La
couche d'ozone ou
ozonosphère désigne la partie de la stratosphère
contenant une quantité relativement importante d'ozone (concentration
de l'ordre de un pour cent mille). Son existence est démontrée en 1913 par les physiciens
français Henri Buisson et Charles
Fabry grâce à son interféromètre optique. Cet ozone est
produit par l'action des UV, du rayonnement solaire, sur les molécules de dioxygène
à haute altitude
1. Sydney Chapman propose le mécanisme de
formation en 1930.
À haute altitude, la couche d'ozone a pour effet d'absorber la plus grande
partie du rayonnement solaire ultraviolet, qui est dangereux pour les organismes
vivants et joue donc un rôle protecteur pour les êtres vivants.
Selon le lieu on considère la qualité de l'ozone comme:
- le « bon ozone »
présent dans la couche stratosphérique 2:
"bon" car il nous protège des rayons UV-C
(ultraviolet) ;
- le « mauvais
ozone » présent dans la couche basse de l'atmosphère 3:
"mauvais" car c'est celui que toutes les espèces animales, donc
l'homme, sont amenées a inhaler et qui présente, selon sa concentration,
une certaine toxicité (voir Normes de qualité de l'air).
En l'absence de cette couche d'ozone, la vie n'aurait été possible que dans
les océans
[réf. nécessaire], à une
profondeur suffisante de la surface des eaux (les UV ne pénétrant qu'en
surface). Ce fut le cas au cours de l'éon Archéen,
lorsque l'atmosphère de la Terre était dépourvue de
dioxygène (et donc d'ozone).
À la fin des années 1970, des recherches scientifiques en Antarctique
ont mis en évidence une diminution périodique de l'ozone dans cette région
polaire. Ce que l'on a appelé le « trou de la couche d'ozone ». Il se
forme au printemps dans l'Antarctique (à la fin de la nuit
polaire) et s'agrandit pendant plusieurs mois avant de se réduire.
Qu'est-ce que l'ozone ?L'ozone (O
3) est une forme chimique particulière de l'oxygène,
très instable et réactive.
L'ozone est notamment généré par le bombardement de la molécule oxygène stable
O2 par les utraviolets (UV). Condition indispensable : la présence d'oxygène
qui a été produit en grande quantité avec la multiplication de micro-organismes
photosynthétiques au Précambrien.
La couche d'ozone représente schématiquement la partie de l'atmosphère où sa
concentration est la plus élevée. Ainsi, l'ozone est davantage présent à une
distance du sol comprise entre 15 et 40 km (plus fortement vers 35 km) avec une concentration
voisine de 8 ppmv (parties par million en volume), dans la couche appelée
stratosphère. D'où l'appelation d'ozone stratosphérique à ne pas confondre avec
l'ozone troposphérique induit en grande partie par la
circulation automobile et qui irrite notamment les yeux et les voies
respiratoires.
A cette altitude, la teneur en ozone résulte d'un équilibre entre formation et
destruction sous la dépendance de l'activité solaire, de la température, de la
présence d'autres substances chimiques.
En absorbant ensuite les UV, l'ozone contribue à réchauffer la statosphère. la
formation de l'ozone est plus importante au dessus des tropiques puis gagne les
pôles via la circulation des masses d'air. Cependant, il accuse une faible
concentration de quelques parties par million au plus.
On parle de "trou" dans la couche
d'ozone lorsque la valeur de la colonne intégrée en ozone est inférieure à 220
unités Dobson (la valeur normale étant 300 unités Dobson environ). Les unités
Dobson expriment la totalité de l'ozone dans une colone qui part du sol et
traverse toute l'atmosphèreL'ozone stratosphérique[modifier]Cet ozone stratosphérique qui s'étend entre 20 et 50 km d'altitude, est en
réalité très dilué dans l'atmosphère locale. De l'ordre de quelques ppm à
quelques dizaines de ppm dans la couche d'ozone elle-même, qui est un mélange
gazeux à faible pression.
En fait si cet ozone était regroupé, concentré à l'état pur, il aurait dans
les conditions normales
de température et de pression (c'est-à-dire les conditions moyennes à la
surface de la Terre)
une épaisseur de seulement 3 mm, soit 300 unités
Dobson (DU)
4.
Processus de formation[modifier]L'ozone est produit à partir du dioxygène,
composé de deux atomes
d'oxygène(O
2).
