Le Trou de la Couche d'Ozone

Introduction

Je pense que la plupart des gens ont déjà entendu parler du trou de la couche d’ozone, même vaguement. Il s’agit du phénomène qui se traduit par la destruction brutale, au début du printemps, d’une fraction importante de la couche d’ozone stratosphérique, au-dessus de l’Antarctique.

Petit rappel sur la stratosphère: cette partie de l’atmosphère est située entre 10 et 50 km d’altitude. Elle contient environ 90% de l’ozone de l’atmosphère. Nous, nous vivons dans la troposphère (0 à 10 km d’altitude).

Dans ce texte j’essayerai, toujours le plus simplement possible, d’expliquer ce qu’est vraiment le trou de la couche d’ozone et qu’est-ce qui a provoqué son apparition.

Avant toute chose je tiens à préciser que parler du trou de la couche d’ozone est un abus de langage (que tout le monde fait) car il n’existe pas au sens propre de trou et de couche. En fait, on parle de trou du fait de la forte diminution de la quantité d’ozone dans la stratosphère, à un moment donné. On parle de couche tout simplement parce que pour évaluer la quantité d’ozone dans la stratosphère, on prend l’ensemble des molécules d’ozone sur la hauteur de la stratosphère, on le « comprime » et on voit quelle épaisseur d’ozone on obtient. Ne voyez surtout pas l’ozone dans la stratosphère comme une couche compacte, qui aurait une certaine épaisseur, mais plutôt comme un ensemble de molécules gazeuses qui occupe tout l‘espace qui leurs ait offert.

Ah oui, une autre petite précision. On croit souvent que le trou de la couche d’ozone et le réchauffement climatique sont deux choses très proches. C’est absolument faux car il s’agit de deux phénomènes complètement différents qu’il faut bien distinguer. Néanmoins, comme on le verra par la suite, le réchauffement climatique peut favoriser l‘apparition du trou de la couche d’ozone, mais c’est tout. Ce sont deux phénomènes physiques bien distincts.

Bon, commençons pas le commencement : l’ozone. Il s’agit d’une molécule (dans notre cas gazeuse) constituée de 3 atomes d’oxygène. Ce qui donne O3. Je pense que tous le monde a vu au moins une fois en roulant avec sa voiture : « Ralentir, pollution à l’ozone ». Cet ozone n’est pas celui qui nous intéresse (même si c’est la même molécule) puisque la pollution à l’ozone ne concerne que la troposphère.
La couche d’ozone est située dans la stratosphère et renferme environ 90% de l’ozone total. La concentration maximale d’ozone est située entre 15 et 30 km d’altitude (ceci est variable selon la saison ou la latitude par exemple).
C’est cette couche d’ozone qui filtre en grande partie le rayonnement ultraviolet (UV).

Paradoxes liés à l’ozone :

Pour écrire ces différents paragraphes je me suis appuyé sur mes cours, sur un articles d’Olivier BOUCHER travaillant au Met Office Hadley Center (Royaume-Uni), sur un article de Sophie GODIN-BEEKMANN travaillant au service d’aéronomie de l’institut Pierre-Simon-Laplace (Paris) et sur des cours dispensés par Jean-Marc JANCOVICI à l’École Nationale Supérieure des Mines de Paris (ENSMP).


Historique du trou de la couche d’ozone

Le LIDAR de la base Dumont d'Urville permet d'étudier la composition de l'atmopshère et particulièrement l'ozone dans la stratopshèreLa première alerte avait été dans les années soixante-dix par Paul Crutzen. A l’époque, il attire l’attention sur les conséquences des émissions d’oxydes d’azotes (NOx), en particulier par les avions supersoniques (comme le Concorde) qui risquaient de nuire à l’équilibre chimique de l’ozone. Néanmoins, quelques années plus tard les NOx seront mis hors de cause, mais ces molécules jouent un rôle important dans le cycle chimique naturel de l’ozone. En 1974, Sherwood Rowland et Mario Molina, s’inquiètent des répercussions sur l’ozone des composés chlorés (molécules contenant un ou plusieurs atomes de chlore) émis dans l’atmosphère. Ils ont montré que les ChloroFluoroCarbones (fameux CFCs), d’origines industrielles, sont la source principale des composés chlorés dans la stratosphère. Ces différents travaux ont valu à ces trois chercheurs le prix Nobel de chimie de 1995.
60% des CFCs étaient utilisés pour les aérosols propulseurs, 20% pour les réfrigérants et les 20% restants pour les mousses.

