Upload
ninette-calvet
View
108
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Ozone : pollution et climat
Maud Leriche
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Historique• L’ozone est découvert en 1840 par C. F.
Schönbein qui étudie les décharges électriques, ozein = odeur
• Il est montré que l’ozone est un constituant naturel
• Des expériences montrent que l’ozone absorbe fortement le rayonnement UV solaire
• Il est prouvé que la majorité de l’ozone est localisé dans la stratosphère
• G. Dobson met au point un spectromètre permettant de mesurer la colonne totale d’ozone
• Chapman propose un mécanisme chimique expliquant la présence de la couche d’ozone
• L’ozone est identifié comme un composant du smog photochimique
• Découverte du trou dans la couche d’ozone par l’équipe du British Antartic Survey à Halley Bay
• Prix Nobel Crutzen, Molina et Rowland pour leurs travaux sur la chimie du trou d’ozone
1839
1850s1880
1913
1927
1930
1952
1985
1995
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
L’ozone dans l ’atmosphère (1)
90% du stock d’ozone est localisé dans la stratosphère
• absorbe les UVC
• filtre les UVB
Dans la troposphère (du sol à 7/10 km) l ’ozone provient :
• d ’apports stratosphériques (10 à 20%)
• de la photochimie des NOx et COV (80 à 90%)
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
L’ozone dans l’atmosphère (2)
5030
végétation
santé
85
information500
mégapoles
1500
stratosphère
20
troposphère libre
110140170
Alerte!!!
pollution
12
3
alerte
information
Indice Atmo
1 ppbv = sur 109 molécules dans un volume donné, une molécule est le gaz considéré
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
L’ozone stratosphérique
Le trou dans la couche d’ozone
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
L’importance de la couche d’ozone pour la vie terrestre
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Le cycle de Chapman
équilibre photo-stationnaireMaximum à 25km
Surestime les concentrationsprédit
Flux de photons Concentration d’O2
Maximum d’ozoneimplique
Production ozone
dépend
alt
itude
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Les cycles catalytiques
+ +
+ +
X O3 O2
O O2X
XO
XO
X = catalyseur = NO ou H ou OH ou Cl
Modélisation numérique cycle de Chapman + cycles catalytiques
Localisation et concentration correcte de la couche d’ozone
Destruction d’ozone
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
L’unité Dobson
• 100 DU = colonne d’ozone de 1 mm au sol• Colonne en mm = quantité totale du gaz
intégré sur la hauteur de l’atmosphère dans les conditions standards de pression et de température
Exemple : En moyenne, il y a 9.5 1018 molécules d’ozone dans la colonne d’air située à la verticale d’une surface de 1 cm2 volume au sol à une température de 0°C de 0.35 cm3 3.5 mm d’épaisseur 350 DU
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Colonne totale d’ozone Antarctique
Situation naturelle Situation actuelle
Spectromètre TOMSEstimé à partir des données de spectromètres Dobson au dessus de l’antarctique antérieures à 1980
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Un trou de plus en plus important…
Spectromètre TOMS
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Le trou d’ozone en 1997 en Antarctique
Spectromètre TOMS
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Les responsables : les CFC
• Source : spray aérosols, réfrigération, ….
• Temps de vie dans la troposphère : ~ 100 ans
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Variation verticale du trou d’ozone Antarctique
Forte destruction entre 12 et 20 km
Chimie gazeuse prédit une destruction à 40 km
Question • Pourquoi au dessus de
l’Antarctique?• Pourquoi en octobre?
• Comment la destruction peut-elle être si forte?
??
