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 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 1850s 1880 1913 1927 1930 1952 1985 1995

3 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 NO x et COV (80 à 90%)

4 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 L’ozone dans l’atmosphère (2) 50 30 végétation santé 85 information 500 mégapoles 1500 stratosphère 20 troposphère libre 110 140 170 Alerte!!! pollution 1 2 3 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 L’ozone stratosphérique Le trou dans la couche d’ozone

6 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 L’importance de la couche d’ozone 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 d’O 2 Maximum d’ozone 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 d’ozone Destruction d’ozone

9 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 10 18 molécules d’ozone dans la colonne d’air située à la verticale d’une surface de 1 cm 2  volume au sol à une température de 0°C de 0.35 cm 3  3.5 mm d’épaisseur  350 DU

10 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Colonne totale d’ozone Antarctique Situation naturelleSituation actuelle Spectromètre TOMS Estimé à partir des données de spectromètres Dobson au dessus de l’antarctique 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 d’ozone 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 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? ?

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 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

17 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Destruction de l’ozone 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 d’ozone observé

18 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Déroulement caractéristique du trou d’ozone au dessus de l’Antarctique

19 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Colonne totale d’ozone Arctique Situation naturelleSituation actuelle Spectromètre TOMS Estimé à partir du spectromètre TOMS moyenne 1978-1988

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

21 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

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 2050. MAIS rétroactions climatiques et manquement au protocole de Montréal peuvent remettre en question ce scénario…..

23 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 L’ozone 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 l’ozone Atmosphère "naturelle " : équilibre photo-stationnaire NO + O3O3 NO 2 +O2O2 Bilan nul pour l’ozoneMidi, latitude moyenne NO 2 /NO = 3 Production d’ozoneConversion de NO en NO 2 + rapide que par l’ozone 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 d’ozone 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 NO x O 3  avec COVs

28 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Sources de NO x et de COVs D’après l’EPA (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 d’un 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 d’alerte 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 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

32 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Simulation de la campagne d’ESCOMPTE (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 d’ESCOMPTE (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 d’ozone

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

35 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 2003 : l ’année la plus polluée depuis 10 ans, notamment par la durée des situation de pollution. 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

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

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

38 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 -18C Un peu plus compliqué par la présence de l’atmosphère et ses composantes climatiques Effet de Serre +15C L’effet de serre

39 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

40 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

41 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Évolution de l’ozone en surface depuis le préindustriel PréindustrielActuel Janvier Juillet 605040302520151086420

42 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

43 Mercredi de la physique – 21 juin 2006 Fin