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

Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Historique 1839 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 1850s 1880 1913 1927 1930 1952 1985 1995 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

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) 1 ppbv = sur 109 molécules dans un volume donné, une molécule est le gaz considéré 1500 stratosphère alerte information Indice Atmo 500 mégapoles 110 140 170 Alerte!!! pollution 1 2 3 85 information 50 30 végétation santé 20 troposphère libre 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 Cancer de la peau Cataracte Phytoplanctons Mercredi de la physique – 21 juin 2006

Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Le cycle de Chapman Flux de photons Concentration d’O2 Maximum d’ozone implique Production ozone dépend altitude équilibre photo-stationnaire Maximum à 25km Surestime les concentrations prédit Mercredi de la physique – 21 juin 2006

Les cycles catalytiques + + X O3 XO O2 Destruction d’ozone + + XO O X O2 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 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

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 Estimé à partir des données de spectromètres Dobson au dessus de l’antarctique antérieures à 1980 Spectromètre TOMS 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 Peu de vapeur d’eau dans la stratosphère Formation des PSC pour température très basse < -80°C Observé depuis l’avion de recherche DC-8 de la NASA le 14 janvier 2003 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

Destruction de l’ozone Absence 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 Cl2O2 Formation dimère (clo)2 seulement à basse température. Pas d’intervention d’atome d’oxygène. 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 Estimé à partir du spectromètre TOMS moyenne 1978-1988 Spectromètre TOMS Mercredi de la physique – 21 juin 2006

Le trou d’ozone en 1997 en Arctique Spectromètre TOMS Mercredi de la physique – 21 juin 2006

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 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

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

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

Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Le smog de Los Angeles Smog = contraction de smoke et fog Los Angeles 1943, photo paru dans le Los Angeles Times La situation actuelle Précurseurs : NOx et COV Ozone : polluant secondaire Mercredi de la physique – 21 juin 2006

Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Chimie : NOx et COVs (1) O3 O2 hn OH HO2 hn, H2O Deposition NO H2O2 CO, VOC NO2 STRATOSPHERE TROPOSPHERE 8-18 km NO2 + O3 O2 O NO 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 NO2 RO Mercredi de la physique – 21 juin 2006

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 COVs O3  avec NOx O3  avec COVs Régime chimique limité par les NOx O3  avec NOx 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 Matin Trafic urbain : 6 - 9h du matin Émission primaire : 1er étape: HNO 2 + h n NO + OH RO , ald é hydes Conversion rapide NO Après midi : production de polluants secondaires NO + O O + O O 3 Ald hydes + NO PAN : NO et COV COV + OH 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 ALPILLES HILLS MARSEILLES AIX EN PROVENCE DURANCE VALLEY MEYRARGUES VINON MONTMEYAN LES MEES BOLLENE LE PONTET St REMY DE PROVENCE Arrière pays NOx limité Modèle RAMS_chimie Domaine simulé Alpilles : entrée vallée du Rhône Meyrargues : entrée vallée de la Durance Source de la pollution COVs limité Les Mees : + haut dans vallée de la Durance Mercredi de la physique – 21 juin 2006

Simulation de la campagne d’ESCOMPTE (2) Day1 Day2 Day3 Mesures d’ozone Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 15h TU ( pic à 110 ppb) Day1 Day2 Day3 Uniquement pic transport à 18h TU ( pic à 130 ppb) Day1 Day2 Day3 Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 14h TU (pic à 110 ppb) 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

Le climat de l’ozone en France sur la période 1991 - 2003 2003 : l ’année la plus polluée depuis 10 ans, notamment par la durée des situation de pollution. Nombre d’heures de dépassement seuil d’information Nombre d’hures de dépassement/nombre total de sites Source : ADEME Mercredi de la physique – 21 juin 2006

Les moyens d’action : réduction des émissions de NOx et COVs il faut réduire les COV régime limité par les COV Pour diminuer les concentrations d’ozone : régime limité par les NOx 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

Mercredi de la physique – 21 juin 2006 L’effet de serre Un peu plus compliqué par la présence de l’atmosphère et ses composantes climatiques Effet de Serre +15C -18C Ce bilan d’énergie conduirait à une température moyenne sur Terre qui serait de -18 °C. Heureusement l’atmosphère n’est pas totalement transparente au rayonnement solaire : les molécules des gaz composant l’atmosphère, les gouttelettes et cristaux nuageux, et les poussières (aérosols) ont des pouvoirs significatifs d’absorption dans l’infrarouge (gaz et nuages), de diffusion et réflexion. Ces gaz, ces particules, ces nuages piègent le rayonnement terrestre IR. C’est ce qu’on appelle l’effet de serre. Mercredi de la physique – 21 juin 2006

Impact de l’ozone sur le réchauffement climatique Troposphère Effet de serre Réchauffement Stratosphère Trou d’ozone Refroidissement 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 Actuel Janvier Juillet 60 50 40 30 25 20 15 10 8 6 4 2 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

Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Fin Mercredi de la physique – 21 juin 2006