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Les différentes couches de l'atmosphère terrestre.Filtration des UV par la stratosphère.Concentration et « trou d'ozone » au-dessus de l'hémisphère sud.Modélisation de la disparition de la couche d'ozone : ce qui serait arrivé si lesCFC n'avaient pas été interdits.
Lacouche d'ozone ouozonosphère est la partie de lastratosphère de laTerre qui contient une quantité relativement importante d'ozone (concentration de l'ordre de un pour cent mille). À haute altitude, la couche d'ozone est utile : elle absorbe la plus grande partie durayonnement solaireultraviolet dangereux pour lesorganismes. Elle a donc un rôle protecteur pour lesêtres vivants et lesécosystèmes.
L'existence de la couche d'ozone a été démontrée en 1913 par les physiciens françaisHenri Buisson etCharles Fabry grâce à leurinterféromètre optique. Cet ozone est produit par l'action desUV, du rayonnement solaire, sur les molécules dedioxygène à haute altitude[N 1].Sydney Chapman propose le mécanisme de formation en 1930. Elle renvoie les rayons solaires et n'en laisse pénétrer que 50 % dans latroposphère.
À la fin des années 1970, notamment grâce aux campagnes de mesures par ballon-sondes, les scientifiques mettent en évidence une diminution périodique de l'ozone antarctique, phénomène alors baptisé « trou de la couche d'ozone ». Ce trou grandit au printemps dans l'Antarctique (à la fin de lanuit polaire) durant plusieurs mois avant de se réduire, jusqu'au printemps suivant où il s'étend à nouveau. D'autres études à partir deballons évoluant à hautealtitude et d'observation satellitaire etmétéorologiques révèlent que la proportion d'ozone arctique est aussi en diminution.
Cette découverte est à l'origine de la signature en 1987 duProtocole de Montréal visant à bannir la création par l'industrie de substances chimiques chlorées aboutissant à ladestruction de la couche d'ozone. Ces substances sont principalement lesCFC utilisés dans les systèmes de refroidissements (réfrigérateurs, climatiseurs…).
« bon ozone », quand il est présent dans la stratosphère[N 2] :bon, car il nous protège des rayonsUV-C (ultraviolet) et de leurs effets ;
le « mauvais ozone », quand il se forme dans latroposphère (couche basse de l'atmosphère[N 3]) :mauvais, car c'est celui que toutes les espèces animales, dont l'homme, sont amenées à inhaler et qui présente, selon sa concentration, une certaine toxicité (voirNormes de qualité de l'air).
Sans la couche d'ozone dans la haute atmosphère, la vie telle que la planète l'a connue depuis la fin de l'Archéen, n'aurait été possible que dans lesocéans[réf. nécessaire], à une profondeur suffisante de la surface des eaux (les UV ne pénétrant qu'à quelques mètres sous la surface). Ce fut le cas au cours de l'éon Archéen, lorsque l'atmosphère de la Terre était dépourvue de dioxygène (et donc de couche d'ozone).
Lancement d'un ballon sonde pour des mesures dans la couche d'ozone.
L'ozone est produit à partir dudioxygène, composé de deuxatomes d'oxygène(O2). Aux altitudes supérieures à 30km, lerayonnement solaire possède encore uneénergie suffisante pour casser une partie desmolécules 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 autreélément ; il interagit donc avec une autre molécule de dioxygène (O2) présente pour former une nouvelle molécule, composée de trois atomes d'oxygène : l'ozone (O3).
O2 + rayonnement solaire → O + O et O + O2 → O3
Cetteréaction chimique est la seule qui, dans lastratosphère, produise 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 deux milliards d'années, lorsque l'oxygène est devenu permanent avec une concentration de l'ordre du pour cent. La concentration observée aujourd'hui résulte d'un équilibre entre la production d'ozone par le rayonnement solaire, et certains processus de destruction : en temps normal, tout l'ozone produit en « trop plein du réservoir » est détruit. C'est ce que l'on appelle unéquilibre dynamique.
