Évolution de la couche d'ozone sous l'effet du protocole de Montréal et du changement climatique - Core
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La Météorologie - n° 80 - février 2013 59
Environnement
Évolution de la couche
d’ozone sous l’effet
du protocole de Montréal
et du changement
climatique
Sophie Godin-Beekmann
Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales (LATMOS),
Centre national de la recherche scientifique (CNRS),
Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL),
Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines
11 boulevard d’Alembert - 78280 Guyancourt Cedex
e problème de la destruction de la phénomène ont été identifiés, permet-
L couche d’ozone et la signature du
protocole de Montréal apparais-
sent aujourd’hui comme la success
tant d’incriminer le rôle de gaz halo-
génés produits industriellement, les
chlorofluorocarbures (CFC) et les
halons(2). Un accord est alors rapide-
story de la politique environnementale à
Résumé l’échelle planétaire. Plus connu et média- ment intervenu au sein de la commu-
tisé sous le nom de « trou d’ozone », ce nauté internationale pour réguler la
La destruction, à partir du début des phénomène a suscité un immense inté- production de ces gaz, qui s’est traduit
années 1980, de la couche d’ozone rêt public et une inquiétude légitime par la signature du protocole de
stratosphérique, par des constituants quant au devenir de la couche d’ozone à Montréal en 1987.
halogénés issus de l’industrie chi- l’échelle globale. L’enjeu était d’impor-
mique, est considérée aujourd’hui tance puisque l’ozone est un gaz vital Depuis la fin des années 1980, la couche
comme la première atteinte des acti- qui protège la vie sur Terre en filtrant le d’ozone fait ainsi l’objet d’une attention
vités humaines à l’environnement rayonnement UV-B solaire(1). Ce rayon- particulière et d’importants moyens ont
atmosphérique global. En parallèle, nement a un effet néfaste sur les orga- été mis en œuvre pour évaluer son amin-
le protocole de Montréal, signé en nismes vivants car il altère l’ADN des cissement à l’échelle globale. Avec l’ar-
1987 pour réguler l’émission des sub- cellules. Un accroissement du rayonne- rêt des émissions des substances nocives
stances destructrices d’ozone, fait ment UV-B est notamment dangereux pour l’ozone, on s’attend au rétablisse-
figure de pionnier dans le domaine de pour la santé : il augmente les risques ment progressif de la couche d’ozone,
la réglementation mondiale destinée de cancer de la peau et l’occurrence des prévu pour le milieu du XXIe siècle, le
à protéger l’environnement terrestre. cataractes, et il affaiblit le système temps que la stratosphère évacue les gaz
Il a notamment inspiré le protocole immunitaire. polluants injectés par les activités
de Kyoto signé en 1992 pour réguler humaines. Plusieurs événements ont
les émissions des gaz à effet de serre. Dans le milieu des années 1980, des cependant jeté le trouble sur les prévi-
Plus de deux décennies après la chercheurs anglais et japonais font état sions de reconstitution de l’ozone stra-
signature du protocole de Montréal, d’une diminution très importante de tosphérique. En 2002, un réchauffement
le présent article fait le point sur la l’ozone mesuré en Antarctique pendant majeur du vortex polaire antarctique au
réduction des émissions de gaz des- le printemps austral, en octobre mois de septembre, phénomène jamais
tructeurs d’ozone, sur l’état de la (Farman et al., 1985 ; Chubachi, 1984). observé auparavant dans cette région,
couche d’ozone et sur les prévisions L’ampleur de la destruction de l’ozone, induit une réduction importante de la
quant à son rétablissement, compte restituée par les mesures satellitaires, se superficie du trou d’ozone. A contrario,
tenu du changement climatique et de traduit par une réduction de plus de en 2011, une destruction record d’ozone
son influence sur le retour à l’équili- 50 % de son contenu intégré sur une est observée en Arctique. Compte tenu
bre de l’ozone. Le bénéfice addition- superficie atteignant celle du continent
nel du protocole de Montréal quant antarctique, et par une disparition quasi (1) Rayonnement de longueurs d’onde comprises
aux émissions de gaz à effet de serre complète entre 16 et 20 km d’altitude. entre 280 nm et 320 nm.
est également évoqué. Ces mesures ont provoqué une réaction (2) Les CFC sont composés d’atomes de carbone,
rapide de la communauté scientifique de fluor et de chlore. Les CFC les plus importants
sont le CFC-11 (CClF3) et le CFC-12 (CCl2F2).
internationale. Quelques années seule- Les halons sont composés d’atomes de carbone,
ment après la découverte du trou d’ozone
… polaire, les processus à l’origine de ce
de brome, de fluor et parfois de chlore (par exem-
ple, le halon-1301 : CBrF3).
