Ozone : pollution et climat. Maud Leriche

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1 Ozone : pollution et climat Maud Leriche

2 Historique 1839 L ozone est découvert en 1840 par C. F. Schönbein qui étudie les décharges électriques, ozein = odeur 1850s Il est montré que l ozone est un constituant naturel 1880 Des expériences montrent que l ozone absorbe fortement le rayonnement UV solaire 1913 Il est prouvé que la majorité de l ozone est localisé dans la stratosphère 1927 G. Dobson met au point un spectromètre permettant de mesurer la colonne totale d ozone 1930 Chapman propose un mécanisme chimique expliquant la présence de la couche d ozone 1952 L ozone est identifié comme un composant du smog photochimique 1985 Découverte du trou dans la couche d ozone par l équipe du British Antartic Survey à Halley Bay 1995 Prix Nobel Crutzen, Molina et Rowland pour leurs travaux sur la chimie du trou d ozone

3 L ozone dans l atmosphère (1) 90% du stock d ozone est localisé dans la stratosphère absorbe les UVC filtre les UVB Dans la troposphère (du sol à 7/10 km) l ozone provient : d apports stratosphériques (10 à 20%) de la photochimie des NO x et COV (80 à 90%)

4 L ozone dans l atmosphère (2) 1 ppbv = sur 10 9 molécules dans un volume donné, une molécule est le gaz considéré stratosphère mégapoles alerte information information pollution Alerte!!! Indice Atmo végétation troposphère libre santé

5 L ozone stratosphérique Le trou dans la couche d ozone

6 L importance de la couche d ozone pour la vie terrestre

7 Le cycle de Chapman Production ozone dépend Flux de photons Concentration d O 2 altitude implique Maximum d ozone équilibre photo-stationnaire prédit Maximum à 25km Surestime les concentrations

8 Les cycles catalytiques + + X O XO 3 O 2 Destruction d ozone + + XO O X O2 X = catalyseur = NO ou H ou OH ou Cl Modélisation numérique cycle de Chapman + cycles catalytiques Localisation et concentration correcte de la couche d ozone

9 L unité Dobson 100 DU = colonne d ozone de 1 mm au sol Colonne en mm = quantité totale du gaz intégré sur la hauteur de l atmosphère dans les conditions standards de pression et de température Exemple : En moyenne, il y a molécules d ozone dans la colonne d air située à la verticale d une surface de 1 cm 2 volume au sol à une température de 0 C de 0.35 cm mm d épaisseur 350 DU

10 Colonne totale d ozone Antarctique Situation naturelle Situation actuelle Estimé à partir des données de spectromètres Dobson au dessus de l antarctique antérieures à 1980 Spectromètre TOMS

11 Un trou de plus en plus important Spectromètre TOMS

12 Le trou d ozone en 1997 en Antarctique Spectromètre TOMS

13 Les responsables : les CFC Source : spray aérosols, réfrigération,. Temps de vie dans la troposphère : ~ 100 ans

14 Variation verticale du trou d ozone Antarctique Forte destruction entre 12 et 20 km Chimie gazeuse prédit une destruction à 40 km? Question Pourquoi au dessus de l Antarctique? Pourquoi en octobre? Comment la destruction peut-elle être si forte?

15 Dynamique : le vortex polaire

16 Nuages stratosphériques polaires Peu de vapeur d eau dans la stratosphère Formation des PSC pour température très basse < -80 C Observé depuis l avion de recherche DC-8 de la NASA le 14 janvier 2003

17 Destruction de l ozone Absence de nuages NO 2 UV + O 3 ClO ClONO 2 Réservoirs CFC Cl + Présence de nuages PSC CH 4 UV HCl O 3 ClONO 2 + HCl + Cl 2 Cl O 3 ClO + HNO 3 (s) Cl ClO UV 75% de la destruction d ozone observé Cl 2 O 2

18 Déroulement caractéristique du trou d ozone au dessus de l Antarctique

19 Colonne totale d ozone Arctique Situation naturelle Situation actuelle Estimé à partir du spectromètre TOMS moyenne Spectromètre TOMS

20 Le trou d ozone en 1997 en Arctique Spectromètre TOMS

21 Les moyens d action 1985 : Convention de Vienne : appel pour des mesures volontaires visant à réduire les émissions des CFC 1987 : Protocole de Montréal : Plan pour réduire la production de CFC : Amendements pour accélérer et détailler le protocole (Information sent to the Ozone Secretariat by the Depositary, UN Office of Legal Affairs, June, 2004) Number of Countries Vienna Convention (188) Montreal Protocol (187) London Amendment (172) Copenhagen Amendment (160) Montreal Amendment (115) Beijing Amendment (72) Year

22 Et dans le futur.. La concentration des CFC commence à diminuer dans la troposphère.... Elle continue à augmenter dans la stratosphère pour arriver à son maximum Le trou est arrivé à son maximum et devrait diminuer petit à petit pour un retour à la normale vers MAIS rétroactions climatiques et manquement au protocole de Montréal peuvent remettre en question ce scénario..

