Appauvrissement de l'ozone - Ozone depletion

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icône audio « Qu'est-il arrivé au trou d'ozone ? , Distillations Podcast Épisode 230, 17 avril 2018, Science History Institute

L'appauvrissement de la couche d'ozone consiste en deux événements liés observés depuis la fin des années 1970 : une diminution constante d'environ quatre pour cent de la quantité totale d' ozone dans l' atmosphère terrestre (la couche d'ozone ) et une diminution beaucoup plus importante au printemps de l' ozone stratosphérique autour des régions polaires de la Terre. Ce dernier phénomène est appelé le trou dans la couche d'ozone . Il y a aussi des événements d'appauvrissement de l'ozone troposphérique polaire au printemps en plus de ces événements stratosphériques.

La principale cause de l'appauvrissement de la couche d'ozone et du trou dans la couche d'ozone sont les produits chimiques manufacturés, en particulier les réfrigérants halocarbures manufacturés , les solvants , les propulseurs et les agents d' expansion des mousses ( chlorofluorocarbures (CFC), HCFC, halons ), appelés substances appauvrissant la couche d' ozone ( SAO ). Ces composés sont transportés dans la stratosphère par mélange turbulent après avoir été émis depuis la surface, se mélangeant beaucoup plus rapidement que les molécules ne peuvent se déposer. Une fois dans la stratosphère, ils libèrent des atomes du groupe halogène par photodissociation , qui catalyse la décomposition de l'ozone (O 3 ) en oxygène (O 2 ). On a observé que les deux types d'appauvrissement de la couche d'ozone augmentaient à mesure que les émissions d'halocarbures augmentaient.

L'appauvrissement de la couche d'ozone et le trou dans la couche d'ozone ont suscité des inquiétudes dans le monde entier concernant les risques accrus de cancer et d'autres effets négatifs. La couche d'ozone empêche la plupart des longueurs d'onde nocives de la lumière ultraviolette (UV) de traverser l' atmosphère terrestre . Ces longueurs d'onde provoquent des cancers de la peau , des coups de soleil , une cécité permanente et des cataractes , qui devraient augmenter considérablement en raison de l'amincissement de l'ozone, ainsi que des dommages aux plantes et aux animaux. Ces préoccupations ont conduit à l'adoption du Protocole de Montréal en 1987, qui interdit la production de CFC, de halons et d'autres produits chimiques appauvrissant la couche d'ozone.

L'interdiction est entrée en vigueur en 1989. Les niveaux d'ozone se sont stabilisés au milieu des années 1990 et ont commencé à se redresser dans les années 2000, alors que le déplacement du courant-jet dans l'hémisphère sud vers le pôle sud s'est arrêté et pourrait même s'inverser. La reprise devrait se poursuivre au cours du siècle prochain et le trou dans la couche d'ozone devrait atteindre les niveaux d'avant 1980 vers 2075. En 2019, la NASA a signalé que le trou dans la couche d'ozone était le plus petit depuis sa découverte en 1982.

Le Protocole de Montréal est considéré comme l'accord environnemental international le plus réussi à ce jour.

Aperçu du cycle de l'ozone

Le cycle de l'ozone

Trois formes (ou allotropes ) d' oxygène sont impliquées dans le cycle ozone-oxygène : les atomes d'oxygène (O ou oxygène atomique), l'oxygène gazeux ( O
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ou l'oxygène diatomique), et l'ozone gazeux ( O
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ou oxygène triatomique). L'ozone se forme dans la stratosphère lorsque les molécules d'oxygène se photodissocient après avoir absorbé des photons ultraviolets. Cela convertit un seul O
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en deux radicaux atomiques d'oxygène . Les radicaux d'oxygène atomiques se combinent ensuite avec O séparé
2
molécules pour créer deux O
3
molécules. Ces molécules d'ozone absorbent la lumière ultraviolette (UV), après quoi l'ozone se divise en une molécule d' O
2
et un atome d'oxygène. L'atome d'oxygène se joint alors à une molécule d'oxygène pour régénérer l'ozone. Il s'agit d'un processus continu qui se termine lorsqu'un atome d'oxygène se recombine avec une molécule d'ozone pour faire deux O
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molécules.

O + O
3
2O
2

La quantité totale d'ozone dans la stratosphère est déterminée par un équilibre entre la production photochimique et la recombinaison.

L'ozone peut être détruit par un certain nombre de catalyseurs à radicaux libres ; les plus importants sont le radical hydroxyle (OH·), le radical oxyde nitrique (NO·), le radical chlore (Cl·) et le radical brome (Br·). Le point est une notation pour indiquer que chaque espèce a un électron non apparié et est donc extrêmement réactive. Tous ces éléments ont à la fois des sources naturelles et artificielles ; à l'heure actuelle, la plupart des OH· et NO· dans la stratosphère sont d'origine naturelle, mais l'activité humaine a considérablement augmenté les niveaux de chlore et de brome. Ces éléments se trouvent dans des composés organiques stables, en particulier les chlorofluorocarbures , qui peuvent voyager jusqu'à la stratosphère sans être détruits dans la troposphère en raison de leur faible réactivité. Une fois dans la stratosphère, les atomes Cl et Br sont libérés des composés parents par l'action de la lumière ultraviolette, par exemple

CFCl
3
+ rayonnement électromagnétique → Cl· + · CFCl
2


Quantité totale d'ozone moyenne mensuelle mondiale

L'ozone est une molécule hautement réactive qui se réduit facilement à la forme d'oxygène plus stable à l'aide d'un catalyseur. Les atomes de Cl et de Br détruisent les molécules d'ozone à travers une variété de cycles catalytiques . Dans l'exemple le plus simple d'un tel cycle, un atome de chlore réagit avec une molécule d'ozone ( O
3
), prenant un atome d'oxygène pour former du monoxyde de chlore (ClO) et laissant une molécule d'oxygène ( O
2
). Le ClO peut réagir avec une seconde molécule d'ozone, libérant l'atome de chlore et produisant deux molécules d'oxygène. Le raccourci chimique pour ces réactions en phase gazeuse est :

  • Cl· + O
    3
    → ClO + O
    2

    Un atome de chlore élimine un atome d'oxygène d'une molécule d'ozone pour former une molécule de ClO
  • ClO + O
    3
    → Cl· + 2 O
    2

    Ce ClO peut également retirer un atome d'oxygène d'une autre molécule d'ozone ; le chlore est libre de répéter ce cycle en deux étapes

L'effet global est une diminution de la quantité d'ozone, bien que le taux de ces processus puisse être diminué par les effets des cycles nuls . Des mécanismes plus complexes ont également été découverts qui conduisent à la destruction de l'ozone dans la basse stratosphère.

Un seul atome de chlore détruirait en continu l'ozone (donc un catalyseur) jusqu'à deux ans (l'échelle de temps pour le transport vers la troposphère) à l'exception des réactions qui le retirent de ce cycle en formant des espèces réservoirs telles que le chlorure d'hydrogène (HCl) et le nitrate de chlore ( ClONO
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). Le brome est encore plus efficace que le chlore pour détruire l'ozone par atome, mais il y a actuellement beaucoup moins de brome dans l'atmosphère. Le chlore et le brome contribuent tous deux de manière significative à l'appauvrissement global de la couche d'ozone. Des études en laboratoire ont également montré que les atomes de fluor et d'iode participent à des cycles catalytiques analogues. Cependant, les atomes de fluor réagissent rapidement avec l'eau et le méthane pour former du HF fortement lié dans la stratosphère terrestre, tandis que les molécules organiques contenant de l'iode réagissent si rapidement dans la basse atmosphère qu'elles n'atteignent pas la stratosphère en quantités importantes.

Un seul atome de chlore est capable de réagir avec une moyenne de 100 000 molécules d'ozone avant d'être retiré du cycle catalytique. Ce fait, ajouté à la quantité de chlore rejetée dans l'atmosphère chaque année par les chlorofluorocarbures (CFC) et les hydrochlorofluorocarbures (HCFC), démontre le danger des CFC et des HCFC pour l'environnement.

Observations sur l'appauvrissement de la couche d'ozone

Valeur la plus basse de l'ozone mesurée par TOMS chaque année dans le trou d'ozone

Le trou dans la couche d'ozone est généralement mesuré par la réduction de la colonne d'ozone totale au-dessus d'un point à la surface de la Terre. Ceci est normalement exprimé en unités Dobson ; abrégé en "DU". La diminution la plus importante de l'ozone s'est produite dans la basse stratosphère. Des diminutions marquées de la colonne d'ozone au printemps antarctique et au début de l'été par rapport au début des années 1970 et avant ont été observées à l'aide d'instruments tels que le spectromètre de cartographie de l'ozone total (TOMS).