60 La Météorologie - n° 80 - février 2013
…/… de ces informations contradictoires,
quelles sont les prévisions actuelles La couche d’ozone
quant au rétablissement de la couche
d’ozone ? Le changement climatique dû
perturbée :
aux émissions de gaz à effet de serre élucidation
Abstract peut-il perturber ce rétablissement ?
Enfin, comment évaluer le succès du du trou d’ozone
The stratospheric ozone layer and
protocole de Montréal ? Cet article a
pour objectif de faire le point sur les
en Antarctique
the Montreal Protocol recherches actuelles menées sur ce sujet L’élucidation des mécanismes responsa-
The destruction of the stratospheric et sur les différentes hypothèses quant bles de la destruction massive de
ozone layer from the early 1980s by au retour à l’équilibre de l’ozone l’ozone en Antarctique a radicalement
halogen compounds originated from stratosphérique. modifié la vision antérieure des proces-
the chemical industry is considered sus chimiques qui affectent l’ozone
the first global damage to the Earth’s stratosphérique, uniquement fondée, à
atmosphere by human activities. l’époque, sur des réactions chimiques
Likewise, the Montreal Protocol Équilibre naturel en phase gazeuse. Comme l’indique le
rapport d’évaluation international sur
signed in 1987 in order to regulate
ozone depleting substances is a pio- de la couche d’ozone l’ozone stratosphérique de 1985, la
neering agreement in the field of théorie montrait alors que l’influence
environmental regulation for the pro- L’ozone (O3) est un gaz très minoritaire des composés chlorés sur l’évolution de
tection of the environment on the glo- dans l’atmosphère avec un rapport de l’ozone stratosphérique était maximale
bal scale. It has inspired the Kyoto mélange qui ne dépasse pas 10 à vers 40 km d’altitude (WMO, 1985),
Protocol for the reduction of green- 12 molécules par million de molécules une altitude où la concentration de
house gases emission. More than d’air (partie par million en volume ou l’ozone est faible. Il en résultait que
twenty years after the Montreal ppmv). Son abondance est maximale l’augmentation de ces composés dans
Protocol, this article reviews the state dans la stratosphère, région atmosphé- l’atmosphère, déjà notée en 1974 par
of the ozone layer at global scale, the rique située entre 10 et 50 km d’alti- Rowland et Molina(1), ne pouvait entraî-
reduction of ozone depleting substan- tude. Dans les très basses couches ner qu’une diminution de quelques pour
ces in the atmosphere, the previsions atmosphériques, l’ozone, qui est un gaz cents de la couche d’ozone, compte
for the ozone recovery and the fortement oxydant, peut être toxique si tenu de la faible abondance de l’ozone à
influence of global atmospheric sa concentration est trop importante cette altitude. La mise en évidence
change due to increased greenhouse (pollution photo-oxydante ou smog). d’une destruction importante de l’ozone
gases emissions on this recovery. The Dans la stratosphère, la production stratosphérique vers 20 km, la zone
double benef it of the Montreal d’ozone est due à la photodissociation d’altitude où sa concentration est maxi-
Protocol on the emission of green- des molécules d’oxygène par le rayon- male, a alors suscité de nombreuses
house gases is also described. nement solaire ultraviolet et à la recom- interrogations quant à la compréhension
binaison des atomes d’oxygène produits de l’équilibre de l’ozone. Dès 1986 est
avec les molécules d’oxygène avoisi- formulée l’hypothèse que des processus
nantes. Cette production est compensée chimiques en phase hétérogène(2), impli-
par la destruction chimique de l’ozone, quant des composés chlorés, pourraient
qui fait intervenir d’autres composés jouer un rôle dominant dans la destruc-
tels que les composés hydrogénés, azo- tion de l’ozone polaire (Solomon et al.,
tés, chlorés et bromés, par le biais de 1986). Cette hypothèse est vérifiée lors
cycles catalytiques. Reconstituant les d’une campagne de mesures organisée
composés réactifs initiaux destructeurs en 1987 par la NASA (National
d’ozone, ces cycles de réactions chi- Aeronautics and Space Administration).
miques permettent à des constituants, Au cours de celle-ci, des mesures
dont la concentration est mille fois infé- simultanées d’ozone et de monoxyde de
rieure à celle de l’ozone (quelques par- chlore, par un instrument installé à bord
ties par milliard de molécules d’air ou d’un avion stratosphérique volant à
ppbv), d’avoir une influence notable sur 18 km d’altitude, ont démontré le lien
cet élément. Au-dessus de 25-30 km, direct entre l’augmentation des compo-
l’ozone est en équilibre photochimique, sés chlorés présents dans la stratosphère
c’est-à-dire qu’il s’adapte instantané- et la destruction d’ozone. En l’espace
ment aux variations de production ou de de quelques années, les coupables ont
perte chimique. En dessous de 30 km, ainsi été identifiés et le scénario per-
le rayonnement solaire est moins fort et mettant d’expliquer l’apparition du trou
la concentration d’ozone est essentielle- d’ozone polaire a été élucidé. Les fau-
(1) S. Rowland, M. Molina et P. Crutzen ont
ment régie par les processus de tifs sont les chlorofluorocarbures et les
obtenu le prix Nobel de physique en 1995 pour transport atmosphérique, sauf au prin- halons dont la remarquable inertie chi-
leurs travaux sur l’ozone stratosphérique. Paul temps polaire, en Antarctique où, en rai- mique a suscité nombre d’applications
Crutzen a mis en évidence, en 1970, le rôle des son de l’augmentation de l’abondance industrielles, de l’isolation thermique à
composés azotés sur l’équilibre chimique de des composés halogénés par les activi- la climatisation, en passant par la pro-
l’ozone.
