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Les événements "zéro ozone"

Dossier - L’ozone au coeur de la chimie atmosphérique
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L'ozone est une molécule remarquable. Tout à la fois poison et protecteur de la de vie continentale, cette molécule caractérise à elle seule toute la chimie atmosphérique. Fortement oxydante, elle dégrade dans les basses couches de l’atmosphère la matière organique et nuit au bon fonctionnement du vivant. Absorbeur du rayonnement ultra violet dans la haute atmosphère, elle protège les organismes terrestres de ce rayonnement au pouvoir destructeur. Cette ambivalence en fait une molécule fascinante.

  
DossiersL’ozone au coeur de la chimie atmosphérique
 

L'observation de l'atmosphère nous le rappelle constamment : notre connaissance du fonctionnement du milieu naturel est loin d'être parfaite. Alors qu'une partie des chimistes de l'atmosphère s'attelaient à la compréhension de l'ozone stratosphérique ou du smog photochimique, d'autres se penchaient sur un phénomène nouveau : l'Arctic haze (brume Arctique).

Ce phénomène de pollution se caractérise par l'apparition dans le bassin Arctique d'une atmosphère fortement chargée en aérosols acides et autres polluants incluants des métaux lourds, dans une région du monde dépourvue de sources de pollution et très faiblement habitée. De plus, contrairement au smog photochimique des grandes agglomérations qui se développe en été sous un puissant rayonnement, la pollution ici se produit en hiver, sous faible ensoleillement.

Figure 10 : Dépigmentation de la végétation Arctique causée par l’agression d’une atmosphère fortement chargée en composés acides © : Dan Aamlid

Une fois encore, c'est d'abord l'observation des dégâts infligés aux écosystèmes qui a attiré l'attention des scientifiques et des décideurs (Figure 10). L'attaque incessante des forêts boréales et des écosystèmes Arctique par des pluies acides conduisait à des dépérissements à grande échelle (Figure 11). 

Figure 11 : Forêt boréale endommagée par les pluies acides © : US Forest Service

Pour comprendre ce phénomène, des stations d'observation de l'atmosphère furent installées sur le pourtour Arctique durant les années 70 et 80. Dans les années qui suivirent, les processus à l'origine de l'Arctic haze furent identifiés. Les polluants émis par les régions industrialisées de l'hémisphère Nord (Europe, Russie, Etats-Unis et aujourd'hui Asie), plus importants en hiver (industrie métallurgique, chauffage domestique, transport), sont transportés sur de grandes distances par la circulation atmosphérique et injectés dans l'atmosphère Arctique. En chemin ils sont convertis en acide sulfurique, nitrique et autres produits corrosifs.

Figure 12 : Evénements de destruction total de l’ozone au niveau de la mer à la station canadienne d’Alert (Arctique canadien) © J. Bottenheim

Mais au détour de ces études, une observation attira plus particulièrement les scientifiques canadiens. Au levé du soleil Arctique, vers Mars - Avril, subitement les concentrations d'ozone atteignaient des valeurs plancher, plus basse que la limite de détection des instruments, et ce pour une durée pouvant aller de quelques heures à une semaine (Figure 12). Cette observation fût étonnante car on pensait que l'atmosphère, même naturelle, contenait en permanence les éléments nécessaires au maintien d'une concentration d'ozone mesurable (mélange d'oxydes d'azote et de composés organique volatils).  Une avancée majeure se produisit lorsque que l'on observa une corrélation entre les chutes de concentration d'O3 et la teneur élevée en brome (Br) dans l'atmosphère. Or les études sur la destruction de l'ozone stratosphérique, le fameux « trou » d'ozone, montraient le rôle prépondérant joué par l'activation du chlore (Cl) dans la destruction catalytique de l'ozone.

Le chlore et le brome appartiennent à la même famille d'élément, appelée les halogènes, et partagent de fait des propriétés similaires. Sous forme atomique, les deux éléments se révèlent être de puissants destructeurs d'ozone mais pas dans les mêmes compartiments de l'atmosphère. Alors que le chlore est très actif dans la destruction de l'ozone stratosphérique, il l'est beaucoup moins dans la troposphère car il réagit plus rapidement avec les espèces organiques, très présentes dans les basses couches de l'atmosphère, qu'avec l'ozone. En revanche le brome est moins réactif avec les organiques et son potentiel de destruction de l'ozone troposphérique est de fait décuplé, environ 40 fois supérieur à celui du chlore.

Figure 13 : Photo satellite montrant l’explosion des oxydes de brome responsable de la destruction de l’ozone au niveau du sol dans l’arctique : l’explosion de brome © A. Richter

Il est apparu dès lors évident que les évènements de destruction d'ozone au niveau du sol dans l'Arctique avaient pour origine l'activation de quantités importantes de brome au printemps, aujourd'hui connue sous le terme d'explosion de brome (Figure 13) et que ce brome ne pouvait venir que de l'eau de mer, seul réservoir important de cet élément se trouvant à proximité. Reste à expliquer comment le bromure de l'eau de mer qui est un sel inactif vis-à-vis de l'ozone s'active en brome gazeux. Or, force est de constater qu'aujourd'hui encore cette question est débattue dans la communauté et qu'aucune réponse satisfaisante, respectant toutes les contraintes observationnelles n'a été apportée.

Figure 14 : Glace de mer en formation sur les rivages du Spitzberg (78° N). Ce processus est probablement à l’origine d’émissions importantes de brome, lequel détruit entièrement l’ozone des basses couche de l’atmosphère Arctique) © : J. Savarino

Néanmoins, un faisceau d'indice pointe en direction de la glace de mer (Figure 14) qui, lorsqu'elle se forme rejette les impuretés vers les poches de liquides restantes produisant une augmentation très importante de la teneur en sel de mer. Ce phénomène de concentration associé à d'autres processus serait à l'origine d'une réaction catalytique de libération de brome gazeux.