Les réductions jusqu'à 70 pour cent de la colonne d'ozone observées au printemps austral (hémisphère sud) au-dessus de l'Antarctique et signalées pour la première fois en 1985 (Farman et al.) se poursuivent. L'ozone total de la colonne de l'Antarctique en septembre et octobre a continué d'être inférieur de 40 à 50 pour cent aux valeurs d'avant le trou d'ozone depuis les années 1990. Une tendance graduelle à la "guérison" a été signalée en 2016. En 2017, la NASA a annoncé que le trou dans la couche d'ozone était le plus faible depuis 1988 en raison des conditions stratosphériques chaudes. Il devrait se redresser vers 2070.

La quantité perdue est plus variable d'une année à l'autre dans l' Arctique que dans l'Antarctique. Les déclins arctiques les plus importants se produisent en hiver et au printemps, atteignant jusqu'à 30 pour cent lorsque la stratosphère est la plus froide.

Les réactions qui ont lieu sur les nuages ​​stratosphériques polaires (PSC) jouent un rôle important dans l'amélioration de l'appauvrissement de la couche d'ozone. Les CSP se forment plus facilement dans le froid extrême de la stratosphère arctique et antarctique. C'est pourquoi les trous d'ozone se sont d'abord formés et sont plus profonds au-dessus de l'Antarctique. Les premiers modèles n'ont pas pris en compte les PSC et ont prédit un épuisement mondial progressif, c'est pourquoi le trou d'ozone soudain en Antarctique a été une telle surprise pour de nombreux scientifiques.

Il est plus exact de parler d'appauvrissement de la couche d'ozone aux latitudes moyennes plutôt que de trous. L'ozone total de la colonne a diminué sous les valeurs d'avant 1980 entre 1980 et 1996 pour les latitudes moyennes. Dans les latitudes moyennes du nord, il a ensuite augmenté d'environ deux pour cent par rapport à la valeur minimale de 1996 à 2009, lorsque les réglementations sont entrées en vigueur et que la quantité de chlore dans la stratosphère a diminué. Dans les latitudes moyennes de l'hémisphère sud, l'ozone total est resté constant au cours de cette période. Il n'y a pas de tendances significatives dans les tropiques, en grande partie parce que les composés contenant des halogènes n'ont pas eu le temps de se décomposer et de libérer des atomes de chlore et de brome aux latitudes tropicales.

Il a été démontré que les grandes éruptions volcaniques ont des effets substantiels mais inégaux d'appauvrissement de la couche d'ozone, comme cela a été observé lors de l'éruption du mont Pinatubo en 1991 aux Philippines.

L'appauvrissement de la couche d'ozone explique également une grande partie de la réduction observée des températures stratosphériques et de la haute troposphère. La source de chaleur de la stratosphère est l'absorption du rayonnement UV par l'ozone, d'où la réduction de l'ozone conduit au refroidissement. Un certain refroidissement stratosphérique est également prévu à partir de l'augmentation des gaz à effet de serre tels que le CO
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et les CFC eux-mêmes; cependant, le refroidissement induit par l'ozone semble être dominant.

Les prévisions des niveaux d'ozone restent difficiles, mais la précision des prévisions des modèles des valeurs observées et l'accord entre les différentes techniques de modélisation ont augmenté régulièrement. Le Projet mondial de recherche et de surveillance de l'ozone de l'Organisation météorologique mondiale – Rapport n° 44 se prononce fortement en faveur du Protocole de Montréal , mais note qu'une évaluation du PNUE de 1994 a surestimé la perte d'ozone pour la période 1994-1997.

Composés dans l'atmosphère

CFC et composés apparentés dans l'atmosphère

Les chlorofluorocarbures (CFC) et d'autres substances halogénées appauvrissant la couche d'ozone (SAO) sont principalement responsables de l'appauvrissement chimique de la couche d'ozone d'origine humaine. La quantité totale d'halogènes efficaces (chlore et brome) dans la stratosphère peut être calculée et est connue sous le nom de chlore stratosphérique efficace équivalent (CESE).

Les CFC en tant que réfrigérants ont été inventés par Thomas Midgley, Jr. dans les années 1930. Ils étaient utilisés dans les unités de climatisation et de refroidissement, comme propulseurs d'aérosols avant les années 1970 et dans les processus de nettoyage d'équipements électroniques délicats. Ils se produisent également en tant que sous-produits de certains processus chimiques. Aucune source naturelle importante n'a jamais été identifiée pour ces composés - leur présence dans l'atmosphère est presque entièrement due à la fabrication humaine. Comme mentionné ci-dessus, lorsque ces produits chimiques appauvrissant la couche d'ozone atteignent la stratosphère, ils sont dissociés par la lumière ultraviolette pour libérer des atomes de chlore. Les atomes de chlore agissent comme un catalyseur et chacun peut décomposer des dizaines de milliers de molécules d'ozone avant d'être retiré de la stratosphère. Compte tenu de la longévité des molécules de CFC, les temps de récupération se mesurent en décennies. On calcule qu'une molécule de CFC met en moyenne cinq à sept ans pour passer du niveau du sol à la haute atmosphère, et qu'elle peut y rester pendant environ un siècle, détruisant jusqu'à cent mille molécules d'ozone pendant ce temps.

Le 1,1,1-trichloro-2,2,2-trifluoroéthane , également connu sous le nom de CFC-113a, est l'un des quatre produits chimiques artificiels nouvellement découverts dans l'atmosphère par une équipe de l'Université d'East Anglia. Le CFC-113a est le seul CFC connu dont l'abondance dans l'atmosphère continue de croître. Sa source reste un mystère, mais la fabrication illégale est suspectée par certains. Le CFC-113a semble s'être accumulé sans relâche depuis 1960. Entre 2012 et 2017, les concentrations de gaz ont bondi de 40 %.

Une étude réalisée par une équipe internationale de chercheurs publiée dans Nature a révélé que depuis 2013, les émissions qui proviennent principalement du nord-est de la Chine ont libéré de grandes quantités du produit chimique interdit Chlorofluorocarbon-11 (CFC-11) dans l'atmosphère. Les scientifiques estiment que sans action, ces émissions de CFC-11 retarderont la reconstitution du trou d'ozone de la planète d'une décennie.

Modélisation informatique

Les scientifiques ont attribué l'appauvrissement de la couche d'ozone à l'augmentation des composés halogènes artificiels ( anthropiques ) provenant des CFC en combinant des données d'observation avec des modèles informatiques. Ces modèles de transport chimiques complexes (par exemple SLIMCAT , CLaMSModèle chimique lagrangien de la stratosphère) fonctionnent en combinant des mesures de produits chimiques et de champs météorologiques avec des constantes de vitesse de réaction chimique. Ils identifient les réactions chimiques clés et les processus de transport qui mettent les produits de photolyse des CFC en contact avec l'ozone.

Le trou d'ozone et ses causes

Trou d'ozone en Amérique du Nord en 1984 (anormalement chaud, réduisant l'appauvrissement de la couche d'ozone) et 1997 (anormalement froid, entraînant un épuisement saisonnier accru). Source : NASA

Le trou d'ozone de l'Antarctique est une zone de la stratosphère antarctique dans laquelle les niveaux récents d'ozone ont chuté jusqu'à 33 pour cent de leurs valeurs d'avant 1975. Le trou dans la couche d'ozone se produit pendant le printemps antarctique, de septembre à début décembre, alors que de forts vents d'ouest commencent à circuler autour du continent et créent un conteneur atmosphérique. Au sein de ce vortex polaire , plus de 50 pour cent de l'ozone stratosphérique inférieur est détruit au cours du printemps antarctique.

Comme expliqué ci-dessus, la principale cause de l'appauvrissement de la couche d'ozone est la présence de gaz sources contenant du chlore (principalement des CFC et des halocarbures associés). En présence de lumière UV, ces gaz se dissocient, libérant des atomes de chlore, qui catalysent ensuite la destruction de l'ozone. L'appauvrissement de l'ozone catalysé par le Cl peut avoir lieu en phase gazeuse, mais il est considérablement accru en présence de nuages ​​stratosphériques polaires (PSC).

Ces nuages ​​stratosphériques polaires se forment en hiver, par grand froid. Les hivers polaires sont sombres, consistant en trois mois sans rayonnement solaire (lumière du soleil). Le manque de soleil contribue à une baisse de température et le vortex polaire piège et refroidit l'air. Les températures oscillent autour ou en dessous de -80 °C. Ces basses températures forment des particules nuageuses. Il existe trois types de nuages ​​PSC - les nuages ​​d'acide nitrique trihydraté, les nuages ​​​​d'eau-glace à refroidissement lent et les nuages ​​d'eau-glace à refroidissement rapide (nacrés) - fournissent des surfaces pour les réactions chimiques dont les produits conduiront, au printemps, à la destruction de l'ozone.

