instantanée.
La vitesse du vent est une valeur moyenne calculée sur 10 minutes, le rayonnement solaire et le rayonnement net représentent des valeurs moyennées sur une
heure.
Observatoire et appareils de mesures
météorologiques du site B.
Paramètre météorologique
Appareil
Lieu de mesure
Hauteur de neige
Marque Kaijo Électricité
type SL-143
Site B
Rayonnement solaire
Compteur Marque Ikeda
type MS-43F
Site B
Rayonnement net
Compteur Marque Ikeda
type CN-11
Site B
Vent
Marque Koushin Électricité
type MV-110P C
Sites A, B et C
Température
Compteur Marque Ikeda
type PT-100S
Sites A, B et C
Pression atmosphérique
Compteur Marque Ikeda
type APG-100
Site B
Tableau 2 - Paramètres météorologiques mesurés, appareils et lieux de mesure.
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
48
Analyses statistiques
Nous avons utilisé des tests statistiques non paramétriques :
- le test de Kruskal et Wallis ainsi que le test de Friedman à la place de l’analyse
de variance ;
- le coefficient de corrélation de Spearman et son test à la place du coefficient de
corrélation de Pearson et de son test.
Le seuil de signification est de 1 %.
Résultats
pour les concentrations
Sur la figure 2, nous avons représenté les variations d’un jour à l’autre de la
concentration en 212Pb, de celle en descendants du 222Rn, du rapport Pb/Rn-descendants
et de la hauteur de neige, pour ces deux mois d’octobre 1993 et février 1994. Les trois
premiers paramètres sont en fait des moyennes de 8 données chaque jour, tandis que la
hauteur de neige représente une moyenne de 24 données chaque jour (la hauteur de
neige est nulle au mois d’octobre). En considérant la répartition des dépôts de minerai
uranique et des sites d’observation (figure 1), on pourrait penser que la concentration
en descendants du 222Rn sur le site A est la plus élevée. En réalité, elle est plus faible
que sur le site C et du même ordre que sur le site B. Par ailleurs, les concentrations en
descendants du 222Rn sur les trois sites sont comparables à celles mesurées sur d’autres
sites au Japon. Il semble ainsi que les dépôts de minerai uranique n’exercent pas
clairement d’influence sur les concentrations en descendants du 222Rn.
200
100
0
Descendants du
222 Rn
6
4
2
0
Pb/Rn-descendants
Pb/Rn-descendants
212 Pb
0,04
0,02
0
site A
site B
2,0
site C
1,0
Non neige
0
5
10
15
Octobre
20
25
30
Jour
Hauteur de neige(m)
Figure 2 - Variations d’un jour à l’autre
de la concentration en 212Pb,
de celle en descendants du 222Rn,
du rapport Pb/Rn-descendants
et de la hauteur de neige
en octobre 1993
(à gauche)
et en février 1994
(à droite).
Hauteur de neige(m)
Appareil de mesure des concentrations en
212
Pb et en descendants du 222Rn.
300
Concentration (Bqm-3 ) Concentration (mBqm-3 )
Nous avons choisi octobre 1993 comme période de mesures sans neige au sol ;
pendant le mois d’octobre, le Japon est généralement sous l’influence d’une
masse d’air continentale (la masse d’air de Yangzi Jiang, masse d’air tropicale
continentale). Nous avons choisi par ailleurs février 1994 comme période enneigée pour nos mesures ; en février, le Japon est généralement sous l’influence
d’une autre masse d’air continentale (la masse d’air sibérienne, masse d’air
polaire continentale).
Concentration (Bqm-3 ) Concentration (mBqm-3 )
RÉSULTATS
ET DISCUSSION
300
212 Pb
200
100
0
Descendants du
222 Rn
6
4
2
0
0,04
0,02
0
2,0
1,0
0
5
10
15
Février
20
25
Jour
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
49
En outre, on note sur la figure 2, d’une part, que la concentration en descendants du 222Rn est plus faible en février qu’en octobre, d’autre part, que la
concentration en 212Pb est beaucoup plus faible en février qu’en octobre. Il en
résulte que le rapport Pb/Rn-descendants est beaucoup plus faible en février
qu’en octobre, à l’exception du 12 février. Une accumulation de neige de 1 à
2 m couvrait la surface du sol en février. D’ordinaire, une telle accumulation
de neige empêche presque totalement le 220Rn de sortir du sol et de pénétrer
dans l’atmosphère, du fait de sa demi-vie courte (55,6 secondes). La situation
est différente pour le 222Rn qui possède une demi-vie longue (3,82 jours).