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Dynamique : le vortex polaire
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Nuages stratosphériques polaires
Observé depuis l’avion de recherche DC-8 de la NASA le 14 janvier 2003
Peu de vapeur d’eau dans la stratosphère
Formation des PSC pour température très basse < -80°C
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Destruction de l’ozoneAbsence de nuages
O3 ClO
UV
CFC Cl
+
+
CH4
ClONO2
NO2
HCl
Réservoirs
Présence de nuages
ClONO2
HCl
+
PSC
HNO3(s)
Cl2
UV
Cl
O3
ClO
Cl
O3
ClO
+
Cl2O2
UV
+
75% de la destruction d’ozone observé
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Déroulement caractéristique du trou d’ozone au dessus de
l’Antarctique
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Colonne totale d’ozone Arctique
Situation naturelle Situation actuelle
Spectromètre TOMSEstimé à partir du spectromètre TOMS moyenne 1978-1988
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Le trou d’ozone en 1997 en Arctique
Spectromètre TOMS
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Les moyens d’action• 1985 : Convention de Vienne : appel pour des mesures volontaires
visant à réduire les émissions des CFC• 1987 : Protocole de Montréal : Plan pour réduire la production de CFC• 1990-1999 : Amendements pour accélérer et détailler le protocole
(Information sent to the Ozone Secretariat by the Depositary, UN Office of Legal Affairs, June, 2004)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
19
86
19
87
19
88
19
89
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
Year
Nu
mb
er
of
Co
un
trie
s
Vienna Convention (188)
Montreal Protocol (187)
London Amendment (172)
Copenhagen Amendment (160)
Montreal Amendment (115)
Beijing Amendment (72)
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Et dans le futur…..
• La concentration des CFC commence à diminuer dans la troposphère…..
• ….. Elle continue à augmenter dans la stratosphère pour arriver à son maximum
Le trou est arrivé à son maximum et devrait diminuer petit à petit pour un retour à la normale vers 2050.
MAIS rétroactions climatiques et manquement au protocole de Montréal
peuvent remettre en question ce scénario…..
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
L’ozone troposphérique
La pollution photochimique
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Les effets néfastes
• Irritation des voies respiratoires et des yeux
• Phyto-toxicité
• Dégradation des matériaux (plastique)
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Le smog de Los Angeles
Los Angeles 1943, photo paru dans le Los Angeles Times
La situation actuelle
Smog = contraction de smoke et fog
Précurseurs : NOx et COVOzone : polluant secondaire
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Chimie : NOx et COVs (1)
NO2 +
O3O2
ONO +
+ O
Formation de l’ozone
Atmosphère "naturelle" : équilibre photo-stationnaire
NO + O3 NO2 + O2
Bilan nul pour l’ozone Midi, latitude moyenne NO2/NO = 3
Production d’ozone Conversion de NO en NO2 + rapide que par l’ozone
COV +OH
RO2 aldéhydes+
NO + RO2 NO2 + RO
O3
O2 h
O3
OH HO2
h, H2O
Deposition
NO
H2O2
CO, VOC
NO2
h
STRATOSPHERE
TROPOSPHERE
8-18 km
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Chimie : NOx et COVs (2)Production d’ozone dépend de la teneur en COVs et en NOx
Régime chimique limité par les NOx
Régime chimique limité par les COVs
O3 avec NOx
O3 avec NOx
O3 avec COVs
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Sources de NOx et de COVs
D’après l’EPA (Environmental Protection Agency) USA
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Dynamique : Anticyclone et inversion de température
• Conditions météorologiques favorables à un épisode de pollution photochimique– Anticyclone = air stable– Inversion de températures– Fortes chaleurs et fort ensoleillement
Inversion est favorisée par des conditions anticycloniques
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Déroulement caractéristique d’un épisode de pollution
photochimique
MatinTrafic urbain : 6-9h du matin
Émission primaire :1er étape:
HNO2 + h NO + OHRO2, aldéhydes
Conversion rapide NO NO2
Après-midi : production de polluants secondaires NO2 + h NO + O
O + O2 O3Aldéhydes + NO2 PAN
: -: NO et COV
1er étape:
2 + COV + OH 2 é
2
- :
2
2
Maximum = 180 ppbv> Seuil d’alerte niveau 3
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Exemple de campagne de mesures ESCOMPTE
• Expérience sur Site pour COntraindre les Modèles de Pollution et de Transport d’Emissions
• Réalisée sur le sud de la France durant l’été 2001.
