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La couche d'ozone ou ozonosphere est la partie de la stratosphere de la Terre qui contient une quantite relativement importante d' ozone (concentration de l'ordre de un pour cent mille). A haute altitude, la couche d'ozone est utile : elle absorbe la plus grande partie du rayonnement solaire ultraviolet dangereux pour les organismes . Elle a donc un role protecteur pour les etres vivants et les ecosystemes .

Cette couche est distincte de l' ozone tropospherique de plus basse altitude, qui est un gaz a effet de serre et un polluant .

Decouverte et historique [ modifier | modifier le code ]

L'existence de la couche d'ozone a ete demontree en 1913 par les physiciens francais Henri Buisson et Charles Fabry grace a leur interferometre optique . Cet ozone est produit par l'action des UV , du rayonnement solaire, sur les molecules de dioxygene a haute altitude ^{[ N 1 ]} . Sydney Chapman propose le mecanisme de formation en 1930. Elle renvoie les rayons solaires et n'en laisse penetrer que 50 % dans la troposphere .

A la fin des annees 1970, notamment grace aux campagnes de mesures par ballon-sondes, les scientifiques mettent en evidence une diminution periodique de l'ozone antarctique, phenomene alors baptise ≪ trou de la couche d'ozone ≫. Ce trou grandit au printemps dans l'Antarctique (a la fin de la nuit polaire ) durant plusieurs mois avant de se reduire, jusqu'au printemps suivant ou il s'etend a nouveau. D'autres etudes a partir de ballons evoluant a haute altitude et d' observation satellitaire et meteorologiques revelent que la proportion d'ozone arctique est aussi en diminution.

Cette decouverte est a l'origine de la creation du GIEC et de la signature en 1987 du Protocole de Montreal visant a bannir la creation par l'industrie de substances chimiques chlorees aboutissant a la destruction de la couche d'ozone . Ces substances sont principalement les CFC utilises dans les systemes de refroidissements (refrigerateurs, climatiseurs…).

Ozone (utile ou nocif selon son altitude) [ modifier | modifier le code ]

Selon son altitude, on considere l'ozone comme :

• ≪ bon ozone ≫, quand il est present dans la stratosphere ^{[ N 2 ]}  : bon , car il nous protege des rayons UV-C (ultraviolet) et de leurs effets ;
• le ≪  mauvais ozone  ≫, quand il se forme dans la troposphere (couche basse de l'atmosphere ^{[ N 3 ]} ) : mauvais , car c'est celui que toutes les especes animales, dont l'homme, sont amenees a inhaler et qui presente, selon sa concentration, une certaine toxicite (voir Normes de qualite de l'air ).

Sans la couche d'ozone dans la haute atmosphere, la vie telle que la planete l'a connue depuis la fin de l' Archeen , n'aurait ete possible que dans les oceans ^{[ref. necessaire]} , a une profondeur suffisante de la surface des eaux (les UV ne penetrant qu'a quelques metres sous la surface). Ce fut le cas au cours de l' eon Archeen, lorsque l' atmosphere de la Terre etait depourvue de dioxygene (et donc de couche d'ozone).

Ozone stratospherique [ modifier | modifier le code ]

Il se forme et persiste entre 20 et 40  km d'altitude. Il est cependant en realite tres dilue dans l'atmosphere locale : sa teneur est de l'ordre de quelques ppm a quelques dizaines de ppm dans la couche d'ozone elle-meme qui est un melange gazeux a faible pression.

En fait si cet ozone etait regroupe en une couche a l'etat pur, il aurait dans les conditions normales de temperature et de pression (c'est-a-dire les conditions moyennes a la surface de la Terre) une epaisseur de seulement 3  mm , soit 300  unites Dobson (DU) ^{[ N 4 ]} .

Processus de formation [ modifier | modifier le code ]

L'ozone est produit a partir du dioxygene , compose de deux atomes d' oxygene (O ₂ ). Aux altitudes superieures a 30 km , le rayonnement solaire possede encore une energie suffisante pour casser une partie des molecules de dioxygene et liberer les atomes. Un atome d'oxygene tendant a ne pas rester seul pour des raisons de stabilite, doit se recombiner a un autre element  ; il interagit donc avec une autre molecule de dioxygene (O ₂ ) presente pour former une nouvelle molecule, composee de trois atomes d'oxygene : l'ozone (O ₃ ).