23 L ozone troposphérique La pollution photochimique

24 Les effets néfastes Irritation des voies respiratoires et des yeux Phyto-toxicité Dégradation des matériaux (plastique)

25 Le smog de Los Angeles Smog = contraction de smoke et fog Los Angeles 1943, photo paru dans le Los Angeles Times La situation actuelle Précurseurs : NO x et COV Ozone : polluant secondaire

26 Chimie : NO x et COVs (1) Formation de l ozone O 2 NO 2 + hν NO + O O 2 O 3 + O STRATOSPHERE Atmosphère "naturelle" : équilibre photo-stationnaire 8-18 km TROPOSPHERE NO + O 3 NO 2 + O 2 O 3 Bilan nul pour l ozone Midi, latitude moyenne NO 2 /NO = 3 Production d ozone COV + NO 2 hν Conversion de NO en NO 2 + rapide que par l ozone OHhν, H 2 O RO 2 + aldéhydes O 3 OH HO 2 Deposition NO + RO 2 NO 2 + CO, RO VOC NO H 2 O 2

27 Chimie : NO x et COVs (2) Production d ozone dépend de la teneur en COVs et en NO x Régime chimique limité par les COVs O 3 avec NO x O 3 avec COVs Régime chimique limité par les NO x O 3 avec NO x

28 Sources de NO x et de COVs D après l EPA (Environmental Protection Agency) USA

29 Dynamique : Anticyclone et inversion de température Conditions météorologiques favorables à un épisode de pollution photochimique Anticyclone = air stable Inversion de températures Fortes chaleurs et fort ensoleillement Inversion est favorisée par des conditions anticycloniques

30 Déroulement caractéristique d un épisode de pollution photochimique Maximum = 180 ppbv > Seuil d alerte niveau 3 Matin Trafic urbain : 6-9h du matin Émission primaire : NO et COV 1er étape: HNO 2 + hν ν NO + OH COV + OH RO 2, aldéhydes Après-midi : production de polluants secondaires NO 2 + hνν NO + O O 2+ O O 3 Aldéhydes + NO 2 PAN Conversion rapide NO NO 2

31 Exemple de campagne de mesures ESCOMPTE Expérience sur Site pour COntraindre les Modèles de Pollution et de Transport d Emissions Réalisée sur le sud de la France durant l été Pourquoi cette région : Une des zones les plus polluées d Europe Fort ensoleillement Présence de grandes agglomérations Forte concentration d industries pétrochimiques Nœud autoroutier important Nombre très important de mesures dynamiques et chimiques

32 Simulation de la campagne d ESCOMPTE (1) Arrière pays NOx limité NIMES RHONE VALLEY ALPILLES HILLS BOLLENE AVIGNON LE PONTET St REMY DE PROVENCE BERRE POND DURANCE VALLEY DURANCE VALLEY MEYRARGUES LES MEES VINON MONTMEYAN AIX - EN - PROVENCE AIX EN PROVENCE Modèle RAMS_chimie Domaine simulé Alpilles : entrée vallée du Rhône MARTIGUES MARSEILLES MEDITERRANEAN SEA MARIGNANE Source de la pollution COVs limité MARSEILLES TOULON Meyrargues : entrée vallée de la Durance Les Mees : + haut dans vallée de la Durance

33 Simulation de la campagne d ESCOMPTE (2) Ozone (ppbv) MEYRARGUES (IOP2b) Mesures d ozone Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 15h TU ( pic à 110 ppb) Day1 Day2 Day3 Time (h) Uniquement pic transport à 18h TU ( pic à 130 ppb) Ozone (ppbv) LES MEES (IOP2b) Ozone (ppbv) ALPILLES (IOP2b) Day1 Day2 Day3 Time (h) Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 14h TU (pic à 110 ppb) Day1 Day2 Day3 Time (h)

34 Simulation de la campagne d ESCOMPTE (3) Symétrie = le modèle rééquilibre par diffusion

35 Le climat de l ozone en France sur la période : l année la plus polluée depuis 10 ans, notamment par la durée des situation de pollution Nbre d'heures de dépassement du seuil : 180 µg/m3/h Nombre d heures de dépassement seuil d information Nombre nbre d hures d'heures de dépassement/nombre de / nbre total total de site de sites partiel Source : ADEME partiel

36 Les moyens d action : réduction des émissions de NO x et COVs il faut réduire les COV régime limité par les COV Pour diminuer les concentrations d ozone : il faut réduire les NO x régime limité par les NO x

37 L ozone gaz à effet de serre Le réchauffement climatique

38 L effet de serre Un peu plus compliqué par la présence de l atmosphère et ses composantes climatiques -18C Effet de Serre +15C

39 Impact de l ozone sur le réchauffement climatique Troposphère Effet de serre Réchauffement Stratosphère Trou d ozone Refroidissement

40 Évolution de la concentration de fond de l ozone troposphérique Depuis 1995 : mesures continues d ozone au sommet du Puy de Dôme

41 Évolution de l ozone en surface depuis Préindustriel le préindustriel Actuel Janvier Juillet

42 Évolution future de l ozone en surface Augmentation de l ozone à la surface simulée par 10 modèles de chimie-transport ( ) Évolution depuis préindustriel latitudes moyennes HN Simulation future régions tropicales

43 Fin