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Le trou d'ozone
Bernard Legras LMD/ENS
I Observations du trou d'ozoneII Distribution de l'ozone stratosphériqueIII Destruction de l'ozone par le chlore
IV Tendances et protocoles
3
Le trou d'ozone en 2001, vu à partir des mesures
depuis le satellite ERS-2 (instrument GOME)
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I Observations du trou d'ozone
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Cas extraordinaire: 2002
Ecart de la circulation à la moyenne climatique pour fin septembre: 30 déviations standards !
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Minimum d'ozone dans
le vortex polaire
Aire du trou d'ozone
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Perte d'ozone total
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Evolution de la colonne d'ozone à la station de
Halley Bay de 1955 à 1995
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Variation annuelle de l'ozone en Antarctique
L'ozone disparaît aussi dans l'hémisphère nord
dans une moindre proportion
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L'ozone disparaît aux
niveaux où il est
normalement le plus
abondant.
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Antarctique
(moyennes sur
octobre)
Arctique
(moyennes sur
mars)
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Observations du trou d'ozone
Se développe à partir d'août au dessus de l'Antarctique, at-teint sa pleine ampleur en octobre et disparaît en décembre. Se manifeste depuis le début des années 80. Comparé aux années 70: 60% de réduction d'ozone sur
l'Antarctique en octobre 100% de perte entre 12 et 20 km, préservation au dessus de
20 km et en dessous de 12 km. Le trou d'ozone couvre envron 22 millions de km2. Un phénomène similaire, quoique de moindre amplitude, se
produit dans l'Arctique
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II La distribution de l'ozone stratosphérique
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L'ozone filtre les rayons ultra-violets
O3hO2O pour 320nmOO2O3
O2hOO pour 240nmOO32O2
Les deux premières réactions convertissent l'UV en chaleurBien 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 inférieureà 290 nm sont bloquées, autorisant la vie à la surface de la TerreA une altitude z30km, le temps de vie de [Ox]=[O]3[O3] est de l'ordrede plusieurs semaines.
Cycle de Chapman
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La circulation méridienne dans la stratosphère
et la mésosphère
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Structure thermique de la stratosphère
Le chauffage par l'ozone est compensé par l'émission IRpar CO2 -> existence d'une stratosphère où T croît avecl'altitude entre 12 et 50 km.
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La circulation méridienne dans la stratosphère
et la mésosphère
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Ascendance verticale au dessus de l'équateur
vue par la distribution de [H2O] + 2 [CH4]
Observations(HALOE)
Modèle
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Distribution
méridienne
de l'ozone
(21 mai 2000)
Rapport de mélange
Concentration
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Formation du vortex polaire dans la stratosphère
Fort tourbillon cycloniquese développant autour desrégions polaires en hiver, persistant pendant leprintemps en Antarctique.
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Effet de barrière du vortex polaire
Mesure d'ozone en avion le 4 août 1994 (avant le débutde la destruction de l'ozone)
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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.
Distribution de l'ozone stratosphérique
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Trajectoires de parcelles d'air dans et autour du vortex polaire superposées à la carte d'ozone total
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III La destruction de l'ozone par le chlore
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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.
CF2Cl3 (CFC-12) , CFCl3 (CFC-11), CF2ClCFCl2 (CFC-113) [an-thropogéniques]
Autres composés chlorés organiquesCHClF2 (HCFC-22), CCl4, CH3CCl3 [anthropogéniques]CH3Cl [biogénique]
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Les volcans n'in-jectent pas de chlore dans la stra-tosphère mais ils injectent des poussières (aéro-sols sulfatés).
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Dans la stratosphère, au des-sus de 20 km, les rayonne-ments UV peuvent briser la liaison C-Cl des CFC et CH3Cl.Formation de composés chlorés HCl et ClONO2 moins stables (+ClO, etc...).
