Couche D'ozone

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Couche D'ozone

Couche d'ozone

Les différentes couches de l'atmosphère terrestre.
Filtration des UV par la stratosphère.
Concentration d'ozone au-dessus de l'hémisphère sud.

La couche d'ozone ou ozonosph√®re d√©signe la partie de la stratosph√®re contenant une quantit√© relativement importante d'ozone (concentration de l'ordre d'un pour cent mille). Son existence est d√©montr√©e en 1913 par Henri Buisson et Charles Fabry gr√Ęce √† son interf√©rom√®tre optique. Cet ozone est produit par l'action du rayonnement solaire sur les mol√©cules de dioxyg√®ne √† haute altitude (entre 20 et 50 km d'altitude).

À cette haute altitude, la couche d'ozone a pour effet d'absorber la plus grande partie du rayonnement solaire ultraviolet, qui se trouve être dangereux pour les organismes vivants.

On distingue :

  • le ¬ę bon ozone ¬Ľ pr√©sent dans la couche stratosph√©rique (objet de cet article), bon car il nous prot√®ge des rayons UV-C (ultraviolet) ;
  • le ¬ę mauvais ozone ¬Ľ pr√©sent d√®s la couche basse de l'atmosph√®re (troposph√®re : du sol jusqu'√† environ 20 km d'altitude), ¬ę mauvais ¬Ľ car c'est celui que nous respirons et qui pr√©sente selon sa concentration une certaine toxicit√© (voir Normes de qualit√© de l'air).

En l'absence de cette couche d'ozone, la vie n'aurait √©t√© possible que dans les oc√©ans[r√©f. n√©cessaire], √† une profondeur suffisante de la surface des eaux (les UV ne p√©n√©trant qu'en surface). Ce fut le cas au cours de l'√©on Arch√©en, lorsque l'atmosph√®re de la Terre √©tait d√©pourvue de dioxyg√®ne (et donc d'ozone).

√Ä la fin des ann√©es 1970, des recherches scientifiques en Antarctique ont mis en √©vidence une diminution p√©riodique de l'ozone dans cette r√©gion polaire. Ce que l'on a appel√© le ¬ę trou de la couche d'ozone ¬Ľ. Il se forme au printemps dans l'Antarctique (√† la fin de la nuit polaire) et s'agrandit pendant plusieurs mois avant de se r√©duire.

Sommaire

L'ozone stratosphérique

Cet ozone stratosphérique qui s'étend entre 20 et 50 km d'altitude, est en réalité très dilué dans l'atmosphère locale.

En fait, si cet ozone √©tait regroup√©, concentr√© √† l'√©tat pur, il aurait dans les conditions normales de temp√©rature et de pression (c'est-√†-dire les conditions moyennes √† la surface de la Terre) une √©paisseur de seulement 3 mm, soit 300 unit√©s Dobson (DU)[1]. On remarquera que c'est cette couche d'ozone si t√©nue qui prot√®ge la vie des rayons ultraviolets.

Processus de formation

Lancement d'un ballon sonde pour des mesures dans la couche d'ozone.

L'ozone est produit à partir du dioxygène, composé de deux atomes d'oxygène.

Aux altitudes sup√©rieures √† 30 km, le rayonnement solaire poss√®de encore une √©nergie suffisante pour casser une partie des mol√©cules de dioxyg√®ne et lib√©rer les atomes. Un atome d'oxyg√®ne tendant √† ne pas rester seul pour des raisons de stabilit√©, doit se recombiner √† un autre √©l√©ment ; il interagit donc avec une autre mol√©cule de dioxyg√®ne (O2) pr√©sente pour former une nouvelle mol√©cule, compos√©e de trois atomes d'oxyg√®ne : l'ozone (O3).

O2 + rayonnement solaire ‚Üí O + O et O + O2 ‚Üí O3

Cette réaction chimique est la seule qui, dans la stratosphère, produise de l'ozone.