Cependant, le village de Kamisaibara étant situé en zone forestière, l’accumulation de neige ne peut pas couvrir complètement le sol et des interstices se
forment entre la neige et les arbres. La concentration en 212Pb observée en
février est faible mais variable, ce qui montre que le 212Pb provenant du 220Rn
qui s’échappe des interstices viendrait s’ajouter à celui déjà présent dans la
masse d’air.
Le 12 février, les valeurs de Pb/Rn-descendants ont été plus élevées que les
autres jours de février sur les trois sites, de 6 h à 15 h (et surtout à 9 h). Ce
jour-là, les concentrations en descendants du 222Rn sont devenues excessivement faibles sur les trois sites, tandis que les concentrations en 212Pb ne
variaient guère. Les valeurs mesurées semblent correctes et indiqueraient des
variations naturelles, puisque les trois sites ont montré la même tendance.
Cependant, la cause de ces variations est incertaine ; nous savons seulement
que la tempête de neige fut plus violente ce jour-là.
Influence
des dégagements locaux
Nous avons utilisé le test de Kruskal et Wallis pour étudier l’influence du
site de mesure (site A, B ou C) sur les concentrations en 212Pb et en descendants du 222Rn et sur le rapport Pb/Rn-descendants. Le tableau 3 indique les
résultats. On constate une différence statistiquement significative entre les
sites pour la concentration en 212Pb en octobre et pour celle en descendants du
222
Rn en octobre et en février, mais pas pour la concentration en 212Pb en
février. Pour octobre, le test indique la diversité locale des dégagements du
220
Rn et du 222Rn vers l’atmosphère. La différence statistiquement significative
pour Pb/Rn-descendants en octobre reflète également ce phénomène.
H
Période
Concentration
en 212Pb
Concentration en
Pb/Rn-descendants
descendants du 222Rn
χ2(2 ; 0,01)
Octobre 1993
70,3
68,7
71,0
9,2
Février 1994
4,5
32,7
78,2
9,2
Tableau 3 - Résultats du test de Kruskal et Wallis sur les valeurs mesurées sur les sites A, B et C.
Pour le mois de février, la différence significative entre sites pour la concentration en descendants du 222Rn montre qu’une accumulation de neige d’environ
2 m n’empêche guère le 222Rn de se dégager vers l’atmosphère. À l’opposé,
l’absence de différence pour la concentration en 212Pb montre que le 212Pb contenu
dans la masse d’air recouvrant cette région est bien plus important que son
approvisionnement local, ce qui est justifié dans la mesure où le 220Rn se désintègre presque totalement dans la couche neigeuse. La différence significative
entre sites pour le rapport Pb/Rn-descendants en février provient de la différence
pour la concentration des descendants du 222Rn.
Afin de procéder à un examen plus détaillé sur la concentration en 212Pb en
février, nous avons utilisé le test de Friedman (tableau 4). Le résultat permet de
mettre en évidence une légère différence de concentration en 212Pb entre les trois
sites en février, nous indiquant qu’une petite partie du 220Rn s’échappe des interstices formés entre la neige et les arbres.
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
50
χr2
Période
Concentration
en 212Pb
Octobre 1993
Février 1994
Concentration en
Pb/Rn-descendants
descendants du 222Rn
χ2(2 ; 0,01)
296,4
263,8
201,5
9,2
32,0
237,0
172,5
9,2
Tableau 4 - Résultats du test de Friedman sur les valeurs mesurées sur les sites A, B et C.
L’ensemble de ces résultats montre que, si l’on excepte le cas de 212Pb en
février, les niveaux des concentrations en 212Pb et en descendants du 222Rn et ceux
de Pb/Rn-descendants sont plutôt dominés, même sur des sites de mesure éloignés les uns des autres de deux à trois kilomètres, par les dégagements du 220Rn
et du 222Rn près de ces sites.
