Ozone de la haute atmosphère (ozone stratosphérique)

En bref : L’ozone (O₃) se forme sous l’action des rayons solaires ultraviolets sur des molécules de dioxygène (O₂). La majorité de l’ozone stratosphérique se situe vers 25 km d’altitude et forme ainsi une « couche » protectrice, car elle absorbe les rayons UV les plus nocifs pour les êtres vivants. Un « trou » dans la couche d’ozone, lié à des conditions climatiques particulières et au rôle destructeur du chlore, a été mis en évidence au-dessus de l’Antarctique et, plus récemment, au-dessus du pôle nord. Ce phénomène naturel a été amplifié par des rejets de produits chlorés amenés par l’Homme, tels que les chlorofluorocarbones (CFC). En raison des risques pour la santé humaine et pour les écosystèmes, des mesures ont été prises afin de réduire, voire de supprimer, l’utilisation de gaz destructeurs d’ozone.

Sources et rôle

Cycle de production-destruction de l’ozone

D’après l’APIREC

Les rayons ultraviolets (UV), en dissociant les molécules de dioxygène (O₂), libèrent des atomes d’oxygène (O). Une molécule d’ozone (O₃) pourra alors se former par collision entre un atome libre O et une molécule de dioxygène. Le taux de production d’ozone dans la stratosphère dépend de la température et de la quantité de rayonnement UV reçue, variable selon l’heure, la latitude, la saison, les conditions météorologiques et l’activité solaire.

L’ozone peut également être détruit par le rayonnement solaire. Cependant, en descendant lentement dans la stratosphère, les molécules d’O₃ atteignent une altitude où le rayonnement du soleil, déjà filtré par les couches supérieures, est moins intense. L’ozone est alors protégé de la destruction et se répartit principalement entre 12 et 45 km d’altitude, avec une concentration maximale vers 25 km, d’où l’expression « couche d’ozone ». Ce terme est impropre car si toutes les molécules de ce gaz, d’ailleurs très peu abondantes dans l’atmosphère, étaient regroupées dans les mêmes conditions de pression et de température que celles observées au voisinage du sol, elles n’occuperaient qu’une couche de 3 mm d’épaisseur. Cette épaisseur réduite a nécessité la création d’une nouvelle unité, le Dobson (UD) qui correspond à 0,01 mm, la « couche d’ozone » mesurant alors 300 UD.

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Des rôles essentiels

Bien que très minoritaire dans l’atmosphère, l’ozone joue un rôle essentiel en absorbant les rayons solaires ultraviolets (UV) entre 240 et 300 nm de longueur d’onde, soit la totalité des UVc et la majorité des UVb les plus énergétiques donc les plus nocifs pour les êtres vivants. De plus, l’ozone contribue à l’effet de serre par sa bande d’absorption autour de 10 mm (rayonnements infra-rouges).

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Diminution de l’ozone stratosphérique ou « trou d’ozone »

Chronologie d’une découverte

En 1978, des chercheurs américains signalent, grâce à des relevés du satellite Nimbus 4, une diminution de 4 % par an de la teneur en ozone de la stratosphère entre 1970 et 1977.
En 1985, des météorologues de la mission britannique en Antarctique découvrent que la quantité d’ozone atmosphérique au-dessus de ce continent a diminué de 40 %, au début du printemps, entre 1977 et 1984.
Des observations plus approfondies montrent que ce phénomène couvre une surface plus vaste et qu’elle concerne la majeure partie de la basse stratosphère. On parle alors de « trou » dans la couche d’ozone, expression impropre mais qui connaît un grand succès médiatique et contribue à sensibiliser le public à ce problème.
En 1987, en Antarctique, une expédition ambitieuse, comprenant 150 scientifiques de 19 organisations et quatre pays, constate que, dans un espace vaste comme deux fois l’Europe, la concentration en ozone stratosphérique avait baissé de presque 50 % entre le 15 août et le 7 octobre. On remarque ensuite que cette baisse de concentration varie selon la latitude et la saison.
Au cours des années 90, un trou similaire est également observé au-dessus du pôle Nord. Mais il n’a pas l’ampleur du phénomène antarctique.

