3. La composition chimique de la troposphère

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1 3. La composition chimique de la troposphère 3.1 Capacité oxydante de l atmosphère 3.2 Le méthane et les autres hydrocarbures 3.3 Le monoxyde de carbone 3.4 Les oxydes d azote 3.5 Le bilan de l ozone dans la troposphère Ozone troposphérique Capacité oxydante de l atmosphère Formation et destruction du radical hydroxyle OH Principale source de OH O 3 + h!! O 2 + O( 1 D) (R1) O( 1 D) + H 2 O! 2OH (R3) La concentration de OH est déterminée par la distribution de l ozone (O 3 ), la vapeur d eaud (H 2 O) et le rayonnement solaire (ultraviolet). Moyenne globale : [OH] = 1.0x10 6 molecules cm -3 OH est le principal oxydant dans la troposphère et contrôle le temps de résidence de nombreux polluants dans l atmosphère. l CO + OH (+O 2 )! CO 2 + HO 2 (R4) CH 4 + OH (+O 2 )! CH 3 O 2 + H 2 O (R5) HCFC + OH! Produits (R7) SO2 + OH! (...)! sulfates (R8) Ozone troposphérique - 2 1

2 3.1 Capacité oxydante de l atmosphère Fig. 1 : Rapport des concentrations hiver/été en HC en fonction de la constante cinétique de réaction avec OH. Ozone troposphérique Capacité oxydante de l atmosphère Fig. 2 : Coupe zonale de la concentration de OH (10 6 molécules/cm 3 ) calculée pour juin-juillet-août et pour décembre-janvier-février. Ozone troposphérique - 4 2

3 3.1 Capacité oxydante de l atmosphère Fig. 3 : Distribution de la concentration de OH (10 6 molécules/cm 3 ) à la surface calculée à l aide du modèle MOZART pour le 4 juillet à 12h TU. Ozone troposphérique Capacité oxydante de l atmosphère Fig. 4 : Evolution du rapport de mélange de CH 3 CCl 3. Ozone troposphérique - 6 3

4 3.1 Capacité oxydante de l atmosphère Fig. 5 : Anomalie de la concentration globale de OH (10 5 molécules/cm 3 ) reconstituée sur la période Moyenne=9, cm -3. Ozone troposphérique Capacité oxydante de l atmosphère Fig. 6 : Corrélation entre le temps de résidence des constituants et la distance parcourue. Ozone troposphérique - 8 4

5 3.1 Capacité oxydante de l atmosphère 1-2 mois 2 semaines 1-2 mois 1 an Fig. 7 : Temps caractéristiques du transport dans la troposphère. Ozone troposphérique Le méthane et les autres hydrocarbures Fig. 8 : Le cycle global du carbone. Les flèches représentent les flux d échanges de carbone en milliards de tonnes par an ou Gt/an et les réservoirs en milliards de tonnes. Ozone troposphérique

6 Unités utilisées Pour le CO 2 on utilisera pour les émissions: Pg Gt = Peta gramme = kg = kg = Giga tonne = kg = kg Pour les autres espèces on utilisera pour les émissions: Tg Mt = Tera gramme = kg = 10 9 kg = Mega tonne = kg = 10 9 kg Ozone troposphérique Le méthane et les autres hydrocarbures Fig. 9 : Evolution saisonnière du rapport de mélange du méthane (ppb) au cours de la période Ozone troposphérique

7 3.2 Le méthane et les autres hydrocarbures Fig. 10 : Evolution du rapport de mélange du CH 4 (ppb). Ozone troposphérique Le méthane et les autres hydrocarbures Apparente stabilisation du méthane depuis 4-5 ans témoignant d un d état d équilibre temporaire entre les émissions et les pertes. Fig. 11 : Evolution du rapport de mélange du méthane (ppb) et de son taux de croissance (ppb/an)sur la période Ozone troposphérique

8 3.2 Le méthane et les autres hydrocarbures Tableau 1: Sources et puits de méthane atmosphérique Gt(C)/an Ozone troposphérique Le méthane et les autres hydrocarbures Le taux de croissance du méthane atmosphérique présente de fortes variations interannuelles On note aussi une diminution du taux de croissance moyen depuis 20 ans Fig. 11bis : Variations du taux de croissance du méthane atmosphérique. Ozone troposphérique

9 3.2 Le méthane et les autres hydrocarbures Les zones inondées (wetlands) contribuent le plus à la variabilité interannuelle du méthane. La diminution du taux de croissance moyen est surtout dû aux sources anthropogéniques. Les feux de biomasse contribuent moins sauf en (El Niño). Depuis 1999, une compensation entre une augmentation des émissions anthropiques et une diminution des émissions des wetlands (sécheresses) expliquent le faible taux de croissance observé. Les résultats de l inversion sont en bon accord avec des modèles basés sur des reconstructions satellites des processus (en rouge). Fig. 11ter :Variations des émissions de méthane par inversion atmosphérique. Bilan par processus. Ozone troposphérique Le méthane et les autres hydrocarbures Les radicaux OH, principal puits de méthane, contribue significativement à sa variabilité atmosphérique. Les sources des régions de l hémisphère nord dominent plutôt la variabilité à long terme Les sources des régions tropicales dominent plutôt la variabilité interannuelle Les feux de biomasse ont eu une contribution significative en Fig. 11qua :Variations des émissions de méthane par inversion atmosphérique Bilan par bande de latitude. Ozone troposphérique