Aux altitudes supérieures à 30 km, le rayonnement solaire possède encore une énergie
suffisante pour casser une partie des molécules
de dioxygène et libérer les atomes. Un atome d'oxygène tendant à ne pas rester
seul pour des raisons de stabilité, doit se recombiner à un autre élément ; il interagit donc avec une autre
molécule de dioxygène (O
2) présente pour former une nouvelle
molécule, composée de trois atomes d'oxygène : l'ozone (O
3).
O
2 + rayonnement
solaire → O + O et O + O
2 → O
3Cette réaction chimique est la seule qui, dans la stratosphère,
produit de l'ozone.
Mais puisque tout l'oxygène n'est pas transformé en ozone dans ce processus,
il existe donc un facteur limitant sa concentration. Primitivement, une
certaine quantité d'ozone est apparue, il y a plus de 2 milliards d'années,
lorsque l'oxygène est devenu permanent avec une concentration de l'ordre du
pourcent. La concentration observée aujourd'hui résulte d'un équilibre entre la
production d'ozone par le rayonnement solaire, et certains processus de
destruction : tout l'ozone produit en « trop plein du
réservoir » est détruit. C'est ce que l'on appelle un équilibre dynamique.
D'autres études, menées à l'aide de ballons
évoluant à haute altitude et de satellites météorologiques,
ont révélé que la proportion d'ozone au-dessus de l'Antarctique est en baisse.
Des vols au-dessus de l'Arctique ont mis en évidence des problèmes similaires dans
cette région.
Un équilibre dynamique[modifier]Le jour, à haute altitude, le rayonnement solaire peut dissocier la molécule
d'ozone en une molécule de dioxygène et un atome d'oxygène :
O
3 + rayonnement → O
2+ O
Durant la nuit et en particulier la nuit
polaire, cette réaction n'existe pas puisqu'il n'y a plus de rayonnement
solaire. Une autre réaction devient alors prépondérante : la recombinaison
d'un atome d'oxygène et d'une molécule d'ozone pour donner deux molécules de
dioxygène :
O
3 + O → 2 O
2C'est ce que l'on appelle la décomposition spontanée de l'ozone.
Mais l'ensemble de ces deux réactions ne peut rendre compte que de 20 %
de la destruction naturelle de l'ozone, alors que pour parvenir à un équilibre
il faut que la perte soit égale à la production. Ce problème met en évidence la
fragilité de l'équilibre de l'ozone. En effet, si les deux réactions ci-dessus
avaient pu suffire à compenser la surproduction d'ozone, l'équilibre de ce
dernier ne dépendrait que de la quantité de dioxygène présent dans la haute
atmosphère, et cet équilibre aurait été difficilement perturbable, mais les composés chlorés
perturbent cet équilibre. Les composés bromés, et les oxydes
d'azotes (NOx) contribuent également à cette destruction.
L'action des composés chlorés[modifier]Parvenues dans la stratosphère, les molécules de composés chlorés sont
décomposées par le rayonnement solaire, les produits de cette
décomposition détruisant les molécules d'ozone par le jeu de réactions
catalytiques
5.
Les sources naturelles de chlore organique[modifier]Une source naturelle abondante de chlore organique
est le chlorure de méthyle, principalement produit
dans les océans
par les micro-organismes, les algues
6.
La concentration ne dépasse pas 0,6 milliardième, limite naturelle du taux de
chlore organique dans l'atmosphère.
Les chlorofluorocarbures[modifier]Inventés dans les années 1930, les chlorofluorocarbures ont connu un développement
important à partir des années 1950 à cause de leurs propriétés remarquables
(ininflammables, facilement compressibles, non solubles) et, comme ils n'ont
qu'une faible réactivité chimique, on les croyait peu toxiques pour l'environnement.
Utilisés principalement dans l'industrie du
froid, dans les bombes aérosols comme propulseur, en solvants pour l'industrie électronique,
dans les mousses synthétiques et les agents extincteurs ; ils sont
essentiellement dus à l'activité humaine.
La production des CFC est très importante. Pour les deux principaux, le trichlorofluorométhane (CFC 11) et le dichlorofluorométhane (R 21), la production est
passée de 50 000 à 100 000 t
au début des années 1960 jusqu'à 500 000 t
en 1999. Cela représente une croissance de 5 à 6 % par an, soit
pratiquement un doublement de la quantité tous les dix ans.
