Introduction
La couche d'ozone, une composante essentielle de notre atmosphère, est un sujet d'une importance capitale pour la santé humaine et l'environnement. Ce gaz, constitué de trois atomes d'oxygène (O3), joue un double rôle complexe. En haute altitude, dans la stratosphère, elle nous protège des rayons ultraviolets nocifs du soleil. Cependant, en basse altitude, dans la troposphère, elle devient un polluant atmosphérique aux effets délétères. Cet article explore en détail les différents aspects de la couche d'ozone, de sa formation à son rôle crucial, en passant par les menaces qui pèsent sur elle et les efforts déployés pour la protéger.
Composition et Localisation de la Couche d'Ozone
L'ozone est un gaz très minoritaire dans l'atmosphère terrestre. Sa concentration maximale se situe dans la stratosphère, entre 20 et 50 kilomètres d'altitude, formant ce que l'on appelle communément la couche d'ozone. Plus précisément, le maximum de concentration est atteint vers 20-30 km d'altitude, où il peut atteindre 8 à 10 millionièmes. Environ 90% de l'ozone atmosphérique se trouve dans la stratosphère, tandis que les 10% restants se situent dans la troposphère, la couche atmosphérique la plus proche de la surface terrestre.
Découverte et Formation de l'Ozone
C’est en 1840 que le chimiste allemand C. Schönbein attribue l’odeur caractéristique d’une décharge électrique survenant dans l’air à un gaz qu’il nommera ozone, du mot grec ozein (sentir). Quelques années plus tard, la molécule d’ozone sera identifiée comme étant formée de trois atomes d’oxygène OOO ou O3. L’existence de l’ozone est donc directement liée à la présence d’oxygène dans l’air et sa formation résulte de réactions chimiques initiées par le rayonnement solaire traversant l’atmosphère terrestre.
Le géophysicien anglais S. Chapman a proposé un cycle de quatre réactions chimiques expliquant la présence d’un maximum d’ozone à cette altitude. Suivant le mécanisme proposé par Chapman, la création de l’ozone est initiée par la dissociation d’une molécule d’oxygène (O2) sous l’action du rayonnement solaire ultraviolet. A ces altitudes, le rayonnement solaire est suffisamment énergétique pour briser la molécule d’oxygène en deux atomes d’oxygène (O + O). La collision, au hasard de leurs mouvements, d’un de ces atomes d’oxygène libérés avec une nouvelle molécule O2 permet de former la fameuse molécule d’ozone O3. Cette molécule d’ozone est également soumise à l’action du rayonnement solaire et peut elle-même être brisée en deux, libérant un atome O et une molécule O2.
Rôle Essentiel de la Couche d'Ozone Stratosphérique
La couche d'ozone stratosphérique joue un rôle primordial en absorbant la majeure partie des rayons ultraviolets (UV) nocifs du soleil, en particulier les rayons UV-B. Sans cette action filtrante, les rayons UV-B pénétreraient librement l'atmosphère et atteindraient la surface de la Terre, provoquant des effets néfastes liés à l'exposition excessive aux rayons. Les UV-B altèrent l'ADN et s'avèrent à ce titre fortement mutagènes sur les plantes et les animaux. L'absorption des rayons ultraviolets par l'ozone crée une source de chaleur qui forme la stratosphère (une région où la température augmente avec l'altitude). Elle joue donc un rôle déterminant dans la structure de la température de l'atmosphère terrestre.
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Le cycle de Chapman, outre le fait qu’il explique la présence de la couche d’ozone dans la stratosphère, a deux implications importantes. D’une part, la dissociation de l’ozone par le rayonnement solaire ultraviolet à haute altitude empêche que ce rayonnement atteigne les basses couches de l’atmosphère. De ce fait, l’ozone agit comme un bouclier protecteur filtrant le rayonnement ultraviolet énergétique dommageable pour l’ADN et protège ainsi la vie sur Terre telle que nous la connaissons. D’autre part, la formation de l’ozone par réaction d’une molécule O2 et d’un atome libre O est une réaction exothermique. A chaque fois que cette réaction du cycle a lieu, une molécule d’ozone est bien sûr formée, mais un surplus d’énergie de 24 kcal est libéré et permet de chauffer l’air ambiant. Le cycle de Chapman va donc chauffer l’atmosphère à un taux atteignant 5°C par jour à une altitude d’environ 30 km.