Influence des conditions
météorologiques
Paramètre
Lieu
de mesure
Coefficient
de corrélation
t de Student
associé au coefficient
de corrélation
Valeur de t ayant 1 % de chance
d’être dépassée
(plus de 200 degrés de liberté)
Octobre
1993
Sites A et B
Sites B et C
Sites C et A
0,935
0,940
0,891
41,0
43,0
30,5
2,6
2,6
2,6
Février
1994
Sites A et B
Sites B et C
Sites C et A
0,890
0,912
0,838
28,7
33,0
22,6
2,6
2,6
2,6
Octobre
1993
Sites A et B
Sites B et C
Sites C et A
0,810
0,898
0,750
21,6
31,7
17,6
2,6
2,6
2,6
Février
1994
Sites A et B
Sites B et C
Sites C et A
0,917
0,883
0,830
33,8
27,9
21,8
2,6
2,6
2,6
Octobre
1993
Sites A et B
Sites B et C
Sites C et A
0,885
0,790
0,698
29,6
20,1
15,1
2,6
2,6
2,6
Février
1994
Sites A et B
Sites B et C
Sites C et A
0,791
0,684
0,726
19,1
13,9
15,5
2,6
2,6
2,6
Période
Concentration
en 212Pb
Concentration en
descendants du 222Rn
Nous avons calculé les coefficients de corrélation entre les concentrations
mesurées sur les sites pris deux à deux (tableau 5). Ces coefficients de corrélation sont statistiquement significatifs, donc les concentrations mesurées sur les
sites sont mutuellement corrélées, et il en est de même pour Pb/Rn-descendants.
Pb/Rn-descendants
Tableau 5 - Résultats du test du coefficient de corrélation H de Spearman sur les valeurs mesurées sur les sites A, B et C pris deux à deux.
Dans la mesure où les concentrations sur les trois sites sont mutuellement corrélées, tandis que leurs niveaux respectifs dépendent dans une large mesure des
dégagements du 220Rn et du 222Rn près de ces trois sites, nous avons, pour les analyses suivantes, utilisé les observations du site B, site possédant plus d’appareils
de mesure météorologique que les deux autres.
Occurrence
des concentrations
Sur la figure 3, nous avons représenté les fréquences d’occurrence sur le site
B des concentrations en 212Pb et en descendants du 222Rn et du rapport Pb/Rndescendants. Pour 212Pb, la distribution est bien plus étroite en février qu’en
octobre ; pour les descendants du 222Rn, les deux distributions sont proches. En
conséquence, le rapport Pb/Rn-descendants se distribue de façon bien plus étroite
en février qu’en octobre.
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
100
Fréquence (%)
Figure 3 - Fréquences d’occurrence
sur le site B de la concentration
en 212Pb (a),
de celle en descendants du 222Rn (b),
et de Pb/Rn-descendants (c).
51
//
Site B
-3
Octobre 1993, moyenne : 52,2 mBqm
80
Février 1994, moyenne : 5,0 mBqm-3
60
40
20
0
//
//
0
50
100
150
200 350
212
-3
Concentration du Pb (mBqm )
a
40
//
Fréquence (%)
Site B
-3
Octobre 1993, moyenne : 1,47 Bqm
Février 1994, moyenne : 0,97 Bqm-3
30
20
10
00
1
2
3
4
5
//
//
6
Concentration des descendants du 222Rn (Bqm-3)
b
60
Fréquence (%)
Site B
40
20
00
c
Variations diurnes
Octobre 1993, moyenne : 0,0281
Février 1994, moyenne : 0,0058
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Pb/Rn-descendants
Sur la figure 4, toujours pour le site B, nous avons porté les variations moyennes
en fonction de l’heure des concentrations en 212Pb et en descendants du 222Rn, ainsi
que du rapport Pb/Rn-descendants, avec les écarts types correspondants.
En octobre, les concentrations en 212Pb et en descendants du 222Rn sont à
l’évidence fortes la nuit et faibles le jour. Cela peut s’expliquer par deux raisons.
D’une part, comme on l’a vu précédemment, en octobre, la production locale
joue un rôle important pour les concentrations en 212Pb et en descendants du
222
Rn. De l’autre, la diffusion verticale de ces deux espèces est d’autant plus efficace que la turbulence est forte dans la basse atmosphère. En ne considérant dans
un premier temps que la turbulence d’origine thermique, la diffusion verticale va
être importante de jour (développement d’une couche limite mélangée) et faible
de nuit (tendance à la stratification horizontale). La source majeure de 212Pb et de
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
Site B
Octobre 1993
Février 1994
Concentration du
212Pb
200
100
0
0
4
8
12
16
20
24
Heure (h)
Concentration des descendants du
222 Rn
(Bqm-3 )
a
Site B
Octobre 1993
Février 1994
5
4
3
2
1
0
0
4
8
12
16
20
24
Heure (h)
b
Site B
Octobre 1993
Février 1994
0,08
Pb/Rn-descendants
Figure 4 - Variations diurnes moyennes
et écarts types sur le site B
de la concentration en 212Pb (a), de celle en
descendants du 222Rn (b)
et de Pb/Rn-descendants (c).
(mBqm-3 )
52
0,06
0,04
0,02
0
c
0
4
8
12
16
Heure (h)
20
24
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
53
descendants du 222Rn se trouvant au sol, on trouve logiquement pour ces deux
espèces des concentrations au sol plus fortes de nuit (gradient vertical négatif
important) que de jour (gradient vertical peu marqué et mélange vertical).
