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Le trou dans la couche d'ozone

L'ozone (O3) a depuis toujours été associé au cycle de la vie sur Terre, il est un dérivé de l'oxygène (O2), et formé par photosynthèse. Ce phénomène fondamental de la vie végétale, commencé il y a environ 3,4 milliards d'années, a provoqué un enrichissement en O2 de l'atmosphère, favorisant le développement de la biosphère. Aujourd'hui cette couche se trouve en danger. G. Busca
Observatoire cantonal de Neuchâtel

Giovanni BUSCA, Docteur en physique de l'Université de Turin en Italie et Professeur à l'Université Lavai, Québec, Canada de 1970 à 1978, a poursuivi par la suite une carrière industrielle à Neuchâtel en Suisse jusqu'en 1987. Depuis 1988 il est le directeur de l'Observatoire de Neuchâtel où il a introduit en 1991 l'activité Lidar. L'Observatoire participe aux plus importantes campagnes européennes pour la mesure du trou d'O3 et est actif dans le développement de nouvelles techniques Lidar pour l'agence Spatiale Européenne.

Dans la stratosphère (atmosphère se situant au-dessus de 10 km d'altitude), l'oxygène absorbe les rayons Ultra-Violets-C en se dissociant en oxygène atomique (0)1.

La plus grande quantité d'ozone (O3) se situe entre 10 et 50 km et environ 10% dans la troposphère (en dessous de 10 km). La quantité totale est minime : 3 molécules d'03 pour 10 millions de molécules d'air. Si on amenait à la surface de la Terre (à pression atmosphérique et à température normale) tout l'03 contenu dans l'atmosphère, on obtiendrait une couche ayant une épaisseur moyenne de 3 mm. L'épaisseur équivalente de l'atmosphère serait par contre de 8 km. Cela justifie l'expression de couche d'03.

Une caractéristique naturelle de la couche d'O3 est sa variabilité dans le temps et l'espace.

On pourrait imaginer que l'épaisseur de la couche devrait être maximale à l'équateur et aux tropiques. Or c'est le contraire. La génération plus massive d'03 se fait effectivement aux faibles latitudes, mais les mouvements et la circulation de l'atmosphère provoquent une accumulation d'03 aux deux pôles qui atteint son maximum pendant les printemps respectifs.

Pendant ces vingt dernières années, on n'a pas observé une diminution de la quantité d'03 aux tropiques, qui est au contraire assez constante, mais une diminution systématique au pôle sud (trou d'ozone) et au pôle nord à la fin des hivers respectifs. La dissymétrie pôle nord, pôle sud est due à un mixage atmosphérique beaucoup plus efficace au pôle nord à cause de sa configuration mouvementée.

Le trou dans la couche d'ozone

D'après les mesures effectuées à la station anglaise de Halley Bay en Antarctique depuis 1957, on entrevoit une baisse de la colonne d'03 à partir de 1980. Toutefois c'est seulement en octobre 1985 que M.J.C. Farman sonna l'alerte. La diminution avait atteint 30 %. En même temps M. Farman montrait une bonne corrélation entre la diminution de la couche et la production industrielle des CFC qui semblait confirmer les prévisions des scientifiques américains J.M. Molina et F.S. Rowald, annoncées en 1974. Depuis, le phénomène s'est répété régulièrement en s'amplifiant. Aujourd'hui on sait, d'après les mesures in situ, qu'à la fin de l'hiver austral, quand revient la lumière du soleil, commence la destruction de l'03. Elle peut atteindre la valeur de 50% sur une période d'un mois2.

L'annonce de Farman étonna les scientifiques, ils ne pouvaient pas comprendre quel mécanisme pouvait fournir la quantité de chlore nécessaire et aussi quelle réaction pouvait être aussi efficace et rapide dans la destruction de l'03.

Une première explication fut fournie par la découverte que les nuages polaires stratosphériques, connus exclusivement comme une curiosité météorologique de la nature à cette extrême latitude, pouvaient être le catalyseur de réactions capables de libérer tout le Chlore (Cl) stocké dans les gaz réservoirs3, fournissant ainsi les quantités de Cl actif nécessaires par photodissociation.