(2) Chimie faisant intervenir des composés en
tés humaines, les processus chimiques pulsion des principes actifs dans les
phase gazeuse avec des composés en phase de destruction dominent les processus bombes aérosol. Principalement émis, à
liquide ou solide. de transport. l’époque, par les pays développés, ces
La Météorologie - n° 80 - février 2013 61
composés sont transportés par la circu- jour. Cela aboutit à une diminution de dépassé 12 millions de km2 du fait de
lation atmosphérique dans la stra- plus de 60 % de la colonne totale la perturbation du vortex polaire par un
tosphère où ils sont décomposés par le d’ozone au mois d’octobre, avec une réchauffement majeur de la strato-
rayonnement ultraviolet (UV) solaire. disparition quasi complète de l’ozone sphère (Allen et al., 2003). Généra-
Le temps mis à atteindre les pôles par entre 14 et 20 km. lement observés dans la stratosphère
les constituants halogénés et leurs pro- arctique, ces événements se traduisent
duits de décomposition est de 3 à par une inversion du gradient de tem-
6 ans, suivant l’altitude. L’étude des pérature, en hiver, entre les moyennes
mécanismes impliqués dans l’appari- latitudes et les pôles, accompagnée
tion du trou d’ozone a montré que les Destruction d’ozone d’une inversion de la circulation
ingrédients nécessaires à la destruction zonale avec l’apparition de vents d’est
de l’ozone stratosphérique pendant le stratosphérique dans qui rompent le vortex polaire. Les
printemps polaire sont les suivants :
- une forte augmentation de la concen-
les régions polaires réchauffements stratosphériques polai-
res font disparaître les nuages stra-
tration en composés halogénés dans la Dans l’hémisphère sud, le trou d’ozone tosphériques et stoppent les processus
stratosphère. Les composés chlorés ont est devenu un phénomène saisonnier de destruction d’ozone. Depuis les
vu leur concentration multipliée par 5 récurrent depuis les années 1980. La années 2000, la surface du trou
tandis que celle des composés bromés destruction d’ozone débute dès le d’ozone montre une variabilité accrue,
a augmenté de 50 %, du fait des activi- début de l’hiver, dans les régions péri- avec un record de 30 millions de km2
tés humaines ; phériques du vortex polaire, du fait de atteint en 2006. En 2011, cette
- des conditions de températures hiver- la présence continue du rayonnement surface était de 25 millions de km 2
nales très basses dans la stratosphère solaire. Les processus de destruction (figure 2).
antarctique et la formation de nuages s’accélèrent à partir de la mi-août dans
stratosphériques polaires ; l’ensemble du vortex au fur et à
- la réapparition du rayonnement mesure que le soleil s’élève au-dessus
solaire au-dessus du continent antarc- de l’horizon, pour atteindre une des- Figure 2 - Trou d’ozone en octobre 2011.
http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/monthly/
tique au début du printemps. truction quasi totale de l’ozone dans la monthly_2011-10_SH.html
basse stratosphère à la fin septembre.
La disparition du rayonnement solaire Les masses d’air appauvries en ozone
au-dessus de l’Antarctique en hiver restent ensuite confinées à l’intérieur
entraîne la formation du vortex du vortex polaire jusqu’à la rupture de
polaire, une ceinture de vents d’ouest ce dernier, qui intervient de façon
très intenses qui isole les masses d’air variable entre la fin octobre et début
polaires des régions avoisinantes. La décembre. Le trou d’ozone atteint son
stratosphère polaire se refroidit forte- maximum de superficie au début du
ment, jusqu’à atteindre des températu- mois d’octobre. Cette surface maxi-
res très basses (inférieures à -85 °C), male a régulièrement augmenté au
propices à la formation de nuages stra- cours des années 1980 puis s’est stabi-
tosphériques polaires composés de lisée, dans la décennie suivante, autour
cristaux de glace ou de gouttelettes de 20 à 25 millions de km2 (voir fi-
d’eau et d’acide nitrique. Comme la gure 1), sauf en 2002 où elle n’a pas
stratosphère est une région très sèche
(le contenu en vapeur d’eau y est de
l’ordre de quelques parties par Figure 1 - Évolution du contenu intégré moyen d’ozone au-dessus du continent antarctique, en octobre, depuis les
million), les régions polaires sont les années 1970. Le trou d’ozone correspond à des valeurs inférieures à 220 unités Dobson (DU), soit les régions bleu
foncé et mauves dans la figure (WMO, 2011).
seules dans lesquelles des nuages peu-
vent se former à cette altitude. À la
surface de ces nuages, des réactions
chimiques en phase hétérogène trans-
forment alors les produits de dissocia-
tion des CFC, tels que le nitrate de
chlore (ClONO2) et l’acide chlorhy-
drique (HCl), en composés suscepti-
bles de détruire l’ozone (Cl2, ClOH).
