L'état du trou d'ozone

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1 Physique de l'atmosphère V B. Legras L'état du trou d'ozone Bernard Legras Laboratoire de Météorologie Dynamique CNRS / Ecole Normale Supérieure, Paris 25 octobre unité d'ozone =10 µm à pression atmosphérique = molécules /m 2

2 Physique de l'atmosphère V B. Legras Evolution de la colonne d'ozone à la station de Halley Bay de 1955 à L'ozone disparaît aux niveaux où il est normalement le plus abondant.

3 L'ozone disparaît aussi dans l'hémisphère nord dans une moindre proportion Physique de l'atmosphère V B. Legras Ozone Arctique en mars 2010 et mars 2011

4 Un premier type d'explication Physique de l'atmosphère V B. Legras % de l'ozone atmosphérique est dans la stratosphère Filtre de l'uv solaire Stratosphère Au niveau du sol, l'ozone peut venir de la stratosphère mais est surtout un produit de la pollution. Toxique pour les plantes et les animaux I Observations du trou d'ozone II Distribution de l'ozone stratosphérique III Destruction de l'ozone par le chlore IV Tendances et protocoles Structure thermique de la stratosphère Le chauffage par l'ozone est compensé par l'émission IR par CO 2 -> existence d'une stratosphère où T croît avec l'altitude entre 12 et 50 km.

5 (a) O 3 +h ν O 2 +O j O2 Physique de l'atmosphère V B. Legras Cycle de Chapman L'ozone filtre les rayons ultra-violets O 3 h O 2 O pour 320 nm O O 2 O 3 O 2 h O O pour 240 nm O O 3 2O 2 Les deux premières réactions convertissent l'uv en chaleur Bien que l'ozone ne soit présent qu'à l'état de trace (de l'ordre de 2 à 3 parties par million (ppm) dans la stratosphère, la plupart des radiations UV de longueur d'onde inférieure à 290 nm sont bloquées, autorisant la vie à la surface de la Terre A une altitude z 30 km, le temps de vie de [O x ]=[O ] 3[O 3 ] est de l'ordre de plusieurs semaines. La circulation méridienne de Brewer-Dobson dans la stratosphère et la mésosphère Source : Univ. Frankfurt (b) O+O 2 + M O 3 +M k 1 (c) O 2 +h ν O+O j O 3 (d) O+O 3 2 O 2 k 2 La cinétique de la réaction peut être décrite par les deux équations d dt [O 3 ]=k 1 [O][O 2 ][M ] j O 3 [O 3 ] k 2 [O][O 3 ] d dt [O]=2 j O2 [O 2 ] k 1 [O][O 2 ][ M ]+ j O3 [O 3 ] k 2 [O ][O 3 ] (b) et (c) sont rapides. τ b =(k 1 [M ][O 2 ]) s à 30 km et 1s vers 40 km Avec une bonne approximation: [O] = j O 3 [O 3 ] k 1 [O 2 ][ M ] En dessous de 30 km, 99% de l'oxygène impair ( O et O 3 ) se trouve sous forme O 3. La relation entre O et O 3 s'obtient en écrivant que [O x ]=[O]+[O 3 ] est à l'équilibre: d [O ]=2 j j dt x O 2 [O 2 ] 2 k 2 [O][O 3 ]=2 j O 2 [O 2 ] 2 k O3 [O 3 ] 2 2 k 1 [O 2 ][ M ] A l'équilibre [O 3 ]=[O 2 ] ( k 1 [ M ] j O2 k 2 j O 3 ) 1/2 Pendant la nuit, [O 3 ] est figé et O disparaît. Observations (HALOE) Modèle Ascendance verticale au dessus de l'équateur vue par la distribution de [H2O] + 2 [CH4]

6 Températures Ozone produit préférentiellement ici, maximum en proportion Physique de l'atmosphère V B. Legras Effet de barrière du vortex polaire Vents d'ouest Vortex polaire Mesure d'ozone en avion le 4 août 1994 (avant le début de la destruction de l'ozone) Ozone comprimé et stocké ici, Maximum en concentration En temps normal, la circulation de Brewer Dobson stocke l'ozone dans la basse stratosphère des hautes latitudes Trajectoires de parcelles d'air dans et autour du vortex polaire superposées à la carte d'ozone total Source: A. Hertzog

7 Cas extraordinaire: 2002 Physique de l'atmosphère V B. Legras Ecart de la circulation à la moyenne climatique pour fin septembre: 30 déviations standards! I Observations du trou d'ozone II Distribution de l'ozone stratosphérique III Destruction de l'ozone par le chlore IV Tendances et protocoles

8 Chlore organique total dans la troposphère: environ 4 parties par milliard (ppbv). Hcl : 0,5 ppbv au niveau de la mer, 0,004 ppb à 10 km Physique de l'atmosphère V B. Legras Dans la stratosphère, au dessus de 20 km, les rayonnements UV peuvent briser la liaison C- Cl des CFC et CH3Cl. Formation de composés chlorés HCl et ClONO2 moins stables (+ClO, etc...). Correlation entre la perte d'ozone et ClO Les volcans n'injectent pas de chlore dans la stratosphère mais ils injectent des poussières et des gaz (SO2, aérosols sulfatés). Tabazadeh & Turco, 1993, Science, 260, ; Russel III et al., 1996, Nature, 379, Destruction de l'ozone par le chlore Principal cycle catalytique détruisant l'ozone dans les régions polaires (Molina et Molina, 1984) ClO + ClO Cl 2 O 2 Cl 2 O 2 + h ClO 2 + Cl ClO 2 Cl + O 2 2 x (Cl + O 3 ClO + O 2 ) Net 2 O 3 3 O 2