Les processus photochimiques impliqués sont complexes mais bien compris. L'observation clé est que, d'ordinaire, la majeure partie du chlore dans la stratosphère réside dans des composés « réservoir », principalement du nitrate de chlore ( ClONO
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) ainsi que des produits finaux stables tels que HCl. La formation de produits finaux élimine essentiellement le Cl du processus d'appauvrissement de la couche d'ozone. L'ancien séquestre Cl, qui peut ensuite être rendu disponible via l'absorption de lumière à des longueurs d'onde inférieures à 400 nm. Pendant l'hiver et le printemps antarctiques, cependant, des réactions à la surface des particules des nuages ​​stratosphériques polaires convertissent ces composés "réservoirs" en radicaux libres réactifs (Cl et ClO). La dénitrification est le processus par lequel les nuages ​​éliminent le NO
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de la stratosphère en le convertissant en acide nitrique dans les particules de PSC, qui sont ensuite perdues par sédimentation. Cela empêche le ClO nouvellement formé d'être reconverti en ClONO
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.

Le rôle de la lumière du soleil dans l'appauvrissement de la couche d'ozone est la raison pour laquelle l'appauvrissement de la couche d'ozone en Antarctique est le plus important au printemps. Pendant l'hiver, même si les CSP sont les plus abondants, il n'y a pas de lumière au-dessus du pôle pour provoquer des réactions chimiques. Au printemps, cependant, la lumière du soleil revient et fournit de l'énergie pour entraîner des réactions photochimiques et faire fondre les nuages ​​stratosphériques polaires, libérant une quantité considérable de ClO, qui entraîne le mécanisme des trous. Un nouveau réchauffement des températures vers la fin du printemps brise le vortex vers la mi-décembre. Aussi chaud, l'ozone et le NO
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-de l'air riche entre des latitudes inférieures, les PSC sont détruits, le processus d'appauvrissement de la couche d'ozone s'arrête et le trou dans la couche d'ozone se ferme.

La majeure partie de l'ozone qui est détruit se trouve dans la basse stratosphère, contrairement à l'appauvrissement de l'ozone beaucoup plus faible par des réactions homogènes en phase gazeuse, qui se produit principalement dans la haute stratosphère.

Intérêt pour l'appauvrissement de la couche d'ozone

Les idées fausses et les malentendus du public sur des problèmes complexes comme l'appauvrissement de la couche d'ozone sont courants. Les connaissances scientifiques limitées du public ont conduit à une confusion sur le réchauffement climatique ou la perception du réchauffement climatique comme un sous-ensemble du "trou d'ozone". Au début, les ONG vertes classiques se sont abstenues d'utiliser l'épuisement des CFC pour faire campagne, car elles pensaient que le sujet était trop compliqué. Ils sont devenus actifs beaucoup plus tard, par exemple dans le soutien de Greenpeace à un réfrigérateur sans CFC produit par l'ancienne société est-allemande VEB dkk Scharfenstein.

Les métaphores utilisées dans la discussion sur le CFC (bouclier d'ozone, trou d'ozone) ne sont pas "exactes" au sens scientifique du terme. Le "trou d'ozone" est plus une dépression , moins "un trou dans le pare-brise". L'ozone ne disparaît pas à travers la couche et il n'y a pas non plus d'"amincissement" uniforme de la couche d'ozone. Cependant, ils ont mieux résonné avec les non-scientifiques et leurs préoccupations. Le trou dans la couche d'ozone était considéré comme un "problème brûlant" et un risque imminent, car les profanes craignaient de graves conséquences personnelles telles que le cancer de la peau, les cataractes, les dommages causés aux plantes et la réduction des populations de plancton dans la zone photique de l'océan. Non seulement au niveau politique, la régulation de l'ozone par rapport au changement climatique s'en sort bien mieux dans l'opinion publique. Les Américains ont volontairement abandonné les aérosols avant l'application de la législation, tandis que le changement climatique n'a pas réussi à susciter une préoccupation et une action publique comparables. L'identification soudaine en 1985 qu'il y avait un « trou » substantiel a été largement rapportée dans la presse. L'appauvrissement de la couche d'ozone particulièrement rapide en Antarctique avait auparavant été rejeté comme une erreur de mesure. Un consensus scientifique a été établi après réglementation.

Alors que le trou dans la couche d'ozone de l'Antarctique a un effet relativement faible sur l'ozone mondial, le trou a suscité beaucoup d'intérêt du public car :

  • Beaucoup craignent que des trous d'ozone ne commencent à apparaître sur d'autres régions du globe, bien qu'à ce jour, le seul autre épuisement à grande échelle soit une "fossette" d'ozone plus petite observée pendant le printemps arctique autour du pôle Nord. L'ozone aux latitudes moyennes a diminué, mais dans une moindre mesure (une diminution d'environ 4 à 5 pour cent).
  • Si les conditions stratosphériques deviennent plus sévères (températures plus fraîches, plus de nuages, plus de chlore actif), l'ozone global peut diminuer à un rythme plus rapide. La théorie standard du réchauffement climatique prédit que la stratosphère se refroidira.
  • Lorsque le trou d'ozone de l'Antarctique se brise chaque année, l'air appauvri en ozone dérive dans les régions voisines. Des baisses du niveau d'ozone allant jusqu'à 10 % ont été signalées en Nouvelle-Zélande au cours du mois suivant la rupture du trou d'ozone en Antarctique, l'intensité des rayonnements ultraviolets B ayant augmenté de plus de 15 % depuis les années 1970.

Conséquences de l'appauvrissement de la couche d'ozone

Étant donné que la couche d'ozone absorbe la lumière ultraviolette UVB du soleil, l'appauvrissement de la couche d'ozone augmente les niveaux d'UVB de surface (toutes choses égales par ailleurs), ce qui pourrait entraîner des dommages, notamment une augmentation du cancer de la peau . C'est la raison d'être du Protocole de Montréal. Bien que les diminutions de l'ozone stratosphérique soient bien liées aux CFC et aux augmentations des UVB de surface, il n'existe aucune preuve observationnelle directe liant l'appauvrissement de la couche d'ozone à une incidence plus élevée de cancer de la peau et de lésions oculaires chez les êtres humains. Cela s'explique en partie par le fait que les UVA , qui ont également été impliqués dans certaines formes de cancer de la peau, ne sont pas absorbés par l'ozone et qu'il est presque impossible de contrôler les statistiques sur les changements de mode de vie au fil du temps. L'appauvrissement de la couche d'ozone peut également influencer la configuration des vents.

Augmentation des UV

L'ozone, bien qu'étant un constituant minoritaire dans l'atmosphère terrestre, est responsable de la majeure partie de l'absorption du rayonnement UVB. La quantité de rayonnement UVB qui pénètre à travers la couche d'ozone diminue de façon exponentielle avec l'épaisseur et la densité du trajet oblique de la couche. Lorsque les niveaux d'ozone stratosphérique diminuent, des niveaux plus élevés d'UVB atteignent la surface de la Terre. La formation phénolique induite par les UV dans les cernes des arbres a daté le début de l'appauvrissement de la couche d'ozone dans les latitudes septentrionales à la fin des années 1700.

En octobre 2008, l' Agence spatiale équatorienne a publié un rapport intitulé HIPERION. L'étude a utilisé des instruments au sol en Équateur et les données des 28 dernières années de 12 satellites de plusieurs pays, et a constaté que le rayonnement UV atteignant les latitudes équatoriales était bien plus important que prévu, l' indice UV atteignant 24 à Quito ; l' OMS considère 11 comme un indice extrême et un grand risque pour la santé. Le rapport a conclu que l'appauvrissement des niveaux d'ozone autour des latitudes moyennes de la planète met déjà en danger de grandes populations dans ces zones. Plus tard, la CONIDA, l'Agence spatiale péruvienne, a publié sa propre étude, qui a donné presque les mêmes conclusions que l'étude équatorienne.

Effets biologiques

La principale préoccupation du public concernant le trou dans la couche d'ozone a été les effets de l'augmentation du rayonnement UV de surface sur la santé humaine. Jusqu'à présent, l'appauvrissement de la couche d'ozone dans la plupart des endroits a été généralement de quelques pour cent et, comme indiqué ci-dessus, aucune preuve directe de dommages pour la santé n'est disponible dans la plupart des latitudes. Si les niveaux élevés d'épuisement observés dans le trou d'ozone devaient être communs à travers le monde, les effets pourraient être nettement plus dramatiques. Comme le trou dans la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique s'est parfois agrandi au point d'affecter certaines parties de l' Australie , de la Nouvelle-Zélande , du Chili , de l' Argentine et de l'Afrique du Sud , les écologistes craignent que l'augmentation des UV de surface ne soit significative.

L'appauvrissement de la couche d'ozone amplifierait tous les effets des UV sur la santé humaine , à la fois positifs (y compris la production de vitamine D) et négatifs (y compris les coups de soleil, le cancer de la peau et les cataractes). De plus, l'augmentation des UV de surface entraîne une augmentation de l'ozone troposphérique, ce qui constitue un risque pour la santé des humains.