Toujours pour octobre, on note aussi que la variation diurne est plus forte pour
Pb (rapport d’environ 8 entre les concentrations moyennes nocturne et diurne)
que pour les descendants du 222Rn (rapport d’environ 2,4). En conséquence, le
rapport Pb/Rn-descendants présente aussi une variation diurne. Cela pourrait provenir du fait que les concentrations mesurées ne proviennent pas uniquement des
dégagements locaux, mais également des espèces 212Pb et descendants du 222Rn
déjà présentes dans les masses d’air qui circulent au-dessus du site de mesure.
212
Site B
1,5
1,0
0,5
0
a
Octobre 1993
Février 1994
Rayonnement net (MJm-2)
Rayonnement solaire (MJm-2)
En février, en revanche, on n’observe pas de variation diurne notable des
concentrations sur le site B (figure 4). Les raisons suivantes peuvent expliquer ce
phénomène. Nous avons représenté sur la figure 5 les variations moyennes du
rayonnement solaire et du rayonnement net sur le site B en fonction de l’heure.
Tandis que les rayonnements solaires des deux mois considérés sont très
proches, le rayonnement net est bien plus faible en février qu’en octobre. Cela
est dû à l’albédo élevé de la neige, qui renvoie vers le haut la majeure partie du
rayonnement solaire incident. L’apport de chaleur étant réduit, même en milieu
de journée, la turbulence d’origine thermique est très faible et la couche de
mélange diurne ne se développe que très peu. Comme, de plus, le vent est assez
fort en février pendant la nuit (en moyenne 1,7 m/s), on obtient, de nuit, de la
turbulence d’origine dynamique, et donc des conditions de mélange assez
proches de celles présentes de jour. En outre, on l’a vu plus haut, la production
locale a un rôle moins important en février qu’en octobre sur les concentrations
mesurées (surtout pour 212Pb). Ainsi, en février, les concentrations observées sont
moins le résultat de la production locale et de la diffusion verticale que celui de
l’advection. L’ensemble de ces considérations expliquerait que l’on n’observe
quasiment pas en février de variation diurne sur 212Pb, sur les descendants du
222
Rn et sur leur rapport.
0
4
8
12
16
Heure (h)
20
24
1,5
Site B
Octobre 1993
Février 1994
1,0
0,5
0
-0,2
b
0
4
8
12
16
Heure (h)
20
24
Figure 5 - Variations diurnes moyennes sur le site B du rayonnement solaire (a) et du rayonnement net (b).
Influence du vent
Nous avons présenté sur la figure 6 l’ensemble des couples de valeurs (Pb/Rndescendants, vitesse du vent) mesurés pour les mois d’octobre 1993 et de février
1994, pour le site B. On note qu’en octobre, le rapport Pb/Rn-descendants diminue en moyenne à mesure que la vitesse du vent augmente. Cela pourrait s’expliquer ainsi : en octobre, les facteurs dominants pour expliquer les concentrations
mesurées sont la production locale et le mélange vertical par turbulence. Or, plus
le vent est fort, plus la turbulence d’origine dynamique est importante. Comme
on a vu, sur les variations diurnes, que la présence de turbulence semble favoriser des rapports Pb/Rn-descendants faibles, on s’attend bien à ce qu’une augmentation de la vitesse du vent provoque une décroissance du rapport
Pb/Rn-descendants.
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
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Site B
10
Octobre 1993
5
Pb/Rn-descendants
Pb/Rn-descendants
10-1
2
10-2
5
2
10
Site B
Février 1994
5
2
10 -2
5
2
-3
10
10 -1 2
a
-1
5 10 0 2
5
Vitesse du vent (ms -1 )
101
-3
10
-1
b
5 100 2
5
Vitesse du vent (ms -1 )
2
10
1
Figure 6 - Relation entre Pb/Rn-descendants et la vitesse du vent sur le site B, pour les mois d’octobre 1993 (a) et février 1994 (b).
À l’opposé, on n’observe aucune relation entre Pb/Rn-descendants et la
vitesse du vent en février (figure 6b). Comme on l’a vu pour les variations
diurnes, c’est l’advection qui est le facteur prépondérant en février pour expliquer les concentrations observées. Il est donc normal que les concentrations en
212
Pb et en descendants du 222Rn, et aussi leur rapport, dépendent de la masse d’air
présente et soient quasi indépendants de la vitesse du vent.
