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

6 Perte d'ozone total

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

8 Variation annuelle de l'ozone en Antarctique

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

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

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

12 )# + &. -,.. -, Observations du trou d'ozone "#! * #(' % $ # - * # #, # / 4 3 1

13 II La distribution de l'ozone stratosphérique

14 Distribution moyenne de l'ozone selon la verticale

15 Sondage à Thulé

16 ; 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 2 O 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. 8:9 8:9

17 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.

18 La circulation méridienne dans la stratosphère et la mésosphère

19 La circulation méridienne dans la stratosphère et la mésosphère

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

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

22 Distribution méridienne de l'ozone

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

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

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

26 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.

27 III La destruction de l'ozone par le chlore

28 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. CF 2 Cl 3 (CFC-12), CFCl 3 (CFC-11), CF 2 ClCFCl 2 (CFC-113) [anthropogéniques] Autres composés chlorés organiques CHClF 2 (HCFC-22), CCl 4, CH 3 CCl 3 [anthropogéniques] CH 3 Cl [biogénique]

29 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...).

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

31 Croissance des CFC

32 Correlation entre la perte d'ozone et ClO

33 > A > <? G A A A >? = < G A L A >? K >? = G >P >H G K Destruction de l'ozone par le chlore Principal cycle catalytique détruisant l'ozone dans les régions polaires (Molina et Molina, 1984) =BA => < => < = < => < DFE? =CA => < => < < J H(I O MN A

34 G G G T c G n l m G n l m kj G l m l m s G Autres cycles catalytiques T Z W XY T V UT QSR \`_ V ^ ] [ \ V^ \(] [ X V^ [ X] D E V ^ ] [ X \ _ \ ] V^ \ba V ^ ] \ _ \(] [ X \`a [ X] \ _ f \ a e d d UT ghx kl j \ia V ^ ] kl j lt l r oqp n

35 Cycles chimiques couplés

36 uv v w w w Usuellement Cl est stocké dans les espèces non réactives HCl et ClONO 2 ClO est capturé par les radicaux NO 2 produits par la photolyse de HNO 3 HNO 3 + h NO2 + OH ClO + NO 2 ClONO 2 Le chlore actif [Cl x ] = [ClO] + [Cl] + 2 [Cl 2 O 2 ] 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, [O 3 ] = 2 ppm = mol/cm jours : pas de pro- Dans la destruction de O 3 par le cycle ClO + ClO d[o 3 ]/dt = -k [ClO] 2 Temps nécessaire pour détruire 2 ppm d'ozone Pour [ClO] = 0,1 ppbv, d[o 3 ]/dt = 10 4 mol/cm 3 /s blème Pour [ClO] = 1 ppbv, d[o 3 ]/dt = 10 6 mol/cm 3 /s rieusement touché Pour [ClO] = 3 ppbv, d[o 3 ]/dt = mol/cm 3 /s tièrement détruit 50 jours : l'ozone est sé- 5,5 jours : l'ozone est en-

37 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.

38 { ~ yx yx ~ ~ yx z z ~ z ~ yx yx ~ yx z z ~ { ~ yx yx ~ { Œ Réactions hétérogènes (gaz + solide) z} ƒ z} { yzx z { ƒ z { yzx ƒ z { ƒ z ˆ ƒ z ˆ zš { z { Des réactions similaires se produisent à la surface des aérosols sulfatés Sédimentation des cristaux ( dénitrification 300 m/jour) Mécanisme systématique en Antarctique pendant l'hiver. Dans l'arctique, les températures ne sont pas toujours assez basses pour la formation des nuages.

39 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.

40 Ž Ž Processus de récupération ClO est capturé par les radicaux NO 2 produits par la photolyse de HNO 3 HNO 3 + h NO 2 + OH ClO + NO 2 ClONO 2 Si HNO 3 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.

41 Schéma synthétique de la destruction de l'ozone

42 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 ozone.

43 IV Tendances

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

45 Tendance sur la colonne totale d'ozone (moyenne en longitude)

46 Impact sur l'exposition aux UV-B

47 Effets des volcans et variations solaires

48 Impact des traités de réduction de la production des CFC

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

50 Sources à retardement

51 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 NO 2 par le trafic aérien. Effet du refroidissement de la stratosphère par l'augmentation du CO 2. Modification de la circulation atmosphérique due au réchauffement global. Volcanisme. Evènement 2002.

52 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.