[PDF] La destruction de la couche dozone et ses implications en Région

View - Download La destruction de la couche dozone et ses implications en Région

Previous PDF

Next PDF

Etat de l'Environnement wallon

Etudes - Expertises

La destruction de la couche d'ozone et

ses implications en Région wallonne Dossier scientifique réalisé dans le cadre de l'élaboration du Rapport analytique 2006-2007 sur l'état de l'environnement wallon Ce Rapport est réalisé sous la responsabilité exclusive de son auteur et n'engage pas la Région wallonne

Dr Emmanuel MAHIEU

Groupe Infra-Rouge de Physique Atmosphérique et Solaire Département d'Astrophysique, de Géophysique et d'Océanographie

Université de Liège

Juin 2006

2

Les Rapports sur "l'état de l'environnement wallon" sont établis par la Direction générale des

Ressources naturelles et de l'Environnement (DGRNE) du Ministère de la Région wallonne, en étroite

collaboration avec les universités et les centres de recherche francophones de Wallonie et de Bruxelles

(Art. 5 du Décret du 21 avril 1994 relatif à la planification en matière d'environnement dans le cadre du

développement durable). Le 31 mai 2002, le Gouvernement wallon a adopté une convention -cadre pour financer la mise en

place d'une coordination inter-universitaire, fondée sur une équipe scientifique permanente et sur un

réseau d'expertise. Cette convention-cadre a été passée avec le Centre d'Etude du Développement

Durable (CEDD) de l'Institut de Gestion de l'Environnement et d'Aménagement du Territoire

(IGEAT) de l'Université Libre de Bruxelles (ULB). L'équipe scientifique est pluridisciplinaire et

travaille avec la DGRNE qui assure la coordination générale. Les chercheurs comme les experts scientifiques sont issus de différentes universités. http://environnement.wallonie.be/eew Emmanuel MAHIEU est chercheur dans le Groupe Infra-Rouge de Physique Atmosphérique et Solaire

(GIRPAS) de l'Université de Liège. Il est spécialisé dans l'analyse et l'interprétation de données déduites

d'observations solaires effectuées dans l'infrarouge à partir du sol et de l'espace, en vue de caractériser la

composition chimique de l'atmosphère terrestre, d'établir sa variabilité et son évolution à long terme, et

ce principalement aux latitudes moyennes de l'hémisphère nord.

Impliqué dans plusieurs projets de recherche belges, européens et internationaux, il s'intéresse tout

particulièrement à l'évolution des composés chlorés responsables de la destruction de l'ozone

stratosphérique et des principales sources gazeuses émises au sol et participant à l'effet de serre. Ces

recherches s'inscrivent respectivement dans le cadre des Protocoles de Montréal et de Kyoto. Le GIRPAS est une unité de recherche du Département d'Astrophysique, de Géophysique et

d'Océanographie de l'Université de Liège. Les activités du groupe consistent principalement en

l'opération et la maintenance d'interféromètres installés depuis le début des années 1980 à la station

scientifique internationale du Jungfraujoch (à 3580m d'altitude dans les Alpes suisses) de même qu'en

l'analyse, l'interprétation et la valorisation des données ainsi déduites. En outre, le GIRPAS contribue

également à l'analyse d'observations enregistrées par des instruments en orbite. Les activités passées et

présentes du GIRPAS ont permis de constituer des bases de données observationnelles uniques,

indispensables à la caractérisation à long terme de la composition de l'atmosphère terrestre, à la détection

de changements susceptibles de l'affecter ainsi qu'aux implications de ceux-ci dans le contexte d'un développement durable. 3

Table des matières

TABLE DES MATIÈRES .....................................................................................................................3

1. INTRODUCTION ET CONTEXTE.................................................................................................4

1.1. C

ARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES DE L'ATMOSPHÈRE TERRESTRE...................................................5

1.2. C

OMPOSITION CHIMIQUE DE L'ATMOSPHÈRE TERRESTRE..............................................................6

2. L'OZONE STRATOSPHÉRIQUE...................................................................................................8

2.1. P

RODUCTION ET DISTRIBUTION DE L'OZONE STRATOSPHÉRIQUE...................................................9

2.2. L

ES CYCLES CATALYTIQUES DÉTRUISANT L'OZONE.....................................................................13

La chimie des HO

x

La chimie des NOx........................................................................................................................14

La chimie des ClOx.......................................................................................................................14

La chimie des BrO

x

2.3. M

ÉCANISMES SUPPLÉMENTAIRES DE DESTRUCTION DE L'OZONE.................................................15

2.4. E

VOLUTION RÉCENTE DE L'OZONE..............................................................................................17