Le jour, à haute altitude, le rayonnement solaire peut dissocier la molécule d'ozone en une molécule de dioxygène et un atome d'oxygène :O3 + rayonnement → O2 + O
Durant la nuit et en particulier lanuit 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 :O3 + O → 2 O2
C'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 lescomposés chlorés perturbent cet équilibre. Les composésbromés, et lesoxydes d'azote (NOx) contribuent également à cette destruction.
Parvenues dans la stratosphère, les molécules de composés chlorés sont décomposées par lerayonnement solaire, les produits de cette décomposition détruisant les molécules d'ozone par le jeu deréactions catalytiques[N 5].
Une source naturelle abondante dechlore organique est lechlorure de méthyle, principalement produit dans lesocéans par lesmicro-organismes et lesalgues[1]. La concentration ne dépasse pas 0,6 milliardième, limite naturelle du taux de chlore organique dans l'atmosphère.
horizontalement, avec un temps moyen de transport d'unpôle à l'autre de l'ordre de deux ou trois ans ;
verticalement, avec une homogénéisation de l'atmosphère jusqu'à 80 km d'altitude.
En deux ou trois ans, les CFC se retrouvent donc dans l'atmosphère sous toutes leslatitudes, aussi bien à l'équateur qu'aux pôles. Puis, en15 ans, ils montent dans la haute atmosphère.
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 dans60 ans.
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 en20 ans, ce qui a entraîné 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 lastratosphère et parce que la circulation atmosphérique, levortex 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.
Carte du trou d'ozone au-dessus de l'Antarctique le 15 octobre 1987.
La couche d'ozone est aujourd'hui, observée par un réseau de stations au sol tel la station Halley, à 76° S, où des observations de l’ozone sont effectuées depuis 1956. La précision des observations s'est améliorée grâce aux 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 deflavonoïdes contenus dans desmousses (notammentBryum argenteum) conservées dans des herbiers[2]. Cependant, les observations sérieuses de la couche d'ozone n'ont été réalisés que depuis une soixantaine d'années[3].
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 continentAntarctique. 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.
C'est cettediminution 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 ». Le protocole de Montréal en 1987, a permis à la communauté internationale de réaliser une prise de conscience , aboutissant à des mesures concrètes pour limiter la propagation humaine des gaz CFC.
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.
L'utilisation d'un modèle a permis d'attribuer la pause observée en 2015 à l'éruption du volcan chilienCalbuco et de montrer que la baisse des concentrations dechlore et debrome était bien responsable de l'amélioration observée à long terme[4].
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 enAntarctique, 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, lestempératures sont de 15 à20 °C supérieures à celles observées aupôle Sud.
Cette différence entre les deux pôles est d'originegéographique : 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 bassespressions 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 laNASA chargé de la recherche de la haute atmosphère, les chercheurs ont remarqué que lesnuages stratosphériques de l'Antarctique ont une durée de vie deux fois plus longue que ceux situés au-dessus de l'Arctique.Le satelliteMetOp-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 et20km d'altitude, dans la periode d'hiver 2010 - printemps 2011[5].
Toutefois, en 2014, un rapport de L’Union météorologique mondiale et du Programme des Nations unies pour l’environnement faisait état d’une stabilisation et même d’un début de résorption sous les latitudes moyennes de l’hémisphère nord[6]. En juin 2016, une étude dirigée par Susan Salomon et publiée dans la revueScience concluait à une réduction du trou dans la couche d'ozone en Antarctique de plus de4 millions de kilomètres carrés depuis 2000, soit environ la moitié de la superficie des États-Unis. Selon les chercheurs, cette amélioration, qui restait à confirmer, s’expliquait pour partie par la diminution des émissions de gaz chlorés (les CFC notamment) et bromés ; mais aussi parl'effet de serre anthropique. En effet, le réchauffement induit par les gaz à effet de serre (CO2, méthane, etc.) provoque paradoxalement un refroidissement de la stratosphère. Or comme l’explique Slimane Bekki, chercheur au CNRS : « ce refroidissement ralentit les réactions chimiques qui détruisent l’ozone »[7].