Carcinomes basocellulaires et épidermoïdes

Les formes les plus courantes de cancer de la peau chez l' homme, basales et squameuses carcinomes cellulaires, ont été fortement liés à l' exposition UVB. Le mécanisme par lequel les UVB induisent ces cancers est bien compris : l'absorption du rayonnement UVB amène les bases pyrimidiques de la molécule d'ADN à former des dimères , entraînant des erreurs de transcription lors de la réplication de l'ADN. Ces cancers sont relativement bénins et rarement mortels, bien que le traitement du carcinome épidermoïde nécessite parfois une chirurgie reconstructive étendue. En combinant les données épidémiologiques avec les résultats d'études animales, les scientifiques ont estimé que chaque diminution d'un pour cent de l'ozone stratosphérique à long terme augmenterait l'incidence de ces cancers de 2 %.

Mélanome malin

Une autre forme de cancer de la peau, le mélanome malin , est beaucoup moins fréquente mais beaucoup plus dangereuse, étant mortelle dans environ 15 à 20 % des cas diagnostiqués. La relation entre le mélanome malin et l'exposition aux ultraviolets n'est pas encore entièrement comprise, mais il semble que les UVB et les UVA soient impliqués. En raison de cette incertitude, il est difficile d'estimer l'effet de l'appauvrissement de la couche d'ozone sur l'incidence du mélanome. Une étude a montré qu'une augmentation de 10 pour cent du rayonnement UVB était associée à une augmentation de 19 pour cent des mélanomes chez les hommes et de 16 pour cent chez les femmes. Une étude sur des habitants de Punta Arenas , à la pointe sud du Chili , a montré une augmentation de 56 % du mélanome et une augmentation de 46 % du cancer de la peau non mélanique sur une période de sept ans, ainsi qu'une diminution de l'ozone et une augmentation des niveaux d'UVB.

Cataractes corticales

Des études épidémiologiques suggèrent une association entre les cataractes corticales oculaires et l'exposition aux UVB, en utilisant des approximations grossières de l'exposition et diverses techniques d'évaluation de la cataracte. Une évaluation détaillée de l'exposition oculaire aux UVB a été réalisée dans une étude sur les Watermen de la baie de Chesapeake, où les augmentations de l'exposition oculaire annuelle moyenne étaient associées à un risque accru d'opacité corticale. Dans ce groupe très exposé d'hommes à prédominance blanche, les preuves liant les opacités corticales à l'exposition au soleil étaient les plus fortes à ce jour. Sur la base de ces résultats, l'appauvrissement de la couche d'ozone devrait provoquer des centaines de milliers de cataractes supplémentaires d'ici 2050.

Augmentation de l'ozone troposphérique

L'augmentation des UV de surface entraîne une augmentation de l' ozone troposphérique . L'ozone troposphérique est généralement reconnu comme un risque pour la santé, car l'ozone est toxique en raison de ses fortes propriétés oxydantes . Les risques sont particulièrement élevés pour les jeunes enfants, les personnes âgées et celles souffrant d'asthme ou d'autres difficultés respiratoires. A l'heure actuelle, l'ozone au niveau du sol est produit principalement par l'action des rayonnements UV sur les gaz de combustion des gaz d'échappement des véhicules.

Augmentation de la production de vitamine D

La vitamine D est produite dans la peau par la lumière ultraviolette. Ainsi, une exposition plus élevée aux UVB augmente la vitamine D humaine chez ceux qui en sont déficients. Des recherches récentes (principalement depuis le Protocole de Montréal) montrent que de nombreux humains ont des niveaux de vitamine D sous-optimaux. En particulier, dans la population américaine, le quart le plus bas de vitamine D (< 17,8 ng/ml) a été trouvé à l'aide des informations de la National Health and Nutrition Examination Survey comme étant associé à une augmentation de la mortalité toutes causes confondues dans la population générale. Alors qu'un taux sanguin de vitamine D supérieur à 100 ng/ml semble augmenter excessivement le calcium sanguin et être associé à une mortalité plus élevée, le corps dispose de mécanismes qui empêchent la lumière du soleil de produire une vitamine D supérieure aux besoins du corps.

Effets sur les animaux

Un rapport de novembre 2011 rédigé par des scientifiques de l'Institute of Zoology de Londres a révélé que les baleines au large des côtes californiennes ont montré une forte augmentation des dommages causés par le soleil, et ces scientifiques "craignent que l'amincissement de la couche d'ozone soit à blâmer". L'étude a photographié et prélevé des biopsies cutanées de plus de 150 baleines dans le golfe de Californie et a trouvé « des preuves généralisées de dommages épidermiques couramment associés aux coups de soleil aigus et graves », ayant des cellules qui se forment lorsque l'ADN est endommagé par les rayons UV. Les résultats suggèrent que "l'augmentation des niveaux d'UV résultant de l'appauvrissement de la couche d'ozone est à l'origine des lésions cutanées observées, de la même manière que les taux de cancer de la peau chez l'homme ont augmenté au cours des dernières décennies". Outre les baleines, de nombreux autres animaux tels que les chiens, les chats, les moutons et les écosystèmes terrestres souffrent également des effets négatifs de l'augmentation des rayonnements UV-B.

Effets sur les cultures

On s'attendrait à ce qu'une augmentation du rayonnement UV affecte les cultures. Un certain nombre d'espèces de plantes économiquement importantes, telles que le riz , dépendent des cyanobactéries résidant sur leurs racines pour la rétention d' azote . Les cyanobactéries sont sensibles au rayonnement UV et seraient affectées par son augmentation. "Malgré les mécanismes visant à réduire ou à réparer les effets d'un rayonnement ultraviolet accru, les plantes ont une capacité limitée à s'adapter à des niveaux accrus d'UVB, donc la croissance des plantes peut être directement affectée par le rayonnement UVB."

Effets sur la vie végétale

L'appauvrissement de la couche d'ozone et le fait d'autoriser un excès de rayonnement UVB seraient initialement supposés augmenter les dommages causés à l'ADN des plantes. Des rapports ont montré que lorsque les plantes sont exposées à un rayonnement UVB similaire à l'appauvrissement de l'ozone stratosphérique, il n'y avait pas de changement significatif dans la hauteur des plantes ou la masse des feuilles, mais a montré une réponse de la biomasse des pousses et de la surface foliaire avec une légère diminution. Cependant, il a été démontré que le rayonnement UVB diminue le rendement quantique du photosystème II. Les dommages causés par les UVB ne se produisent que sous une exposition extrême, et la plupart des plantes ont également des flavonoïdes absorbant les UVB qui leur permettent de s'acclimater au rayonnement présent. Les plantes qui ont été affectées par les radiations tout au long de leur développement sont plus affectées par l'incapacité d'intercepter la lumière avec une surface foliaire plus grande que d'avoir des systèmes photosynthétiques compromis. Les dommages causés par le rayonnement UVB sont plus susceptibles d'être importants sur les interactions entre les espèces que sur les plantes elles-mêmes.

Politique publique

Projections de la NASA sur les concentrations d'ozone stratosphérique si les chlorofluorocarbures n'avaient pas été interdits

L'étendue totale des dommages que les CFC ont causés à la couche d'ozone n'est pas connue et ne le sera pas avant des décennies; cependant, des diminutions marquées de l'ozone dans la colonne ont déjà été observées. Les conventions de Montréal et de Vienne ont été mises en place bien avant qu'un consensus scientifique ne soit établi ou que d'importantes incertitudes dans le domaine scientifique soient levées. Le cas de l'ozone était relativement bien compris par les profanes car, par exemple, le bouclier d' ozone ou le trou d'ozone étaient des "métaphores de pontage faciles à comprendre". Les Américains ont volontairement abandonné les aérosols, ce qui a entraîné une perte de ventes de 50 % avant même que la législation ne soit appliquée.

Après qu'un rapport de 1976 de l' Académie nationale des sciences des États-Unis ait conclu que des preuves scientifiques crédibles étayaient l'hypothèse de l'appauvrissement de la couche d'ozone, quelques pays, dont les États-Unis, le Canada, la Suède, le Danemark et la Norvège, ont décidé d'éliminer l'utilisation des CFC dans les aérosols. bidons. À l'époque, cela était largement considéré comme un premier pas vers une politique de réglementation plus globale, mais les progrès dans cette direction se sont ralentis au cours des années suivantes, en raison d'une combinaison de facteurs politiques (résistance continue de l'industrie des halocarbures et changement général d'attitude envers l'environnement réglementation au cours des deux premières années de l'administration Reagan) et les développements scientifiques (évaluations ultérieures de la National Academy qui ont indiqué que les premières estimations de l'ampleur de l'appauvrissement de la couche d'ozone avaient été trop importantes). Un brevet de fabrication critique de DuPont pour le fréon devait expirer en 1979 . Les États-Unis ont interdit l'utilisation des CFC dans les bombes aérosols en 1978. La Communauté européenne a rejeté les propositions visant à interdire les CFC dans les aérosols, et aux États-Unis, les CFC ont continué à être utilisés comme réfrigérants et pour le nettoyage des circuits imprimés. La production mondiale de CFC a fortement chuté après l'interdiction des aérosols aux États-Unis, mais en 1986, elle était presque revenue à son niveau de 1976. En 1993, DuPont Canada a fermé son usine de CFC.