10 3.2 Le méthane et les autres hydrocarbures Concentration globale de méthane / concentration de référence Flux de méthane / Flux de méthane de référence Fig. 12 : Evolution de la concentration relative du méthane en fonction de l augmentation relative des émissions à la surface. Ozone troposphérique Le méthane et les autres hydrocarbures Biomass burning 11% Ocean 2% Fossil fuel 6% Methanol 15% Acetone 6% Other VOCs 1% A/ B/ Terpenes 17% Isoprene 61% Vegetation 81% VOCs : 1300 TgC CH 4 : 368 TgC CO : 771 TgC Total : 2439 TgC (2.4 PgC) Fig. 13 : Emissions relatives totales (A) et par la biosphère (B) d hydrocarbures non méthanique Ozone troposphérique

11 3.2 Le méthane et les autres hydrocarbures Tableau 2: Sources et puits de composés organiques volatils. Ozone troposphérique Le méthane et les autres hydrocarbures F (gc( gc/m!/h) = LAI " s " E (PFT,COV) " C f T (T,COV) " C L (PAR) C T C L Fig. 14 : Dépendance en température et en rayonnement de l émission d isoprène et de terpènes par la végétation. Ozone troposphérique

12 3.2 Le méthane et les autres hydrocarbures Fig. 15 : Distributions des émissions d isoprène pour janvier et juillet (10-10 kgc/m!/s). Total: ORCHIDEE 460 TgC/an, GEIA 503 TgC/an.. Ozone troposphérique Le méthane et les autres hydrocarbures (R6) Fig. 16 : Schéma général d oxydation des hydrocarbures dans l atmosphère. Ozone troposphérique

13 3.3 Le monoxyde de carbone Fig. 17 : Evolution saisonnière du rapport de mélange de CO (ppb) au cours de la période Ozone troposphérique Le monoxyde de carbone Fig. 18 : Evolution du rapport de mélange de CO (ppb) et de son taux de croissance (ppb/an) sur la période Ozone troposphérique

14 3.3 Le monoxyde de carbone Tableau 3: Sources et puits de monoxyde du carbone Gt(C)/an Ozone troposphérique Le monoxyde de carbone Fig. 19 : Distribution du CO (ppb) à 700 hpa mesurée par MOPITT/TERRA au cours d une année (03/ /2001). Ozone troposphérique

15 3.4 Les oxydes d azote Tableau 4: Principaux réservoirs et stocks d azote dans l environnement terrestre. Ozone troposphérique Les oxydes d azote Evolution récente Au cours du dernier millénaire Fig. 20 : Evolution du rapport de mélange de N 2 O (ppb). Ozone troposphérique

16 3.4 Les oxydes d azote (ppmv) Fig. 21 : Coupe zonale de N 2 O mesurée par CLAES. Ozone troposphérique Les oxydes d azote Fig. 22 : Colonne intégrée de NO 2 troposphérique mesurée par GOME/ERS2 en août 1997 (10 15 molécules/cm 2 ). Ozone troposphérique

17 3.4 Les oxydes d azote Engrais Fig. 23 : Le cycle de l azote dans le sol et productions gazeuses associées. Ozone troposphérique Les oxydes d azote Janvier DJF Juillet JJA Fig. 24 : Distribution des flashs d éclair détectés par les instruments LIS et OTD en janvier et juillet. Ozone troposphérique

18 3.4 Les oxydes d azote Tableau 5: Sources de composés azotés. Ozone troposphérique Les oxydes d azote Fig. 25 : Représentation schématique du rôle du PAN comme réservoir d oxydes d azote. Ozone troposphérique

19 3.4 Les oxydes d azote Fig. 26 : Rapport de mélange de NO x, PAN et NO y mesurés au cours de différentes campagnes. Ozone troposphérique Le bilan de l ozone dans la troposphère Fig. 27 : Variation de la concentration de OH et de la production nette d ozone en fonction du rapport de mélange de NO x. Ozone troposphérique

20 3.5 Le bilan de l ozone dans la troposphère Fig. 28 : Rapport de mélange de l ozone (ppb) en fonction des émissions de NO x et d hydrocarbures. Ozone troposphérique Le bilan de l ozone dans la troposphère NMHC CO Fig. 29 : Représentation schématique simplifiée des processus contrôlant l ozone troposphérique. Ozone troposphérique

21 3.5 Le bilan de l ozone dans la troposphère Fig. 30 : A/ Représentation schématique des processus contrôlant les échanges entre la stratosphère et la troposphère. B/ Rapport de mélange d ozone mesuré au cours de la période par le programme MOZAIC. A/ B/ Ozone troposphérique Le bilan de l ozone dans la troposphère Fig. 31 : Coupe zonal du rapport de mélange de l ozone et de la fraction d ozone stratosphérique dans la troposphère en Janvier, Avril et Juillet. Ozone troposphérique

22 3.5 Le bilan de l ozone dans la troposphère Tableau 6: Bilan de l ozone troposphérique calculé par le modèle LMDz-INCA. Model Previous work Photochemical Production Stratospheric Influx Photochemical Destruction Surface Deposition Net Chemistry (P-L) Burden O 3 photochemical lifetime (days) / Ozone troposphérique Le bilan de l ozone dans la troposphère Fig. 32 : Distribution d ozone à la surface (ppb) simulée par le modèle LMDz-INCA en janvier et en juillet. Ozone troposphérique