Diffusion dans la basse atmosphère[modifier]Les vents brassent l'atmosphère en permanence :
- Horizontalement, avec un
temps moyen de transport d'un pôle à l'autre de l'ordre de 2 ou 3 ans.
- Verticalement, avec une
homogénéisation de l'atmosphère jusqu'à 80 km d'altitude.
En 2 à 3 ans, les CFC se retrouvent donc dans l'atmosphère sous toutes les latitudes,
aussi bien à l'équateur qu'aux pôles. Puis, en 15
ans, ils montent dans la haute atmosphère.
Accumulation dans la stratosphère[modifier]À cela s'ajoute un autre effet, les CFC présents dans la stratosphère en 1997 sont ceux qui ont
été produits entre 1977 et 1982, ce qui ne représente que 40 % de ce qui a
été produit jusqu'à ce jour.
Les 60 % restants sont encore en train de se mélanger et de monter. Du
fait de ce retard, les effets des CFC produits ces dernières années se feront
encore sentir dans 60 ans.
Bilan[modifier]Ainsi, la quantité de chlore organique naturellement présente dans la
stratosphère est d'environ 0,6 milliardième, alors qu'aujourd'hui la proportion
totale de chlore organique atteint 3,5 milliardièmes. Elle a été multipliée par
5 en 20 ans, ce qui a entrainé une rupture de l'équilibre dynamique.
En hiver, la destruction d'ozone est limitée à sa destruction spontanée. Au
printemps, elle devient très importante car il y a déjà des UV, beaucoup de
cristaux de glace dans la stratosphère
et parce que la circulation atmosphérique, le vortex polaire
autour de l'Antarctique, empêche le remplacement de l'ozone détruit par de
l'ozone provenant du nord de l'Antarctique.
Dès la fin du printemps, l'amincissement est moins important parce que la
quantité de cristaux de glace diminue, et aussi parce que la circulation
atmosphérique change : il y a alors un mélange entre l'air antarctique et
l'air venu du nord qui apporte de l'ozone. Enfin, et surtout, la génération de
l'ozone à partir de l'oxygène a repris avec l'allongement de l’ensoleillement
diurne.
Données sur la couche d'ozone[modifier]Perte continue d'ozone en Antarctique[modifier]La couche d'ozone est aujourd'hui observée par un réseau de stations au sol
et au moyen de satellites artificiels construits, entre autres, par la NASA (USA). Les variations
pluriannuelles depuis 1957 de l'épaisseur de la couche d'ozone peuvent aussi
être mesurées par le taux de flavonoïdes
contenus dans des mousses (notamment Bryum
argenteum) conservées dans des herbiers
7.
C'est en 1985 que
l'alerte a été donnée avec la découverte d'une diminution importante de la
concentration d'ozone au cours des mois de septembre et d'octobre au-dessus du
continent Antarctique.
Une réduction de près de 50 % du contenu total d'ozone était observée, se
produisant au cours du printemps austral et couvrant toute la surface de
l'Antarctique.
Depuis la fin des années 1970,
l'épaisseur de l'ozone est passée, en certains endroits,
de l'équivalent de 3 mm
à 2 et même 1,5 mm
aujourd'hui, en moyenne pour le mois d'octobre.
C'est cette
diminution relative de l'épaisseur de la couche d'ozone
stratosphérique (par rapport à son épaisseur standard ou initiale de 300
DU), que l'on nomme « trou d'ozone » ou « trou dans la couche
d'ozone ».
En 2000, 2001 et 2003, le trou dans la
couche d'ozone a atteint une superficie jamais observée avant 2000, alors que
celui de 2002 était
le plus petit qui ait été observé depuis 1998. En effet, à la fin de l'été
2003, le trou a de nouveau atteint un record de superficie… pour diminuer
rapidement durant le mois d'octobre. En 2006, un nouveau record a été
enregistré au-dessus de l'Antarctique.
En 2006, l'ONU et les experts alertent sur le
fait que la couche d'ozone se reconstitue moins vite que prévu, en raison
probablement de l'utilisation persistante de gaz interdits, de type CFC, mais
peut-être aussi à cause de l'effet
de serre et des traînées de condensation laissées par les
avions
[réf. nécessaire]. Ces
dernières, avec d'autres émetteurs de gaz à effet de serre, contribuent en
réchauffant les basses couches de l'atmosphère à priver les hautes couches
d'une partie des calories provenant du rayonnement du sol. Ces hautes couches
se refroidissent, or le froid intensifie les réactions chimiques de destruction
de l'ozone
8.
