Le trou d'ozone. Bernard Legras LMD/ENS

Transcription

1 Le trou d'ozone Bernard Legras LMD/ENS I Observations du trou d'ozone II Distribution de l'ozone stratosphérique III Destruction de l'ozone par le chlore IV Tendances et protocoles

2 I Observations du trou d'ozone

3 Le trou d'ozone en 2001, vu à partir des mesures depuis le satellite ERS-2 (instrument GOME)

4 Cas extraordinaire: 2002 Ecart de la circulation à la moyenne climatique pour fin septembre: 30 déviations standards!

5 Minimum d'ozone dans le vortex polaire Aire du trou d'ozone

6 Perte d'ozone total

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8 Evolution de la colonne d'ozone à la station de Halley Bay de 1955 à 1995

9 Variation annuelle de l'ozone en Antarctique

10 L'ozone disparaît aux niveaux où il est normalement le plus abondant.

11 L'ozone disparaît aussi dans l'hémisphère nord dans une moindre proportion

12 Antarctique (moyennes sur octobre) Arctique (moyennes sur mars)

13 Observations du trou d'ozone Se développe à partir d'août au dessus de l'antarctique, atteint sa pleine ampleur en octobre et disparaît en décembre. Se manifeste depuis le début des années 80. Comparé aux années 70: 60% de réduction d'ozone sur l'antarctique en octobre 100% de perte entre 12 et 20 km, préservation au dessus de 20 km et en dessous de 12 km. Le trou d'ozone couvre envron 22 millions de km2. Un phénomène similaire, quoique de moindre amplitude, se produit dans l'arctique

14 II La distribution de l'ozone stratosphérique

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17 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.

18 (a) O 3 h O 2 O jo (b) O O 2 M O 3 M k1 (c) O 2 h O O jo (d) O O 3 2O 2 k2 La cinétique de la réaction peut être décrite par les deux équations d [O 3 ]=k 1 [O ][O 2 ][ M ] j O [O 3 ] k 2 [O ][O 3 ] dt d dt [O ]=2 j O [O 2 ] k 1 [O ][O 2 ][ M ] j O [O 3 ] k 2 [O ][O 3 ] (b) et (c) sont rapides. b = k 1 [ M ][O 2 ] s vers 50 km Avec une bonne approximation: j [O ] = [O ] k [O ][ M ] En dessous de 50 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 ] est à l'équilibre: 2 3 O j O [ O3 ]2 d dt [O x ]=2 j O [O 2 ] 2 k 2 [O ][O 3 ]=2 j O [O 2 ] 2 k 2 k [O ][ M ] A l'équilibre k [ M ] j 1/ 2 [O 3 ]=[O 2 ] k j O2 2 O3 Pendant la nuit, [O 3 ] est figé et O disparaît. 1 2

19 Structure thermique de la stratosphère Le chauffage par l'ozone est compensé par l'émission IR par CO2 -> existence d'une stratosphère où T croît avec l'altitude entre 12 et 50 km.

20 La circulation méridienne dans la stratosphère et la mésosphère

21 La circulation méridienne dans la stratosphère et la mésosphère

22 Ascendance verticale au dessus de l'équateur vue par la distribution de [H2O] + 2 [CH4] Observations (HALOE) Modèle

23 Rapport de mélange Distribution méridienne de l'ozone (21 mai 2000) Concentration

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25 Formation du vortex polaire dans la stratosphère Fort tourbillon cyclonique se développant autour des régions polaires en hiver, persistant pendant le printemps en Antarctique.

26 Effet de barrière du vortex polaire Mesure d'ozone en avion le 4 août 1994 (avant le début de la destruction de l'ozone)

27 Descente au sein du vortex polaire

28 Trajectoires de parcelles d'air dans et autour du vortex polaire superposées à la carte d'ozone total

29 Distribution de l'ozone stratosphérique Ozone concentré entre 12 et 30 km. L'ozone filtre les UV et chauffe la stratosphère. En dessous de 30 km et dans la zone polaire hivernale la distribution est fortement dépendante de la circulation méridienne (de l'équateur vers les pôles dans la stratosphère). Concentration de l'ozone aux hautes latitudes en hiver. Piégeage dans le vortex polaire.