Chlore organique total dans la troposphère: environ 4 parties par mil-liard (ppbv). Hcl : 0,5 ppbv au niveau de la mer, 0,004 ppb à 10 km
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Correlation entre la perte d'ozone et ClO
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Autres cycles catalytiques
Avec le brome
BrO + ClO BrCl + O2BrCl + h Br + ClCl + O3 ClO + O2Br + O3 BrO + O2
Net 2 O3 3 O2
Direct
Cl + O3 ClO O + 2ClO O Cl O + + 2
Net O 3 O 2 O + 2
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Destruction de l'ozone par le chlore
Principal cycle catalytique détruisant l'ozone dans les régions polaires (Molina et Molina, 1984)
ClO + ClO Cl2O2Cl2O2 + h ClO2 + ClClO2 Cl + O22 x (Cl + O3 ClO + O2)
Net 2 O3 3 O2
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Usuellement Cl est stocké dans les espèces non réactives HCl et ClONO2
ClO est capturé par les radicaux NO2 produits par la photolyse de HNO3HNO3 + h NO2 + OHClO + NO2 ClONO 2
Le chlore actif Cl [ x ClO Cl 2 Cl] = [ ] + [ ] + [ 2O2 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 5 10] = = 12 mol cm / 3.
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/ ⇒ 5000 jours : pas de problème Pour ClO 1 ppbv d O [ ] = , [ 3 dt 10]/ = 6 mol cm / 3 s 50 jours/ ⇒ : l'ozone est sérieusement touché Pour ClO 3 ppbv d O [ ] = , [ 3 dt 9 10]/ = 6 mol cm / 3 s 5 5 jours/ ⇒ , : l'ozone est entièrement détruit
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Premières mesures du lidar CALIPSO 7 Juin 2007(rapport de rétrodiffusion à 532 nm)
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Les nuages strato-
sphériques polaires
Se forment à basse tem-pérature dans le vortex po-laire.
Permettent des réactions nouvelles à la surface des cristaux qui n'ont pas lieu en phase gazeuse.
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Nuages stratosphériques polaires mesurés par le lidar CALIPSO
au dessus de l'Antractique (octobre 2006)
[image V. Noël]
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Réactions hétérogènes (gaz + solide)
ClONO2 + HCl (S) Cl2 + HNO3 (S)ClONO2 + H2O (S) HOCl + HNO3 (S)HOCl + HCl (S) Cl2 + H2O (S)N2O5 + H2O (S) 2 HNO3 (S)N2O5 + HCl (S) ClNO2 + HNO3 (S)
Des réactions similaires se produisent à la surface des aérosols sulfatés
Sédimentation des cristaux ( ≈300 m/jour) ⇒ dénitrification
Mécanisme systématique en Antarc -tique pendant l'hiver .Dans l'Arctique les températures ne , sont pas toujours assez basses pour la formation des nuages .
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Processus de récupération
ClO est capturé par les radicaux NO2 produits par la photolyse de HNO3HNO3 + h NO2 + OHClO + NO2 ClONO 2
Si HNO3 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.
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La température et le taux de photolyse (nécessaire pour le cycle catalystique de de-struction) 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.
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Le chlore stratosphérique est principalement d'origine anthropique (CFC). Le chlore ordinairement stocké dans des es-
pèces inactives est libéré sous forme active par les réactions hétérogènes sur les nuages strato-sphériques polaires. Les espèces nitrées qui limiteraient le taux de
chlore actif sont piégées sur les nuages et élim-inées. Le processus se maintient tant que le vortex po-
laire persiste. Deux rôles pour le vortex polaire: maintenir des
basses températures et confiner l'air polaire act-ivé en chlore.
Destruction de l'ozone par le chlore
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Tendance de l'ozone total dû au trou d'ozone et à d'autres
réactions chimiques (encore imparfaitement comprises aux
latitudes moyennes)
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IV Tendances
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Impact sur l'exposition
aux UV-B
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Impact des traités de réduction de la production des CFC
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Remplacement des CFC par les HCFC, HFC et autres gaz (isobutane pour la réfrigération)
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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 im-portants a permis de parvenir en quelques années à un consensus sur la théorie actuelle.
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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 NO2 par le trafic aérien. Effet du refroidissement de la stratosphère par l'aug-
mentation du CO2. Modification de la circulation atmosphérique due au
réchauffement global. Volcanisme. Evènement 2002.
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