Perte d'ozone en Arctique[modifier]Dans l'océan
Arctique, l'ampleur du phénomène n'atteint pas encore celle qui est observée
dans l'hémisphère Sud.
Le fait que la perte d'ozone, si importante en Antarctique, soit moindre
au-dessus de l'Arctique découle des différences climatiques entre ces deux
régions. Le refroidissement de la stratosphère polaire est en effet moins
intense au nord où, en moyenne, les températures
sont de 15 à 20 °C
supérieures à celles observées au pôle Sud.
Cette différence de comportement entre les deux pôles est directement liée à
la géographie :
le continent antarctique est isolé au milieu des océans dans l'hémisphère Sud.
Dans l'hémisphère Nord, au contraire, une alternance de continents et d'océans,
de zones de hautes et de basses pressions atmosphériques contribue à créer
un mouvement continu des masses d'air tel que le pôle Nord ne reste jamais
totalement isolé. L'air des latitudes moyennes, plus chaud, arrive donc
toujours au pôle, y augmentant ainsi les températures moyennes.
En exploitant des données fournies par un satellite de la NASA chargé de la
recherche de la haute atmosphère, les chercheurs ont remarqué que les nuages
stratosphériques de l'Antarctique ont une durée de vie deux fois plus longue
que ceux situés au-dessus de l'Arctique.
Le satellite MetOp-A
a observé le trou d'ozone en 2007
En 2011, le trou dans la couche d'ozone a atteint des valeurs record dans
l'Arctique, avec une perte de 80% de l'ozone, entre 15 et 20 km d'altitude, dans la
periode d'hiver 2010 - printemps 2011
9.
Éruption solaire[modifier]Les éruptions solaires envoient des particules (proton, électron, etc.) qui
touchent notre planète. Le bouclier magnétique, sans lequel notre planète
serait inhabitable, dévie partiellement ces particules sur les pôles. Ces gaz
réagissent avec l'oxygène, l'azote et aussi avec l'ozone (O
3).
Cela expliquerait les trous dans la couche d'ozone aux
niveaux des pôles
[réf. nécessaire]. Cette
théorie est appuyée par le fait que des chercheurs
[Lesquels ?] auraient détectés
ces trous avant 1950, date de la première utilisation des CFC. Ces réactions
entre particules des éruptions solaires et atmosphère terrestre produisent les
fameuses aurores boréales.
L'action des ultraviolets sur les organismes
vivants[modifier]Les ultraviolets
sont des agents mutagènes : ils détériorent l'ADN des cellules, ce qui dérègle leurs
activités biologiques (ex: cancer) ou les détruit (coup
de soleil). Le 9 octobre 2003, au sud du Chili, la couche
d'ozone qui avait perdu 50 % de son épaisseur habituelle, offrait si peu
de protection contre les ultraviolets que ce jour-là, il suffisait de passer
cinq minutes dehors sans protection pour attraper un coup de soleil
[réf. nécessaire]. Le sud du
Chili n'est pas la seule zone atteinte, d'autres régions de l'Australie et
de la Nouvelle-Zélande ont également connu des épisodes
semblables. De plus, les rayons ultraviolets perturbent les divisions cellulaires des micro-organismes
aquatiques, ce qui a de graves conséquences sur la vie aux pôles
10.
En plus des cancers
de la peau, on observe aussi un affaiblissement général du système immunitaire.
L'action planétaire pour la préservation de la
couche d'ozone[modifier]Mesures prises[modifier]
- Le protocole de Montréal, signé en
septembre 1987
puis révisé à Londres, Copenhague,
Montréal
et Pékin
jusqu'en 1999,
a préconisé une diminution des émissions de 50 % en dix ans. Sa
ratification universelle (196 pays) a été atteinte en 2009, ce qui
constitue un évènement puisqu'il est le premier traité environnemental
international à atteindre ce statut.
- L'Union européenne a proposé en 1989 une
interdiction totale de l'utilisation des CFC (chlorofluorocarbure) durant les années 1990,
qui fut approuvée par les États-Unis.
L'Union Européenne s'est ensuite dotée d'outils juridiques, dont le récent
règlement européen (1005/2009) visant à transposer le Protocole de
Montréal en droit européen, tout en fixant des objectifs plus ambitieux de
réduction ou d'interdiction de certains gaz détruisant la couche d'ozone.
