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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 (O3) 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 s'est formée il y a environ 600 millions d'années et a atteint sa taille actuelle il y a environ 400 millions d'années. 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 10 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 absorbe partiellement les UV B qui sont des rayonnements ultraviolets très énergétiques et destructeur de l'ADN.
Il existe différents types de rayons UV regroupés en trois grandes classes : les rayons UV-C, UV-B et UV-A :

• 95 % du rayonnement UV est constitué d'UV-A, les moins énergétiques avec des longueurs d'onde comprises entre 315 à 400 nanomètres.
• Les UV-B sont compris entre 280 et 315 nanomètres.
• Les UV-C, compris entre 280 et 100 nanomètres, sont les plus dangereux de la gamme.

En effet, l'impact des UV sur les organismes vivants dépend de leur longueur d'onde : plus cette longueur d'onde est courte, plus le danger est grand. 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

Septembre est le mois où le "trou" dans la couche d'ozone est le plus important au dessus de l'Antarctique. Nous vous proposons de comparer le trou du mois en cours avec le mois de septembre précédent


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. Et pourtant, 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.



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)





La déperdition en ozone au-dessus de l'Antarctique a atteint une superficie de 24 millions de km² en 2014, le record datant de 2000 avec 29,9 million de km². Actuellement, le trou dans la couche d'ozone est plus petit que durant la période 1998–2006 (NASA, 10/2014).
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)


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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

Les causes du trou dans 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 et a une durée de vie comprise entre 60 et 100 ans... Ainsi, leur concentration ne diminue que très lentement même si ils sont bannis de toute utilisation et production.
Les composés chimiques responsables du trou dans la couche d'ozone

Les composés halogénés synthétiques

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.

Le protoxyde d'azote (N2O)

Depuis que les émissions des SAO sont contrôlés, le N2O, un puissant gaz à effet de serre, est maintenant le premier gaz responsable de la destruction de la couche d'ozone.
Or, un tiers des émissions de N2O sont liées aux activités humaines. L'agriculture est de loin la plus grande source d'émissions de N2O causée par l'être humain et représente 2/3 de ces émissions. Cependant, les autres sources importantes de N2O incluent la combustion de carburant industriel et fossile, les opérations de combustion et les eaux usées.
Les facteurs naturels responsables du trou dans la couche d'ozone

Des facteurs naturels sont également à l'origine de l'appauvrissement de la couche d'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 (N2O) 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.
Comment résorber le 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 en 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

Le 16 septembre 1987, 24 pays, dont la France, signent le Protocole de Montréal relatif à des substances qui appauvrissent la couche d'ozone, sous l'égide du Programme des Nations Unies pour l'Environnement. Son objectif est d'éliminer progressivement la production et l'utilisation des produits les plus néfastes pour la couche d'ozone.
Depuis le 16 septembre 2009, le protocole de Montréal est ratifié par l'ensemble des 197 membres de l'ONU, ce qui en fait le seul traité universel.
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 (CCL4)
• 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.
Grâce au Protocole, entre 1988 et 2010, les émissions des SAO ont ainsi baissé de plus de 80 %. Depuis la fin des années 1990, au dessus de la plupart des régions du monde, la couche d'ozone n'est pas devenue plus mince : elle semble se reconstituer. Pour les Nations Unies, le Protocole de Montreal est le "traité ayant eu le plus de succès dans l'histoire des Nations Unies".
Les concentrations des composés chlorés et bromés provenant de la dégradation des SAO dans la stratosphère décroissent. En 2012, les niveaux combinés de chlore et de brome (exprimés par la charge en chlore effective stratosphérique) ont décru d'environ 10-15 % par rapport à leur maximum atteint il y a 10-15 ans. Cette diminution est due à part égale à la décroissance des concentrations du méthylchloroforme (CH3CCl3), du bromure de méthyle (CH3Br) et des chlorofluorocarbures (CFCs).
Selon un rapport du PNUE, le protocole de Montréal a permis d'éviter environ 2 millions de cancers de la peau par an, ainsi que des cataractes tout en économisant des milliards de dollars en soins de santé.
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).
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 restreinte et leur fabrication sera interdite
en 2015
Actuellement, les concentrations atmosphériques en hydrochloroflurocarbures continuent d'augmenter dans l'atmosphère (IPSL, 09/2014).
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 atmosphérique.
Par contre, leur utilisation nécessite la construction de nouveaux équipements industriels et ce sont toujours de puissants gaz à effet de serre.



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-il 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.
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.
Selon une étude du PNUE publiée en septembre 2014, avant l'application du Protocole de Montréal, les SAO ont émis dans l'atmosphère l'équivalent d'environ 10 milliards de tonnes de CO2 chaque année ! Le Protocole de Montréal et ses amendements ont donc été cinq fois plus efficaces que le Protocole de Kyoto dans sa première période d'engagement (2008-2012).
Toutefois, si les hydrofluorocarbures (HFC) n'affectent pas la couche d'ozone, ils restent des gaz à effet de serre qui représentent, chaque année, l'émission d'environ 0,5 milliards de tonnes d'équivalent CO2, en augmentation d'environ 7 % par an... A ce rythme, ils devraient contribuer significativement au réchauffement climatique dans les prochaines décennies et pourraient représenter de 7 à 12 % de la part du CO2 sur l'effet de serre selon une étude de la NOAA. Contreblançant ainsi les bons résultats du Protocole de Montréal.
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.


Quand le trou dans la couche d'ozone sera-t-il résorbé ?

Il y a quelques années, les scientifiques considéraient que le trou dans la couche d'ozone devait se résorber totalement dans environ cinquante ans. Cependant, en 2015, l'Organisation météorologique mondiale indiquait que la couche d'ozone devrait être, en grande partie, reformée vers le milieu du XXIe siècle, et sans doute pas avant 2070 au-dessus de l'Antarctique. "Le Protocole de Montréal est en place et fonctionne bien. Toutefois, il se peut que nous continuions à observer des trous d'ozone étendus au-dessus de l'Antarctique jusqu'en 2025 environ, en raison des conditions météorologiques régnant dans la stratosphère et parce que les substances chimiques subsistent dans l'atmosphère pendant plusieurs décennies après avoir été stoppées", a déclaré M. Braathen, scientifique principal à la Division de la recherche sur l'environnement atmosphérique relevant du Département de la recherche de l'OMM.
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