
Trou couche ozone
© NASA
Le trou dans la couche d'ozone
Découvreurs du trou dans la couche d'ozone
Léon TEISSENREC de BORT met en évidence en 1902 le rôle de la couche
d'ozone qui absorbe le rayonnement solaire (en fait les ultraviolets).
En 1974 deux scientifiques américains : Mario MOLINA et F. SHERWOOD
ROWLAND formulent pour la première fois la théorie de l'appauvrissement
de la couche d'ozone sous l'impact des ChloroFluoroCarbones (CFC),
composés chimiques apparus en 1938. Et, J. FARMAN du British Antarctica
Survey (BAS) annonce en 1985 qu'un "trou" temporaire mais important
(jusqu'à 50% de pertes) apparait chaque printemps dans la couche d'ozone
au dessus de l'Antarctique depuis 1979 et se résorbe au début de
l'automne.
L'ozone : définition
L'ozone (O
3) est une forme chimique particulière de l'oxygène, très instable et réactive.
L'ozone est notamment généré par le bombardement de la molécule oxygène
stable O2 par les utraviolets (UV). Condition indispensable : la
présence d'oxygène qui a été produit en grande quantité avec la
multiplication de micro-organismes photosynthétiques au Précambrien.
La couche d'ozone représente schématiquement la partie de
l'atmosphère où sa concentration est la plus élevée. Ainsi, l'ozone est
davantage présent à une distance du sol comprise entre 15 et 40 km (plus
fortement vers 35 km) avec une concentration voisine de 8 ppmv (parties
par million en volume), dans la couche appelée stratosphère. D'où
l'appelation d'ozone stratosphérique à ne pas confondre avec
l'ozone troposphérique induit en grande partie par la circulation automobile et qui irrite notamment les yeux et les voies respiratoires.
A cette altitude, la teneur en ozone résulte d'un équilibre entre
formation et destruction sous la dépendance de l'activité solaire, de la
température, de la présence d'autres substances chimiques.
En absorbant ensuite les UV, l'ozone contribue à réchauffer la
statosphère. la formation de l'ozone est plus importante au dessus des
tropiques puis gagne les pôles via la circulation des masses d'air.
Cependant, il accuse une faible concentration de quelques parties par
million au plus.
On parle de "trou" dans la couche d'ozone lorsque la
valeur de la colonne intégrée en ozone est inférieure à 220 unités
Dobson (la valeur normale étant 300 unités Dobson environ). Les unités
Dobson expriment la totalité de l'ozone dans une colone qui part du sol
et traverse toute l'atmosphère.
Le danger des rayons ultraviolets
La couche d'ozone est essentielle à la vie sur terre car elle la
protège des rayonnements ultraviolets nocifs émis par le soleil. En
effet, les UV dont la longueur d'onde est inférieure à 0,4 µm sont
absorbés par l'ozone entre 0,24 et 0,3 µm.
Il existe différents types de rayons UV regroupés en trois grandes
classes : les rayons UV-C, les rayons UV-B et les rayons UV-A.
95 %
du rayonnement UV est constitué d'UV-A, les moins énergétiques avec des
longueurs d'onde comprises entre 320 à 400 nanomètres. Les UV-B sont
comprises entre 290 et 320 nanomètres. Or, l'impact des UV sur les
organismes vivants dépend de la longue longueur d'onde de ces rayons :
plus cette longueur d'onde est courte, plus le danger est grand. Les
rayons UV-C sont ainsi les plus dangereux de la gamme. Heureusement, ils
sont arrêtés presque en totalité par la couche d'ozone. Or, cette
couche protectrice s'est amincie dangereusement, particulièrement à une
altitude comprise entre 14 et 20 km.
Le 15 mars 1988, la NASA diffusait un rapport mené par une centaine
de chercheurs dans le monde qui indiquait que la concentration en ozone
stratosphérique avait diminué en moyenne de 1,7 à 3% dans l'hémisphère
nord entre 1969 et 1986 malgré les variations naturelles constatées de
15 à 20%. De surcroît, le rayonnement moyen mondial des UV-B au niveau
de la surface terrestre s'était élevé de 10 % entre 1986 et 1996.