L'avenir[modifier]Les délégués de 190 pays réunis à Montréal
le 12 septembre 2007 ont pu saluer, 20
ans après la signature du protocole, la réussite du projet qui se concrétise
par un arrêt total de la production des chlorofluorocarbures prévu en 2010 et une estimation
optimiste de la communauté scientifique : la couche d'ozone retrouvera
normalement son état de 1980
entre 2055 et 2065.
Il était prévu d'éliminer les hydrochlorofluorocarbures, les principaux
substituts des chlorofluorocarbures, d'ici à 2020 pour les pays
industrialisés et 2040
pour les pays en voie de développement. Des chercheurs ont établi récemment que
l'élimination précoce (10 ans plus tôt, soit en 2030) des
hydrochlorofluorocarbures réduirait l'effet de serre dans une proportion
supérieure à ce que doit permettre le Protocole de Kyoto sur le changement climatique.
Un accord a été conclu, lors de cette 19
e réunion des parties qui
permet une accélération de la sortie de l'utilisation des
hydrochlorofluorocarbures. En vertu de cette entente, la production de ces
substances sera gelée en 2013 à son niveau moyen de 2009-2010. Les pays industrialisés
arrêteront la production et la consommation en 2020, réduisant
celles-ci à 75 % en 2010 et 90 % en 2015
11.
Les pays en développement réduiront de 10 % en 2015, 35 % en 2020, 67,5 % en 2025, gardant
2,5 % en moyenne sur les cinq dernières années pour la maintenance.
Le succès du Protocole de Montréal montre que la
communauté internationale est capable de résoudre des problèmes
environnementaux.
Le danger des rayons ultravioletsLa couche d'ozone est essentielle à la vie sur terre car elle la protège des
rayonnements ultraviolets nocifs émis par le soleil. En effet, les UV dont la
longueur d'onde est inférieure à 0,4 µm sont absorbés par l'ozone entre 0,24 et
0,3 µm.
Il existe différents types de rayons UV regroupés en trois grandes classes :
les rayons UV-C, les rayons UV-B et les rayons UV-A.
L'impact des UV sur les organismes vivants dépend de la longue longueur d'onde
de ces rayons : plus cette longueur d'onde est courte, plus le danger est
grand. Les rayons UV-C sont ainsi les plus dangereux de la gamme. Heureusement,
ils sont arrêtés presque en totalité par la couche d'ozone. Or, cette couche
protectrice s'est amincie dangereusement, particulièrement à une altitude
comprise entre 14 et 20km.
Le 15 mars 1988, la NASA
diffuse un rapport mené par une centaine de chercheurs dans le monde : la
concentration en ozone stratosphérique a diminué en moyenne de 1,7 à 3% dans
l'hémisphère nord entre 1969 et 1986 malgré les variations naturelles
constatées de 15 à 20%. De surcroît, le rayonnement moyen mondial des UV-B au
niveau de la surface terrestre s'est élevé de 10 % entre 1986 et 1996.
La dégradation de la couche d'ozone implique une moindre filtration des rayons
ultraviolets les plus nocifs et une élévation des risques pour la vie terrestre
:
- brûlures superficielles,
conjonctivites, cataractes
- augmentation des cancers et
viellissement de la peau
- maladies du système
immunitaire
- réduction de la
photosynthèse : diminution des rendements et de la qualité des cultures,
disparition du plancton, premier maillon des chaînes alimentaires
aquatiques...
De plus, les UV-B :
- accélèrent la génération du
smog photochimique, stimulant ainsi la production de l'ozone
troposphérique qui est nocif
- diminuent "la durée de
vie" de certains matériaux inorganiques comme les peintures et
plastiques.
Pour exemple, à Punta Arenas, au sud du Chili, la quantité
d'ozone diminue de 30 à 50% durant le printemps Austral (notre automne au pôle
Nord), obligeant les habitants à se protéger la peau.
Le "trou" dans la couche d'ozone au dessus des pôles"En Antarctique, le "trou d'ozone" (qui correspond à une
destruction de plus de la moitié du contenu total d'ozone au printemps) est un
phénomène récurrent en raison des températures extrêmement basses dans la
stratosphère chaque hiver.
En Arctique en revanche, les températures hivernales sont en moyenne plus
élevées qu'au pôle Sud et les conditions météorologiques varient beaucoup d'une
année à l'autre. Les conditions ne sont donc pas toujours réunies pour qu'une
diminution importante d'ozone y soit observée".(INSU,
04/2011)