C’est l’étape d’activation du chlore.
Dès la réapparition du soleil au-dessus
du pôle, ces composés forment à leur
tour du monoxyde de chlore (ClO) qui,
sous l’action du rayonnement solaire,
initie des cycles catalytiques de des-
truction d’ozone, dont les deux plus
importants impliquent le dimère
ClOOCl et le monoxyde de brome
(BrO). La concentration de ClO est
alors multipliée par 500 à l’intérieur du
vortex polaire, et l’ozone est détruit au
rythme de plusieurs pour cents par
62 La Météorologie - n° 80 - février 2013
Après la découverte du trou d’ozone dans les années 1960-1970. Plus sur l’évolution du contenu intégré
antarctique, la question s’est rapide- récemment, au cours de l’hiver arc- d’ozone. Dans les régions de moyennes
ment posée de l’éventualité d’un phéno- tique 2010/2011, une destruction latitudes, la perte d’ozone est due à la
mène similaire dans la stratosphère record d’ozone a été détectée. Cette dilution des masses d’air polaires
arctique. De nombreuses campagnes destruction, qui a atteint 40 % en avril appauvries en ozone à la suite de la rup-
de mesures ont alors été organisées par 2011, s’explique par un hiver très froid ture du vortex polaire, et aux processus
les États-Unis et l’Europe pour évaluer et persistant dans la stratosphère. Ces chimiques in situ qui impliquent les
la destruction d’ozone dans cette conditions exceptionnelles, s’appa- composés halogénés (WMO, 1998).
région. Une différence essentielle entre rentant à celles observées habituelle-
les stratosphères antarctique et arc- ment en Antarctique, ont conduit à une
tique est liée aux températures hiver- prolongation inhabituelle des proces-
nales, beaucoup plus élevées dans le sus de destruction d’ozone polaire
dernier cas. Cette dissymétrie s’ex- jusqu’au printemps (Manney et al., Le protocole
plique par le fait que, dans l’hémi- 2011). La figure 3 montre les faibles
sphère Nord, les continents remontent valeurs d’ozone observées en mars de Montréal
plus haut en latitude que dans l’hémi-
sphère Sud et qu’ils occupent une sur-
2011 par l’instrument IASI (Inter-
féromètre atmosphérique de sondage
et ses amendements
face plus importante. L’alternance de infrarouge) embarqué sur le satellite À la suite de la découverte du trou
continents et d’océans et la présence européen METOP. d’ozone antarctique, le protocole de
de montagnes particulièrement hautes Montréal a été signé en 1987 par 24 pays
comme l’Himalaya génèrent davantage et mis en application en 1989. Il a actuel-
d’ondes atmosphériques à large lement été ratifié par plus de 190 pays
échelle, qui se traduisent par la pré-
sence de zones de haute et de basse
Destruction d’ozone (http://ozone.unep.org/new_site/en/
treaty_ratif ication_status.php). Le
pression dans l’atmosphère. Certaines à l’échelle globale protocole et ses amendements succes-
sifs, signés entre 1990 et 2007, ont
de ces ondes se propagent dans la stra-
tosphère, déplacent le vortex polaire Depuis les années 1980, un important conduit, dès 1996, à l’arrêt quasi total,
vers les latitudes plus basses et le dispositif instrumental permettant des dans les pays développés, de la produc-
réchauffent. Les conditions météorolo- mesures au sol et satellitaires a été mis tion des composés chlorés et bromés
giques sont ainsi beaucoup plus varia- en œuvre pour surveiller l’évolution de responsables de la destruction de
bles dans la stratosphère arctique, et la la couche d’ozone. Ces mesures ont l’ozone stratosphérique. Les principaux
formation de nuages stratosphériques montré une diminution de l’ozone à composés réglementés sont les chloro-
polaires est très différente d’une année l’échelle globale jusqu’à la fin des fluorocarbures CFC-11 et CFC-12, le
sur l’autre. Certains hivers des années années 1990, variable suivant la latitude tétrachlorure de carbone, les halons
1990 et l’hiver 1999/2000 ont toutefois et la saison. L’éruption volcanique cata- 1211 et 1301 et le bromure de méthyle.