Les nuages polaires stratosphériques formés par l'eau gelée sur des aérosols de HN03, se forment à de très basses températures (en dessous de 80°C). Cela expliquait entre autre la localisation du phénomène en Antarctique plutôt qu'en Arctique où, pour des questions de circulation d'air, la température est typiquement de 15°C supérieure.

Deuxièmement, en 1987, Mario Molina, Professeur au Massachusetts Institute of Technology a mis en évidence une nouvelle réaction catalytique de destruction de l'03. La particularité de ce cycle est qu'il opère efficacement à de basses températures, avec de fortes concentrations de ClO et par photodissociation. Un modèle du trou, imparfait, pouvait expliquer la plupart de ses caractéristiques ainsi que les conditions nécessaires à sa formation :

1- Présence d'un tourbillon polaire stable : celui-ci se produit naturellement dans la saison hivernale, est stable sur plusieurs mois en Antarctique, isole l'air à l'intérieur du tourbillon. Il permet ainsi la progression imperturbée des réactions chimiques aboutissant à la destruction massive de l'O3.

2- Températures en dessous de -80°C sur de longues périodes.

3- Présence de la lumière du soleil pour permettre la photodissociation.

Ce sont là les conditions typiques en Antarctique au mois d'octobre lorsque le trou atteint un maximum.

Les modèles

Les modèles4, en accord avec les mesures expérimentales, font état d'une diminution de la couche d'O3, aux moyennes latitudes qui nous intéressent, de 5% par décade. Une diminution supplémentaire de 2% en 1992-1993 a été attribuée à la présence des aérosols générés par l'éruption du Pinatubo.

Les modèles prévoient une augmentation du chlore actif jusqu'à la fin du millénaire, suivie d'une lente diminution permettant d'atteindre aux environs de l'an 2050, le niveau de 1980 (niveau avant la formation du trou d'ozone). Cela signifie que le trou d'ozone disparaîtra au plus tard à cette date.

En Arctique, à cause de la configuration orographique différente, l'instabilité du tourbillon hivernal et les températures hivernales plus élevées qu'en Antarctique, les conditions pour développer un véritable trou d'03 ne se sont pas encore vérifiées jusqu'à présent. En hiver 1991-1992, la campagne de mesures européennes EASOE (European Arctic Stratospheric Ozone Experiment) a pu démontrer une destruction d'O3 à un taux de presque 1% par jour dans une région limitée de l'Arctique.

Et le danger d'un trou est bien réel, toutefois, en dépit de l'alarme prématurée lancée par les collègues américains, qui a semé une vague de panique dans tous les médias, le trou ne s'est pas développé, le retour de températures plus élevées ayant interrompu le processus de destruction. Avec l'augmentation prévue, d'ici à la fin de la décennie, de chlore stratosphérique, on ne peut pas exclure catégoriquement la possibilité qu'un trou d'O3 puisse apparaître en Arctique. Toutefois, après l'année 2000, cette concentration de chlore devrait baisser et la probabilité d'un trou Arctique devrait devenir beaucoup plus faible.

Une diminution de la couche d'O3 s'accompagne d'une augmentation des UV-B qui arrivent à la surface de la Terre. Cette augmentation des UV-B entraîne des risques chez l'homme ou les animaux (brûlures de la peau, cancers de la peau, cataracte, diminution de réponse immunitaire), pour l'écosystème biologique marin (diminution du phytoplancton avec répercussion sur la chaîne alimentaire), pour les forêts et les cultures (diminution de la photosynthèse et diminution de la productivité).

Nous n'avons pas aujourd'hui la preuve scientifique d'une augmentation des UV-B tout au long de ces dernières années, faute de mesures systématiques et fiables. Dans l'hémisphère Nord, aux moyennes latitudes, des épisodes de UV-B assez élevés ont été remarqués. Les effets négatifs de l'augmentation des UV-B ont été remarqués dans les régions limitrophes du trou d'ozone en Antarctique (Australie, Amérique du Sud). La mode des bains de soleil y a été radicalement modifiée.