La dégradation de la couche d'ozone implique une moindre filtration des
rayons ultraviolets les plus nocifs et une élévation des risques pour la
vie terrestre :
- brûlures superficielles, conjonctivites, cataractes
- augmentation des cancers et viellissement de la peau
- maladies du système immunitaire
- réduction de la photosynthèse : diminution des rendements et de la
qualité des cultures, disparition du plancton, premier maillon des
chaînes alimentaires aquatiques...
De plus, les UV-B :
- accélèrent la génération du smog photochimique, stimulant ainsi la production de l'ozone troposphérique qui est nocif
- diminuent "la durée de vie" de certains matériaux inorganiques comme les peintures et plastiques.
Par exemple, à Punta Arenas, au sud du Chili, la quantité d'ozone
diminue de 30 à 50% durant le printemps Austral (notre automne au pôle
Nord), obligeant les habitants à se protéger la peau.
Le "trou" dans la couche d'ozone au dessus des pôles
Évolution du "trou" d'ozone en Antarctique


Le trou dans la couche d'ozone, au dessus de l'Antarctique (au 21/08/2013)
Crédit :
NASA, 21/08/2013
Les
données pour l'Europe montrent des baisses de 5,4% par décennie depuis
les années 80 en hiver et au printemps, avec une tendance à
l'amélioration sur la période 1995-2000.
En 2000, 2001 et 2003, le trou dans la couche d'ozone a atteint une
superficie jamais observée avant 2000, alors que celui de 2002 était le
plus petit qui ait été observé depuis 1998. En effet, à la fin de l'été
2003, le trou a de nouveau atteint un record de superficie... Pour
diminuer rapidement durant le mois d'octobre.
Selon l'Organisation Météorologique Mondiale ces "fluctuations aussi
marquées sont dues aux variations interannuelles des conditions
météorologiques régnant dans la stratosphère et non à la quantité totale
de susbstances destructrices d'ozone dans cette couche de
l'atmosphère." (OMM, 2004)

Evolution de l'étendue du "trou dans la couche d'ozone" au-dessus du pôle Sud, en millions de km2 et en unités Dobson
Crédit :
NASA, 08/2013
En Antarctique, le trou dans la couche d'ozone est un phénomène
annuel qui survient en hiver et au printemps à cause des températures
extrêmement basses qui règnent dans la stratosphère et de la présence de
substances nocives pour l'ozone (OMM, 2011).
Évolution du "trou" d'ozone en Arctique
En Arctique (pôle nord), les températures hivernales sont en moyenne
plus élevées qu'au pôle Sud et les conditions météorologiques varient
beaucoup d'une année à l'autre. Les conditions ne sont donc pas toujours
réunies pour qu'une diminution importante d'ozone y soit observée (
INSU, 04/2011). Toutefois, une
étude publiée dans la revue Nature
souligne que les trous d'ozone dans l'Arctique sont possibles même avec
des températures beaucoup plus douces que celles de l'Antarctique.
Début 2011, pour la première fois dans l'histoire des relevés,
un trou comparable à celui observé annuellement au dessus de l'Antarctique, s'est formé au dessus des régions boréales.
Au plus fort du phénomène, la perte d'ozone a dépassé 80% à plus de
18-20 km d'altitude. D'une taille d'environ 2 millions de km², ce trou,
d'une taille inégalée, s'est déplacé durant une quinzaine de jours
au-dessus de l'Europe de l'Est, de la Russie et de la Mongolie, exposant
parfois les populations à des niveaux élevés de rayonnements
ultraviolets, selon les chercheurs.

Diminution du contenu total d'ozone en Arctique chaque année depuis 1994 estimé à partir des mesures du réseau
SAOZ.
© F.Goutail / LATMOS
Le trou dans la couche d'ozone : causes et solutions
Les causes de l'amincissement de la couche d'ozone
Suite aux travaux de l'expédition scientifique de 1986 en
Antarctique, Susan SALOMON puis James ANDERSON ont démontré que les
teneurs en chlore étaient nettement supérieures aux "normales" dans les
régions les plus affectées par la disparition de l'ozone.
Paul CRUTZEN, Mario MOLINAS et Frank SHERWOOD ont ensuite établi que les
responsables sont des molécules chimiques produites par l'homme : les
ChloroFluoroCarbones (CFC) et les halons.