été caractérisés par des conditions de clysmique du mont Pinatubo en 1991, Dans l’atmosphère, les composés chlo-
température très basses, provoquant aux Philippines, a induit une réduction rés sont environ cent fois plus abon-
une destruction importante d’ozone. significative mais transitoire de l’ozone dants que les composés bromés, mais le
Pendant le printemps ont été observées à l’échelle globale. Cette éruption a mis pouvoir de destruction de l’ozone de
des colonnes totales d’ozone inférieu- en lumière l’importance des processus ces derniers par les cycles catalytiques
res de 20 à 30 % aux valeurs mesurées de chimie hétérogène impliquant les est près de 45 fois plus élevé. Ces diffé-
composés chlorés et se produisant à la rents produits ont été remplacés dans
surface des aérosols volcaniques (1). l’industrie chimique par les hydro-
Figure 3 - Contenu intégré d’ozone mesuré par l’instru- L’évolution de la distribution verticale chlorofluorocarbures (HCFC), beau-
ment satellitaire IASI en mars 2011. d’ozone a été caractérisée, pendant la coup moins nocifs pour la couche
http://www.ipsl.fr/Actualites/Actualites-scientifiques/ d’ozone. Du fait de la présence d’ato-
Diminution-record-d-ozone-au-pole-nord.
même période, par une diminution mar-
quée, de l’ordre de mes d’hydrogène, ces gaz sont en effet
7 % par décennie, dissociés dans la troposphère et seule
dans deux régions une petite fraction atteint la stra-
distinctes, situées tosphère. Outre ces réglementations, le
entre 15 et 20 km et protocole souligne l’importance de la
autour de 40 km d’al- surveillance de la couche d’ozone à
titude. Dans cette l’échelle mondiale à partir de différents
dernière région, la instruments de mesure, embarqués sur
déperdition d’ozone satellite ou installés au sol. Il prévoit
est due aux processus également la mise au point régulière,
de chimie homogène par la communauté scientifique interna-
impliquant les com- tionale, de rapports d’évaluation sur
posés chlorés issus l’état de la couche d’ozone. Le dernier
des CFC. Compte rapport a été publié en 2011 (WMO,
tenu de l’abondance 2011).
plus importante de
l’ozone dans la basse
stratosphère, c’est la (1) Gouttelettes liquides composées d’eau et
d’acide sulfurique et injectées, de façon massive,
diminution dans cette dans la stratosphère par les éruptions volca-
zone d’atltitude qui a niques cataclysmiques telles que celle du mont
le plus fort impact Pinatubo.
La Météorologie - n° 80 - février 2013 63
La réduction de l’ozone stratosphérique
induit, elle aussi, un refroidissement de
la stratosphère, en raison du rôle très
important que joue ce constituant dans
l’équilibre thermique de cette région.
En effet, l’absorption du rayonnement
UV par l’ozone réchauffe la stra-
tosphère. De l’ordre de 10 °C par jour
vers 50 km, ce réchauffement est com-
pensé en permanence par un refroidis-
sement dû au rayonnement infrarouge
du CO 2 , de la vapeur d’eau et de
l’ozone lui-même, dans une moindre
mesure. Une diminution de la quantité
d’ozone entraîne donc un moindre
chauffage et un refroidissement de la
stratosphère.
Les analyses des mesures de tempéra-
ture par radiosondage et par des instru-
ments satellitaires montrent un
refroidissement de 1 à 2 °C, dans la
Figure 4 - Évolution temporelle de la charge effective en chlore dans la stratosphère (EESC), consécutive au proto- basse stratosphère, et de 4 à 6 °C, dans
cole de Montréal, dans les régions de moyennes latitudes (courbe rouge) et dans les régions polaires (courbe
bleue). Adapté de WMO (2011).