O ₂ + rayonnement solaire → O + O et O + O ₂ → O ₃

Cette reaction chimique est la seule qui, dans la stratosphere , produise de l'ozone. Mais puisque tout l'oxygene n'est pas transforme en ozone dans ce processus, il existe donc un facteur limitant sa concentration. Primitivement, une certaine quantite d'ozone est apparue, il y a plus de deux milliards d'annees, lorsque l'oxygene est devenu permanent avec une concentration de l'ordre du pour cent. La concentration observee aujourd'hui resulte d'un equilibre entre la production d'ozone par le rayonnement solaire, et certains processus de destruction : en temps normal, tout l'ozone produit en ≪ trop plein du reservoir ≫ est detruit. C'est ce que l'on appelle un equilibre dynamique .

Equilibre dynamique [ modifier | modifier le code ]

Le jour, a haute altitude, le rayonnement solaire peut dissocier la molecule d'ozone en une molecule de dioxygene et un atome d'oxygene : O ₃ + rayonnement → O ₂ + O

Durant la nuit et en particulier la nuit polaire , cette reaction n'existe pas puisqu'il n'y a plus de rayonnement solaire. Une autre reaction devient alors preponderante : la recombinaison d'un atome d'oxygene et d'une molecule d'ozone pour donner deux molecules de dioxygene : O ₃ + O → 2 O ₂

C'est ce que l'on appelle la decomposition spontanee de l'ozone. Mais l'ensemble de ces deux reactions ne peut rendre compte que de 20 % de la destruction naturelle de l'ozone, alors que pour parvenir a un equilibre il faut que la perte soit egale a la production. Ce probleme met en evidence la fragilite de l'equilibre de l'ozone. En effet, si les deux reactions ci-dessus avaient pu suffire a compenser la surproduction d'ozone, l'equilibre de ce dernier ne dependrait que de la quantite de dioxygene present dans la haute atmosphere, et cet equilibre aurait ete difficilement perturbable, mais les composes chlores perturbent cet equilibre. Les composes bromes , et les oxydes d'azote (NOx) contribuent egalement a cette destruction.

Action des composes chlores [ modifier | modifier le code ]

Parvenues dans la stratosphere, les molecules de composes chlores sont decomposees par le rayonnement solaire , les produits de cette decomposition detruisant les molecules d'ozone par le jeu de reactions catalytiques ^{[ N 5 ]} .

Une source naturelle abondante de chlore organique est le chlorure de methyle , principalement produit dans les oceans par les micro-organismes et les algues ^{[ 1 ]} . La concentration ne depasse pas 0,6 milliardieme, limite naturelle du taux de chlore organique dans l'atmosphere.

Inventes dans les annees 1930, les chlorofluorocarbures (C.F.C.) ont connu un developpement important a partir des annees 1950 a cause de leurs proprietes remarquables (ininflammables, facilement compressibles, non solubles) et, comme ils n'ont qu'une faible reactivite chimique, on les croyait peu toxiques pour l' environnement . Utilises principalement dans l' industrie du froid , dans les bombes aerosols comme propulseur, en solvants pour l'industrie electronique , dans les mousses synthetiques et les agents extincteurs ; ils sont essentiellement dus a l'activite humaine. La production des CFC est tres importante. Pour les deux principaux, le trichlorofluoromethane (CFC 11) et le dichlorofluoromethane (R 21), la production est passee de 50 000 a 100 000  t au debut des annees 1960 jusqu'a 500 000  t en 1999. Cela represente une croissance de 5 a 6 % par an, soit pratiquement un doublement de la quantite tous les dix ans.

Les vents brassent l'atmosphere en permanence :

• horizontalement, avec un temps moyen de transport d'un pole a l'autre de l'ordre de deux ou trois ans ;
• verticalement, avec une homogeneisation de l'atmosphere jusqu'a 80  km d' altitude .

En deux ou trois ans, les CFC se retrouvent donc dans l'atmosphere sous toutes les latitudes , aussi bien a l' equateur qu'aux poles. Puis, en 15 ans, ils montent dans la haute atmosphere.

A cela s'ajoute un autre effet, les CFC presents dans la stratosphere en 1997 sont ceux qui ont ete produits entre 1977 et 1982, ce qui ne represente que 40 % de ce qui a ete produit jusqu'a ce jour. Les 60 % restants sont encore en train de se melanger et de monter. Du fait de ce retard, les effets des CFC produits ces dernieres annees se feront encore sentir dans 60 ans.