A la fin des années soixante-dix, la Suède, les Etats-Unis, la Norvège et le Canada interdisent l’utilisation des CFCs dans les bombes des aérosols (à mon avis tous le monde a déjà remarqué sur les bombes de sprays le logo représentant une main recouvrant la Terre et où c’est indiqué « préserve la couche d’ozone »). Cependant, les différentes études de l’époque montrent que les CFCs ne peuvent être responsables que d’un très faible pourcentage de la destruction de la couche d’ozone. Ainsi, sur ces conclusions rassurantes, la production de CFCs reprend.
Mais parallèlement, au début des années quatre-vingt, une équipe du British Antarctic Survey mesure des teneurs d’ozones dans la stratosphère anormalement faible (l’épaisseur de la couche aurait diminué d’un tiers) au mois d’octobre, au-dessus de Halley Bay (base britannique). Trouvant leurs données aberrantes, ils renvoient leurs appareils en révision en Grande-Bretagne mais ces derniers fonctionnent correctement. L’équipe publie alors les résultats en 1985, dans la revue Nature. Dans cet article ils établissent bien l’étroite relation entre la diminution de la couche d’ozone et l’augmentation des émissions de CFCs sans toutefois démontrer le lien de cause à effet.
A la même époque des chercheurs du Meteorological Research Institute observent aussi cet amincissement de la couche d’ozone. Pour l’anecdote, les satellites de l’époque chargés de suivre l’épaisseur de la couche d’ozone mesuraient aussi de très faibles épaisseurs mais les résultats étaient considérés comme aberrants et donc automatiquement non retenus (on pensait qu’il y avait tout simplement un mauvais fonctionnement des appareils à bord des satellites).
Néanmoins, on observe de plus en plus ce phénomène de destruction de la couche d’ozone en Antarctique mais on n’arrive toujours pas à expliquer comment 4 à 5% de l’ozone stratosphérique est détruite par jour (au plus fort du phénomène ayant lieu en septembre) vers 18 kilomètres d’altitude.

En 1986, une équipe de la National Oceanic ans Atmospheric Administration (NOAA) propose une nouvelle hypothèse sur le processus chimique de destruction (faisant intervenir les nuages stratosphériques polaires), où les composés chlorés sont toujours les principaux responsables. Dans la foulée, une campagne de mesure est organisée par la NASA en 1987. Les composés chimiques responsables du trou de la couche d’ozone sont identifiés, le scénario de l’apparition du trou d’ozone dans la stratosphère est bien élucidé et un accord international est signé.

Les fautifs son bien les composés halogénés essentiellement issus des activités humaines : les CFC et les halons. Ces derniers sont des molécules composées d’atomes de carbone, de brome, de fluor et de chlore.

En 1987, le protocole de Montréal est signé par 24 pays et ses amendements successifs ont conduit, dès 1996, à la suppression quasi totale dans les pays développés de la production des composés responsable de la destruction de l’ozone stratosphérique. Je vous épargne la liste des produits interdits ainsi que leurs noms « barbares ». Ils ont été remplacés par…(allez pour le fun) les hydrochlorofluorocarbures, beaucoup moins nocifs pour la couche d’ozone. Bien que composés aussi de chlore, ces gaz se dissocient au-dessous de 10 kilomètres d’altitude et seule une petite fraction atteint la stratosphère. Néanmoins, le protocole de Montréal stipule l’arrêt de la production de ces gaz à l’horizon 2040. De nouveaux substituts ne contenant pas de chlore ont été mis au point: les HFC (hydrofluorocarbures). Le protocole souligne aussi l’importance de la surveillance de la couche d’ozone à l’échelle planétaire et prévoit une évaluation internationale régulière de l’état de la couche d’ozone.


Un (petit) peu de sciences

Formation et destruction de l’ozone stratosphérique, par réactions naturelles

C’est Chapman, en 1929, qui découvrit les réactions naturelles de production et de destruction de l’ozone dans la stratosphère. Bien entendu, les réactions qui vont suivre sont très simplifiées mais suffisent à comprendre les processus.