Même si une attitude trop alarmiste nous paraît injustifiée, une attitude d'irresponsabilité le serait encore plus ; la vigilance s'impose donc. En ce qui concerne la région européenne, directement intéressée par un éventuel "trou Arctique", cette vigilance est mise en place. Une campagne de mesure européenne (Airborne Polar Stratospheric Experiment, APE) permettra de faire pendant l'hiver 96/97 (l'article date de 1996 -NDR-) le point de la situation. De plus, des mesures in situ au moyen d'un avion-espion russe transformé (Geophysica 55) pourront être faites directement dans le PSC et révéler ainsi les détails qui sont encore inconnus des réactions hétérogènes, affinant ainsi notre capacité de prévision.

Conclusion

La diminution de la couche d'O3 et la formation périodique du trou en Antarctique sont des phénomènes qui ont intéressé non seulement les scientifiques mais aussi les médias, le grand public, les politiciens et le monde économique. Et pour une bonne cause : le danger que les UV du soleil, moins bien filtrés par une couche d'O3 affaiblie, pouvait représenter pour la vie humaine.

Polémiques entre scientifiques, manipulations plus ou moins intéressées de l'information et des médias et même des mouvements de panique n'ont pas manqué, particulièrement après la découverte du trou en 85. Toutefois un important effort de recherche (campagnes de mesures in situ, observations par satellites, études de nouvelles réactions en laboratoire et amélioration des modèles numériques) a finalement abouti à un résultat raisonnable : le protocole de Montréal en 1987 et ses révisions successives (à Londres en 1990 et Copenhague en 1992) qui interdisent la production de CFC, désormais remplacé par des substances non dangereuses pour la couche d'03. Donc, en dépit de certains excès, l'interaction entre scientifiques, médias, monde politique et économique, a été globalement positive. En effet, grâce à l'application du protocole de Montréal, une solution du problème pointe déjà à l'horizon: le taux d'augmentation des CFC dans la troposphère a diminué de moitié, ce qui permet de prévoir que ce problème, créé par l'homme, pourrait être finalement maîtrisé par l'homme vers la moitié du siècle prochain. On doit encore s'attendre à une détérioration jusqu'à l'an 2000 environ. Ensuite commencera la lente récupération de couche d'O3 et le trou disparaîtra.

POUR EN SAVOIR PLUS

World Meteorological Organisation
Global Ozone Research and Monitoring Project - Report No. 37. "Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1994", disponible chez Dr. R. Bojkov, P.O. Box 2300, 1211 Genève, Suisse.

T. Peter
The Stratospheric Ozone Layer an Overview, Environmental Pollution 83, pp. 69-79, 1994.

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1- Cette réaction assure non seulement la protection contre les UV-C, mais produit de l'ozone par une réaction secondaire entre 0 et 02. L'03 à son tour se dissocie sous l'action des UV-B en les absorbant presque intégralement. Cela complète le cycle de protection de la vie. Un effet thermique important associé à l'absorption des UV-B est aussi l'inversion de température. Cette inversion stabilise la distribution verticale des gaz stratosphériques et joue aussi un rôle déterminant pour l'équilibre thermique et le climat de la planète. -Retour-

2- La totalité de l'O3 est pratiquement détruite entre 15 et 20 km d'altitude, sur toute la région antarctique et les régions limitrophes : on parle alors de "trou". -Retour-

3- Les gaz réservoirs tel que l'acide chlorhydrique (HCl) et le nitrate de chlore (ClONO2) contiennent des grandes quantités de chlore sous forme non réactive. -Retour-

4- Les modèles cherchent à prévoir l'évolution de la couche d'O3 en se basant sur les réactions fondamentales découvertes par J.P. Crutzen (1974) ainsi que par Molina et Rowland (les trois scientifiques ont d'ailleurs reçu le prix Nobel de la chimie en 1995 comme reconnaissance officielle de l'importance de leur découverte). -Retour-

dernière mise à jour : 05/10/2017

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