Bilan [ modifier | modifier le code ]

Ainsi, la quantite de chlore organique naturellement presente dans la stratosphere est d'environ 0,6 milliardieme, alors qu'aujourd'hui la proportion totale de chlore organique atteint 3,5 milliardiemes. Elle a ete multipliee par 5 en 20 ans, ce qui a entraine une rupture de l'equilibre dynamique.

En hiver, la destruction d'ozone est limitee a sa destruction spontanee. Au printemps, elle devient tres importante car il y a deja des UV, beaucoup de cristaux de glace dans la stratosphere et parce que la circulation atmospherique, le vortex polaire autour de l'Antarctique, empeche le remplacement de l'ozone detruit par de l'ozone provenant du nord de l'Antarctique.

Des la fin du printemps, l'amincissement est moins important parce que la quantite de cristaux de glace diminue, et aussi parce que la circulation atmospherique change : il y a alors un melange entre l'air antarctique et l'air venu du nord qui apporte de l'ozone. Enfin, et surtout, la generation de l'ozone a partir de l'oxygene a repris avec l'allongement de l’ensoleillement diurne.

Statistiques [ modifier | modifier le code ]

Perte continue d'ozone en Antarctique [ modifier | modifier le code ]

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La couche d'ozone est aujourd'hui, observee par un reseau de stations au sol tel la station Halley, a 76° S, ou des observations de l’ozone sont effectuees depuis 1956. Plus recemment, la precision des observations s'est amelioree grace aux satellites artificiels construits, entre autres, par la NASA (USA).

Les variations pluriannuelles depuis 1957 de l'epaisseur de la couche d'ozone peuvent aussi etre mesurees par le taux de flavonoides contenus dans des mousses (notamment Bryum argenteum ) conservees dans des herbiers ^{[ 2 ]} . Cependant, les observations serieuses de la couche d'ozone n'ont ete realises que depuis une soixantaine d'annees ^{[ 3 ]} .

C'est en 1985 que l'alerte a ete donnee avec la decouverte d'une diminution importante de la concentration d'ozone au cours des mois de septembre et d'octobre au-dessus du continent Antarctique . Une reduction de pres de 50 % du contenu total d'ozone etait observee, se produisant au cours du printemps austral et couvrant toute la surface de l'Antarctique.

Depuis la fin des annees 1970, l'epaisseur de l'ozone est passee, en certains endroits, de l'equivalent de 3  mm a 2 et meme 1,5  mm aujourd'hui, en moyenne pour le mois d'octobre.

C'est cette diminution relative de l'epaisseur de la couche d'ozone stratospherique (par rapport a son epaisseur standard ou initiale de 300 DU), que l'on nomme ≪ trou d'ozone ≫ ou ≪ trou dans la couche d'ozone ≫. Le protocole de Montreal en 1987, a permis a la communaute internationale de realiser une prise de conscience , aboutissant a des mesures concretes pour limiter la propagation humaine des gaz CFC.

En 2000, 2001 et 2003, le trou dans la couche d'ozone a atteint une superficie jamais observee avant 2000, alors que celui de 2002 etait le plus petit qui ait ete observe depuis 1998.

En effet, a la fin de l'ete 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 ete enregistre 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 prevu, en raison probablement de l'utilisation persistante de gaz interdits, de type CFC.

L'utilisation d'un modele a permis d'attribuer la pause observee en 2015 a l'eruption du volcan chilien Calbuco et de montrer que la baisse des concentrations de chlore et de brome etait bien responsable de l'amelioration observee sur le long terme ^{[ 4 ]} .

Perte d'ozone en Arctique [ modifier | modifier le code ]

Dans l' ocean Arctique, l'ampleur du phenomene n'atteint pas encore celle qui est observee dans l'hemisphere sud.

Le fait que la perte d'ozone, si importante en Antarctique , soit moindre au-dessus de l' Arctique decoule des differences climatiques entre ces deux regions. Le refroidissement de la stratosphere polaire est en effet moins intense au nord ou, en moyenne, les temperatures sont de 15 a 20  °C superieures a celles observees au pole Sud .

Cette difference entre les deux poles est d'origine geographique  : le continent antarctique est isole au milieu des oceans dans l'hemisphere sud. Dans l'hemisphere nord, au contraire, une alternance de continents et d'oceans, de zones de hautes et de basses pressions atmospheriques contribue a creer un mouvement continu des masses d'air tel que le pole Nord ne reste jamais totalement isole. L'air des latitudes moyennes, plus chaud, arrive donc toujours au pole, y augmentant ainsi les temperatures moyennes.