Mais puisqu'il y demeure encore de l'oxyg√®ne, il existe donc un facteur limitant sa concentration. Primitivement, une certaine quantit√© d'ozone s'est form√©e il y a environ deux milliards d'ann√©es et elle constitue le r√©servoir d'ozone de l'atmosph√®re. La concentration observ√©e aujourd'hui r√©sulte d'un √©quilibre entre la production d'ozone par le rayonnement solaire, et certains processus de destruction : tout l'ozone produit en ¬ę trop plein du r√©servoir ¬Ľ est d√©truit. C'est ce que l'on appelle un √©quilibre 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

Le jour, √† haute altitude, le rayonnement solaire peut dissocier la mol√©cule d'ozone en une mol√©cule de dioxyg√®ne et un atome d'oxyg√®ne :

O3 + rayonnement ‚Üí O2 + O

Durant la nuit et en particulier la nuit polaire, cette r√©action n'existe pas puisqu'il n'y a plus de rayonnement solaire. Une autre r√©action devient alors pr√©pond√©rante : la recombinaison d'un atome d'oxyg√®ne et d'une mol√©cule d'ozone pour donner deux mol√©cules de dioxyg√®ne :

O3 + O ‚Üí 2 O2

Mais l'ensemble de ces deux r√©actions ne peut rendre compte que de 20 % de la destruction naturelle de l'ozone, alors que pour parvenir √† un √©quilibre il faut que la perte soit √©gale √† la production. Ce probl√®me met en √©vidence la fragilit√© de l'√©quilibre de l'ozone. En effet, si les deux r√©actions ci-dessus avaient pu suffire √† compenser la surproduction d'ozone, l'√©quilibre de ce dernier ne d√©pendrait que de la quantit√© de dioxyg√®ne pr√©sent dans la haute atmosph√®re, et cet √©quilibre aurait √©t√© difficilement perturbable, mais les compos√©s chlor√©s perturbent cet √©quilibre. Les compos√©s brom√©s, et les oxydes d'azotes (NOx) contribuent √©galement √† cette destruction.

L'action des composés chlorés

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[2].

Les sources naturelles de chlore

La seule source naturelle de chlore est le chlorure de m√©thyle, principalement produit dans les oc√©ans par les micro-organismes, les algues[r√©f. n√©cessaire]. La concentration ne d√©passe pas 0,6 milliardi√®me : c'est √† cela que se limite le fond naturel de chlore dans l'atmosph√®re.

Les chlorofluorocarbures

Invent√©s dans les ann√©es 1930, les chlorofluorocarbures ont connu un d√©veloppement important √† partir des ann√©es 1950 √† cause de leurs propri√©t√©s remarquables (ininflammables, facilement compressibles, non solubles) et, comme ils n'ont qu'une faible r√©activit√© chimique, on les croyait peu toxiques pour l'environnement. Utilis√©s principalement dans l'industrie du froid, dans les bombes a√©rosols comme propulseur, en solvants pour l'industrie √©lectronique, dans les mousses synth√©tiques et les agents extincteurs ; ils sont essentiellement dus √† l'activit√© humaine.

La production des CFC est tr√®s importante. Pour les deux principaux, le trichlorofluorom√©thane (CFC 11) et le dichlorofluorom√©thane (R 21), la production est pass√©e de 50 000 √† 100 000 t au d√©but des ann√©es 1960 jusqu'√† 500 000 t en 1999. Cela repr√©sente une croissance de 5 √† 6 % par an, soit pratiquement un doublement de la quantit√© tous les dix ans.

Diffusion dans la basse atmosphère

Les vents brassent l'atmosph√®re en permanence :

  • Horizontalement, avec un temps moyen de transport d'un p√īle √† l'autre de l'ordre de deux ou trois ans.
  • Verticalement, avec une homog√©n√©isation de l'atmosph√®re jusqu'√† 80 km d'altitude.

En deux √† trois ans, les CFC se retrouvent donc dans l'atmosph√®re sous toutes les latitudes, aussi bien √† l'√©quateur qu'aux p√īles. Puis, en quinze ans, ils montent dans la haute atmosph√®re.

Accumulation dans la stratosphère

√Ä cela s'ajoute un autre effet, les CFC pr√©sents dans la stratosph√®re en 1997 sont ceux qui ont √©t√© produits entre 1977 et 1982, ce qui ne repr√©sente que 40 % de ce qui a √©t√© produit jusqu'√† ce jour.

Les 60 % restants sont encore en train de se m√©langer et de monter. Du fait de ce retard, les effets des CFC produits ces derni√®res ann√©es se feront encore sentir dans 60 ans.