• Pourquoi cette région : – Une des zones les plus polluées d’Europe– Fort ensoleillement– Présence de grandes agglomérations– Forte concentration d’industries pétrochimiques– Nœud autoroutier important
• Nombre très important de mesures dynamiques et chimiques
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Simulation de la campagne d’ESCOMPTE (1)
MARSEILLE
MARTIGUES
BERRE
POND
MEDITERRANEAN SEA
TOULON
AIX - EN - PROVENCE
AVIGNON
NIMES
MARIGNANE
DURANCE
VALLEY
RHONE
VALLEY
ALPILLES
HILLS
MARSEILLE
MARTIGUES
BERRE
POND
MEDITERRANEAN SEA
TOULON
AIX - EN - PROVENCE
AVIGNON
NIMES
MARIGNANE
DURANCE
VALLEY
RHONE
VALLEY
ALPILLES
HILLS
MARSEILLESMARSEILLE
MARTIGUES
BERRE
POND
MEDITERRANEAN SEA
TOULON
AIX - EN - PROVENCE
AVIGNON
NIMES
MARIGNANE
DURANCE
VALLEY
RHONE
VALLEY
ALPILLES
HILLS
MARSEILLE
MARTIGUES
BERRE
POND
MEDITERRANEAN SEA
TOULON
AIX EN PROVENCE-
AVIGNON
NIMES
MARIGNANE
DURANCE VALLEY
RHONE
VALLEY
ALPILLES
MARSEILLES
MEYRARGUES
VINON
MONTMEYAN
LES MEES
BOLLENE
LE PONTET
St REMY DE PROVENCE
Modèle RAMS_chimieDomaine simulé
Alpilles : entrée vallée du Rhône
Meyrargues : entrée vallée de la Durance
Les Mees : + haut dans vallée de la Durance
Source de la pollutionCOVs limité
Arrière paysNOx limité
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Simulation de la campagne d’ESCOMPTE (2)
• Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 15h TU ( pic à 110 ppb)
MEYRARGUES (IOP2b)
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
0 12 24 36 48 60 72
Time (h)
Ozo
ne
(pp
bv)
Day1 Day2 Day3
• Uniquement pic transport à 18h TU ( pic à 130 ppb)
ALPILLES (IOP2b)
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
0 12 24 36 48 60 72
Time (h)
Ozo
ne
(pp
bv)
Day1 Day2 Day3
• Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 14h TU (pic à 110 ppb)
LES MEES (IOP2b)
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00
0 12 24 36 48 60 72
Time (h)O
zon
e (p
pb
v)
Day1 Day2 Day3
Mesures d’ozone
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Simulation de la campagne
d’ESCOMPTE (3)
Symétrie = le modèle rééquilibre par diffusion
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
2003 : l ’année la plus polluée depuis
10 ans, notamment par la
durée des situation de pollution.
Nbre d'heures de dépassement du seuil : 180 µg/m3/h
0
2 000
4 000
6 000
8 000
10 000
12 000
14 000
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003partielnbre d'heures de dépassement / nbre total de site
0
5
10
15
20
25
30
35
1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003partiel
Le climat de l’ozone en France sur la période 1991 - 2003
Source : ADEME
Nombre d’heures de dépassement seuil d’information
Nombre d’hures de dépassement/nombre total de sites
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Les moyens d’action : réduction des émissions de
NOx et COVs
régime limité par les NOx
Pour diminuer les concentrations d’ozone :
régime limité par les COV
il faut réduire les COV
il faut réduire les NOx
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
L’ozone gaz à effet de serre
Le réchauffement climatique
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
-18C
Un peu plus compliqué par la présence de l’atmosphère et sescomposantes climatiques
Effet de Serre
+15C
L’effet de serre
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Impact de l’ozone sur le réchauffement climatique
Troposphère
Effet de serre
Stratosphère
Trou d’ozone
Refroidissement
Réchauffement
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Évolution de la concentration de fond de l’ozone
troposphérique
Depuis 1995 : mesures continues d’ozone au sommet du Puy de Dôme
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Évolution de l’ozone en surface depuis le préindustriel
Préindustriel Actuel
Janvier
Juillet
605040302520151086420
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Évolution future de l’ozone en surface
Augmentation de l’ozone à la surface simulée par 10 modèles de chimie-transport (2100-2000)
Évolution depuis préindustriel
latitudes moyennes HN
Simulation future
régions tropicales
Mercredi de la physique – 21 juin
2006
Fin