30 III La destruction de l'ozone par le chlore

31 Les chlorofluorocarbures (CFC) sont utilisés depuis les années 30 pour leurs excellentes propriétés et leur inocuité biologique Fluides réfrigérants Mousses isolantes Fluide propulseur d'aérosol Fluide extincteur Principal défaut: non solubles, peu réactifs, les CFC volatils ont un temps de vie de un à quatre siècles dans l'atmosphère. CF2Cl 3 (CFC-12), CFCl 3 (CFC-11), CF2ClCFCl 2 (CFC-113) [anthropogéniques] Autres composés chlorés organiques CHClF2 (HCFC-22), CCl 4, CH3CCl 3 [anthropogéniques] CH3Cl [biogénique]

32 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 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...).

33 Les volcans n'injectent pas de chlore dans la stratosphère mais ils injectent des poussières (aérosols sulfatés).

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35 Correlation entre la perte d'ozone et ClO

36 Destruction de l'ozone par le chlore Principal cycle catalytique détruisant l'ozone dans les régions polaires (Molina et Molina, 1984) ClO + ClO Cl 2O2 Cl 2O2 + h ClO2 + Cl ClO2 Cl + O2 2 x (Cl + O3 ClO + O2) Net 2 O3 3 O2

37 Autres cycles catalytiques Avec le brome BrO + ClO BrCl + O2 BrCl + h Br + Cl Cl + O3 ClO + O2 Br + O3 BrO + O2 Net 2 O3 3 O2 Direct Cl + O3 ClO + O2 ClO + O Cl + O2 Net O 3 + O 2 O2

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39 Usuellement Cl est stocké dans les espèces non réactives HCl et ClONO2 ClO est capturé par les radicaux NO2 produits par la photolyse de HNO3 HNO3 + h NO2 + OH ClO + NO2 ClONO2 Le chlore actif [Clx] = [ClO] + [Cl] + 2 [Cl2O2] est normalement maintenu en dessous de 0,1 pppbv dans la stratosphère. Dans les conditions anormales prévalant dans le vortex polaire, [Cl x] peut atteindre 3 ppbv. A 20 km, [O3] = 2 ppm = mol/cm3. Dans la destruction de O3 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 = 104 mol/cm3/s 5000 jours : pas de problème Pour [ClO] = 1 ppbv, d[o3]/dt = 106 mol/cm3/s 50 jours : l'ozone est sérieusement touché Pour [ClO] = 3 ppbv, d[o3]/dt = mol/cm3/s 5,5 jours : l'ozone est entièrement détruit

40 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.

41 Premières mesures du lidar CALIPSO 7 Juin 2007 (rapport de rétrodiffusion à 532 nm)

42 Nuages stratosphériques polaires mesurés par le lidar CALIPSO au dessus de l'antractique (octobre 2006) [image V. Noël]

43 Réactions hétérogènes (gaz + solide) ClONO2 + HCl (S) Cl 2 + HNO3 (S) ClONO2 + H2O (S) HOCl + HNO3 (S) HOCl + HCl (S) Cl 2 + H2O (S) N2O5 + H2O (S) 2 HNO3 (S) N2O5 + HCl (S) ClNO2 + HNO3 (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.

44 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.

45 Processus de récupération ClO est capturé par les radicaux NO2 produits par la photolyse de HNO3 HNO3 + h NO2 + OH ClO + NO2 ClONO2 Si HNO3 a été éliminé par le processus de dénitrification, il faut attendre que le vortex se brise et que l'air polaire se mélange avec l'air des latitudes tempérées.

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47 Destruction de l'ozone par le chlore 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.

48 IV Tendances

49 Tendance de l'ozone total dû au trou d'ozone et à d'autres réactions chimiques (encore imparfaitement comprises aux latitudes moyennes)

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51 Impact sur l'exposition aux UV-B

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53 Impact des traités de réduction de la production des CFC

54 Remplacement des CFC par les HCFC, HFC et autres gaz (isobutane pour la réfrigération)

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56 Incertitudes sur le rétablissement de la couche d'ozone Mécanismes de la diminution de l'ozone aux moyennes latitudes encore mal compris. Seulement la moité due au trou d'ozone polaire. Effets anthropiques possibles liés à la production de NO et NO2 par le trafic aérien. Effet du refroidissement de la stratosphère par l'augmentation du CO2. Modification de la circulation atmosphérique due au réchauffement global. Volcanisme. Evènement 2002.

57 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.