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Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Ozone : pollution et climat Maud Leriche.

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1 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Ozone : pollution et climat Maud Leriche

2 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Historique Lozone est découvert en 1840 par C. F. Schönbein qui étudie les décharges électriques, ozein = odeur Il est montré que lozone est un constituant naturel Des expériences montrent que lozone absorbe fortement le rayonnement UV solaire Il est prouvé que la majorité de lozone est localisé dans la stratosphère G. Dobson met au point un spectromètre permettant de mesurer la colonne totale dozone Chapman propose un mécanisme chimique expliquant la présence de la couche dozone Lozone est identifié comme un composant du smog photochimique Découverte du trou dans la couche dozone par léquipe du British Antartic Survey à Halley Bay Prix Nobel Crutzen, Molina et Rowland pour leurs travaux sur la chimie du trou dozone s

3 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Lozone dans l atmosphère (1) 90% du stock dozone 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 NO x et COV (80 à 90%)

4 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Lozone dans latmosphère (2) végétation santé 85 information 500 mégapoles 1500 stratosphère 20 troposphère libre Alerte!!! pollution alerte information Indice Atmo 1 ppbv = sur 10 9 molécules dans un volume donné, une molécule est le gaz considéré

5 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Lozone stratosphérique Le trou dans la couche dozone

6 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Limportance de la couche dozone pour la vie terrestre

7 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Le cycle de Chapman équilibre photo-stationnaire Maximum à 25km Surestime les concentrations prédit Flux de photonsConcentration dO 2 Maximum dozone implique Production ozone dépend altitude

8 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Les cycles catalytiques XO3O3 O2O2 OO2O2 X XO X = catalyseur = NO ou H ou OH ou Cl Modélisation numérique cycle de Chapman + cycles catalytiques Localisation et concentration correcte de la couche dozone Destruction dozone

9 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Lunité Dobson 100 DU = colonne dozone de 1 mm au sol Colonne en mm = quantité totale du gaz intégré sur la hauteur de latmosphère dans les conditions standards de pression et de température Exemple : En moyenne, il y a molécules dozone dans la colonne dair située à la verticale dune surface de 1 cm 2 volume au sol à une température de 0°C de 0.35 cm mm dépaisseur 350 DU

10 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Colonne totale dozone Antarctique Situation naturelleSituation actuelle Spectromètre TOMS Estimé à partir des données de spectromètres Dobson au dessus de lantarctique antérieures à 1980

11 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Un trou de plus en plus important… Spectromètre TOMS

12 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Le trou dozone en 1997 en Antarctique Spectromètre TOMS

13 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Les responsables : les CFC Source : spray aérosols, réfrigération, …. Temps de vie dans la troposphère : ~ 100 ans

14 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Variation verticale du trou dozone Antarctique Forte destruction entre 12 et 20 km Chimie gazeuse prédit une destruction à 40 km Question Pourquoi au dessus de lAntarctique? Pourquoi en octobre? Comment la destruction peut-elle être si forte? ?

15 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Dynamique : le vortex polaire

16 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Nuages stratosphériques polaires Observé depuis lavion de recherche DC-8 de la NASA le 14 janvier 2003 Peu de vapeur deau dans la stratosphère Formation des PSC pour température très basse < -80°C

17 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Destruction de lozone Absence de nuages O3O3 ClO UV CFC Cl + + CH 4 ClONO 2 NO 2 HCl Réservoirs Présence de nuages ClONO 2 HCl + PSC HNO 3 (s) Cl 2 UV Cl O3O3 ClO Cl O3O3 ClO + Cl 2 O 2 UV + 75% de la destruction dozone observé

18 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Déroulement caractéristique du trou dozone au dessus de lAntarctique

19 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Colonne totale dozone Arctique Situation naturelleSituation actuelle Spectromètre TOMS Estimé à partir du spectromètre TOMS moyenne

20 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Le trou dozone en 1997 en Arctique Spectromètre TOMS

21 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Les moyens daction 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 : Amendements pour accélérer et détailler le protocole

22 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 MAIS rétroactions climatiques et manquement au protocole de Montréal peuvent remettre en question ce scénario…..