2.5. I

MPACTS DE LA DIMINUTION DE L'OZONE SUR LA BIOSPHÈRE......................................................19

3. PRESSIONS SUR L'OZONE : LES COMPOSÉS HALOGÉNÉS DANS L'ATMOSPHÈRE

3.1. C

OMPOSÉS HALOGÉNÉS SOURCES................................................................................................21

Les CFC et les HCFC...................................................................................................................21

Les halons.....................................................................................................................................22

Chlorures d'alcanes......................................................................................................................22

CH 3

3.2. M

ESURES DES CONCENTRATIONS DES COMPOSÉS HALOGÉNÉS SOURCES.....................................22

3.3. I

NVENTAIRES D'ÉMISSIONS GLOBALES.........................................................................................25

3.4. E

MISSIONS EN RÉGION WALLONNE..............................................................................................26

3.5. B

ILAN DU CHLORE ORGANIQUE...................................................................................................28

3.6. R

ÉSERVOIRS CHLORÉS DANS LA STRATOSPHÈRE..........................................................................29

3.7. B

ILAN DU CHLORE INORGANIQUE................................................................................................29

3.8. E

VOLUTION DU BROME DANS LA STRATOSPHÈRE........................................................................31

4. RÉPONSES À LA PROBLÉMATIQUE........................................................................................32

4.1. L

E PROTOCOLE DE MONTRÉAL, SES AMENDEMENTS ET AJUSTEMENTS......................................32

4.2. M

ISE EN APPLICATION EN RÉGION WALLONNE............................................................................34

5. PERSPECTIVES D'ÉVOLUTION DE LA COUCHE D'OZONE / CONCLUSIONS.............36

LISTE DES ACRONYMES ................................................................................................................38

4

1. Introduction et contexte

L'ozone est une molécule composée de trois atomes d'oxygène (O 3 ). Présente dans

l'atmosphère de la Terre en quantité réduite, principalement entre 20 et 50 km d'altitude, cette

espèce joue pourtant un rôle essentiel en filtrant de façon significative la radiation solaire

ultraviolette nocive pour les cellules des êtres vivants et réduisant la photosynthèse des plantes; l'ozone intervient également dans la stabilisation de la stratosphère en limitant les

échanges verticaux dans cette région de l'atmosphère. On trouve également de l'ozone dans la

troposphère. Sa présence est au contraire indésirable dans cette portion de l'atmosphère. En

effet, il constitue un polluant des basses couches et présente un danger potentiel pour la santé

humaine et la végétation (voir Blin et al. 2007. La pollution photochimique, rapport analytique 2006-2007 sur l'état de l'environnement wallon, 332-341). Il est apparu avec de plus en plus d'évidence au cours des dernières décennies que l'atmosphère de la Terre, qui conditionne et influence au travers de maints processus la vie

des organismes présents à sa surface, est loin d'être une entité inaltérable. L'augmentation de

la population mondiale et l'industrialisation croissante, particulièrement au cours du XX e siècle, ont en effet eu des impacts importants et dommageables sur l'environnement. Ainsi,

bien au-delà de la dégradation de la qualité de l'air résultant de la pollution des zones

urbaines, perceptible immédiatement par tout un chacun et ayant un impact défavorable tant sur la qualité de la vie que sur la santé, il faut se préoccuper plus encore de processus

conduisant à des changements progressifs subtils et insoupçonnés jusqu'à il y a peu, et dont

les effets pourraient être irréversibles à l'échelle planétaire. Les exemples en sont nombreux :

rejet massif de gaz à effet de serre qui conduisent à un réchauffement global et à des perturbations du climat, utilisation intensive de produits de synthèse halogénés qui endommagent la couche d'ozone stratosphérique, modifications dans l'affectation des sols (déforestation, assèchement de zones marécageuses) qui perturbent elles aussi les équilibres complexes du système climatique,

L'atmosphère terrestre constitue une des composantes de l'écosystème terrestre, aux côtés

de la biosphère continentale, marine, des océans,... Des nombreuses interactions qui les lient

naît un équilibre fragile qu'il convient de préserver afin d'assurer la pérennité de chacune de

ces entités. 5

1.1. Caractéristiques physiques de l'atmosphère terrestre

La figure 1-1 reproduit la variation de la pression et de la température depuis la surface de la Terre jusqu'à 100 km d'altitude. La pression atmosphérique, de l'ordre de 1013 hPa (1hPa

= 1mb) au niveau de la mer, décroît de manière exponentielle avec l'altitude; à titre indicatif,

elle vaut 100 hPa, 10 hPa et 1 hPa, respectivement vers 15 km, 30 km et 45 km.