Ces composés très stables montent lentement vers la stratosphère où ils
catalysent la destruction de l'ozone. En effet, au contact des rayons
ultraviolets (UV), ces gaz libèrent leur chlore par photolyse. De plus,
les cristaux de glace présents dans les nuages d'altitude transforment
les composés chlorés de l'atmosphère en chlore actif susceptible de
détruire l'ozone.
"La destruction de l'ozone stratosphérique se produit dans les
régions polaires lorsque les températures descendent en dessous de -80
°C. À ces températures des nuages se forment dans la basse stratosphère
au sein desquels des réactions chimiques transforment des composés issus
des halocarbures - et inoffensifs vis-à-vis de l'ozone - en composés
actifs. Ces processus conduisent à une destruction rapide de l'ozone au
retour de la lumière solaire au-dessus du pôle". (
INSU, 04/2011).
Comme ces molécules chimiques introduites par les activités humaines
persistent longtemps, leur action n'est neutralisée qu'après des
dizaines d'années. En effet, une molécule de CFC met environ 25 ans
avant d'atteindre la stratosphère. Ainsi, leur concentration ne
diminuera que très lentement même lorsqu'ils seront bannis de toute
utilisation et production.
Le temps de vie dans l'atmosphère des chlorofluorocarbones peut dépasser
100 ans. Ils sont à l'origine de la destruction de l'ozone
stratosphérique. Comment le phénomène a-t-il évolué depuis 30 ans? Les
réponses avec Carole Deniel, responsable des programmes en chimie de
l'atmosphère au CNES.
Avec l'aimable autorisation du
CNES
Les composés chimiques responsables du trou dans la couche d'ozone
Les substances à l'origine de la perdition d'ozone stratosphérique
sont des halocarbures. Ils s'agit de composés halogénés synthétiques,
c’est-à-dire qu’ils ne sont pas produits par la nature (chlore, brome,
iode et fluor). Ils regroupent toutes les Substances Appauvrissant la
couche d’Ozone (SAO), soit :
- les chlorofluorocarbures (CFC),
- les hydrochlorofluorocarbures (HCFC),
- les bromofluorocarbures (aussi appelés halons),
- le méthylchloroforme (1,1,1-trichloroéthane),
- le tétrachlorométhane (CCl4),
- le bromure de méthyle (CH3Br),
ainsi que les substances de remplacement des SAO, soit :
- les hydrofluorocarbures (HFC),
- les perfluorocarbures (PFC).
Les ChloroFluoroCarbones (CFC) sont des molécules composées de carbone, de fluor et de chlore.
Ces molécules furent utilisées (notamment en remplacement
d'hydrocarbures inflammables) car elles restent très stables et ne
présentent donc aucune toxicité chimique pour l'homme. Leurs propriétés
physico-chimiques très intéressantes expliquent pourquoi on les a
utilisées très largement dans un grand nombre de processus industriels
et de produits de consommation :
- liquide de refroidissement dans les systèmes frigorifiques
(domestiques, industriels et commerciaux) et les conditionnements d'air
- solvant et gaz propulseur dans les aérosols
- solvant pour le nettoyage d'appareils mécaniques et électroniques
- agent gonflant pour la production de mousses plastiques
- Les halons, contenant du brome, ont été utilisés notamment comme produits extincteurs dans la lutte contre les incendies
A ces deux catégories de composés sont venues s'ajouter d'autres
substances, également impliquées dans la dégradation de la couche
d'ozone :
- des solvants chlorés : le trichloréthane et le tétrachlorure de carbone
- le bromure de méthyle, un pesticide utilisé en horticulture. Son
utilisation à des fins de quarantaine et de traitement avant expédition
est encore autorisée en Europe afin de garantir l'absence d'organismes
nuisibles dans les cultures commerciales, dans la mesure où des
solutions de remplacement pour cette utilisation spécifique tardent à
être développées (Commission européenne, 07/2005)
- les HCFC, HydroChloroFluoroCarbones et les HFC, HydroFluoroCarbones
développés par l'industrie pour remplacer les CFC dans la plupart de
leurs applications. Ils contiennent de l'hydrogène, ce qui provoque leur
dégradation plus rapide dans la haute atmosphère. Ils attaquent la
couche d'ozone mais moins longtemps que les CFC. Par contre, ils
contribuent à accroître "l'effet de serre", un autre problème écologique très préoccupant.