23 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Lozone troposphérique La pollution photochimique

24 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Les effets néfastes Irritation des voies respiratoires et des yeux Phyto-toxicité Dégradation des matériaux (plastique)

25 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 : NO x et COV Ozone : polluant secondaire

26 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Chimie : NO x et COVs (1) NO 2 + O3O3 O2O2 ONO+ +O Formation de lozone Atmosphère "naturelle " : équilibre photo-stationnaire NO + O3O3 NO 2 +O2O2 Bilan nul pour lozoneMidi, latitude moyenne NO 2 /NO = 3 Production dozoneConversion de NO en NO 2 + rapide que par lozone COV + OH RO 2 aldéhydes+ NO + RO 2 NO 2 +RO O3O3 O2O2 h O3O3 OHHO 2 h, H 2 O Deposition NO H2O2H2O2 CO, VOC NO 2 h STRATOSPHERE TROPOSPHERE 8-18 km

27 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Chimie : NO x et COVs (2) Production dozone dépend de la teneur en COVs et en NO x Régime chimique limité par les NO x Régime chimique limité par les COVs O 3 avec NO x O 3 avec COVs

28 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Sources de NO x et de COVs Daprès lEPA (Environmental Protection Agency) USA

29 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

30 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Déroulement caractéristique dun épisode de pollution photochimique Matin Trafic urbain: 6-9h du matin Émission primaire: 1er étape: HNO 2 +h NO + OH RO 2, aldéhydes Conversion rapideNO 2 Après-midi: production de polluants secondaires NO 2 +h NO + O O + O 2 O 3 Aldéhydes + NO 2 PAN :- : NO et COV 1er étape: 2 + COV + OH 2 é 2 -: 2 2 Maximum = 180 ppbv > Seuil dalerte niveau 3

31 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 dEmissions Réalisée sur le sud de la France durant lété Pourquoi cette région : –Une des zones les plus polluées dEurope –Fort ensoleillement –Présence de grandes agglomérations –Forte concentration dindustries pétrochimiques –Nœud autoroutier important Nombre très important de mesures dynamiques et chimiques

32 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Simulation de la campagne dESCOMPTE (1) Modèle RAMS_chimie Domaine simulé Alpilles : entrée vallée du Rhône Meyrargues : entrée vallée de la Durance Les Mees : + haut dans vallée de la Durance Source de la pollution COVs limité Arrière pays NOx limité

33 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Simulation de la campagne dESCOMPTE (2) Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 15h TU ( pic à 110 ppb) Day1 Day2Day3 Uniquement pic transport à 18h TU ( pic à 130 ppb) Day1 Day2Day3 Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 14h TU (pic à 110 ppb) Day1 Day2Day3 Mesures dozone

34 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Simulation de la campagne dESCOMPTE (3) Symétrie = le modèle rééquilibre par diffusion

35 Mercredi de la physique – 21 juin : l année la plus polluée depuis 10 ans, notamment par la durée des situation de pollution. Le climat de lozone en France sur la période Source : ADEME Nombre dheures de dépassement seuil dinformation Nombre dhures de dépassement/nombre total de sites

36 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Les moyens daction : réduction des émissions de NO x et COVs régime limité par les NO x Pour diminuer les concentrations dozone : régime limité par les COV il faut réduire les COV il faut réduire les NO x

37 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Lozone gaz à effet de serre Le réchauffement climatique

38 Mercredi de la physique – 21 juin C Un peu plus compliqué par la présence de latmosphère et ses composantes climatiques Effet de Serre +15C Leffet de serre

39 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Impact de lozone sur le réchauffement climatique Troposphère Effet de serre Stratosphère Trou dozone Refroidissement Réchauffement

40 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Évolution de la concentration de fond de lozone troposphérique Depuis 1995 : mesures continues dozone au sommet du Puy de Dôme

41 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Évolution de lozone en surface depuis le préindustriel PréindustrielActuel Janvier Juillet

42 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Évolution future de lozone en surface Augmentation de lozone à la surface simulée par 10 modèles de chimie-transport ( ) Évolution depuis préindustriel latitudes moyennes HN Simulation future régions tropicales

43 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Fin


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