L'Appauvrissement de la Couche d'Ozone et le "Trou" d'Ozone
Les instruments terrestres et les satellites ont enregistré une baisse de l'ozone stratosphérique en raison des activités humaines avec les émissions de gaz tels que les CFC, les halons etc. La quantité d'ozone qui se situe au-dessus de certaines régions de l'Antarctique (qui porte le nom de colonne d'ozone) est appauvrie jusqu'à 60 % pendant le printemps en Antarctique (de septembre à novembre). Ce phénomène porte le nom de trou d'ozone antarctique.
Dans les années 1980, des chercheurs ont mis en évidence un amincissement sensible, voire une destruction de la couche d'ozone (phénomène de « trou dans la couche d'ozone »), particulièrement prononcé au pôle Sud au-dessus de l'Antarctique, mais également au pôle Nord (Arctique). Ce phénomène est provoqué par l'introduction dans l'atmosphère de substances chimiques contenant des molécules chlorées et bromées.
Les observations ont cependant montré que le cycle de Chapman était incomplet pour expliquer le comportement de l’ozone stratosphérique. En effet, certains constituants, présents dans la basse atmosphère et transportés par les courants atmosphériques, peuvent gagner la stratosphère et libérer des espèces chimiques responsables de la destruction de l’ozone stratosphérique. C’est le cas par exemple de la vapeur d’eau (H2O), du méthane (CH4), du protoxyde d’azote (N2O), et des composés halogénés (CFCs, HCFCs, HFCs, halons). Les halogénés, qui renferment des atomes de chlore ou de brome, sont tout particulièrement importants à cet égard et sont responsables de la destruction massive de l’ozone polaire apparaissant de manière spectaculaire durant les mois de septembre et octobre au-dessus du continent Antarctique, et cela depuis le début des années 1980.
Le Protocole de Montréal et la Restauration de la Couche d'Ozone
L’action de l’Homme sur la couche d’ozone est donc clairement établie dès le milieu des années 1980 et le protocole de Montréal est adopté par les Nations Unies en 1987 pour progressivement bannir les constituants halogénés libérant du chlore et du brome actifs, responsables de la destruction de l’ozone stratosphérique. Adopté par 196 pays et l’Union européenne, le Protocole de Montréal, vise à stopper progressivement la production et la consommation de ces substances. En 2016, le protocole de Montréal a été complété par l’amendement de Kigali qui vise à réduire la production et la consommation des hydrofluorocarbures (HFC), de puissants gaz à effet de serre, utilisés en particulier dans les réfrigérateurs et les climatiseurs.
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Depuis les années 2000, grâce à une forte mobilisation internationale, la situation de la couche d'ozone s'est stabilisée. Ainsi, la concentration d'ozone dans la stratosphère est estimée depuis lors à 285 DU en moyenne, ce qui signifie que la limite planétaire est respectée. Le Protocole de Montréal est ainsi considéré comme un succès majeur en matière de protection de l'environnement mondial.
Même s’il faut attendre la seconde moitié du XXIe siècle pour que le trou dans la couche d’ozone soit résorbé, le protocole de Montréal, qui a maintenant plus de 30 ans, et ses différents amendements, ont permis d’éviter le pire. En effet, les résultats les plus récents commencent à indiquer les premiers signes d’une guérison de la couche d’ozone stratosphérique.
Impact de la Diminution de l'Ozone Stratosphérique sur le Climat
Dans la mesure où l’ozone stratosphérique contribue directement à l’échauffement de la stratosphère, sa diminution sous l’effet des activités humaines et des émissions de constituants halogénés induit un refroidissement local de la stratosphère. On notera par ailleurs que les CFCs et les halons, ainsi que les HCFCs et HFCs utilisés comme substituts à ces gaz destructeurs de l’ozone, sont de puissants gaz à effet de serre et sont également soumis maintenant à des réglementations de leurs émissions (amendements au protocole de Montréal, dont le dernier en date est celui de Kigali en 2016). L’augmentation de l’ensemble de ces constituants halogénés dans l’atmosphère est responsable d’un forçage climatique de +0,36 W/m2 (13% du forçage climatique total des gaz à effet de serre de longue durée de vie).
L'Ozone Troposphérique : un Polluant Secondaire
Bien que la molécule d’ozone soit majoritairement présente dans la stratosphère, sa présence ne se limite pas à cette seule couche. Sa teneur dans la basse atmosphère (la troposphère) est par contre largement inférieure à celle mesurée dans la stratosphère. Les premières estimations, effectuées en surface durant la seconde moitié du XIXe siècle, révèlent des teneurs de l’ordre d’une dizaine de milliardièmes.