Influence de l’épaisseur
de neige au sol
La figure 7 présente l’ensemble des couples de valeurs (Pb/Rn-descendants, hauteur de neige) mesurés sur le site B et pour la période située entre
le 15 décembre 1993 et le 28 février 1994. On observe que Pb/Rn-descendants prend des valeurs moins dispersées lorsque la hauteur de neige est
supérieure à 0,5 m que dans le cas contraire. Selon le modèle d’Israël et
Krebs (1962), qui considèrent la neige comme un sol sans 224Ra, une hauteur
de neige d’environ 0,5 m peut pratiquement empêcher le dégagement du
220
Rn dans l’atmosphère. Dans le cas d’une hauteur de neige inférieure à
0,5 m sur le site B, la neige ne s’accumule guère aux altitudes inférieures à
celle du site C et sur le sol en zone forestière. En conséquence, le 220Rn qui
se dégage de ces zones, ainsi que le 212Pb contenu dans la basse atmosphère
au-dessus du sol non enneigé, contribueraient à augmenter la dispersion des
valeurs de concentration en 212Pb observées au site B, et donc celle des
valeurs du rapport Pb/Rn-descendants. Dans le cas contraire, si la hauteur
de neige dépasse 0,5 m au site B, c’est qu’elle s’accumule de façon notable
à basse altitude (site C) et sur le sol en zone forestière ; aussi, les concentrations en 212Pb restent très limitées et le rapport Pb/Rn-descendants demeure
dans une fourchette étroite. Toutefois, sa valeur n’est jamais nulle, démontrant ainsi que le 212Pb transporté dans les masses d’air et celui dû au 220Rn
sortant des interstices entre la neige et les arbres existent bel et bien dans
l’atmosphère.
Système de mesure de la hauteur de neige.
La Météorologie 8e série - n° 26 - juin 1999
Influence
des autres paramètres
météorologiques
CONCLUSION
Nous avons également examiné les relations des concentrations en 212Pb et
en descendants du 222Rn et de Pb/Rn-descendants avec la température et la
pression atmosphérique en octobre 1993 et en février 1994, mais nous
n’avons pu obtenir de corrélations évidentes.
Cette étude montre, en dépit de ses imperfections, que les concentrations en
Pb et en descendants du 222Rn, de même que leur rapport Pb/Rn-descendants,
sont influencés par l’état de la basse atmosphère. En particulier, ces paramètres
ont une variation diurne importante en l’absence de neige au sol, indiquant leur
sensibilité aux conditions de turbulence de la basse atmosphère.
212
On voit ainsi que l’addition de Pb/Rn-descendants comme
traceur à l’une des concentrations en 212Pb, en 222Rn et en descendants du 222Rn doit permettre de comprendre la situation
atmosphérique locale. Cela suggère en outre que Pb/Rn et
Pb/Rn-descendants doivent aussi être utiles comme traceurs
pour élucider les causes des variations de concentration des
polluants atmosphériques et des gaz à effet de serre.
Cependant, pour aller plus loin, il conviendrait d’élaborer une
méthode pour séparer dans les concentrations observées les
deux composantes dues aux régions proches et aux régions
éloignées du point de mesure. Cela doit faire l’objet d’une
future étude.
Site B
0,020
Pb/Rn-descendants
55
0,015
0,010
0,005
0
0
0,5
1,0
1,5
2,0
Hauteur de neige (m)
Figure 7 - Relation entre Pb/Rn-descendants et la hauteur de
neige sur le site B, pour la période du 15 décembre 1993 au
28 février 1994.
Par ailleurs, le rapport de la concentration en 210Bi (descendant radioactif à vie longue du 222Rn) à celle en 210Pb (descendant radioactif à vie longue du 222 Rn), le rapport de la
concentration en 210Po (descendant radioactif à vie longue du
222
Rn) à celle en 210Pb, et enfin le rapport de la concentration en
210
Po à celle en 214Bi (descendant radioactif à vie courte du
222
Rn) sont également des éléments utiles pour élucider les problèmes mentionnés ci-dessus (Mattsson, 1970). L’emploi supplémentaire de ces divers rapports en tant que traceurs
atmosphériques devrait permettre d’apporter des réponses
encore plus précises aux problèmes étudiés plus haut.
Remerciements
Nous remercions vivement le professeur honoraire M. Watanabe et la chargée
de cours titulaire H. Terami, de l’université d’Okayama, pour les conseils dont
ils nous ont fait bénéficier sur les analyses statistiques. Nous sommes heureux de
remercier aussi les membres du Cercle d’étude météorologique de l’université
d’Okayama pour les nombreuses et fructueuses discussions que nous avons eues
avec eux.
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