la haute stratosphère, entre 1980 et
1995, puis une stabilisation des tempé-
ratures par la suite. D’après les modè-
les, ce refroidissement est principa-
lement causé par la diminution d’ozone
L’application du protocole de Montréal (WMO, 2011). Dans la stratosphère
et de ses amendements a permis de Interaction entre polaire, ce refroidissement favorise la
ralentir puis d’inverser l’augmentation
de la concentration des substances
la destruction d’ozone formation des nuages stratosphériques
polaires et donc les processus de des-
nocives pour l’ozone dans la strato- stratosphérique et truction de l’ozone. On a alors un effet
sphère. Le succès du protocole est de contre-réaction positif par lequel la
mesuré par la charge effective en le changement destruction d’ozone s’auto-entretient en
chlore stratosphérique ou Equivalent
Effective Stratospheric Chlorine
climatique favorisant la formation des nuages
stratosphériques polaires. Cet effet a été
(EESC), en anglais. Cette quantité est La réduction de la charge effective en confirmé par des études qui ont montré
calculée à partir des mesures de CFC, chlore dans la stratosphère devrait se que la persistance plus importante du
de halons et des autres gaz halogénés traduire par une augmentation de trou d’ozone polaire jusque vers la fin
au niveau du sol, pondérées par l’effi- l’ozone à l’échelle globale et par une du mois de novembre, observée au
cacité de chaque composé quant à la disparition progressive du trou d’ozone cours des années 1990, est directement
destruction de l’ozone stratosphérique. en Antarctique. Ce rétablissement de liée à la destruction de l’ozone. En
La série temporelle obtenue tient l’ozone mettra plusieurs décennies, le revanche, dans la haute stratosphère, à
compte d’un délai de 3 et 6 ans cor- temps que la stratosphère évacue le sur- l’échelle globale, le refroidissement a
respondant au délai moyen de transport plus de composés halogénés introduits un effet inverse puisqu’il ralentit les
des masses d’air vers les régions strato- par les activités humaines. Cependant, réactions de destruction de l’ozone et,
sphériques correspondantes (figure 4). un certain nombre d’incertitudes sub- par effet de contre-réaction négatif, en
L’évolution de la charge effective en sistent quant à la prévision du retour à accélère la reconstitution. Les simula-
chlore montre que le maximum a été l’équilibre de l’ozone. Ces incertitudes tions des modèles climatiques qui utili-
atteint vers la fin des années 1990. À la sont principalement liées au change- sent les scénarios du GIEC (Groupe
fin de 2008, l’EESC avait décru de ment climatique qui a pour effet de per- d’experts intergouvernemental sur
11 % par rapport à sa valeur maximale turber l’équilibre thermique de la l’évolution du climat) d’augmentation
atteinte en 1997. Cette décroissance stratosphère. En effet, si l’accroisse- des gaz à effet de serre et qui incluent le
correspond à 28 % de celle requise ment de l’abondance des principaux gaz rétablissement de la couche d’ozone
pour redescendre au niveau de 1980, à effet de serre, dont le dioxyde de car- prévoient un refroidissement de la
période d’apparition du trou d’ozone bone (CO2), a pour effet de réchauffer stratosphère compris entre 2 et 8 °C à la
polaire. Dans les régions polaires, la la troposphère, il refroidit la strato- fin du XXIe siècle, majoritairement lié à
décroissance n’était que de 5 % par sphère. Ce phénomène est dû au fait l’augmentation de la teneur en gaz à
rapport à la valeur maximale atteinte que le rayonnement infrarouge terrestre effet de serre.
en 2002. Le temps de résidence très est davantage absorbé dans les basses
long des principaux CFC dans couches de l’atmosphère et qu’il pénè- L’étude du rétablissement de la couche
l’atmosphère (estimé à 100 ans pour le tre moins dans la stratosphère. De plus, d’ozone doit également prendre en
CFC-12) ne permet pas de prévoir un dans les conditions de températures compte l’augmentation de l’abondance
retour avant 2040 aux valeurs qui pré- stratosphériques, le CO2 émet davan- des gaz sources à partir desquels sont
valaient avant l’apparition du trou tage de rayonnement infrarouge ther- formées les espèces impliquées dans
d’ozone. mique vers l’espace qu’il n’en absorbe. les cycles catalytiques de destruction
64 La Météorologie - n° 80 - février 2013
d’ozone. Parmi ceux-ci, la vapeur d’eau prévoient une intensification de la circu-
joue un rôle particulier puisque c’est le lation méridienne qui aurait pour effet État actuel de
principal gaz source, avec le méthane,
des constituants hydrogénés et qu’elle
d’augmenter le contenu d’ozone dans les
régions polaires et de moyenne latitude,
la couche d’ozone et
intervient, de plus, dans la formation accélérant ainsi le rétablissement de prévisions pour
des nuages stratosphériques polaires.