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Risques pour la santé humaine et les écosystèmes

En cas de diminution de la concentration en ozone de la stratosphère, l’Homme et l’environnement sont alors soumis à une exposition plus intense aux rayons ultraviolets et en particulier les UVb. À noter que les doses d’UV reçues varient selon les heures de la journée, l’altitude (+ 1 % tous les 500 m) et la latitude. En effet, les moyennes annuelles des doses d’UV qui atteignent actuellement la Terre sont multipliées par 50 lorsque l’on passe des pôles à l’équateur.

Variation de la dose d’UV reçue à la surface de la Terre selon la latitude

Effets bénéfiques des UVb
Chez l’Homme, l’exposition aux UVb provoque la conversion de l’un de nos cholestérols en vitamine D, composé indispensable au métabolisme des os. Un déficit en cette vitamine provoque le rachitisme et perturbe le métabolisme du calcium et du phosphore. Une exposition normale aux UVb est donc indispensable.

Effets néfastes des UVb
Par leur action nocive sur les protéines et les acides nucléiques, les UVb peuvent détruire les cellules vivantes.
Une forte augmentation de l’exposition aux UVb pourrait ainsi provoquer chez l’Homme :
- Un affaiblissement du système immunitaire ;
- Une augmentation du nombre de cancers de la peau ;
- Une augmentation des atteintes des yeux, comme la cataracte.
Une forte augmentation de l’exposition aux UVb pourrait aussi avoir des conséquences sur les végétaux :
- Perturbation de leur métabolisme, avec réduction de la photosynthèse, de la capacité d’utilisation de l’eau et donc de la croissance ;
- Perturbation des écosystèmes aquatiques. En effet, le phytoplancton, premier maillon des chaînes alimentaires, semble très sensible aux UVb. La diminution de sa productivité pourrait provoquer celle des espèces d’importance économique qui s’en nourrissent comme les poissons et certains mollusques.
L’accroissement du rayonnement UVb pourrait avoir deux autres conséquences néfastes :
- Augmentation de la pollution atmosphérique. Les UVb participent aux réactions photochimiques contribuant à l’élévation de la concentration de l’ozone au niveau du sol (ozone troposphérique) ;
- Vieillissement accéléré de certains matériaux plastiques.

Responsables de la destruction de l’ozone

La diminution observée de la concentration en ozone est liée en partie à des causes naturelles. En effet, le soleil connaît des variations notables de son activité selon un cycle de 11 ans. Plus son activité est intense, plus l’énergie lumineuse atteignant la Terre est abondante et plus la production d’ozone dans la stratosphère est forte.
Cependant, ce phénomène naturel n’explique pas, par exemple, la diminution massive de la concentration en ozone au-dessus de l’Antarctique, ni celle constatée au-dessus de l’ensemble de la Terre. En effet, l’activité humaine provoque le rejet dans l’atmosphère d’une quantité accrue de substances minoritaires ayant une influence sur le cycle de l’ozone : le chlore, le brome et, dans une moindre mesure, les oxydes d’azote, le méthane et le dioxyde de carbone.

Cycle catalytique de destruction de l’ozone par des constituants minoritaires

D’après l’APIREC

Rôle du chlore
Le seul constituant d’origine naturelle, dont la durée de vie est suffisamment longue pour qu’il puisse atteindre ensuite la stratosphère, est le chlorure de méthyle (CH₃Cl) produit par les océans en faible quantité. Les autres composés chlorés sont d’origine anthropique, comme le tétrachlorure de carbone et les chlorofluorocarbones (CFC), hydrocarbures halogénés qui renferment des atomes de chlore, fluor ou brome. Ces constituants, chimiquement stables au niveau du sol, ni toxiques ni inflammables, conviennent donc parfaitement à de nombreuses applications industrielles depuis les années trente. D’abord utilisés comme fluide caloporteur dans l’industrie de la réfrigération, ils ont servi ensuite d’agent de gonflement pour les mousses isolantes, de propulseurs d’aérosols, de fluides pour la climatisation, de solvants dans l’électronique.
La production mondiale de CFC n’a cessé de croître pour atteindre un maximum, vers 1985-1990, de plus d’un million de tonnes par an. Les pays développés de l’hémisphère Nord étaient les principaux consommateurs de CFC, même si des produits élaborés à partir de CFC ou en contenant étaient vendus et utilisés dans le monde entier.