Réaction de formation :

Réaction de destruction :

On voit que pour ces deux réactions, le soleil joue un rôle important puisqu’il dissocie les molécules ; soit d’oxygène (O2) pour la formation de l’ozone soit d’O3 pour la destruction de l’ozone. Ce phénomène de dissociation des molécules est appelé photolyse. On dit que le soleil photolyse les molécules.

On voit bien que dans le fond, concernant ces deux dernières réactions chimiques, ce n’est pas bien compliqué et on se rend compte que le bilan est nul entre l’oxygène (O2) et l’ozone (O3) puisque pour une molécule d’ozone formée il y a une molécule d’ozone détruite.

Néanmoins, la production d’ozone n’est pas la même sur l’ensemble du globe. On a vu dans la réaction de formation de l’ozone qu’il se formait par un processus faisant intervenir l’énergie solaire. Il est donc logique que la zone au sein de laquelle l’ozone stratosphérique est produite en majorité se situe à l’équateur, puisque c’est à l’équateur que la Terre reçoit le plus de rayonnement solaire. Mais paradoxalement, malgré que ce soit à l’équateur que la production d’ozone est la plus élevée, c’est aussi à l’équateur que la concentration en ozone est la plus basse. Cela peut sembler étrange mais je ne veux pas entrer dans les détails car c’est très vite compliqué et il faudrait faire un cours sur la chimie de l’ozone stratosphérique. Pour faire simple, c’est due à une circulation atmosphérique qui va de l’équateur aux pôles et qui entraine avec elle l’ozone produit à l’équateur. Ce qui fait que la plus grande concentration d’ozone stratosphérique sur Terre se situe aux pôles. Elle est comprise entre 15 et 30 kilomètres d’altitude (variable selon la saison, la latitude, …). Pour les curieux, qui veulent en savoir plus, il y a toujours moyen de consulter des sites spécialisés sur internet.


Comment est détruite la couche d’ozone par les activités humaines

Comme nous l’avons vu dans l’histoire du trou de l’ozone, ce sont principalement les CFCs qui sont responsables de la destruction de la couche d’ozone. Inutile d’écrire la formule chimique de cette molécule. Ce qui est important de savoir c’est qu’elle est constituée d’atomes de chlore (Cl) et c’est ce dernier qui est principalement responsable de la destruction de l’ozone. Néanmoins, il n’y a pas que les CFCs qui contiennent du chlore. D’autres molécules d’origine industrielle ou naturelle en contiennent aussi mais ces molécules sont très vite dégradées dans la troposphère (couche de l‘atmosphère entre 0 et 10 km d’altitude) en à peine deux ans alors que les CFCs ont un temps de vie d’environ cent ans dans la troposphère. Cette grande différence de temps de vie dans la troposphère fait que les CFCs atteignent en plus grande quantité la stratosphère que les autres molécules chlorées. On estime qu’environ 90% du chlore présent dans la stratosphère a pour origine les CFCs.

Bon, voyons comment le chlore détruit l’ozone. Pour ce qui va suivre, je suis désolé mais je dois mettre une série d’équations pour expliquer le phénomène de destruction (je vais essayé de rester le plus simple possible):

L’équation (1) correspond à la destruction, par le chlore du CFC, de la molécule d’ozone qui va se transformer en molécule d’oxygène (O2).
L’équation (2) correspond à la destruction de la molécule d’ozone mais par le processus naturel, que l’on a vu précédemment.
L’équation (3) correspond à la régénération du radical Cl. C’est surtout cette équation qui pose problème du fait de la régénération de l’atome de chlore; le cycle va pouvoir recommencer et continuer à détruire la couche d’ozone. Il a été montré qu’un seul Cl peut «cycler», dans certaines conditions, jusqu’à 100 000 fois avant d’être impliqué dans une réaction de terminaison. Pour faire plus simple, un seul atome de chlore peut détruire jusqu’à 100 000 molécules d’ozone…

Je pourrais m’arrêter là car cela suffit à comprendre globalement comment se forme le trou de la couche d’ozone mais le véritable phénomène est un peu plus complexe. Je vais quand même essayer de plus approfondir le problème en essayant de rester le plus simple possible.