L'attitude du gouvernement américain a commencé à changer à nouveau en 1983, lorsque William Ruckelshaus a remplacé Anne M. Burford en tant qu'administrateur de l' Agence de protection de l'environnement des États-Unis . Sous Ruckelshaus et son successeur, Lee Thomas, l'EPA a préconisé une approche internationale des réglementations sur les halocarbures. En 1985, vingt pays, dont la plupart des principaux producteurs de CFC, ont signé la Convention de Vienne pour la protection de la couche d'ozone , qui a établi un cadre pour la négociation de réglementations internationales sur les substances appauvrissant la couche d'ozone. La même année, la découverte du trou d'ozone en Antarctique a été annoncée, provoquant un regain d'attention du public sur la question. En 1987, des représentants de 43 pays ont signé le Protocole de Montréal . Pendant ce temps, l'industrie des halocarbures a changé de position et a commencé à soutenir un protocole visant à limiter la production de CFC. Cependant, ce changement a été inégal, DuPont agissant plus rapidement que ses homologues européens. DuPont craignait peut-être une action en justice liée à une augmentation du cancer de la peau, d'autant plus que l'EPA avait publié une étude en 1986 affirmant que 40 millions de cas supplémentaires et 800 000 décès par cancer étaient à prévoir aux États-Unis au cours des 88 prochaines années. L'UE a également changé de position après que l'Allemagne a abandonné sa défense de l'industrie des CFC et a commencé à soutenir les initiatives de réglementation. Le gouvernement et l'industrie en France et au Royaume-Uni ont tenté de défendre leurs industries productrices de CFC même après la signature du Protocole de Montréal.

À Montréal, les participants ont convenu de geler la production de CFC aux niveaux de 1986 et de réduire la production de 50 pour cent d'ici 1999. Après qu'une série d'expéditions scientifiques en Antarctique ait produit des preuves convaincantes que le trou dans la couche d'ozone était bien causé par le chlore et le brome provenant d'organohalogénés artificiels. , le Protocole de Montréal a été renforcé lors d'une réunion en 1990 à Londres. Les participants ont convenu d'éliminer complètement les CFC et les halons (à l'exception d'une très petite quantité marquée pour certaines utilisations « essentielles », telles que les inhalateurs pour l'asthme ) d'ici 2000 dans les pays non visés à l'article 5 et d'ici 2010 dans les signataires de l'article 5 (moins développés). Lors d'une réunion à Copenhague en 1992, la date d'élimination a été reportée à 1996. Lors de la même réunion, le bromure de méthyle (MeBr), un fumigant utilisé principalement dans la production agricole, a été ajouté à la liste des substances réglementées. Pour toutes les substances contrôlées en vertu du protocole, les calendriers d'élimination ont été retardés pour les pays moins développés (« article 5(1) »), et l'élimination dans ces pays a été soutenue par des transferts d'expertise, de technologie et d'argent de pays non visés à l'article 5(1). Parties au Protocole. En outre, des dérogations aux calendriers convenus pourraient être demandées dans le cadre du processus d'exemption pour usages essentiels (EUE) pour les substances autres que le bromure de méthyle et dans le cadre du processus d'exemption pour usages critiques (CUE) pour le bromure de méthyle.

La société civile, notamment les ONG, a joué un rôle essentiel à toutes les étapes de l'élaboration des politiques menant à la Conférence de Vienne, au Protocole de Montréal et dans l'évaluation de la conformité par la suite. Les grandes entreprises ont affirmé qu'il n'existait aucune alternative aux HFC. Un réfrigérant hydrocarboné sans danger pour la couche d'ozone a été développé dans un institut technologique de Hambourg en Allemagne, composé d'un mélange de gaz d'hydrocarbures propane et butane , et en 1992 a attiré l'attention de l'organisation non gouvernementale (ONG) Greenpeace. Greenpeace l'a appelé " Greenfreeze ". L'ONG a ensuite travaillé avec succès d'abord avec une petite entreprise en difficulté pour commercialiser un appareil en commençant en Europe, puis en Asie et plus tard en Amérique latine, recevant un prix du PNUE en 1997. En 1995, l'Allemagne avait déjà rendu les réfrigérateurs CFC illégaux. Depuis 2004, des sociétés comme Coca-Cola, Carlsberg et IKEA ont formé une coalition pour promouvoir les unités Greenfreeze sans danger pour la couche d'ozone. La production s'est étendue à des entreprises comme Electrolux, Bosch et LG, avec des ventes atteignant quelque 300 millions de réfrigérateurs en 2008. En Amérique latine, une entreprise nationale argentine a commencé la production de Greenfreeze en 2003, tandis que le géant Bosch au Brésil a commencé un an plus tard. En 2013, il était utilisé par quelque 700 millions de réfrigérateurs, représentant environ 40 % du marché. Aux États-Unis, cependant, le changement a été beaucoup plus lent. Dans une certaine mesure, les CFC ont été remplacés par les hydrochlorofluorocarbures ( HCFC ) moins nocifs , même si des inquiétudes subsistent concernant les HCFC également. Dans certaines applications, les hydrofluorocarbures ( HFC ) étaient utilisés pour remplacer les CFC. Les HFC, qui ne contiennent ni chlore ni brome, ne contribuent pas du tout à l'appauvrissement de la couche d'ozone bien qu'ils soient de puissants gaz à effet de serre. Le plus connu de ces composés est probablement le HFC-134a ( R-134a ), qui aux États-Unis a largement remplacé le CFC-12 ( R-12 ) dans les climatiseurs automobiles. Dans les analyses de laboratoire (une ancienne utilisation « essentielle »), les substances appauvrissant la couche d'ozone peuvent être remplacées par divers autres solvants. Des entreprises chimiques comme Du Pont, dont les représentants ont même dénigré Greenfreeze comme « cette technologie allemande », ont manœuvré l'EPA pour bloquer la technologie aux États-Unis jusqu'en 2011. Ben & Jerry's d'Unilever et General Electric, stimulés par Greenpeace, avaient exprimé un intérêt formel en 2008 qui figurait dans l'approbation finale de l'EPA.

Plus récemment, des experts politiques ont plaidé en faveur d'efforts visant à lier les efforts de protection de l'ozone aux efforts de protection du climat. De nombreuses SAO sont également des gaz à effet de serre, des agents de forçage radiatif des milliers de fois plus puissants que le dioxyde de carbone à court et moyen terme. Ainsi, les politiques de protection de la couche d'ozone ont eu des avantages dans l'atténuation du changement climatique . En fait, la réduction du forçage radiatif dû aux SAO a probablement masqué le véritable niveau des effets du changement climatique d'autres gaz à effet de serre, et a été responsable du « ralentissement » du réchauffement climatique à partir du milieu des années 90. Les décisions politiques dans un domaine affectent les coûts et l'efficacité des améliorations environnementales dans l'autre.

Exigences en matière de SAO dans l'industrie maritime

L' OMI a modifié la règle 12 de l'annexe VI de MARPOL concernant les substances appauvrissant la couche d'ozone. Depuis le 1er juillet 2010, tous les navires auxquels l'annexe VI de MARPOL s'applique doivent disposer d'une liste d'équipements utilisant des substances appauvrissant la couche d'ozone. La liste doit inclure le nom de l'ODS, le type et l'emplacement de l'équipement, la quantité en kg et la date. Tous les changements depuis cette date doivent être consignés dans un registre des SAO à bord enregistrant tous les rejets prévus ou non dans l'atmosphère. En outre, les nouveaux approvisionnements ou débarquements de SAO dans les installations à terre devraient également être enregistrés.

Perspectives d'appauvrissement de la couche d'ozone

Les niveaux d'ozone se sont stabilisés dans les années 1990 à la suite du Protocole de Montréal et ont commencé à se redresser. Ils devraient atteindre les niveaux d'avant 1980 avant 2075.
Tendances des gaz appauvrissant la couche d'ozone

Depuis que l'adoption et le renforcement du Protocole de Montréal ont permis de réduire les émissions de CFC, les concentrations atmosphériques des composés les plus importants ont diminué. Ces substances sont progressivement éliminées de l'atmosphère ; depuis le pic de 1994, le niveau de chlore équivalent effectif (EECl) dans l'atmosphère avait chuté d'environ 10 pour cent en 2008. La diminution des produits chimiques appauvrissant la couche d'ozone a également été considérablement affectée par une diminution des produits chimiques contenant du brome . Les données suggèrent qu'il existe d'importantes sources naturelles de bromure de méthyle atmosphérique ( CH
3
Fr.
). L'élimination des CFC signifie que l'oxyde nitreux ( N
2
O
), qui n'est pas couverte par le Protocole de Montréal, est devenue la substance appauvrissant la couche d'ozone la plus fortement émise et devrait le rester tout au long du 21e siècle.