Bilan

Ainsi, la quantit√© de chlore naturellement pr√©sente dans la stratosph√®re est d'environ 0,6 milliardi√®me, alors qu'aujourd'hui la proportion totale de chlore atteint 3,5 milliardi√®mes. Elle a √©t√© multipli√©e par 5 en 20 ans, ce qui a entra√ģn√© une rupture de l'√©quilibre dynamique.

En hiver, la destruction d'ozone est nulle. Au printemps, elle est 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.

D√®s la fin du printemps, l'amincissement est moins important parce que la quantit√© de cristaux de glace diminue, et aussi parce que la circulation atmosph√©rique change : il y a alors un m√©lange entre l'air antarctique et l'air venu du nord qui apporte de l'ozone.

Données sur la couche d'ozone

Perte continue d'ozone en Antarctique

Carte du trou d'ozone au-dessus de l'antarctique en octobre 1987.

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.

C'est en 1985 que l'alerte a √©t√© donn√©e avec la d√©couverte d'une diminution importante de la concentration d'ozone au cours des mois de septembre et d'octobre au-dessus du continent Antarctique. Une r√©duction de pr√®s de 50 % du contenu total d'ozone √©tait observ√©e, 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'√©paisseur de la couche d'ozone stratosph√©rique (par rapport √† son √©paisseur standard ou initiale de 300 DU), que l'on nomme ¬ę trou d'ozone ¬Ľ ou ¬ę trou dans la couche d'ozone ¬Ľ.

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 pr√©vu, en raison probablement de l'utilisation persistante de gaz interdits, de type CFC, mais peut-√™tre aussi √† cause de l'effet de serre et des tra√ģn√©es de condensation laiss√©es par les avions[r√©f. n√©cessaire]. Ces derni√®res, avec d'autres √©metteurs de gaz √† effet de serre, contribuent en r√©chauffant les basses couches de l'atmosph√®re √† priver les hautes couches d'une partie des calories provenant du rayonnement du sol. Ces hautes couches se refroidissent, or le froid intensifie les r√©actions chimiques de destruction de l'ozone[r√©f. n√©cessaire].

Le trou dans la couche d'ozone a atteint une superficie record fin septembre 2006 et une √©paisseur minimale record d√©but octobre, aux alentours de 0,8 DU.[r√©f. n√©cessaire] √Ä cette √©poque, √† Ushuaia, petite ville du sud de l'Argentine (non loin de l'Antarctique), les habitants ont √©t√© contraints de ne pas sortir d√©couverts, car ils risquaient des irradiations.[r√©f. n√©cessaire]

Perte d'ozone en Arctique

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 d√©coule des diff√©rences climatiques entre ces deux r√©gions. Le refroidissement de la stratosph√®re polaire est en effet moins intense au nord o√Ļ, en moyenne, les temp√©ratures sont de 15 √† 20 ¬įC sup√©rieures √† celles observ√©es au p√īle Sud.

Cette diff√©rence de comportement entre les deux p√īles est directement li√©e √† la g√©ographie : le continent antarctique est isol√© au milieu des oc√©ans dans l'h√©misph√®re Sud. Dans l'h√©misph√®re Nord, au contraire, une alternance de continents et d'oc√©ans, de zones de hautes et de basses pressions atmosph√©riques contribue √† cr√©er un mouvement continu des masses d'air tel que le p√īle Nord ne reste jamais totalement isol√©. L'air des latitudes moyennes, plus chaud, arrive donc toujours au p√īle, y augmentant ainsi les temp√©ratures 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

L'action des ultraviolets sur les organismes vivants

Les ultraviolets sont des agents mutag√®nes : ils d√©t√©riorent l'ADN des cellules, ce qui d√©r√®gle leurs activit√©s biologiques (ex: cancer) ou les d√©truit (coup de soleil). Le 9 octobre 2003, au sud du Chili, la couche d'ozone qui avait perdu 50 % de son √©paisseur habituelle, offrait si peu de protection contre les ultraviolets que ce jour-l√†, il suffisait de passer cinq minutes dehors sans protection pour attraper un coup de soleil[r√©f. n√©cessaire]. Le sud du Chili n'est pas la seule zone atteinte, d'autres r√©gions de l'Australie et de la Nouvelle-Z√©lande ont √©galement connu des √©pisodes semblables. De plus, les rayons ultraviolets perturbent les divisions cellulaires des micro-organismes aquatiques, ce qui a de graves cons√©quences sur la vie aux p√īles[3]. En plus des cancers de la peau, on observe aussi un affaiblissement g√©n√©ral du syst√®me immunitaire.