9 Usuellement Cl est stocké dans les espèces non réactives HCl et ClONO 2 Physique de l'atmosphère V B. Legras Autres cycles catalytiques Avec le brome BrO + ClO BrCl + O 2 BrCl + h Br + Cl Cl + O 3 ClO + O 2 Br + O 3 BrO + O 2 Net 2 O 3 3 O 2 Direct Cl + O 3 ClO + O 2 ClO + O Cl + O 2 Les nuages stratosphériques polaires Se forment à basse température dans le vortex polaire. Permettent des réactions nouvelles à la surface des cristaux qui n'ont pas lieu en phase gazeuse. Net O 3 + O 2 O ClO est capturé par les radicaux NO 2 produits par la photolyse de HNO 3 HNO 3 + h NO2 + OH ClO + NO 2 ClONO2 Le chlore actif [ Clx] = [ ClO] + [ Cl] + 2 [ Cl2O 2 ] est normalement maintenu en dessous de 0, 1 pppbv dans la stratosphère. Dans les conditions anormales prévalant dans le vortex polaire, [ Clx] 12 peut atteindre 3 ppbv. A 20 km, [ O 3] = 2 ppm = 5 10 mol/ cm 3. Dans la destruction de O 3 par le cycle ClO + ClO d[ O3]/ dt = - k [ ClO] 2 Temps nécessaire pour détruire 2 ppm d'ozone Pour [ ClO] = 0, 1 ppbv, d[ O3]/ dt = 10 4 mol/ cm 3 / s 5000 jours : pas de problème Pour [ ClO] = 1 ppbv, d[ O3]/ dt = 10 6 mol/ cm 3 / s 50 jours : l'ozone est sérieusement touché Pour [ ClO] = 3 ppbv, d[ O3]/ dt = mol/ cm 3 / s 5, 5 jours : l'ozone est entièrement détruit Nuages stratosphériques polaires mesurés par le lidar CALIPSO au dessus de l'antarctique (octobre 2006) [source V. Noël]

10 Réactions hétérogènes (gaz + solide) Physique de l'atmosphère V B. Legras ClONO 2 + HCl (S) Cl 2 + HNO 3 (S) ClONO 2 + H 2 O (S) HOCl + HNO 3 (S) HOCl + HCl (S) Cl 2 + H2O (S) N 2 O 5 + H 2 O (S) 2 HNO 3 (S) N 2 O 5 + HCl (S) ClNO 2 + HNO 3 (S) Des réactions similaires se produisent à la surface des aérosols sulfatés Sédimentation des cristaux ( 300 m/jour) dénitrification Mécanisme systématique en Antarctique pendant l'hiver. Dans l'arctique, les températures ne sont pas toujours assez basses pour la formation des nuages. La température et le taux de photolyse (nécessaire pour le cycle catalystique de destruction) croissent en même temps mais l'air activé en chlore et dénitrifié est préservé à l'intérieur du vortex jusqu'à ce que celui-ci se casse, normalement fin novembre.

11 Destruction de l'ozone par le chlore Physique de l'atmosphère V B. Legras I Observations du trou d'ozone II Distribution de l'ozone stratosphérique III Destruction de l'ozone par le chlore IV Tendances et protocoles 44 Le chlore stratosphérique est principalement d'origine anthropique (CFC). Le chlore ordinairement stocké dans des espèces inactives est libéré sous forme active par les réactions hétérogènes sur les nuages stratosphériques polaires. Les espèces nitrées qui limiteraient le taux de chlore actif sont piégées sur les nuages et éliminées. Le processus se maintient tant que le vortex polaire persiste. Deux rôles pour le vortex polaire: maintenir des basses températures et confiner l'air polaire activé en chlore.

12 Physique de l'atmosphère V B. Legras Impact sur l'exposition aux UV-B ( nm) Impact des traités de réduction de la production des CFC Remplacement des CFC par les HCFC, HFC et autres gaz (isobutane pour la réfrigération) Source: World Health Organization Le monde que nous avons évité

13 Restoration de l'ozone au printemps Physique de l'atmosphère V B. Legras Salby et al., 2011 La destruction de l'ozone stratosphérique résulte d'une conspiration improbable de la chimie, la micro-physique et la dynamique des fluides. Même si la destruction de l'ozone par le chlore avait été envisagée dès les années 70, l'ampleur du trou d'ozone observé a été une totale surprise. Un effort de recherche international doté de moyens importants a permis de parvenir en quelques années à un consensus sur la théorie actuelle et a conduit à prendre les mesures adéquates pour enrayer une évolution désastreuse.

14 Physique de l'atmosphère V B. Legras