Des mesures à long terme de la vapeur
l’ozone dans ces régions, et a contrario
de le diminuer aux tropiques. Cette inten-
son rétablissement
d’eau stratosphérique ont montré un sification de la circulation méridienne Depuis une dizaine d’années, le
accroissement entre 1980 et 2000, suivi n’a pas été encore observée mais sa contenu intégré d’ozone s’est stabilisé à
d’une décroissance progressive estimée détection par différents types de mesures l’échelle globale et il montre même des
à 0,5 ppm en 2009. Les mécanismes qui fait l’objet d’importantes recherches. signes d’accroissement dans certaines
expliquent l’évolution à long terme de régions de l’hémisphère Nord. Le der-
la vapeur d’eau stratosphérique restent La destruction d’ozone stratosphérique a nier rapport d’évaluation de la couche
encore largement incompris. Une aug- par ailleurs eu un impact important sur le d’ozone fait état de valeurs moyennes
mentation de la vapeur d’eau dans la climat, dans la troposphère et à la surface de contenu intégré inférieures d’environ
stratosphère contribuerait à son refroi- de la Terre, plus particulièrement dans 3,5 % aux valeurs mesurées avant 1980,
dissement et se répercuterait sur la l’hémisphère Sud où elle est la plus dans les régions comprises entre 60° N
quantité des composés hydrogénés qui importante. L’effet le plus notable s’est et 60° S. Aux moyennes latitudes, le
interviennent dans la destruction de traduit par un déplacement vers le sud du contenu intégré d’ozone a été réduit
l’ozone, vers 20 km d’altitude. Elle courant-jet troposphérique(1) en été. Ce d’environ 6 % dans l’hémisphère Sud et
augmenterait aussi la formation des déplacement a entraîné une intensifica- de 3 % dans l’hémisphère Nord, avec
nuages stratosphériques polaires, essen- tion des vents à la surface de l’océan aus- une diminution négligeable au-dessus
tiellement composés d’eau. Dans tous tral et des tendances contrastées de la des tropiques (figure 5). Une stabilisa-
les cas, elle retarderait le rétablissement température de surface estivale en tion similaire a été observée sur la dis-
de l’ozone stratosphérique. Antarctique, avec un réchauffement au tribution verticale d’ozone, tant dans la
niveau de la péninsule et un refroidisse- basse que dans la haute stratosphère
Un troisième paramètre à prendre en ment sur le plateau. D’autres effets moins (WMO, 2011).
compte concerne la propagation des robustes ont été signalés comme une aug-
ondes atmosphériques dans la stra- mentation de la surface de glace de mer
tosphère. Différentes études ont montré autour du continent antarctique, un dépla- Figure 5 - Déviations du contenu intégré d’ozone, en
que la propagation de ces ondes permet cement vers le sud du train de dépression moyenne annuelle, par rapport à la moyenne de la
d’expliquer la circulation méridienne des dans l’hémisphère Sud et des précipita- période 1964-1980, dans différentes bandes de lati-
masses d’air dans la stratosphère, qui se tions associées, et une décroissance du tude (60° S-60° N, 90° S-90° N, 35° N-60° N, 35° S-
60° S, 25° S-25° N), estimée à partir de mesures au
traduit par un mouvement ascendant aux puits de carbone dans l’océan austral sol (courbes noires) et de différentes séries de mesu-
tropiques, suivi par un transport vers les (WMO, 2011). res satellitaires. (Adapté de WMO, 2011.)
pôles et par un retour vers la
troposphère dans les régions
polaires (Andrews et al., 1987).
Cette circulation, dite de
Brewer-Dobson, explique
notamment les fortes concentra-
tions d’ozone dans la basse
stratosphère des régions polai-
res, très loin des régions de pro-
duction situées au-dessus des
tropiques où le rayonnement
solaire est le plus intense. Le for-
çage par les ondes de la circula-
tion méridienne stratosphérique
est plus important dans l’hémi-
sphère Nord et variable d’une
année sur l’autre. L’origine de
cette variabilité est encore mal
connue. L’évolution de cette cir-
culation méridienne sous l’effet
du changement climatique a été
simulée par plusieurs modèles
climatiques à l’occasion du der-
nier rapport d’évaluation de
la couche d’ozone (WMO,
2011). La plupart des modèles
(1) Le courant-jet subtropical cor-
respond à un maximum de vent zonal
dont l’intensité peut atteindre 80 à
100 m/s vers 10-12 km d’altitude.
La Météorologie - n° 80 - février 2013 65
leur potentiel de réchauffement com-
paré à celui du CO2, on peut exprimer
ces émissions en émissions équivalen-
tes de CO2. Une étude a ainsi montré
que l’application, entre 1990 et 2010,
du protocole de Montréal a été équi-
valente à une réduction d’environ
8 milliards de tonnes de dioxyde de
carbone par an. Cette réduction est à
mettre en perspective avec la réduction
d’émission de 2 milliards de tonnes de
CO2 par an préconisée dans le cadre du
protocole de Kyoto sur la même
période (Velders et al., 2007). À titre de
comparaison également, les émissions
anthropiques de CO 2 étaient de
34 milliards de tonnes en 2011.
Compte tenu de la synergie entre les
protocoles de Montréal et Kyoto, un
Figure 6 - Schéma d’évolution du contenu intégré d’ozone entre 60° N et 60° S, sur la période 1960-2100. Les cour-
bes en couleur représentent les différentes observations d’ozone au sol et satellitaires. La courbe rouge en trait nouvel amendement au protocole de
gras illustre l’évolution de l’ozone passée et simulée dans le futur. La zone rose représente l’étendue des projections Montréal a été signé en 2007, qui pré-
des modèles. La ligne noire en trait plein montre le niveau des années 1980, pris comme référence pour le proto- voit d’accélérer l’arrêt des émissions de
cole de Montréal. La ligne noire en tirets indique les niveaux très incertains des années 1960. Les trois étapes de HCFC. Dans les pays développés, la
rétablissement de la couche d’ozone sont indiquées par les ellipses vertes en tirets. (Adapté de WMO, 2011).