En se décomposant sous l'action de la lumière, ces composés libèrent le chlore qui casse alors les molécules d'ozone.
L'atome de chlore avec une durée de vie pouvant atteindre la centaine
d'années, détruira plusieurs milliers de molécules d'ozone avant de
disparaître.
Les facteurs naturels responsables du trou dans la couche d'ozone
Des facteurs naturels sont également à l'origine de l'appauvrissement de la concentration en ozone :
- le cycle des tâches solaires (11 ans) influe de 1 à 2 % entre le maximum et le minimum d'un cycle typique
- les émissions volcaniques d'aérosols de sulfate (Ex. juin 1991, l'éruption du mont Pinatubo aux Philippines)
- la vapeur d'eau contribue également à la destruction de l'ozone stratosphérique via les nuages (A. NICOLAS, 2004)
- les émissions de protoxyde d'azote qui sont majoritairement d'origine naturelle (Stratospheric ozone depletion due to nitrous oxide: influences of other gases - The Royal Society ; 12/2011)
Cependant, mis à part quelques émissions volcaniques exceptionnelles,
les facteurs naturels influent relativement peu sur les changements de
la couche d'ozone.
Les réponses au trou dans la couche d'ozone
Face à ce phénomène global et d'une extrême gravité, les pays industrialisés ont adopté un traité international :
le protocole de Montréal le 16 septembre 1987
qui fait suite à la Convention de Vienne de mars 1985. Ce premier
prévoyait de réduire la production de CFC de moitié pour l'an 2000 et
est entré en vigueur en 1989.
Cependant, avec l'urgence du problème, il est décidé en 1990, avec
l'amendement de Londres puis celui de Copenhague en 1992, l'arrêt total
de la production de CFC pour l'an 2000. Il a également été amendé en
1995 à Vienne, en 1997 à Montréal et en 1999 à Beijing.
Le protocole de Montréal
Depuis le 16 septembre 2009, le
protocole de Montréal est ratifié par l'ensemble des 197 membres de l'ONU.
Le protocole vise à protèger la couche d'ozone des dommages occasionnés
par certaines substances chimiques industrielles connues sous le nom de
Substances Appauvrissant l'Ozone (SAO). Le protocole a progressivement
interdit la production de réfrigérants et de solvants contenant des
chlorofluorocarbones (CFC), ainsi que la fabrication d'extincteurs
contenant des halons. Il a fixé un calendrier précis aux fins de
l'élimination progressive d'autres substances nocives telles que les
hydrochlorofluorocarbones (HCFC) et le bromure de méthyle.
Au total, 8 SAO sont réglementées par le protocole de Monréal :
- Chlorofluorocarbures (CFC)
- Tétrachlorure de carbone (CCI4)
- Halons
- 1,1,1 - Trichloroéthane (C2H3CI3)
- Bromure de méthyle (CH3Br)
- Hydrochlorofluorocarbures (HCFC)
- Hydrobromofluorocarbures (HBFC)
- Bromochlorométhane (BCM)
Les résultats de l'application du protocole de Montréal
Suite au protocole, à ses amendements et à l'arrêt total de la
production de CFC depuis 1994, les concentrations de produits
appauvrissant l'ozone dans la basse atmosphère (la troposphère) ont
atteint leur point culminant en 1995 et sont depuis en baisse dans la
troposphère et la stratosphère. Les scientifiques estiment que les gaz
ont atteint leur pic de concentration dans la stratosphère antarctique
en 2001.
Les CFC sont remplacés progressivement par d'autres gaz moins nocifs
comme les hydrochlorofluorocarbures ou HCFC et hydrofluorocarbures ou
HFC. Pour autant, l'abandon de toute substance chlorée et fluorée devra
s'échelonner jusqu'en 2030 (IFEN, 2002).
Selon un
rapport du PNUE,
le protocole de Montréal a permis d'éviter des millions de cancers de
la peau et de cataractes tout en économisant des milliards de dollsars
en soins de santé.
Les substituts de première génération : les hydrochlorofluorocarbures (HCFC)
Ces composés (HCFC-22, HCFC-141, HCFC-142b) ont une durée de vie
limitée à quelques dizaines d'années dans l'atmopshère. Cependant, ils
contiennent encore du chlore qui contribue, certes plus modestement, à
la diminution de la couche d'ozone.