Une étude du GIEC réalisée en 2005 sur les observations de l'ozone et les calculs de modèles a conclu que la quantité mondiale d'ozone s'est maintenant à peu près stabilisée. Bien qu'une variabilité considérable soit attendue d'une année à l'autre, y compris dans les régions polaires où l'appauvrissement est le plus important, la couche d'ozone devrait commencer à se reconstituer au cours des prochaines décennies en raison de la baisse des concentrations de substances appauvrissant la couche d'ozone, en supposant une pleine conformité avec le Protocole de Montréal.

Le trou dans la couche d'ozone de l'Antarctique devrait se poursuivre pendant des décennies. Les concentrations d'ozone dans la basse stratosphère au-dessus de l'Antarctique augmenteront de 5 à 10 % d'ici 2020 et reviendront aux niveaux d'avant 1980 vers 2060-2075. C'est 10 à 25 ans plus tard que prévu dans les évaluations précédentes, en raison des estimations révisées des concentrations atmosphériques de substances appauvrissant la couche d'ozone, y compris une utilisation future prévue plus importante dans les pays en développement. Un autre facteur qui peut prolonger l'appauvrissement de la couche d'ozone est l'abaissement des oxydes d'azote au-dessus de la stratosphère en raison de la modification de la configuration des vents. Une tendance progressive à la "guérison" a été signalée en 2016. En 2019, le trou dans la couche d'ozone était à son plus petit des trente dernières années, en raison de la stratosphère polaire plus chaude affaiblissant le vortex polaire.

Historique de la recherche

Les processus physiques et chimiques de base qui conduisent à la formation d'une couche d'ozone dans la stratosphère terrestre ont été découverts par Sydney Chapman en 1930. Le rayonnement UV à courte longueur d'onde divise un oxygène ( O
2
) en deux atomes d'oxygène (O), qui se combinent ensuite avec d'autres molécules d'oxygène pour former de l'ozone. L'ozone est éliminé lorsqu'un atome d'oxygène et une molécule d'ozone "se recombinent" pour former deux molécules d'oxygène, c'est-à-dire O + O
3
2O
2
. Dans les années 1950, David Bates et Marcel Nicolet ont présenté des preuves que divers radicaux libres, en particulier l'hydroxyle (OH) et l'oxyde nitrique (NO), pouvaient catalyser cette réaction de recombinaison, réduisant la quantité globale d'ozone. Ces radicaux libres étaient connus pour être présents dans la stratosphère et étaient donc considérés comme faisant partie de l'équilibre naturel - on a estimé qu'en leur absence, la couche d'ozone serait environ deux fois plus épaisse qu'elle ne l'est actuellement.

En 1970, Paul Crutzen a souligné que les émissions de protoxyde d'azote ( N
2
O
), un gaz stable à longue durée de vie produit par les bactéries du sol, à partir de la surface de la Terre, pourrait affecter la quantité d' oxyde nitrique (NO) dans la stratosphère. Crutzen a montré que le protoxyde d'azote vit assez longtemps pour atteindre la stratosphère, où il est converti en NO. Crutzen a ensuite noté que l'utilisation croissante d' engrais aurait pu entraîner une augmentation des émissions d'oxyde nitreux par rapport au fond naturel, ce qui entraînerait à son tour une augmentation de la quantité de NO dans la stratosphère. Ainsi, l'activité humaine pourrait affecter la couche d'ozone stratosphérique. L'année suivante, Crutzen et (indépendamment) Harold Johnston ont suggéré que les émissions de NO des avions de passagers supersoniques , qui voleraient dans la basse stratosphère, pourraient également appauvrir la couche d'ozone. Cependant, une analyse plus récente en 1995 par David W. Fahey, un scientifique de l'atmosphère à la National Oceanic and Atmospheric Administration , a révélé que la baisse de l'ozone serait de 1 à 2 % si une flotte de 500 avions de passagers supersoniques était exploitée. Cela, a déclaré Fahey, ne serait pas un obstacle pour le développement avancé d'avions de passagers supersoniques.

Hypothèse de Rowland-Molina

En 1974, Frank Sherwood Rowland , professeur de chimie à l'Université de Californie à Irvine, et son associé postdoctoral Mario J. Molina ont suggéré que les composés organiques halogénés à longue durée de vie, tels que les CFC, pourraient se comporter de la même manière que Crutzen l'avait proposé pour l'oxyde nitreux. . James Lovelock avait récemment découvert, lors d'une croisière dans l'Atlantique Sud en 1971, que la quasi-totalité des composés CFC fabriqués depuis leur invention en 1930 étaient encore présents dans l'atmosphère. Molina et Rowland ont conclu que, comme N
2
O
, les CFC atteindraient la stratosphère où ils seraient dissociés par la lumière UV, libérant des atomes de chlore. Un an plus tôt, Richard Stolarski et Ralph Cicerone de l'Université du Michigan avaient montré que le Cl est encore plus efficace que le NO pour catalyser la destruction de l'ozone. Des conclusions similaires ont été tirées par Michael McElroy et Steven Wofsy de l'Université Harvard . Aucun des deux groupes, cependant, n'avait réalisé que les CFC étaient une source potentiellement importante de chlore stratosphérique. Au lieu de cela, ils avaient étudié les effets possibles des émissions de HCl de la navette spatiale , qui sont beaucoup plus petites.

L'hypothèse Rowland-Molina a été fortement contestée par les représentants des industries des aérosols et des halocarbures. Le président du conseil d'administration de DuPont a déclaré que la théorie de l'appauvrissement de la couche d'ozone est « un conte de science-fiction… un tas d'ordures… un non-sens total ». Robert Abplanalp , le président de Precision Valve Corporation (et inventeur de la première valve pratique de bombe aérosol), a écrit au chancelier de l' UC Irvine pour se plaindre des déclarations publiques de Rowland. Néanmoins, en trois ans, la plupart des hypothèses de base formulées par Rowland et Molina ont été confirmées par des mesures en laboratoire et par des observations directes dans la stratosphère. Les concentrations des gaz sources (CFC et composés apparentés) et des espèces réservoirs de chlore (HCl et ClONO
2
) ont été mesurés dans toute la stratosphère et ont démontré que les CFC étaient en effet la principale source de chlore stratosphérique et que presque tous les CFC émis atteindraient finalement la stratosphère. Encore plus convaincante fut la mesure, par James G. Anderson et ses collaborateurs, du monoxyde de chlore (ClO) dans la stratosphère. Le ClO est produit par la réaction du Cl avec l'ozone - son observation a ainsi démontré que les radicaux Cl non seulement étaient présents dans la stratosphère mais étaient également impliqués dans la destruction de l'ozone. McElroy et Wofsy ont étendu les travaux de Rowland et Molina en montrant que les atomes de brome étaient des catalyseurs encore plus efficaces pour la perte d'ozone que les atomes de chlore et ont fait valoir que les composés organiques bromés connus sous le nom de halons , largement utilisés dans les extincteurs, étaient une source potentiellement importante de pollution stratosphérique. brome. En 1976, l' Académie nationale des sciences des États-Unis a publié un rapport concluant que l'hypothèse de l'appauvrissement de la couche d'ozone était fortement étayée par les preuves scientifiques. En réponse, les États-Unis, le Canada et la Norvège ont interdit l'utilisation de CFC dans les bombes aérosols en 1978. Les premières estimations étaient que, si la production de CFC se poursuivait aux niveaux de 1977, l'ozone atmosphérique total atteindrait après un siècle environ un état stable, 15 à 18 pour cent au-dessous des niveaux normaux. En 1984, lorsque de meilleures preuves de la vitesse des réactions critiques étaient disponibles, cette estimation a été modifiée pour passer à 5 à 9 pour cent d'épuisement à l'état d'équilibre.

Crutzen, Molina et Rowland ont reçu le prix Nobel de chimie 1995 pour leurs travaux sur l'ozone stratosphérique.