PRESSION, hPa

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

ALTITUDE (km)

0102030405060708090100

TEMPERATURE (°C)

-80 -60 -40 -20 0 20

Mésopause

Stratopause

Tropopause

Thermosphère

FIGURE 1 - 1 Variations de la pression (en gris, axe supérieur) et de la température (en noir, axe

inférieur) avec l'altitude, correspondant à des conditions standard aux latitudes moyennes. Les

différentes zones constituant l'homosphère (la troposphère, la stratosphère et la mésosphère) ainsi que

les frontières les délimitant, définies sur base de la structure thermique, sont également reproduites.

6La variation de la température avec l'altitude ou "structure thermique" est plus spécifique, les

particularités de celle-ci ont conduit à la définition de différentes zones caractéristiques de

l'atmosphère. En fonction du signe du gradient de température, on distingue successivement à

partir du sol: (i) la troposphère dans laquelle la température diminue avec l'altitude jusqu'à une première inversion du gradient qui se produit à une altitude qui varie avec la latitude et la saison; ce palier appelé la tropopause, se situe à environ 12 km aux latitudes moyennes, mais varie entre 6 km aux pôles et 18 km à l'équateur;

(ii) la région suivante, la stratosphère, s'étend jusqu'à 50 km (la stratopause); elle est

caractérisée par un gradient de température positif et par une grande stabilité verticale des masses d'air qui contraste avec la troposphère; la convection y est beaucoup plus faible et la plupart des mouvements des masses d'air sont horizontaux, ce qui conduit à une stratification différenciant les différents niveaux d'altitude; (iii) entre 50 et 90 km s'étend la mésosphère qui présente un gradient analogue à la troposphère (la température diminue donc à nouveau avec l'altitude); cette région est également le siège de forts mouvements verticaux induisant un mélange et une homogénéisation rapide. L'ensemble troposphère - stratosphère - mésosphère constitue l'homosphère.

(iv) Au-delà de la mésopause, on trouve la thermosphère où la température augmente à

nouveau avec l'altitude et dépend fortement de l'activité solaire, au même titre que d'autres paramètres physico-chimiques caractérisant cette région de l'atmosphère.

1.2. Composition chimique de l'atmosphère terrestre

L'atmosphère de la terre est essentiellement constituée d'un mélange d'azote (N 2 ) et d'oxygène (O 2 ), ces deux molécules occupent près de 99 % du volume total dans une

atmosphère sèche. Ces constituants, dits majoritaires, sont répartis de façon homogène au

travers de l'homosphère, tant verticalement qu'horizontalement. L'ozone fait partie des constituants minoritaires, aux cotés de la vapeur d'eau (H 2

O), du dioxyde de carbone (CO

2 du méthane (CH 4 ), de l'hydrogène (H 2 ), de l'oxyde nitreux (N 2

O) et du monoxyde de carbone

(CO). Des concentrations typiques pour ces divers constituants atmosphériques sont indiquées au tableau 1-1.

7L'abondance d'un constituant atmosphérique est généralement exprimée en termes de taux

de mélange (en anglais : volume mixing ratio, vmr); celui-ci correspond à la fraction de

volume occupé par les molécules de l'espèce considérée par rapport au volume unitaire d'air

sec : toti iVVvmr exprimé en part par million-volume (ppmv : 10 -6 ), part par milliard-volume (ppbv : 10 -9 ) ou part par trillion-volume (pptv :10 -12

On utilise également la notion de colonne verticale. Cette dernière est obtenue en intégrant le

nombre de molécules de l'espèce considérée contenu dans une colonne verticale de section unitaire; elle est généralement exprimée en molécules/cm 2 . Notons que dans le cas de l'ozone,

on utilise fréquemment l'unité "Dobson": un Dobson correspond à l'épaisseur, en centièmes

de millimètre, que représenterait la couche d'ozone dans les conditions de pression et de température "standard" 1 (1 Dobson = 2,7 10 16 molécules/cm 2 Les taux de mélange moyens des constituants minoritaires donnés dans la Table 1-1 présentent une gamme de concentrations étendue, comprises entre 40 ppbv (ou 0,04 ppmv) pour le CO et 380 ppmv pour le CO 2 . L'atmosphère terrestre contient en outre un grand nombre de constituants en traces. Leurs faibles concentrations ne doivent pas nous conduire à négliger les effets qu'ils peuvent avoir sur notre environnement. Aux composés carbonés 1

