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Thesis (Ph.D.)--Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, 2008. / Committee Chair: Dr. Paul G. Steffes; Committee Member: Dr. Gregory D. Durgin; Committee Member: Dr. Robert D. Braun; Committee Member: Dr. Thomas K. Gaylord; Committee Member: Dr. Waymond R. Scott

La dispersion et le transport atmosphérique d'ammoniac (NH3) émis par les sources agricoles et son dépôt sec sur le sol et la végétation peuvent entraîner la dégradation des écosystèmes sensibles, ainsi que l'acidification des sols. Les concentrations atmosphériques et les dépôts secs de NH3 sont généralement plus élevés à côté des sources d'émission, et les impacts environnementaux sur les écosystèmes sensibles sont souvent les plus importants à ces endroits. Pour mieux évaluer les impacts et leur étendue à l’échelle de paysages agricoles, des revues scientifiques sur les méthodes d'évaluation des impacts de NH3 ont recommandé une comparaison entre différents types de modèles à différentes échelles spatiales. Dans ce contexte, nous avons comparé les flux de NH3 simulés par deux modèles de dispersion, de transport et de dépôt par voie atmosphérique (CHIMERE et OPS-ST), pour différents scénarios théoriques et semi-réels et pour différentes tailles de maille des modèles. Les résultats de simulations montrent que les dépôts secs annuels de NH3, moyennés sur le domaine d’étude, sont comparables pour des tailles de maille correspondant aux tailles pour lesquelles les modèles ont été conçus. Cela implique que les modèles eulériens fonctionnant à des résolutions kilométriques peuvent être utilisés pour simuler l’impact du NH3 sur la composition chimique de l’atmosphère. Les résultats divergent entre les modèles à proximité des sources. Les conditions météorologiques et la taille des mailles sont les facteurs ayant les effets les plus marqués sur les résultats des deux modèles. Enfin, nos résultats montrent que la détection des dépassements de charges critiques à proximité des sources est mieux représentée avec OPS-ST qu’avec CHIMERE, avec lequel on observe une surestimation des surfaces dépassant les charges critiques. / Short-range atmospheric dispersion of ammonia emitted by agricultural sources and its subsequent deposition to soil and vegetation can lead to the degradation of sensitive ecosystems as well as soil acidification. Atmospheric concentrations and dry depositions rates of NH3 are generally higher near the emission source and environmental impacts on sensitive ecosystems are often largest at these locations. To better evaluate the impacts and their extent at the agricultural landscapes scale, scientific reviews of NH3 assessment methods recommended a comparison between different types of models at different spatial scales. In this context, we compared NH3 fluxes simulated by two atmospheric dispersion, transport and deposition models (CHIMERE and OPS-ST) for different theoretical and semi-real scenarios and for different grid cell sizes. The simulation results show that the averaged NH3 dry deposition over the investigated domains is comparable for grid cell sizes for which the models were designed. This implies that eulerian models with a km scale horizontal resolution can be used for studying the larger scale impact of NH3 on atmospheric composition despite an inadequate treatment of near source dry deposition, for which the models diverge. Meteorological conditions and grid cell size are the factors having the strongest effects on the results of the two models. NH3 dry deposition predictions can be used to map critical load exceedances, our results show that the detection of these exceedances near to the sources is better represented with OPS-ST than with CHIMERE, the latter showing an overestimation of the surfaces exceeding critical loads.

L'ammoniac atmosphérique (NH3) est émis en majeure partie par l'agriculture. Etant très soluble, il se dépose rapidement sur la végétation par absorption foliaire et dépôt sur les surfaces (dépôt cuticulaire). Ces dépôts constituent une source de pollution importante pour les écosystèmes dits sensibles. Afin d'étudier la variabilité des dépôts secs d'ammoniac à proximité des sources agricoles, en réponse aux conditions climatiques et au type d'écosystème, un modèle mécaniste de dispersion et de dépôt d'NH3 a été développé. Il repose sur le couplage d'un modèle de dispersion de gaz-traces, de type marche aléatoire, et d'un modèle d'échange à l'échelle foliaire prenant en compte les voies stomatiques et cuticulaires, et incluant le point de compensation stomatique. Le modèle a été validé à partir de données expérimentales mesurées sur un couvert de maïs et de deux autres jeux de données sur prairie. Le modèle simule bien les concentrations dans le cas de la prairie mais il est biaisé dans le cas du maïs. Le biais semble provenir de l'orientation moyenne de la direction du vent et met en avant la nécessité d'utiliser un modèle en 3 dimensions pour l'étude de la dispersion à l'échelle locale. L'application du modèle montre que les dépôts secs cumulés peuvent varier entre quelques dixièmes de % et quasiment 20% de la quantité émise à 400 m en aval d'une source ligne. Le modèle indique que les facteurs les plus influents sur le dépôt sont la hauteur de la source par rapport au couvert, la vitesse du vent et la stratification thermique, ainsi que les résistances stomatiques et cuticulaires. Sous un climat chaud et sec, le dépôt sec local d'ammoniac emprunte prioritairement la voie stomatique, tandis que sous un climat tempéré et humide, il se fait par voie cuticulaire. Il en ressort que pour améliorer les estimations du dépôt sec local, il sera nécessaire de mieux comprendre et paramétrer le dépôt cuticulaire, et le point de compensation stomatique.