On a pris conscience progressivement que les CFC ne présentaient pas que des avantages et qu’en particulier leur stabilité chimique et leur insolubilité dans l’eau leur permettaient de diffuser lentement vers la stratosphère, d’y demeurer fort longtemps et d’entraîner ainsi une diminution de la concentration en ozone stratosphérique.
En effet, le chlore issu des CFC participe à des réactions qui favorisent la destruction de l’ozone ou s’y opposent. Ainsi, un seul atome de chlore peut détruire environ 100 000 molécules d’ozone en agissant comme catalyseur, c’est-à-dire en facilitant la réaction sans être détruit. Depuis le milieu des années 1960, les concentrations de chlore dans la stratosphère ont été multipliés par cinq ; on s’attend à ce qu’elles triplent encore d’ici à 2075.

Cycle catalytique du chlore

Source : Pour la science, n° 125.

Rôle des oxydes d’azote
L’action destructrice des atomes de chlore ne cesse que lorsqu’ils se combinent avec d’autres substances pour former des molécules stables constituant alors des « réservoirs » de chlore. Par exemple, le dioxyde d’azote (NO₂) peut se lier au monoxyde de chlore pour former du nitrate de chlore (ClONO₂). Ces molécules-réservoirs peuvent toutefois être dissociés par la chaleur ou la lumière et libérer l’atome de chlore dans la stratosphère.

Formation du nitrate de chlore

Source : Pour la science, n° 125.

De même, le monoxyde d’azote (NO) limite également le cycle catalytique du chlore.

Régénération de l’ozone

Source : Pour la science, n° 125.

Rôle du brome
Le brome (Br), dont la concentration augmentera sans doute encore plus rapidement que celle du chlore, peut réagir avec l’ozone et entraîner sa destruction.

Action destructrice du brome et du chlore sur l’ozone

Source : Pour la science, n° 125.

À ce jour, si les processus de destruction de l’ozone sont relativement bien connus, le temps nécessaire à leur déroulement et leurs conséquences restent difficiles à évaluer.

Évolution saisonnière

Des mesures régulières ont montré une variation saisonnière naturelle de la concentration en ozone stratosphérique au-dessus de l’Antarctique :
- Durant la nuit polaire de l’hiver austral, de juin à septembre, la teneur en ozone baisse sensiblement. C’est en effet à cette saison que se met en place un vortex polaire, puissant tourbillon qui isole l’air au-dessus de l’Antarctique, empêchant tout échange avec celui des régions limitrophes. Cet isolement de l’air, dont la température avoisine les -90°C, aboutit à une préparation chimique du milieu : la rare vapeur d’eau gèle et forme des nuages stratosphériques composés de fins cristaux de glace qui piègent du chlorure d’hydrogène et du nitrate de chlore. Ces « molécules-réservoirs » libèrent progressivement des atomes de chlore destructeurs d’ozone. De plus, les oxydes d’azote, capables de rendre le chlore inactif, ne peuvent plus jouer leur rôle car ils sont transformés en acide nitrique gelé et fixé dans ces nuages de glace. Ce phénomène est accentué au début du printemps austral, au retour du soleil, lorsque l’action photochimique du rayonnement augmente la libération de chlore et provoque la destruction massive d’ozone. C’est pourquoi on observe en octobre le minimum de sa concentration, d’où le terme « trou d’ozone ».
- Ensuite, l’air polaire se réchauffe sous l’action du soleil, ralentissant ainsi le vortex jusqu’à le faire disparaître. L’air plus chaud venu des basses latitudes parvient à nouveau au-dessus de la calotte polaire en apportant de grandes quantités d’ozone, ce qui explique la brusque remontée de la concentration en novembre.