L'action planétaire pour la préservation de la couche d'ozone

Mesures prises

  • L'Union europ√©enne a propos√© en 1989 une interdiction totale de l'utilisation des CFC durant les ann√©es 1990, qui fut approuv√©e par les √Čtats-Unis. L'Union Europ√©enne s'est ensuite dot√©e en 2000 d'un r√®glement europ√©en (2037/2000) visant √† transposer le Protocole de Montr√©al en droit europ√©en, tout en fixant des objectifs plus ambitieux de r√©duction ou d'interdiction de certains gaz d√©truisant la couche d'ozone.

L'avenir

Les d√©l√©gu√©s de 190 pays r√©unis √† Montr√©al le 12 septembre 2007 ont pu saluer, 20 ans apr√®s la signature du protocole, la r√©ussite du projet qui se concr√©tise par un arr√™t total de la production des chlorofluorocarbures pr√©vu en 2010 et une estimation optimiste de la communaut√© scientifique : la couche d'ozone retrouvera normalement son √©tat de 1980 entre 2055 et 2065. Il √©tait pr√©vu d'√©liminer les hydrochlorofluorocarbures, les principaux substituts des chlorofluorocarbures, d'ici √† 2020 pour les pays industrialis√©s et 2040 pour les pays en voie de d√©veloppement. Des chercheurs ont √©tabli r√©cemment que l'√©limination pr√©coce (10 ans plus t√īt, soit en 2030) des hydrochlorofluorocarbures r√©duirait l'effet de serre dans une proportion sup√©rieure √† ce que doit permettre le Protocole de Kyoto sur le changement climatique. Un accord a √©t√© conclu, lors de cette 19e r√©union des parties qui permet une acc√©l√©ration de la sortie de l'utilisation des hydrochlorofluorocarbures. En vertu de cette entente, la production de ces substances sera gel√©e en 2013 √† son niveau moyen de 2009-2010. Les pays industrialis√©s arr√™teront la production et la consommation en 2020, r√©duisant celles-ci √† 75 % en 2010 et 90 % en 2015 (0,5 % sont autoris√©s pour la maintenance). Les pays en d√©veloppement r√©duiront de 10 % en 2015, 35 % en 2020, 67,5 % en 2025, gardant 2,5 % en moyenne sur les cinq derni√®res ann√©es pour la maintenance. Le succ√®s du Protocole de Montr√©al montre que la communaut√© internationale est capable de r√©soudre les probl√®mes environnementaux.

Notes et références

  1. ‚ÜĎ ¬ę DU ¬Ľ en anglais, Dobson Unit en hommage au sp√©cialiste anglais G.M.B Dobson, un des premiers scientifiques √† √©tudier la couche d'ozone et inventeur du spectrom√®tre Dobson. Une unit√© DU correspond √† 0,01 mm d'√©paisseur √† temp√©rature et pression atmosph√©rique standard.
  2. ‚ÜĎ Catalytique signifie que le constituant qui attaque l'ozone est r√©g√©n√©r√© √† la fin de la r√©action. √Ä travers une succession de ces r√©actions en cha√ģne, un unique atome d'un constituant peut donc permettre la destruction d'un tr√®s grand nombre de mol√©cules d'ozone (de l'ordre de 10 000 √† 100 000). D√®s lors, des constituants dont l'abondance relative ne se chiffre pourtant qu'en milliardi√®mes peuvent suffire √† contr√īler chimiquement l'√©quilibre de l'ozone, dont l'abondance relative est pourtant mille fois sup√©rieure.
  3. ‚ÜĎ L'arriv√©e des ultraviolets provoque non seulement des cancers de la peau, mais aussi des mutations de l'ADN des organismes vivants. Ces modifications consistent en la r√©alisation d'une nouvelle liaison, notamment entre deux thymines situ√©es sur le m√™me brin d'ADN. Ces deux thymines forment alors un dim√®re de thymine qui perturbe le fonctionnement des cellules de peau et qui peut provoquer leur mort. Toutefois, ces cellules poss√®dent un m√©canisme de r√©paration (NER) capable de dissocier les dim√®res de thymines √©ventuellement form√©s apr√®s une exposition aux UV.

Bibliographie

Voir aussi

Liens externes

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