Soit 1000 hPa et 0°C. Dans ces conditions, 300 unités Dobson d'ozone correspondraient donc à une

couche atmosphérique de 3 mm d'épaisseur. Constituant atmosphériqueVMR (air sec)%Vol (air sec)

Azote (N

2 ) 0.7808 ppv 78,08%

Majoritaire

Oxygène (O

2 ) 0.2095 ppv 20,95%

Dioxyde de carbone (CO

2 ) 380 ppmv 0,038%

Ozone stratosphérique (O

3 ) 1 - 10 ppmv ~0,0005%

Méthane (CH

4 ) 1.80 ppmv 0,00018%

Vapeur d'eau (H

2

O) Très variable

Hydrogène (H

2 ) 550 ppbv 0,000055%

Oxyde nitreux (N

2

O) 312 ppbv 0,0000312%

Minoritaire

Monoxyde de carbone (CO) 40 - 225 ppbv ~0,000013%

TABLE 1 - 1 L'amplitude des changements saisonniers affectant les concentrations des constituants

minoritaires est très variable. Le monoxyde de carbone présente une réactivité chimique élevée, en

particulier vis-à-vis du radical hydroxyle (OH, espèce réactive, véritable détergent de la troposphère).

Ceci se traduit par une durée de vie assez courte évaluée à 2 mois; en conséquence, ce composé

présente une variation latitudinale et saisonnière importante. Au cours de l'année, son taux de mélange

peut doubler aux latitudes moyennes de l'hémisphère nord. Par comparaison, les variations saisonnières de CO 2 et de CH 4 sont de l'ordre de quelques %. Les concentrations des divers composés sont indiquées sous la forme de taux de mélange et de pourcentages en volume (moyens) respectivement dans la troisième et la quatrième colonne. 8(C 2 H 6 , C 2 H 2 , H 2

CO,...), azotés (NO, NO

2 , HNO 3 ,...), soufrés (SO 2 ,...) s'ajoutent les

composés halogénés, c'est-à-dire porteur d'un ou plusieurs halogènes (fluor, chlore, brome ou

iode). Ces derniers sont fortement liés à la problématique de la destruction de l'ozone

stratosphérique. Aux cours des dernières décennies, l'éventail des composés halogénés

présents dans la troposphère a été fortement modifié suite à l'utilisation intensive de produits

de synthèse qui a conduit à leur libération massive dans l'atmosphère, plus ou moins retardée

selon l'application. Du fait de leur stabilité élevée, ces produits sont caractérisés par des

durées de vie atmosphérique relativement longues et vont donc influencer le milieu durant de

nombreuses années après leur rejet dans l'atmosphère. Parmi ces composés, nous trouvons les

chlorofluorocarbones (CFC : CCl 2 F 2 ou CFC-12, CCl 3

F ou CFC-11, CCl

2 FCClF 2 ou CFC-

113,...), les hydrochlorofluorocarbones (HCFC : CHClF

2 ou HCFC-22, CH 3 CCl 2

F ou HCFC-

141b,...), les halons (CBrClF

2 ou H-1211, CBrF 3 ou H-1301,...), certains dérivés chlorés d'alcanes (CH 3 CCl 3 , CCl 4 , ...), les hydrofluorocarbones (HFC : CH 2 FCF 3 ou HFC-134a,...) et les perfluorocarbones (PFC : CF 4 ou PFC-14, C 2 F 6 ou PFC-116,...).

2. L'ozone stratosphérique

Malgré sa faible abondance, l'ozone (O

3 ) joue un rôle très important dans l'atmosphère

terrestre. Vers 1930, les premières déterminations de sa distribution verticale ont montré que

90 % de l'ozone est contenu dans une couche de la stratosphère s'étendant d'environ 15 à

35 km d'altitude. La Figure 2-1 reproduit les distributions verticales mensuelles moyennes

d'O 3 obtenues en janvier, avril, juillet et octobre 1994 par l'instrument américain HALOE (HALogen Occultation Experiment) dans une bande de latitudes centrée sur Bruxelles (50,8ºN).

TAUX DE MELANGE D'O

3 (ppmv)

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

ALTITUDE (km)

102030405060

Janvier 1994

Avril 1994

Juillet 1994

Octobre 1994

FIGURE 2-1 Moyennes mensuelles zonales de la distribution de l'ozone déduites d'observations

effectuées par l'instrument HALOE à bord du satellite UARS (Upper Atmosphere Research Satellite)

entre 46 et 56ºN, en janvier, avril, juillet et octobre 1994.