Prévisions et solutions

Les instruments terrestres et les satellites ont enregistré, à la surface de la Terre, des augmentations de rayons UVb associées à des baisses locales de l’ozone stratosphérique. D’après les projections encore discutées de modèles informatiques, la diminution de la couche d’ozone pourrait engendrer, d’ici une quarantaine d’années, une augmentation de 5 à 20 % des UVb atteignant la surface terrestre. Or une hausse de 10 % de la dose d’UV équivaudrait à un déplacement d’une centaine de km vers l’équateur. Face à ces scénarios catastrophes, les objections sont nombreuses. Par exemple, les conséquences sur les matériaux, la flore et la faune d’une telle augmentation sont incertaines.
Quant à l’accroissement des effets nocifs constatés actuellement sur la santé (mélanomes, cataractes…), ils concernent essentiellement des populations à peau blanche, non protégée des UVb par la mélanine, pigment brun responsable de la couleur de la peau, des cheveux et de l’iris. Ces impacts ne seraient-ils pas dues à la mobilité croissante de populations qui vont s’installer définitivement ou momentanément dans les régions auxquelles leur peau n’est pas adaptée, plutôt qu’à la diminution de l’ozone stratosphérique ? Optimistes et catastrophistes sont, aujourd’hui encore, plongés dans les mêmes incertitudes ! Mais faut-il attendre l’éventuelle confirmation des dégâts annoncés par certains pour agir ?

Mobilisation internationale

La découverte du trou d’ozone en 1978 a donné lieu à une succession de réunions internationales et de mesures réglementaires pour répondre au premier réel problème d’environnement global :
- 1985, à Vienne (Autriche), 22 pays signent une convention pour la protection de la couche d’ozone, pour ramener, en 1989, la production de substances destructrices d’ozone (comme les CFC) à celle de 1986. Une clause spéciale est prévue pour les pays du tiers-monde n’ayant pas les moyens de remplacer les matériels existants.
- 1987, le Protocole de Montréal (Canada), signé par 24 pays, renforce la précédente convention : à l’exception de quelques applications essentielles, les substances les plus concernées devront être éliminées en 1996 dans la plupart des pays industrialisés et en 2010 dans les pays en développement.
- 1990 à Londres (Grande-Bretagne), devant l’insuffisance des mesures prises à Montréal, 70 pays décident, dans un nouveau Protocole, d’interdire les CFC d’ici l’an 2000.

Cependant, même si l’interdiction est respectée, les CFC, molécules d’une durée de vie dans l’atmosphère de plusieurs dizaines d’années, continueront de détruire l’ozone et le « trou » ne devrait commencer à se résorber qu’à partir de 2010. Les scientifiques estiment que la couche pourrait retrouver en 2050 son niveau d’avant les années 80.

Le « trou » aujourd’hui

En septembre 2003, au-dessus de l’Antarctique, le trou dans la couche d’ozone a dépassé les 28 millions de km², dimension jamais atteinte depuis trois ans, selon l’Organisation Météorologique Mondiale (OMM). Ce record n’est pas dû à une augmentation de la quantité de gaz destructeurs, mais aux conditions météorologiques en Antarctique cette année : la zone de très basse température a été plus étendue que d’habitude, ce qui a facilité la destruction de l’ozone par les composés chimiques. Par contre, l’année précédente, des températures exceptionnellement chaudes avaient contribué à réduire le « trou » à 15 millions de km². Les variations climatiques annuelles rendent donc difficile l’évaluation de l’évolution à long terme de la « couche » d’ozone. En septembre 2003, face au commerce illicite de CFC dans le monde, le secrétaire général de l’ONU, Kofi Annan, a appelé à la vigilance. D’autres part, on recherche toujours des produits de substitution pour certains gaz interdits comme le bromure de méthyle.

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