Trou d'ozone antarctique

La découverte du "trou d'ozone" de l'Antarctique par les scientifiques du British Antarctic Survey Farman , Gardiner et Shanklin (rapportée pour la première fois dans un article paru dans Nature en mai 1985) a été un choc pour la communauté scientifique, car le déclin observé de l'ozone polaire était bien plus important. que quiconque ne l'avait prévu. Des mesures satellitaires ( TOMS à bord du Nimbus 7 ) montrant un appauvrissement massif de l'ozone autour du pôle sud devenaient disponibles au même moment. Cependant, ceux-ci ont été initialement rejetés comme déraisonnables par les algorithmes de contrôle de la qualité des données (ils ont été filtrés comme des erreurs car les valeurs étaient étonnamment basses) ; le trou dans la couche d'ozone n'a été détecté que dans les données satellitaires lorsque les données brutes ont été retraitées à la suite de preuves d'appauvrissement de la couche d'ozone dans les observations in situ . Lorsque le logiciel a été réexécuté sans les drapeaux, le trou dans la couche d'ozone a été observé dès 1976.

Susan Solomon , chimiste atmosphérique à la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), a suggéré que les réactions chimiques sur les nuages ​​stratosphériques polaires (PSC) dans la stratosphère froide de l' Antarctique ont provoqué une augmentation massive, bien que localisée et saisonnière, de la quantité de chlore présent dans formes actives qui détruisent la couche d'ozone. Les nuages ​​stratosphériques polaires de l'Antarctique ne se forment que lorsqu'il y a des températures très basses, aussi basses que -80 °C, et des conditions printanières précoces. Dans de telles conditions, les cristaux de glace du nuage offrent une surface appropriée pour la conversion des composés chlorés non réactifs en composés chlorés réactifs, qui peuvent facilement épuiser l'ozone.

De plus, le vortex polaire formé au-dessus de l' Antarctique est très serré et la réaction qui se produit à la surface des cristaux nuageux est très différente de celle qui se produit dans l'atmosphère. Ces conditions ont conduit à la formation de trous dans la couche d'ozone en Antarctique. Cette hypothèse a été confirmée de manière décisive, d'abord par des mesures en laboratoire puis par des mesures directes, depuis le sol et depuis des avions à haute altitude , de très fortes concentrations de monoxyde de chlore (ClO) dans la stratosphère antarctique.

Des hypothèses alternatives, qui avaient attribué le trou dans la couche d'ozone aux variations du rayonnement UV solaire ou à des changements dans les modèles de circulation atmosphérique, ont également été testées et se sont révélées intenables.

Pendant ce temps, l'analyse des mesures d'ozone du réseau mondial de spectrophotomètres Dobson au sol a conduit un panel international à conclure que la couche d'ozone était en fait en train de s'appauvrir, à toutes les latitudes en dehors des tropiques. Ces tendances ont été confirmées par des mesures satellitaires. En conséquence, les principaux pays producteurs d'halocarbures ont convenu d'éliminer progressivement la production de CFC, de halons et de composés apparentés, un processus qui s'est achevé en 1996.

Depuis 1981, le Programme des Nations Unies pour l'environnement , sous les auspices de l'Organisation météorologique mondiale, a parrainé une série de rapports techniques sur l' évaluation scientifique de l'appauvrissement de la couche d'ozone , basés sur des mesures satellitaires. Le rapport de 2007 a montré que le trou dans la couche d'ozone se résorbait et qu'il était le plus petit depuis environ une décennie. Le rapport de 2010 a révélé : « Au cours de la dernière décennie, l'ozone mondial et l'ozone dans les régions arctiques et antarctiques ne diminuent plus, mais n'augmentent pas encore. La couche d'ozone en dehors des régions polaires devrait retrouver ses niveaux d'avant 1980 dans un certain temps. avant le milieu de ce siècle. En revanche, le trou d'ozone printanier au-dessus de l'Antarctique devrait se rétablir beaucoup plus tard. En 2012, la NOAA et la NASA ont rapporté que « des températures de l'air plus chaudes au-dessus de l'Antarctique ont conduit au deuxième plus petit trou d'ozone saisonnier en 20 ans, avec une moyenne de 17,9 millions de kilomètres carrés. Le trou a atteint sa taille maximale pour la saison le 22 septembre, s'étendant sur 21,2 millions de mètres carrés. kilomètres." Une tendance progressive vers la « guérison » a été signalée en 2016, puis en 2017. Il est rapporté que le signal de récupération est évident même dans les altitudes de saturation de la perte d'ozone.

Le trou dans la couche d'ozone de la Terre au-dessus du pôle Sud a affecté la circulation atmosphérique dans l'hémisphère sud jusqu'à l'équateur. Le trou dans la couche d'ozone a influencé la circulation atmosphérique jusqu'aux tropiques et a augmenté les précipitations aux basses latitudes subtropicales de l'hémisphère sud.

L'ozone arctique "mini-trou"

Le 3 mars 2005, la revue Nature a publié un article établissant un lien entre le trou d'ozone arctique exceptionnellement grand de 2004 et l'activité du vent solaire.

Le 15 mars 2011, une perte record de couche d'ozone a été observée, avec environ la moitié de l'ozone présent au-dessus de l'Arctique ayant été détruite. Le changement a été attribué à des hivers de plus en plus froids dans la stratosphère arctique à une altitude d'environ 20 km (12 mi), un changement associé au réchauffement climatique dans une relation qui est toujours à l'étude. Le 25 mars, la perte d'ozone était devenue la plus importante par rapport à celle observée au cours de tous les hivers précédents avec la possibilité qu'elle devienne un trou dans la couche d'ozone. Cela nécessiterait que les quantités d'ozone tombent en dessous de 200 unités Dobson, sur les 250 enregistrées au-dessus de la Sibérie centrale. Il est prévu que la couche d'amincissement affecterait certaines parties de la Scandinavie et de l'Europe de l'Est les 30 et 31 mars.

Le 2 octobre 2011, une étude a été publiée dans la revue Nature , selon laquelle entre décembre 2010 et mars 2011, jusqu'à 80 % de l'ozone dans l'atmosphère à environ 20 kilomètres (12 mi) au-dessus de la surface a été détruit. Le niveau d'appauvrissement de la couche d'ozone était suffisamment grave pour que les scientifiques disent qu'il pourrait être comparé au trou dans la couche d'ozone qui se forme au-dessus de l'Antarctique chaque hiver. Selon l'étude, "pour la première fois, une perte suffisante s'est produite pour être raisonnablement décrite comme un trou dans la couche d'ozone de l'Arctique". L'étude a analysé les données des satellites Aura et CALIPSO et a déterminé que la perte d'ozone plus importante que la normale était due à une période inhabituellement longue de temps froid dans l'Arctique, environ 30 jours de plus que la normale, ce qui a permis une plus grande destruction de l'ozone. composés chlorés à créer. Selon Lamont Poole, co-auteur de l'étude, les particules de nuages ​​et d'aérosols sur lesquelles se trouvent les composés chlorés « étaient abondantes dans l'Arctique jusqu'à la mi-mars 2011 – bien plus tard que d'habitude – avec des quantités moyennes à certaines altitudes similaires à celles observées. dans l'Antarctique, et considérablement plus grande que les valeurs proches de zéro observées en mars dans la plupart des hivers arctiques".

En 2013, les chercheurs ont analysé les données et ont découvert que l'événement arctique de 2010-11 n'avait pas atteint les niveaux d'appauvrissement de la couche d'ozone à classer comme un véritable trou. Un trou dans l'ozone est généralement classé comme 220 unités Dobson ou moins ; le trou arctique n'a pas approché ce niveau bas. Il a depuis été classé comme un "mini-trou".

Suite à l'appauvrissement de la couche d'ozone en 1997 et 2011, une baisse de 90 % de l'ozone a été mesurée par des ballons météorologiques au- dessus de l'Arctique en mars 2020, car ils enregistraient normalement 3,5 parties par million d'ozone, contre seulement environ 0,3 partie par million en dernier lieu, en raison de des températures froides jamais enregistrées depuis 1979 et un puissant vortex polaire qui a permis aux produits chimiques, dont le chlore et le brome, de ronger.

Un trou rare, résultat de températures inhabituellement basses dans l'atmosphère au-dessus du pôle nord, a été étudié en 2020.

Trou d'ozone au Tibet

Comme les hivers plus froids sont plus touchés, il y a parfois un trou dans la couche d'ozone au-dessus du Tibet. En 2006, un trou dans la couche d'ozone de 2,5 millions de kilomètres carrés a été détecté au-dessus du Tibet. Toujours en 2011, un trou dans la couche d'ozone est apparu au-dessus des régions montagneuses du Tibet , du Xinjiang , du Qinghai et de l' Hindu Kush , ainsi qu'un trou sans précédent au-dessus de l'Arctique, bien que celui du Tibet soit beaucoup moins intense que ceux au-dessus de l'Arctique ou de l'Antarctique.

Épuisement potentiel par les nuages ​​d'orage

Des recherches menées en 2012 ont montré que le même processus qui produit le trou dans la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique se produit au-dessus des nuages ​​​​de tempête d'été aux États-Unis, et pourrait donc détruire l'ozone là-bas également.