Une fois que les CFCs sont émis dans l’atmosphère par les activités humaines, ils vont être photolysés (dégradés) par les rayons du soleil. Cette réaction va libérer des atomes de chlore qui vont à leur tour réagir avec d’autres molécules présentes dans l’atmosphère (méthane, dioxyde d’azote, …) pour former des composés réservoirs de chlore. Ces composés sont formés en majorité au niveau de l’équateur et bien que contenant du chlore, ils sont chimiquement inertes vis-à-vis de l’ozone. C’est à dire qu’ils ne détruisent pas les molécules d’ozone. Par circulation atmosphérique, ces composés réservoirs vont être transportés de l’équateur jusqu’en Antarctique (et en Arctique). Je reviendrai plus tard sur ces composés réservoirs puisqu’ils ont un rôle crucial dans la destruction de la couche d’ozone.

En hiver, à cause de la forte chute des températures, Ballon sonde envoyé par le personnel de Météo-France à Dumont d'Urville permettant de connaître la concentration d'ozone dans la stratosphèreil se forme autour de l’Antarctique un vortex caractérisé par des vents violents tout autrour du continent et ayant pour effet d’isoler le continent thermiquement et chimiquement. A cause de ce vortex, les composés réservoirs vont alors se retrouver piégés dans la stratosphère au-dessus de l’Antarctique et ne pourront plus en sortir jusqu’à ce que les températures remontent et que le vortex disparaisse. Les températures très basses présentes dans la stratosphère permettent la formation des nuages stratosphériques polaires ou PSC (Polar Stratospheric Clouds en anglais). Il existe deux types de PSC: ceux de type I et ceux de type II. On ne s’intéressera qu’aux types I. Ces derniers se forment au-dessous de -78°C. Ils sont composés d’eau (forcément) mais aussi d’acide nitrique (HNO3) et d’acide sulfurique (H2SO4).

Là où les PSCs entrent en jeu, c’est que c’est à leur surface que vont se réaliser de nombreuses réactions chimiques faisant intervenir les composés réservoirs de chlore (dont je parlais précédemment), libérant du chlore en grande quantité dans la stratosphère et provoquant la destruction de l’ozone.

Je m’excuse, je vais mettre encore quelques équations chimiques mais qui sont indispensables pour la bonne compréhension du phénomène.

On entend par composés réservoirs de chlore les molécules suivantes (je mets les principales mais il en existe d’autres): HCl, ClONO2 et HOCl.

HCl(ads) + ClONO2(g) => Cl2(g) + HNO3(ads)

Je vais expliquer cette réaction.
La molécule d’HCl (qui est de l’acide chlorhydrique) va venir s’adsorber (c’est à dire se « coller » sur le nuage) et va réagir avec la molécule de ClONO2 qui elle est restée sous forme gazeuse. Cette réaction chimique va former une molécule gazeuse composée de deux atomes de chlore (Cl2). Ce processus se produit tout au long de l’hiver polaire et relargue énormément de Cl2 dans la stratosphère. Quant à la molécule d'acide nitrique (HNO3) formée aussi lors de cette réaction, elle reste adsorbée sur le nuage.

En hiver, la majorité de l’Antarctique est plongée dans le noir et une grande quantité de Cl2 (et autres composés réservoirs de chlore) sont sous forme gazeuse dans la stratosphère. Puis les jours passent et le printemps revient (septembre-octobre) en même temps que le soleil. C’est le soleil qui nous intéresse car il va venir photolyser les molécules de Cl2 et les autres composés réservoirs encore présent dans la stratosphère, ce qui va avoir pour effet de libérer énormémenent d’atomes de chlore (Cl).

Par exemple :

Cl2 + soleil => Cl + Cl

Et comme nous l’avons vu dans une réaction précédente c’est ce Cl qui va détruire les molécules d’ozone.

Cl + O3 => ClO + O2

Heureusement, il y a un moment où cette réaction de destruction va s’arrêter, laissant temporairement (jusqu’à l’année prochaine) tranquille notre couche d’ozone.

Avec le retour du soleil, l’atmosphère va se réchauffer provoquant la rupture du vortex polaire, faisant s’évaporer les PSCs. Comme je l’ai dit précédemment, les PSCs de type I sont composés d’acide nitrique (formule HNO3). Cette molécule va être relarguée dans la stratosphère provoquant la réaction suivante:

HNO3(g) + soleil => OH + NO2
ClO + NO2 => ClONO2

La formation de ClONO2 va former un nouveau composé réservoir de chlore qui comme je l’ai mentionné précédemment, il est inerte vis-à-vis de l’ozone.Le processus de formation de l'ozone va donc reprendre le dessus sur celui de destruction, la couche d'ozone peut donc se reformer.

Je suis bien conscient que cela ne doit pas être très simple à comprendre du premier coup surtout si l’on aime pas trop les matières scientifiques mais je pense qu’en relisant une deuxième fois ce paragraphe, cela doit s'éclairer.


Voilà une petite synthèse du processus :


Le Rayonnement ultraviolet

Mais cet ozone dans la stratosphère on en a besoin pourquoi ? Ah oui, pour nous protéger contre les UltraViolets (UVs) très énergétiques. Alors, allons un peu plus loin concernant ces UVs.

Il est bien connu qu’une surexposition au rayonnement ultraviolet peut entrainer des maladies de l’œil et des cancers de la peau.Il semble que la proportion des maladies pouvant être la conséquence de cette surexposition augmente un peu partout dans le monde. Isoler les causes directes reste difficile mais il est probable que ce soit dû au fait que le rayonnement ultraviolet ait augmenté en surface, depuis plusieurs décennies. Mais il est clair aussi que les comportements humains ont fortement évolué, avec une augmentation des vacances au soleil, une augmentation des loisirs en plein air, des changements dans les habitudes vestimentaires ou encore la démocratisation du bronzage en cabine. Par ailleurs, l’augmentation significative et continuelle de l’espérance de vie contribue à augmenter les doses de rayonnement ultraviolet reçues au cours de sa vie avec le risque de développer un cancer de la peau. De plus, les méthodes de surveillance et de détection des cancers ont évolué et les cas sont sans doute mieux recensés qu’ils ne l’étaient auparavant.

L’énergie solaire est essentiellement rayonnée dans les domaines de l’ultraviolet, du visible et du proche infrarouge. Le rayonnement électromagnétique (les rayons du soleil) est avant tout caractérisé par sa longueur d’onde. La partie de ce rayonnement qui nous intéresse est l’ultraviolet, comprise entre 100 et 400 nanomètres (nm).

On distingue plusieurs rayonnements ultraviolets (UV):

La quantité d’UV-A et d’UV-B à la surface dépend aussi de l’altitude (il y a plus d’UV en montagne qu’au niveau de la mer), de la position du soleil dans le ciel (qui dépend donc des saisons et de l’heure dans la journée), de la nature ou encore de la positon de la surface réceptrice…

Ce qu’il faut retenir c’est que plus la longueur d’onde du rayonnement est courte, plus ce rayonnement est énergétique et donc dangereux pour la santé humaine. Mais heureusement l’ozone nous protège de tout ça sauf si on le détruit bien sûr.


Et pour le futur ?

Avec la mise en place du protocole de Montréal, le retour aux concentrations d'ozone dans la stratosphère d’avant les années 1980 dépend de la région que l’on considère. Il sera plus rapide dans l’hémisphère nord, où il est prévu dès 2050, alors que dans l’hémisphère sud, au niveau de l’Antarctique il faudra attendre la fin du XXIème siècle.

Le LIDAR et la course des étoilesL’ozone stratosphérique est le paramètre le plus important qui contrôle le rayonnement ultraviolet à la surface car c’est le seul filtre qui reste dans le ciel quand ce dernier est sans nuage et que l’atmosphère est pure.

La politique d'amélioration de la qualité de l’air dans les villes fait qu’il y a une diminution des concentrations en ozone et en aérosols dans la troposphère (0 à 10 kilomètres d’altitude). Dans les décennies à venir, l’amélioration espérée de la qualité de l’air pourrait provoquer une légère augmentation des niveaux du rayonnement UV. De plus, le réchauffement climatique pourrait venir influencer le cycle de l’eau et particulièrement la couverture nuageuse. Cette réponse est très incertaine mais certains modèles prédisent une diminution très marquée de la précipitation et de la couverture nuageuse au-dessus d’une partie de l’Europe en été. Cette diminution de la couverture nuageuse conduirait automatiquement à une augmentation du rayonnement ultraviolet.


Un trou d’ozone en Arctique ?

Actuellement, le trou de la couche d’ozone en Arctique est très loin d’être aussi important que celui qui se forme en Antarctique au printemps.Comme nous l’avons vu précédemment, il faut la présence des nuages stratosphériques polaires (PSCs) pour que le processus de destruction de l’ozone ait lieu en grande quantité. Bien qu’il fasse très froid au pôle nord, il y fait toujours moins froid qu’en Antarctique et donc les PSCs se forment très peu au niveau du pôle nord.

Néanmoins, avec le réchauffement climatique, étant donné que l’on réchauffe la troposphère par l’accumulation des gaz à effet de serre (CO2, méthane, protoxyde d’azote,…), on refroidit pas conséquent la stratosphère. Et oui, vu que l’énergie émise par la surface se heurte à cet effet de serre, elle a plus de mal à atteindre la stratosphère d’où le refroidissement. Ce refroidissement de la stratosphère pourrait donc permettre la formation des PSCs provoquant ainsi l’apparition d’un trou de la couche d’ozone en Arctique. Certains estiment même que si l’on doublait la concentration en CO2 dans l’atmosphère, il pourrait probablement se former un trou d’ozone en Arctique comparable à celui que l’on a en Antarctique.

Affaire à suivre…


Eliminer le CO2 comme les CFCs

Comme nous l’avons vu précédemment, on s’est fait tellement peur avec le trou de la couche d’ozone qu’il n’a pas fallu très longtemps pour interdire la fabrication et l’utilisation des CFCs, suite au protocole de Montréal.
On peut alors se demander pourquoi les gouvernements n’ont pas mis en place des mesures pour limiter drastiquement les rejets de CO2, comme cela a été le cas pour les CFCs. Après tout, ce sont deux molécules gazeuses.Tout simplement car toute l’économie mondiale est entièrement dépendante des énergies fossiles comme le pétrole et le charbon et que lorsque vous brulez une de ces deux matières, pour fournir de l’énergie, vous rejetez inévitablement du CO2 dans l’atmosphère et d’autres gaz à effet de serre.

Voici un petit exemple pour vous montrer que chaque geste de notre quotidien rejette du CO2. Au moment où vous lisez ces lignes, vous êtes peut-être sur votre ordinateur et qui maintenant dit ordinateur dit google pour réaliser vos recherches sur internet. Selon le cabinet Mac Kinsey, chaque requête sur google émet 7 grammes de CO2 (0,2 gramme selon google). A priori, on se demande bien pourquoi? Tout simplement parce qu’il faut de l’électricité pour faire tourner les ordinateurs, les serveurs… et qu’il fallu de l’énergie pour fabriquer tout ça. Je suis bien d’accord que 7 grammes (même 0,2) ça semble peu mais combien de millions de requêtes sont réalisées par jour…

En 2004, voilà les principales activités qui rejetaient des gaz à effet de serre et donc principalement du CO2 (les chiffres sont à prendre avec du recul mais ils donnent de bons ordres de grandeur):

D’un point de vue économique, les activités s’appuyant sur l’usage des CFCs représentaient un chiffre d’affaire d’environ 10 milliards de dollars dans un monde où le PIB global tourne aux alentours de 30 000 ou 40 000 milliards de dollars et qui est entièrement basé sur les énergies fossiles. Donc on se rend bien compte que les CFCs représentent un pour mille du PIB mondial alors que le CO2 correspond à 100 % du PIB mondial. De plus, les CFCs ne servaient qu’à quelques usages et en payant un peut plus cher, il était facile de trouver une substitution technique.

Je finirai donc par cette phrase qui résume bien ce dernier paragraphe :

« Aujourd’hui, nous consommons du pétrole comme nous respirons. Son manque nous parait aussi inconcevable, aussi mortel que le manque d’aire. »

J.A Gregoire « Vivre sans pétrole », 1979

…et oui déjà en 1979 il y en a qui se disaient que ce monde marchait sur la tête.


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