Le HCFC-22 est le plus utilisé et
ses concentrations ont progressé plus d'une fois et demie plus vite en
2007-2008 qu'en 2003-2004.
Suite à l'interdiction des CFC, les HCFC ont été massivement
employés, ce qui a conduit, en 2007, à un accord visant à accélérer
l'élimination des HCFC contenus généralement dans les systèmes de
climatisation. En effet, "
Les HCFC sont à la fois des substances qui
appauvrissent la couche d'ozone et de puissants gaz à effet de serre :
le plus utilisé est 2 000 fois plus puissant que le dioxyde de carbone
du point de vue du réchauffement de la planète" a déclaré le Secrétaire général des Nations Unies M. Ban Ki-moon.
C'est pourquoi, leur production mondiale s'arrêtera en 2029. Au
niveau de l'Union Européenne, leur utilisation est déjà restreintre et
leur fabrication sera interdite en 2015.
Les substituts de deuxième génération : les hydrofluorocarbures (HFC)
Ces HFC (HFC-23, HFC-32, HFC-134a) ne contiennent pas de chlore, ils
ne participent donc pas à la destruction de l'ozone atmopshérique.
Par contre, leur utilisation nécessite la construction de nouveaux équipements industriels.

Déclin de la consommation de CFCs par grandes régions mondiales depuis
1988 avec l'adoption du protocole de Montréal. La consommation a été
divisée par 8 passant de près de 800 000 tonnes en 1988 à 100 000 tonnes
en 2001.
Source : GEO Data Portal, d'après le secrétariat à l'ozone de l'UNEP - 2004
L'Union européenne a progressivement éliminé plus de
99 % de sa production de SAO, grâce à la participation proactive du
secteur industriel et à une stricte application de la législation
communautaire relative aux SAO par la Commission et les États membres. À
compter de 2010, des restrictions supplémentaires concernant les SAO
sont entrées en vigueur au niveau de l'UE (
UE; 09/2009).
L'adoption rapide du protocole de Montréal et la mobilisation unanime
des pays producteurs de CFC est sans doute l'exemple le plus
encourageant de notre capacité à nous mobiliser contre une atteinte
grave à notre support de vie. Cependant, sur cette question, le
consensus scientifique était sans équivoque, les conséquences clairement
identifiées et les pays impliqués peu nombreux ; ce qui n'est pas le
cas du
changement climatique, bien plus complexe à atténuer.
La résorption du trou réduit l'effet de serre
En diminuant notablement les concentrations en CFC, le protocole de Montréal a permis aussi d'atténuer l'
effet de serre.
En effet, les CFC sont aussi de puissants gaz à effet de serre. Grâce
au protocole de Montréal, leur concentration sera en 2010 moitié moins
importante qu'en l'absence de traité. Ainsi, c'est environ 11 Gt éqCo2
par an qui seront évités (OMM, 11/2008).
Toutefois, les SAO sont de plus en plus remplacées par des
hydrofluorocarbones
(HFC), dont le potentiel de réchauffement planétaire est jusqu'à 14 800
fois plus élevé que celui du dioxyde de carbone, le principal gaz à
effet de serre.
C'est pourquoi, en juillet 2009, les parties au protocole de Montréal
ont engagé des discussions sur une proposition visant à limiter et à
réduire la consommation mondiale de HFC.
Et demain ?
Il y a peu, les scientifiques considéraient que le trou dans la
couche d'ozone devait se résorber totalement dans environ cinquante ans.
Cependant, un
nouveau rapport d'évaluation scientifique
publié en août 2006 par l'Organisation météorologique mondiale et le
Programme des Nations Unies pour l'environnement, indique que "la couche
d'ozone situé au-dessus des latitudes moyennes, devrait se reconstituer
d'ici à 2049, soit cinq ans plus tard que ne le laissait entendre la
précédente évaluation (2002). Enfin, au-dessus de l'Antarctique, la
reconstitution de la couche d'ozone ne devrait pas intervenir avant
2065, c'est-à-dire 15 ans plus tard que prévu."
La concentration de gaz nocifs pour la couche d'ozone a atteint son
pic dans la stratosphère antarctique aux alentours de l'an 2000.
Actuellement, elle diminue lentement, au rythme annuel de 1 % environ
selon l'
OMM.