En exploitant des donnees fournies par un satellite de la NASA charge de la recherche de la haute atmosphere, les chercheurs ont remarque que les nuages stratospheriques de l'Antarctique ont une duree de vie deux fois plus longue que ceux situes au-dessus de l'Arctique. Le satellite MetOp-A a observe le trou d'ozone en 2007.

En 2011, le trou dans la couche d'ozone a atteint des valeurs record dans l'Arctique, avec une perte de 80 % de l'ozone, entre 15 et 20   km d'altitude, dans la periode d'hiver 2010 - printemps 2011 ^{[ 5 ]} .

Debut de resorption [ modifier | modifier le code ]

Toutefois, en 2014, un rapport de L’Union meteorologique mondiale et du Programme des Nations unies pour l’environnement faisait etat d’une stabilisation et meme d’un debut de resorption sous les latitudes moyennes de l’hemisphere nord ^{[ 6 ]} . En juin 2016, une etude dirigee par Susan Salomon et publiee dans la revue Science concluait a une reduction du trou dans la couche d'ozone en Antarctique de plus de 4 millions de kilometres carres depuis 2000, soit environ la moitie de la superficie des Etats-Unis. Selon les chercheurs, cette amelioration, qui restait a confirmer, s’expliquait pour partie par la diminution des emissions de gaz chlores (les CFC notamment) et bromes ; mais aussi par l'effet de serre anthropique . En effet, le rechauffement induit par les gaz a effet de serre (CO ₂ , methane, etc.) provoque paradoxalement un refroidissement de la stratosphere. Or comme l’explique Slimane Bekki, chercheur au CNRS : ≪ ce refroidissement ralentit les reactions chimiques qui detruisent l’ozone ≫ ^{[ 7 ]} .

En 2018, l'ONU indique que la couche d'ozone est en voie de guerison ^{[ 8 ]} . Neanmoins, une etude publiee dans Science revele que le rythme de reduction des emissions de CFC-11 s'est ralenti de 50?% depuis 2012, traduisant une nouvelle production de CFC-11 non declaree a l'encontre du protocole de Montreal ^{[ 9 ]} . Cette production est suspectee de provenir d'industriels chinois ^{[ 10 ] , [ 11 ]} .

Effets des ultraviolets sur les organismes vivants [ modifier | modifier le code ]

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Les ultraviolets sont des agents mutagenes  : ils deteriorent l' ADN des cellules, ce qui deregle leurs activites biologiques ( ex. : cancer ) ou les detruit ( coup de soleil ). Le 9 octobre 2003 , au sud du Chili , la couche d'ozone qui avait perdu 50 % de son epaisseur habituelle, offrait si peu de protection contre les ultraviolets que ce jour-la, il suffisait de passer cinq minutes dehors sans protection pour attraper un coup de soleil ^{[ref. necessaire]} . Le sud du Chili n'est pas la seule zone atteinte, d'autres regions de l' Australie et de la Nouvelle-Zelande ont egalement connu des episodes semblables. De plus, les rayons ultraviolets perturbent les divisions cellulaires des micro-organismes aquatiques, ce qui a de graves consequences sur la vie aux poles ^{[ N 6 ]} . En plus des cancers de la peau, on observe aussi un affaiblissement general du systeme immunitaire .

Sur Mars [ modifier | modifier le code ]

Sur la planete Mars , trois couches d'ozone distinctes ont ete identifiees dans son atmosphere . Une couche est situee en dessous de 30  km d'altitude, une autre est presente durant le printemps et l'ete de l'hemisphere nord martien (entre 30 et 60  km ) et une autre au-dessus du pole sud entre 40 et 60  km . La couche presente au-dessus du pole sud n'a pas d'equivalent au pole nord ^{[ 12 ]} .

Preservation planetaire [ modifier | modifier le code ]

Mesures prises [ modifier | modifier le code ]

Le Protocole de Montreal , signe en septembre 1987 puis revise a Londres , Copenhague , Montreal et Pekin jusqu'en 1999, a preconise une diminution des emissions de CFC de 50 % en dix ans. Sa ratification universelle (196 pays) a ete atteinte en 2009, ce qui constitue un evenement puisqu'il est le premier traite environnemental international a atteindre ce statut.