En 2018, l'ONU indique que la couche d'ozone est en voie de guérison[8]. Néanmoins, une étude publiée dans Science révèle que le rythme de réduction des émissions de CFC-11 s'est ralenti de 50 % depuis 2012, traduisant une nouvelle production de CFC-11 non déclarée à l'encontre du protocole de Montréal[9]. Cette production est suspectée de provenir d'industriels chinois[10],[11].
Effets des ultraviolets sur les organismes vivants
Lesultraviolets sont des agentsmutagènes : ils peuvent avoir différents effets nocifs pour l'Homme sur la peau ou sur les yeux. Ils peuvent aussi affecter le fonctionnement dusystème immunitaire[12].De plus, les rayons ultraviolets perturbent les divisions cellulaires des micro-organismes aquatiques, ce qui a de graves conséquences sur la vie aux pôles[N 1][réf. nécessaire][13].
Le trou dans la couche d'ozone provoque une augmentation des risques liés aux ultraviolets. Au Chili, de 1998 à 2008, le taux de cancers de la peau a augmenté de plus de 100% à cause de ce phénomène[14]. En fonction des périodes, les habitants de Punta Arenas peuvent être exposé à des niveaux de rayonnement ultraviolet B (UVB) 40 % supérieurs à la normale[15]. Cet impact sur les populations est aussi présent enAustralie[16].
Le rôle de néfaste de l'augmentation de rayonnement a aussi été prouvé chez certains poissons[17].
LeProtocole de Montréal, signé en septembre 1987 puis révisé àLondres,Copenhague,Montréal etPékin jusqu'en 1999, a préconisé une diminution des émissions de CFC 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 lesÉtats-Unis. L'Union européenne s'est ensuite dotée d'outils juridiques, dont le 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.
Les délégués de190 pays réunis àMontréal le ont pu saluer, vingt ans après la signature du protocole, la réussite du projet qui se concrétise par un arrêt total de la production deschlorofluorocarbures 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.
Si le lien de causalité entre CFC et trou est démontré ou si ce dernier disparaît sur une longue période on pourra établir que leProtocole de Montréal a été un succès de la communauté internationale, capable de résoudre des problèmes environnementaux.
Un rapport scientifique de l'ONU, publié en janvier 2023, indique que la couche d'ozone est « en bonne voie » pour se reconstituer en40 ans. Cependant, certains projets tels que l'injection de particules dans l'atmosphère, « pourrai[en]t avoir pour conséquence une grave baisse du niveau de l'ozone », selon le coprésident du panel scientifique[19].
↑« DU » en anglais,Dobson Unit en hommage au spécialiste anglais G.M.B Dobson, un des premiers scientifiques à étudier la couche d'ozone et inventeur duspectromètre Dobson. Une unité DU correspond à 0,01 mm d'épaisseur à température et pression atmosphérique standard.
↑Catalytique signifie que le constituant qui attaque l'ozone est régénéré à la fin de la réaction. À travers une succession de ces réactions en chaine, un unique atome d'un constituant peut donc permettre la destruction d'un très grand nombre de molécules d'ozone (de l'ordre de 10 000 à 100 000). Dès lors, des constituants dont l'abondance relative ne se chiffre pourtant qu'en milliardièmes peuvent suffire à contrôler chimiquement l'équilibre de l'ozone, dont l'abondance relative est pourtant mille fois supérieure.
↑(en) G. Ryan Kenet al.« Historical ozone concentrations and flavonoid levels in herbarium specimens of the Antarctic moss Bryum argenteum »Global change biology. 2009;15:1694-702.
↑L'arrivée desultraviolets provoque non seulement descancers de la peau, mais aussi desmutations de l'ADN des organismes vivants. Ces modifications consistent en la réalisation d'une nouvelle liaison, notamment entre deuxthymines situées sur le même brin d'ADN. Ces deux thymines forment alors undimère dethymine qui perturbe le fonctionnement descellules de peau et qui peut provoquer leur mort. Toutefois, ces cellules possèdent un mécanisme de réparation (NER) capable de dissocier les dimères de thymines éventuellement formés après une exposition aux UV.
↑« Au Chili, le nombre de cancers de la peau a doublé en dix ans »,Le Monde,(lire en ligne, consulté le)