L'appauvrissement de la couche d'ozone et le réchauffement climatique

Entre autres, Robert Watson a joué un rôle dans l'évaluation scientifique et dans les efforts de régulation de l'appauvrissement de la couche d' ozone et du réchauffement climatique . Avant les années 1980, l'UE, la NASA, le NAS, le PNUE, l'OMM et le gouvernement britannique avaient des rapports scientifiques dissidents et Watson a joué un rôle dans le processus d'évaluations unifiées. Sur la base de l'expérience avec le cas de l'ozone, le GIEC a commencé à travailler sur un rapport unifié et une évaluation scientifique pour parvenir à un consensus pour fournir le résumé du GIEC pour les décideurs .

Il existe divers domaines de lien entre l'appauvrissement de la couche d'ozone et la science du réchauffement climatique :

Forçage radiatif provenant de divers gaz à effet de serre et d'autres sources
  • Le même CO
    2
    le forçage radiatif qui produit le réchauffement climatique devrait refroidir la stratosphère. Ce refroidissement, à son tour, devrait produire une augmentation relative de l'ozone ( O
    3
    ) l'appauvrissement de la zone polaire et la fréquence des trous d'ozone.
  • Inversement, l'appauvrissement de la couche d'ozone représente un forçage radiatif du système climatique. Il y a deux effets opposés : la réduction de l'ozone fait que la stratosphère absorbe moins de rayonnement solaire, refroidissant ainsi la stratosphère tout en réchauffant la troposphère ; la stratosphère plus froide qui en résulte émet moins de rayonnement à ondes longues vers le bas, refroidissant ainsi la troposphère. Globalement, le refroidissement domine ; le GIEC conclut " observé O stratosphérique
    3
    les pertes au cours des deux dernières décennies ont provoqué un forçage négatif du système surface-troposphère
    " d'environ -0,15 ± 0,10 watts par mètre carré (W/m 2 ).
  • L'une des prédictions les plus fortes de l'effet de serre est que la stratosphère va se refroidir. Bien que ce refroidissement ait été observé, il n'est pas anodin de séparer les effets des changements de concentration des gaz à effet de serre et de l'appauvrissement de la couche d'ozone puisque tous deux conduiront à un refroidissement. Cependant, cela peut être fait par la modélisation stratosphérique numérique. Les résultats de l' Administration nationale océanique et atmosphérique de Géophysique Fluid Dynamics Laboratory montrent que plus de 20 km (12 mi), les gaz à effet de serre dominent le refroidissement.
  • Comme indiqué sous « Politique publique », les produits chimiques appauvrissant la couche d'ozone sont également souvent des gaz à effet de serre. L'augmentation des concentrations de ces produits chimiques a produit 0,34 ± 0,03 W/m 2 de forçage radiatif, ce qui correspond à environ 14 % du forçage radiatif total dû à l'augmentation des concentrations de gaz à effet de serre bien mélangés.
  • La modélisation à long terme du processus, sa mesure, son étude, la conception des théories et les tests prennent des décennies pour être documentées, être largement acceptées et finalement devenir le paradigme dominant. Plusieurs théories sur la destruction de l'ozone ont été émises dans les années 1980, publiées à la fin des années 1990, et sont actuellement à l'étude. Le Dr Drew Schindell et le Dr Paul Newman, NASA Goddard, ont proposé une théorie à la fin des années 1990, utilisant des méthodes de modélisation informatique pour modéliser la destruction de l'ozone, qui représentait 78 pour cent de l'ozone détruit. Un raffinement supplémentaire de ce modèle a représenté 89 pour cent de l'ozone détruit, mais a repoussé la récupération estimée du trou dans la couche d'ozone de 75 ans à 150 ans. (Une partie importante de ce modèle est l'absence de vol stratosphérique en raison de l'épuisement des combustibles fossiles.)

En 2019, la NASA a signalé qu'il n'y avait pas de relation significative entre la taille du trou dans la couche d'ozone et le changement climatique.

Idées fausses

poids CFC

Étant donné que les molécules de CFC sont plus lourdes que l'air (azote ou oxygène), il est communément admis que les molécules de CFC ne peuvent pas atteindre la stratosphère en quantités importantes. Cependant, les gaz atmosphériques ne sont pas triés au poids ; les forces du vent peuvent mélanger complètement les gaz dans l'atmosphère. Les CFC les plus légers sont répartis uniformément dans toute la turbosphère et atteignent la haute atmosphère, bien que certains des CFC les plus lourds ne soient pas répartis uniformément.

Pourcentage de chlore artificiel

Sources de chlore stratosphérique

Une autre idée fausse est qu'« il est généralement admis que les sources naturelles de chlore troposphérique sont quatre à cinq fois plus importantes que celles créées par l'homme ». Bien que cette affirmation soit strictement vraie, le chlore troposphérique n'est pas pertinent ; c'est le chlore stratosphérique qui affecte l'appauvrissement de la couche d'ozone. Le chlore provenant des embruns océaniques est soluble et est donc emporté par les précipitations avant d'atteindre la stratosphère. Les CFC, en revanche, sont insolubles et de longue durée de vie, ce qui leur permet d'atteindre la stratosphère. Dans la basse atmosphère, il y a beaucoup plus de chlore provenant des CFC et des haloalcanes apparentés qu'il n'y en a dans le HCl provenant des embruns salés, et dans la stratosphère, les halocarbures sont dominants. Seul le chlorure de méthyle, qui est l'un de ces halocarbures, a une source principalement naturelle, et il est responsable d'environ 20 pour cent du chlore dans la stratosphère ; les 80 pour cent restants proviennent de sources artificielles.

Des éruptions volcaniques très violentes peuvent injecter du HCl dans la stratosphère, mais les chercheurs ont montré que la contribution n'est pas significative par rapport à celle des CFC. Une affirmation erronée similaire est que les composés halogènes solubles du panache volcanique du mont Erebus sur l'île de Ross, en Antarctique, sont un contributeur majeur au trou d'ozone de l'Antarctique.

Néanmoins, une étude de 2015 a montré que le rôle du volcan du mont Erebus dans l'appauvrissement de la couche d'ozone en Antarctique était probablement sous-estimé. Sur la base des données de réanalyse NCEP/NCAR au cours des 35 dernières années et en utilisant le modèle de trajectoire NOAA HYSPLIT , les chercheurs ont montré que les émissions de gaz du volcan Erebus (y compris le chlorure d'hydrogène (HCl)) peuvent atteindre la stratosphère antarctique via des cyclones à haute latitude, puis le vortex polaire . Selon l'activité du volcan Erebus, la masse annuelle supplémentaire de HCl entrant dans la stratosphère depuis Erebus varie de 1,0 à 14,3 kt.

Premier constat

GMB Dobson a mentionné que lorsque les niveaux d'ozone printaniers dans l'Antarctique au-dessus de la baie Halley ont été mesurés pour la première fois en 1956, il a été surpris de constater qu'ils étaient d'environ 320 UA, soit environ 150 UA en dessous des niveaux arctiques printaniers d'environ 450 UA. Il s'agissait à l'époque des seules valeurs connues de l'ozone antarctique disponibles. Ce que Dobson décrit est essentiellement la ligne de base à partir de laquelle le trou d'ozone est mesuré : les valeurs réelles du trou d'ozone sont comprises entre 150 et 100 DU.

L'écart entre l'Arctique et l'Antarctique noté par Dobson était principalement une question de calendrier : au cours du printemps arctique, les niveaux d'ozone ont augmenté progressivement, culminant en avril, tandis qu'en Antarctique ils sont restés à peu près constants au début du printemps, augmentant brusquement en novembre lorsque le vortex polaire est tombé en panne.

Le comportement observé dans le trou d'ozone de l'Antarctique est complètement différent. Au lieu de rester constants, les niveaux d'ozone au début du printemps chutent soudainement de leurs valeurs hivernales déjà faibles, jusqu'à 50 pour cent, et les valeurs normales ne sont pas atteintes avant décembre.

Emplacement du trou

Certains pensaient que le trou dans la couche d'ozone devrait être au-dessus des sources de CFC. Cependant, les CFC sont bien mélangés à l'échelle mondiale dans la troposphère et la stratosphère . La raison de l'apparition du trou dans la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique n'est pas parce qu'il y a plus de CFC concentrés, mais parce que les basses températures aident à former des nuages ​​stratosphériques polaires. En fait, il y a des découvertes de "trous d'ozone" importants et localisés au-dessus d'autres parties de la terre, comme au-dessus de l'Asie centrale.

Journée mondiale de l'ozone

En 1994, l' Assemblée générale des Nations Unies a voté pour désigner le 16 septembre comme la Journée internationale pour la préservation de la couche d'ozone , ou « Journée mondiale de l'ozone », pour commémorer la signature du Protocole de Montréal à cette date en 1987.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes