Chimie atmosphérique
Modèle de chimie atmosphérique
$\tiny\text{Sur 10ppm de NOx, 9 sont du } \ce{NO}\text{, 1 du }\ce{NO2}$
Explications
Le graphique interactif présente les concentrations calculées d'un modèle de chimie atmosphérique simplifié incluant l'ozone $\ce{O3}$, les oxydes d'azote (NOx) principaux : $\ce{NO}$ et $\ce{NO2}$, en fonction des réactions entre ces molécules, leurs précurseurs $\ce{ROC}$, de la température et de l'ensoleillement.
La simulation fait réagir un jeu simplifié de réactions impliquées dans la formation du smog. Les composés organiques (cf. "sources anthropiques des NOx et de l'ozone" plus bas) sont dégradés par le rayonnement solaire et produisent des radicaux. Ces radicaux vont réagir avec le $\ce{NO}$ et l'ozone pour former du $\ce{NO2}$. Sous l'impact du rayonnement, le $\ce{NO2}$ se dégrade à son tour en $\ce{NO}$ et $\ce{O3}$.
En faisant varier les émissions et l'intensité lumineuse, vous pourrez constater que les concentrations en $\ce{NO2}$ augmentent la nuit, tandis que sa concentration s'effondre en journée au profit de l'ozone et de l'oxyde nitrique.
Lors de la combustion, des NOx gazeux sont produits (entre autres) par réaction de l'azote et de l'oxygène de l'air sous l'effet de la chaleur : $$\small\ce{N2 + O2 <=>[][\Delta] 2 NO}$$ mais aussi entre les radicaux de combustion et l'azote libéré lors de la pyrolyse des carburants, par exemple : $$\small\ce{\text{fuel-N} ->[][\text{combustion}] HCN ->[O][\Delta] NO <-\text{fuel-N}}$$
Les combustions incomplètes produises composés organiques (comme le benzène) qui sont dégradés en présence d'oxygène et du rayonnement solaire. Cette dégradation produit des radicaux - molécules chimiques extrêmement réactives - qui vont participer à la transformation des NOx et la formation de l'ozone. Schématiquement, soit Rn une chaine carbonée de longueur n, on peut écrire : $$\small\ce{R_{n} ->[O2][h\nu] R_{n-x} + R^{.}_{x}}$$
Méthodologie
Nous utiliserons un modèle GRS (Azzi et al. 1992) considérant le système de réactions suivant :
$$ \small \begin{cases} \ce{ ROC ->[k1][h\nu, O2] RP + ROC } \newline \newline \ce{ RP + NO ->[k2] NO2}\newline \newline \ce{ NO2 ->[k3][h\nu, O2] NO + O3 } \newline \newline \ce{ NO + O3 ->[k4] NO2 } \newline \newline \ce{ RP + RP ->[k5] RP} \newline \newline \ce{ RP + NO2 ->[k6] SGN } \newline \newline \ce{ RP + NO2 ->[k7] SNGN} \end{cases} ; \begin{cases} \ce{ k1 } = \ce{k3} e^{-4710 \over T}\times 10^3 \text{ min}^{-1}\newline \newline \ce{ k2 } = 5.482 e^{242 \over T} \text{ ppb}^{-1}\text{min}^{-1} \newline \newline \ce{ k3 } = 3\times10^{-1} \text{ min}^{-1} \text{ or slider value}\newline \newline \ce{ k4 } = 2.643 e^{-1370 \over T} \text{ ppb}^{-1}\text{min}^{-1} \newline \newline \ce{ k5 } = 1.02 \times 10^{1} \text{ ppb}^{-1}\text{min}^{-1}\newline \newline \ce{k6}=\ce{k7}= 1.2 \times 10^{-1}\text{ ppm}^{-1} \text{min}^{-1} \newline \newline \end{cases} $$ avec les cinétiques suivantes : $$ \small \begin{cases} {d[\ce{RP}] \over dt} =\ce{ k1[ROC] - [RP](k2[NO] + k5[RP] + k6[NO2] + k7[NO2])} \newline \newline {d[\ce{NO}] \over dt} =\ce{ k3[NO2] - [NO](k2[RP] + k4[O3])} \newline \newline {d[\ce{NO2}] \over dt} =\ce{[NO](k2[RP] + k4[O3]) - [NO2](k3 + k6[RP] - k7[RP])} \newline \newline {d[\ce{O3}] \over dt} =\ce{k3[NO2] - k4[NO][O3]} \newline \newline {d[\ce{SGN}] \over dt} =\ce{k6[RP][NO2]} \newline \newline {d[\ce{SNGN}] \over dt} =\ce{k7[RP][NO2]} \end{cases} $$ où :
- $\ce{ROC}$ sont les composés organiques réagissant avec l'oxygène, constant dans le temps
- $\ce{RP}$ l'ensemble des radicaux produits par les $\ce{ROC}$
- $\ce{SGN}$ et $\ce{SNGN}$ les produits azotés stables, respectivement gazeux et non gazeux.
- $\ce{k_n}$ les constantes de vitesse des réactions
- $T$ la température, en Kelvin
$\ce{[ROC]}$ est supposée constante lors de la réaction en raison de leur fragmentation.
Le système d'équations différentielles est intégré numériquement selon la méthode Runge-Kutta(4 itérations).