9On observe que le maximum de concentration se situe vers 35 km, mais que son altitude et

son amplitude varient avec la saison. Cette répartition de l'ozone en fonction de l'altitude indique qu'il n'est pas émis à la surface de la Terre comme les autres constituants minoritaires, mais qu'il est principalement formé photochimiquement dans la stratosphère.

L'ozone est cependant également présent dans la troposphère, en quantité plus réduite. Cette

présence dans la basse atmosphère résulte soit de transferts dynamiques de masses d'air de la

stratosphère vers la troposphère, soit de la photo-oxydations sous l'action du rayonnement solaire UV 2 de précurseurs présents dans l'air ambiant tels les oxydes d'azote et les composés organiques volatils (COV) dont l'origine est essentiellement anthropique. La présence de l'ozone dans la troposphère est hautement indésirable; en tant qu'oxydant puissant, il

représente un danger pour la santé des populations au-delà d'un seuil de concentration de 100-

120 ppbv. Irritant pour les voies respiratoires et participant à l'effet de serre, il est en outre

néfaste à la croissance des plantes et participe à la dégradation des forêts et des matériaux. En

Région wallonne, un réseau (http://www.irceline.be) est chargé de sa surveillance, il a pour

mission d'avertir la population en cas de dépassements des seuils d'information et d'alerte respectivement fixés à 180 µg/m 3 et 240 µg/m 3 (soit ~ 90 et 120 ppbv à 20°C et 1 000 hPa) (voir Blin et al. 2007. La pollution photochimique, rapport analytique 2006-2007 sur l'état de l'environnement wallon, 332-341).

L'ozone stratosphérique, au contraire, joue un rôle bénéfique en absorbant le rayonnement

UV dans la gamme de 240 à 320 nm (bandes de Hartley). Il limite ainsi la propagation des

radiations UV-B et -C jusqu'à la surface de la Terre et préserve la biosphère de la frange la

plus énergétique de ce rayonnement nocif. Outre ce rôle d'écran protecteur pour la vie sur

Terre, l'ozone participe au réchauffement de la stratosphère en réémettant, sous forme de

chaleur, l'énergie absorbée dans l'UV et dans le visible (bandes de Chapuis) et confère ainsi à

la stratosphère sa structure thermique particulière caractérisée par un gradient de température

positif.

2.1. Production et distribution de l'ozone stratosphérique

Dès 1930, Chapman, un mathématicien et géophysicien britannique, propose la première théorie photochimique expliquant la présence d'ozone dans la stratosphère. Selon cette théorie, l'ozone est formé par photodissociation 3

UV de l'oxygène moléculaire (O

2 ) en oxygène atomique, ce phénomène prenant place principalement dans les tropiques et aux latitudes moyennes durant l'été, là où le rayonnement solaire est le plus intense. Le mécanisme de Chapman consiste en une série de réactions en compétition : 2

Rayonnement ultraviolet (UV) : radiation électromagnétique de longueur d'onde plus courte que le

visible, mais plus longue que les rayons-X. On subdivise fréquemment les UV selon les trois gammes

suivantes: les UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) et UV-C (< 280 nm), d'énergie croissante. 3

Photodissociation ou photolyse : réaction chimique au cours de laquelle une molécule est rompue

sous l'effet d'un photon (constituant élémentaire de la lumière). R1O 2 + h O + Oà des longueurs d'onde < 242 nm

R2O + O + M O

2 + M réaction peu probable dans la stratosphère;

M représente principalement N

2 , qui absorbe l'excès d'énergie R3O 2 + O + M O 3 + M R4 O 3 + O 2 Oquotesdbs_dbs31.pdfusesText_37

[PDF] mondialisation définition pdf

[PDF] conséquences des grandes découvertes cm1

[PDF] conséquences des grandes découvertes ce2

[PDF] conséquences grandes découvertes cycle 3

[PDF] conséquences politiques des grandes découvertes

[PDF] les consequences du terrorisme dans le monde

[PDF] conséquences sociales du terrorisme

[PDF] conséquences politiques du terrorisme

[PDF] les conséquences du terrorisme en afrique

[PDF] les consequences du terrorisme wikipedia

[PDF] conséquences économiques du terrorisme

[PDF] cause et consequence du terrorisme

[PDF] surpêche solutions

[PDF] comment préserver la biodiversité marine

[PDF] la surpêche