Couche d'ozone
La couche d'ozone est la partie de l'atmosphère située entre vingt et cinquante kilomètres d'altitude. Dans cette couche, la concentration en ozone est de l'ordre de dix parties par million. Si une telle concentration au niveau du sol serait dangereuse pour l'homme, la couche d'ozone protège la vie sur Terre en ne laissant parvenir qu'une partie des rayons ultraviolets émis par le Soleil ; ultraviolets responsables de cancers et d'affaiblissements des systèmes immunitaires.
À la fin des années 1970, les recherches scientifiques en Antarctique ont mis en évidence une diminution périodique de l'ozone au-dessus de ce continent. Ce que l'on a appelé le «trou de la couche d'ozone» se forme au printemps dans l'Antarctique et s'agrandit pendant plusieurs mois avant de se réduire. 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.
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La production de l'ozone stratosphérique
L'ozone est produit à partir du dioxygène, composé de deux atomes d'oxygène.
Aux altitudes supérieures à 30 km, le rayonnement solaire possède encore une énergie suffisante pour casser une partie des molécules d'oxygène 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 d'oxygène (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
Cette réaction chimique est la seule qui, dans la stratosphère, produise de l'ozone.
Mais puisqu'il y demeure encore de l'oxygène, c'est qu'il existe un facteur limitant sa concentration. Primitivement, une certaine quantité d'ozone s'est formée il y a environ deux milliards d'années et elle constitue le réservoir d'ozone de l'atmosphère. 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.
L'équilibre dynamique de la concentration d'ozone
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 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 :
- O3 + O -> 2 O2
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
Les sources de chlore naturel
La seule source naturelle de chlore est le chlorure de méthyle, principalement produit dans les océans par les micro-organismes, les algues. La concentration ne dépasse pas 0,6 milliardième : c'est à cela que se limite le fonds naturel de chlore dans l'atmosphère.
Les chlorofluorocarbures
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, les bombes aérosols, les solvants pour l'industrie électronique, 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 (CFC l2), 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.
La diffusion des CFC dans l'atmosphère
La Terre est une planète en mouvement, avec à sa surface des vents qui entraînent un double brassage permanent, horizontal et vertical, de l'atmosphère. Le premier conduit à un temps moyen de transport d'un pôle à l'autre de l'ordre de deux ou trois ans. Le second induit une homogénéïsaton de l'atmosphère jusqu'à 80 Km d'altitude.
En deux à trois ans, les CFC se retrouvent donc dans l'atmosphère sous toutes les latitudes, aussi bien à l'équateur qu'aux pôles Nord ou Sud. Puis, en quinze ans, ils montent dans la haute atmosphère.
L'action des composés chlorés
Parvenues dans la stratosphère, les molécules de ces composés chlorés sont cassées par le rayonnement solaire et libèrent des composés chlorés qui, par le jeu de réactions catalytiques (1), vont détruire les molécules d'ozone.
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. Il y a donc un retard et, les effets des CFC produits ces dernières années se feront encore sentir dans 50 ans.
Ainsi, la quantité de chlore naturellement présente dans la stratosphère est d'environ 0,6 milliardième, alors qu'aujourd'hui la proportion totale de chlore atteint 3,5 milliardièmes. Elle a été multipliée par 5 en 20 ans, ce qui a entraîné une rupture de l'équilibre 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 l'ozone détruit de se remplacer.
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 mélange entre l'air antarctique et l'air venu de nord qui amène de l'ozone.
(1)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 chaîne, 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.
La perte d'ozone en Antarctique
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L'ozone est aujourd'hui observé par un réseau de stations au sol et au moyen de satellites artificiels.
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. Il s'agit en effet d'une réduction de près de 50 % du contenu total d'ozone, se produisant au cours du printemps austral et s'étendant sur toute la surface de l'antarctique.
Depuis la fin des années 1970, l'épaisseur de l'ozone est passée de 3 mm à 2 et même 1,5 mm aujourd'hui, en moyenne pour le mois d'octobre.
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.
Une perte d'ozone également en Arctique
En 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-dessous de l'Arctique.
Conséquences sur les êtres vivants
Le 9 octobre 2003, au sud du Chili, la couche d'ozone qui avait perdue 50% de son épaisseur habituelle, offrait si peu de protection contre les UV que ce jour-là, il suffisait de passer sept minutes dehors sans protection pour attraper un coup de soleil. 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 ultra-violets perturbent les divisions cellulaires des micro-organismes aquatiques, ce qui a de graves conséquences sur la vie aux pôles (2). En plus des cancers de la peau, on observe aussi un affaiblissement général du système immunitaire.
(2)L'arrivée des ultra-violets provoque non-seulement des cancers de la peau, mais aussi des mutations de l'ADN de tous les organismes vivants. Ces modifications consistent en la réalisation d'une nouvelle liaison entre deux thymines situées sur le même brin d'ADN. Ces deux thymines forment alors un diamère de thymine qui perturbe le fonctionnement des cellules de peau et provoque leur mort. Toutefois, les cellules de peau contiennent une enzyme, appelée ERCC3, capable de dissocier les diamères de thymines éventuellement formés après une exposition aux UV, ce qui permet à l'Homme de s'exposer au Soleil de façon modérée.
Mesures prises
- Le protocole de Montréal, signé en septembre 1987 et révisé à Londres en 1989, a préconisé une diminution des émissions de 50 % en dix ans.
- L'Union européenne a proposé en 1989 une interdiction totale de l'utilisation des CFC durant les années 1990, qui fut approuvée par les États-Unis. Malgré les mesures prises, le trou dans la couche d'ozone a continué de s'agrandir.
L'avenir
Les scientifiques prévoient une évolution de la situation du pôle Nord vers celle du pôle Sud pendant les années à venir.
Même si les émissions étaient totalement arrêtées, il faudrait environ 70 ans pour que le taux du chlore dans l'atmosphère redevienne inférieur à deux milliardièmes. Même ainsi, on ne passerait au-dessous du seuil critique des phénomènes polaires que dans 75 ans, et le niveau de chlore ne reviendrait à son niveau naturel que dans un siècle.
Voir aussi
Liens internes
Liens externes
- (fr) Le site à voir pour tout comprendre sur l'ozone stratosphérique
- (fr) Un très bon site sur le sujet
- (fr) Le site des Nations Unies sur les trous de la couche d'ozone
- (fr) Une page contenant beaucoup de données scientifiques
- (fr) Un site Web ludique et conpréhensible par tous
- (fr) Une page traitant des CFC et de l'avenir de la planète
- (fr) Une page indiquant l'évolution de la production des CFC par l'Europe
- (fr) Que font les traités pour la couche d'ozone ? Réponse sur ce site...
Bibliographie
- L'Ozone stratosphérique, Académie des sciences, Lavoisier, 1998, Collection : Rapport de l'Académie des sciences, 271 pages, ISBN : 2743002565.
- L'ozone stratosphérique, Patrick Aimedieu, PUF, 1998, Collection : Que sais-je?, 127 pages, ASIN : 2130474438.