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Fragilité de la couche d’ozone et observation de sa destruction

Dossier - Le climat et la couche d'ozone
DossierClassé sous :climatologie , stratosphère , troposphère

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Le problème de la disparition de la couche d'ozone s'est posé de façon brutale et dramatique il y a maintenant 20 ans. Actuellement c'est le problème de l'augmentation des gaz à effet de serre et le changement climatique qui en est la conséquence qui tiennent, à juste titre, le devant de la scène. Ce dossier fait le point sur le processus de récupération de la couche d'ozone à la suite de l'application du Protocole de Montréal et de ses amendements successifs, et indique les relations entre l'état de la stratosphère et le changement climatique en cours.

  
DossiersLe climat et la couche d'ozone
 

L'épaisseur totale de la couche d'ozone qui conditionne la pénétration de l'ultraviolet varie en fonction de la latitude et de la saison, mais sa valeur moyenne pendant les dernières 70 années où de nombreuses mesures sont disponibles, a été remarquablement stable et ceci jusqu'aux années 70-80.

Dans les années 1970 la communauté scientifique s'est inquiété de l'effet que pourrait avoir sur l'ozone les émissions d'oxydes d'azote et de chlore sur la stabilité de l'ozone. Ce sont ces travaux qui ont valu à Paul Crutzen, Sherwood Rowland et Mario Molina le Prix Nobel de Chimie en 1985.

Ces inquiétudes se sont particulièrement manifestées en relation avec le développement de l'avion supersonique Concorde qui devait créer des quantités importantes d'oxydes d'azote dans la stratosphère. Mais en fait les composés les plus dangereux pour l'ozone se sont avérés être les composés organiques halogénés, dont les chlorofluorocarbures (CFC) qui  sont des molécules synthétiques très stables chimiquement et donc sans danger direct pour les êtres vivants. C'est d'ailleurs pour cette raison que celles-ci ont été développées et qu'elles ont été utilisées dans de nombreuses applications: réfrigérants (frigorifiques, climatiseurs), gaz propulseur dans les bombes aérosols, mousses synthétiques, solvants...et ont ainsi jouer un rôle très bénéfique pour l'amélioration de notre mode de vie. Du fait de leur très grande stabilité, ces gaz restent dans l'atmosphère pendant des décennies (50 à 100 ans), et ils sont progressivement transportés dans la stratosphère, où, soumis à l'influence du rayonnement ultraviolet solaire, ils sont dissociés et libèrent du chlore qui a alors la capacité de rentrer dans des cycles de réactions chimiques catalytiques conduisant à la destruction de l'ozone.

La destruction met en jeu deux réactions chimiques, l'une transforme l'oxyde de chlore ClO en atome de chlore Cl qui ultérieurement détruit l'ozone, mais en restituant l'oxyde ClO, ce qui permet au cycle de recommencer un grand nombre de fois. Le chlore joue ainsi un rôle de catalyseur et une très faible quantité de ClO peut détruire un grand nombre de molécules d'ozone, à condition d'être en présence d'oxygène atomique, ce qui est le cas grâce à la décomposition de l'ozone par l'ultraviolet  solaire.

Au-delà des faibles diminutions de l'épaisseur de la couche d'ozone qui avaient été prévues et observées depuis la fin des années 1970 dans les régions de moyenne latitude, l'apparition du "trou d'ozone" au-dessus du continent antarctique en 1985 a été la première manifestation spectaculaire de l'effet des activités humaines sur les équilibres physicochimiques globaux de l'atmosphère. Dans cette région, la quasi-totalité de l'ozone entre 15 et 20 Km se trouve détruite chaque année au printemps et l'épaisseur totale d'ozone est alors diminuée de moitié. Une diminution de l'ozone se produit également, mais avec une moindre amplitude, au printemps au-dessus de l'Arctique. La différence de comportement entre les deux régions polaires provient d'une différence dans la circulation atmosphérique qui est plus régulière au-dessus du continent antarctique, et cette circulation maintient dans la stratosphère polaire antartique une température très froide favorable à une forte destruction de l'ozone.


Figure 2 : Comparaison de profils d'ozone obtenus récemment par rapport aux profils moyens obtenus avant l'action des CFCs. On observe dans ces exemples que l'ozone est quasi-complètement détruit entre 14 et 20 km au dessus de l'Antarctique, alors  que la destruction observée au dessus de l'Arctique n'est que partielle. © Domaine public

La stabilité des masses froides au dessus de l'Antarctique est responsable de cette asymétrie entre les deux hémisphères. Beaucoup ont été surpris que « trou d'ozone » apparaisse au-dessus d'un continent non pollué par les activités humaines, alors que les CFC et autres composés halogénés sont surtout émis dans l'hémisphère Nord. Mais, après leur émission et lorsqu'ils atteignent la stratosphère, ils sont soumis à la circulation atmosphérique à grande échelle. Après une ou deux années dans la troposphère, ils sont répartis à toutes les latitudes, même très loin des régions où ils sont émis, et notamment au-dessus de l'Antarctique, là où les températures plus froides sont plus favorables à la destruction de la couche d'ozone que dans toute autre région du globe.


Figure 3 : variation de la température arctique et antarctique pendant l'hiver. © Domaine public


Figure 4 : Cela serait bien que la terre soit ronde..... Exemple de « trou d'ozone «  au printemps antarctique. La quantité totale d'ozone est diminuée par un facteur 3. © Domaine public