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Etude de la distribution verticale de particules plastiques dans l'océan : caractérisation, modélisation et comparaison avec des observations

Poulain - Zarcos, Marie. Etude de la distribution verticale de particules plastiques dans l'océan : caractérisation, modélisation et comparaison avec des observations. PhD, Océan, atmosphère, climat, Institut National Polytechnique de Toulouse, 2020

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Abstract

Annuellement, 200 000 tonnes de plastique entrent dans les océans. Dans l’état actuel des connaissances, seul 1 % de cette quantité est retrouvé. Où est le reste ? Pour des raisons logistiques, les scientifiques ont surtout étudié la pollution de plastique à la surface de la mer. Or un mélange de surface, induit par le vent et les vagues, transporte cette pollution en profondeur. Cette thèse est dédiée à l’étude du transport vertical en haute mer des micro-plastiques (1 µm < L < 5mm), plus sensibles à ce transport vertical du fait de leur faible flottabilité. Cette dynamique est décrite par l’équilibre entre le flux de flottabilité, qui tend à les faire remonter, et le flux turbulent, qui les entraine vers le bas. Nous étudions cette distribution verticale à l’aide d’échantillons collectés en mer et d’expériences de laboratoire dans lesquelles les micro-plastiques sont modélisés par des particules aux géométries régulières (sphères et disques). La turbulence de surface à laquelle ils sont soumis est générée par un dispositif de grille oscillante pour répliquer la décroissance de la turbulence avec la profondeur. Premièrement, un modèle pour la vitesse de remontée (flottabilité) des micro-plastiques, tenant compte de leurs propriétés (densité, taille et forme), est proposé. Devant la grande variété de ces propriétés, un encadrement de la flottabilité est proposé pour chaque gamme de taille de micro-plastique. Il est construit grâce à un choix de géométries régulières et de densité, deux aspects déduits d’une étude statistique des propriétés de 400 échantillons collectés dans le gyre de l’Atlantique Nord en 2015. Deuxièmement, la caractérisation de l’écoulement utilisé en laboratoire est faite grâce à des mesures de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV). La turbulence de grille oscillante est étudiée en fluide homogène et en fluide bi-couche. Un modèle paramétrique de viscosité turbulente, tenant compte de la décroissance de la turbulence avec la profondeur, est proposé. Cette approche, permettant une description générique de l’écoulement, est originale, la turbulence de grille oscillante étant essentiellement décrite en termes d’énergie cinétique turbulente et taux de dissipation. Troisièmement, la distribution verticale de particules flottantes est étudiée dans le même dispositif expérimental. Elle est obtenue grâce à des mesures en deux dimensions non résolues en temps (dans un plan laser) et en volume résolue en temps (vélocimétrie par suivi de particules et mesures stéréoscopiques). En les couplant à la caractérisation de l’écoulement, nous avons pu décrire le transport vertical des plastiques par un modèle de turbulence de type « k-epsilon », en fournissant une première valeur du nombre de Schmidt turbulent pour des particules faiblement inertielles et de taille finie ; le nombre de Schmidt turbulent étant le paramètre essentiel du couplage fluide-particules pour ce genre d’approches. Grâce à ce travail, nous proposons un certain nombre de recommandations pour la communauté scientifique, notamment, de réaliser un échantillonnage dans la colonne d’eau et non pas qu’en surface. Cela permettra de collecter un nombre représentatif des petits micro-plastiques (<1 mm) et de mieux décrire la pollution en mer lorsque celle-ci est agitée (Beaufort 3 et plus). Nous préconisons aussi de prendre en compte la diversité de taille et de forme des micro-plastiques dans les modèles de correction des mesures de surface, comme nous le proposons au Chapitre 3. Enfin, en parallèle de la prise en compte de leurs propriétés, nous insistons sur l’importance de prendre en compte la décroissance de la turbulence. En effet, l’allure du profil de concentration des micro-plastiques en dépend et peut, dans certain cas, s’éloigner du modèle couramment prescrit (exponentielle décroissante). Le calcul explicite du profil de concentration en utilisant le nombre de Schmidt turbulent, identifié dans cette thèse, est alors nécessaire.

Item Type:PhD Thesis
Uncontrolled Keywords:
Institution:Université de Toulouse > Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE)
Laboratory name:
Research Director:
Mercier, Matthieu and Ter Halle, Alexandra
Statistics:download
Deposited On:04 Mar 2021 16:22

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