L' Union europeenne a propose en 1989 une interdiction totale de l'utilisation des CFC ( chlorofluorocarbure ) durant les annees 1990, qui fut approuvee par les Etats-Unis . L'Union europeenne s'est ensuite dotee d'outils juridiques, dont le reglement europeen (1005/2009) visant a transposer le Protocole de Montreal en droit europeen, tout en fixant des objectifs plus ambitieux de reduction ou d'interdiction de certains gaz detruisant la couche d'ozone.

Avenir [ modifier | modifier le code ]

Les delegues de 190 pays reunis a Montreal le 12 septembre 2007 ont pu saluer, vingt ans apres la signature du protocole, la reussite du projet qui se concretise par un arret total de la production des chlorofluorocarbures prevu en 2010 et une estimation optimiste de la communaute scientifique : la couche d'ozone retrouvera normalement son etat de 1980 entre 2055 et 2065.

Il etait prevu d'eliminer les hydrochlorofluorocarbures , les principaux substituts des chlorofluorocarbures, d'ici a 2020 pour les pays industrialises et 2040 pour les pays en voie de developpement. Des chercheurs ont etabli recemment que l'elimination precoce (dix ans plus tot, soit en 2030) des hydrochlorofluorocarbures reduirait l'effet de serre dans une proportion superieure a ce que doit permettre le Protocole de Kyoto sur le changement climatique. Un accord a ete conclu, lors de cette 19 ^e  reunion des parties qui permet une acceleration de la sortie de l'utilisation des hydrochlorofluorocarbures. En vertu de cette entente, la production de ces substances sera gelee en 2013 a son niveau moyen de 2009-2010. Les pays industrialises arreteront la production et la consommation en 2020, reduisant celles-ci a 75 % en 2010 et 90 % en 2015 ^{[ N 7 ]} . Les pays en developpement reduiront de 10 % en 2015, 35 % en 2020, 67,5 % en 2025, gardant 2,5 % en moyenne sur les cinq dernieres annees pour la maintenance.

Si le lien de causalite entre CFC et trou est demontre ou si ce dernier disparait sur une longue periode on pourra etablir que le Protocole de Montreal a ete un succes de la communaute internationale, capable de resoudre des problemes environnementaux.

Un rapport scientifique de l' ONU , publie en janvier 2023, indique que la couche d'ozone est ≪ en bonne voie ≫ pour se reconstituer en 40 ans. Cependant, certains projets tels que l'injection de particules dans l'atmosphere, ≪ pourrai[en]t avoir pour consequence une grave baisse du niveau de l'ozone ≫, selon le copresident du panel scientifique ^{[ 13 ]} .

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

Notes [ modifier | modifier le code ]

References [ modifier | modifier le code ]

Voir aussi [ modifier | modifier le code ]

Bibliographie [ modifier | modifier le code ]

• M.T. Abdoulwahab, Etude de la variabilite et la tendance de l'ozone stratospherique au-dessus des tropiques et subtropiques sud , these de doctorat, universite de la Reunion, 2016
• Gerard Megie , L'ozone stratospherique , Londres/Paris/New York, Tec & Doc Lavoisier, coll.  ≪ Rapport de l'Academie des sciences ≫, 1998 , 271  p. ( ISBN   2-7430-0256-5 , presentation en ligne )
• Patrick Aimedieu , L'ozone stratospherique , Paris, Presses universitaires de France , coll.  ≪  Que sais-je ?  ≫, 1996 , 127  p. ( ISBN   2-13-047443-8 )
• (en) Sophie Godin-Bekkmann, Paul A. Newnan et Irina Petropavlovskikh, ≪  30th Anniversary of the Montreal Protocol : From the safeguard of the ozone layer to the protection of the Earth Climate  ≫, Comptes Rendus Geoscience , vol.  350, n ^o  7,‎ novembre 2018 , p.  331-448 , un numero special consacre a l'apres-Montreal

Articles connexes [ modifier | modifier le code ]

Liens externes [ modifier | modifier le code ]

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  • Tchequie
• L'effet de serre et la couche d'ozone
• ≪  L'ozone stratospherique  ≫, sur Environnement Canada
• ≪  Programme des Nations unies pour l’Environnement - Secretariat de l’Ozone  ≫, sur UNEP
• ≪  La production de gaz qui appauvrissent la couche d'ozone en France  ≫, sur IFEN
• ≪  Voir le trou dans la couche d'ozone en temps reel d'apres des donnees de satellites de la NASA  ≫, sur NASA

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