Dans la troposphère la molécule d’ozone est produite chimiquement à partir de polluants émis par les activités humaines. C’est en effet lors de l’oxydation dans l’atmosphère du méthane (CH4) (et de tous les autres hydrocarbures) et du monoxyde de carbone (CO), en présence d’oxydes d’azote (NOx) et de rayonnement solaire, que la molécule d’ozone est formée. L’augmentation de l’ozone observée depuis l’époque préindustrielle est donc associée à une production chimique à partir de ces gaz précurseurs plutôt qu’à une émission directe comme beaucoup d’autres polluants. L'ozone de basse altitude est un polluant dit "secondaire", c’est-à-dire qu’il n’est pas rejeté directement dans l’atmosphère mais provient de la transformation chimique d’autres polluants.
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En Île-de-France, les oxydes d’azote sont principalement émis par les véhicules essence et diesel, et les composés organiques volatils proviennent de plusieurs sources dont principalement les solvants et peintures, certaines industries, le trafic routier (majoritairement les deux roues) et les végétaux. L'ozone de basse altitude est un polluant qui pose problème essentiellement en été, car, pour produire beaucoup d'ozone, la chaleur et un ensoleillement suffisant sont nécessaires. Le changement climatique favorise donc la hausse des concentrations d'ozone de basse altitude.
Impacts de l'Ozone Troposphérique sur la Santé et l'Environnement
La molécule d’ozone a la propriété d’absorber le rayonnement solaire dans la stratosphère. Cette molécule a également la propriété d’absorber le rayonnement infrarouge et d’être un puissant gaz à effet de serre. Dans la troposphère, son augmentation depuis le préindustriel sous l’effet des activités humaines est donc responsable d’un forçage climatique positif au même titre que les autres gaz à effet de serre de plus longue durée de vie comme le CO2 ou CH4. L’ozone troposphérique a également des effets indirects sur le climat qui sont plus difficiles à quantifier. En particulier, O3 est à l’origine de la production dans l’atmosphère du radical hydroxyle, OH. Ce radical est une molécule essentielle de l’atmosphère et a la propriété d’oxyder la plupart des polluants gazeux émis dans l’atmosphère et notamment le méthane, les HCFCs et les HFCs qui sont de puissants gaz à effet de serre. L’augmentation de l’ozone troposphérique entraîne donc une augmentation de OH et donc une destruction accrue de ces gaz à effet de serre et une diminution de leur forçage climatique.
En dépit de son impact sur le climat, la législation en vigueur visant à réduire la pollution à l’ozone dans nos villes est surtout mise en place pour des raisons de santé publique. En effet, en plus d’être un gaz influant sur le climat, l’ozone est avant tout un puissant oxydant qui, aux concentrations rencontrées en périphérie des grandes villes chaque été, est responsable de problèmes respiratoires. Le caractère oxydant de l’ozone se manifeste également par une baisse du rendement agricole dans la mesure où O3 réduit l’activité photosynthétique, un problème majeur quand il s’agit de nourrir une population mondiale croissante. De plus, cette réduction de l’activité photosynthétique par l’ozone ne se produit pas exclusivement pour les cultures mais également pour les autres écosystèmes et en particulier pour les forêts. Elle induit une diminution du carbone assimilé par la végétation, participant ainsi à une augmentation du CO2 atmosphérique.
À très haute altitude, dans la haute atmosphère, la couche d'ozone protège les organismes vivants en absorbant une partie des rayons UV. Mais à basse altitude, là où nous vivons et respirons, c'est un polluant qui irrite les yeux et l'appareil respiratoire, et qui est nuisible à la végétation. La couche d'ozone de haute altitude et l'ozone de basse altitude communiquent peu.
Faire diminuer les concentrations d'ozone sous les seuils recommandés par l'OMS permettrait d'éviter de l'ordre de 1 700 décès prématurés chaque année en Île-de-France (en 2019). À des concentrations élevées, l'ozone provoque des problèmes respiratoires, déclenchement de crises d'asthme, diminution de la fonction pulmonaire et apparition de maladies respiratoires. A long terme, des liens sont observés avec la mortalité respiratoire et cardiovasculaire, notamment pour des sujets prédisposés par des maladies chroniques (pulmonaires, cardiaques, diabète) et avec l’asthme (incidence ou sévérité).
L’ozone de basse altitude a également un effet néfaste sur la végétation, notamment sur le processus de photosynthèse, qui conduit à une baisse de rendement des cultures. Il a une action nécrosante sur les feuilles. L'ozone de basse altitude est également un des rares polluants de l'air à être aussi un gaz à effet de serre, et aggrave donc le changement climatique.
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