production sera gelée en 2013 puis
réduite progressivement, jusqu’à une
Les modèles de climat indiquent que les les CFC et les halons, ainsi que certains élimination complète en 2030, tandis
valeurs minimales d’ozone ont été de leurs substituts prévus dans le cadre que les autres pays (dits de l’article 5 du
atteintes dans les régions polaires et aux du protocole, sont de puissants gaz à protocole de Montrréal) se sont mis
moyennes latitudes en ce début du XXIe effet de serre. Certains, comme le d’accord pour un arrêt de la production
siècle. Ils prévoient pratiquement tous CFC-12, ont un potentiel de réchauf- des HCFC en 2040. Avec l’élimination
une accélération du retour à l’équilibre fement nettement supérieur à celui des HCFC, la demande en production
de l’ozone, du fait de l’intensification du dioxyde de carbone, de l’ordre de de HFC devrait croître substantiel-
de la circulation méridienne liée à 8 000 fois plus élevé. En pondérant le lement. Or ceux-ci sont également
l’augmentation de la teneur en gaz à taux annuel d’émission de ces gaz par des gaz à effet de serre. Il est donc
effet de serre dans l’atmosphère. Le
rétablissement de la couche d’ozone est
ainsi prévu dans une période de temps Figure 7 - Indice UV simulé à midi, en juillet, aux moyennes latitudes de l’hémisphère Nord, selon différents scé-
comprise entre 2015 et 2030, dans narios : en l’absence de protocole (courbe noire), suivant le protocole de Montréal de réduction des substances
l’hémisphère Nord, et entre 2030 et destructrices d’ozone (courbe rouge), pour une valeur fixe d’EESC correspondant aux niveaux de 1960 (courbe
2040, dans l’hémisphère Sud. La dispa- verte), et aux niveaux moyens entre 1975 et 1985 (courbe grise). L’échelle de couleur habituellement utilisée pour
indiquer la dangerosité du rayonnement UV en surface est également indiquée. (Adapté de Newman et al., 2009.)
rition du trou d’ozone ne devrait inter-
venir qu’en dernier lieu, après 2050. Du
fait de l’accélération de la circulation
méridienne et de la baisse de tempéra-
ture vers 40 km, les modèles prévoient
également un sur-rétablissement (super-
recovery en anglais) de l’ozone aux
moyennes latitudes et dans les régions
polaires, et un sous-rétablissement
(under-recovery) au-dessus des tro-
piques. Les différentes étapes de la
reconstitution de la couche d’ozone
sont illustrées dans la figure 6.
Double bénéfice du
protocole de Montréal
Outre son action sur les substances des-
tructrices d’ozone, il est important de
souligner que le protocole de Montréal
a aussi contribué de façon importante à
la lutte contre l’effet de serre addition-
nel lié aux activités humaines. En effet,66 La Météorologie - n° 80 - février 2013
important de promouvoir la production 2065 avec des conséquences drama- signes d’accroissement des teneurs en
de HFC à faible potentiel de réchauffe- tiques pour la couche d’ozone telles que ozone dans l’hémisphère Nord, le
ment. De nouveaux fluorocarbures ont l’apparition d’un trou d’ozone en dernier rapport d’évaluation de la cou-
ainsi été proposés, comme le HFC- Arctique en 2020 et des teneurs globa- che d’ozone ne concluait pas à une
1234yf, pour des applications de clima- les en ozone inférieures, en 2065, au augmentation significative de l’ozone
tisation, dont le potentiel de réchauf- tiers de celles qui prévalaient dans les imputable directement à la diminution
fement à 100 ans est de 4. Pour tout nou- années 1970 (Newman et al., 2009). Le du contenu en composés halogénés
veau substitut proposé, il est toutefois rayonnement UV de surface aurait alors stratosphériques (WMO, 2011).
important de bien en évaluer la toxicité à atteint des niveaux inédits et potentiel- Depuis le dernier rapport d’évaluation,
la production et les conséquences pour lement très dangereux (figure 7). une étude a été publiée qui montre
l’environnement, notamment en ce qui les premiers signes d’augmentation
concerne les produits de décomposition. Si la diminution du contenu atmo- du contenu intégré d’ozone en
sphérique en substances destructrices Antarctique, au mois d’octobre, indé-
d’ozone est avérée, l’eff icacité du pendante de la variabilité atmo-
protocole quant au rétablissement de sphérique (Salby et al., 2011).
Conclusion l’ozone stratosphérique doit mainte- Cependant, cette étude doit être confir-
nant être démontrée. À cet égard, une mée et complétée par des résultats
Le protocole de Montréal a atteint son première étape a été franchie avec la dans d’autres régions. Les signes
premier objectif de réduction de la stabilisation du contenu intégré et de indiscutables du rétablissement de
charge en constituants halogénés nocifs la distribution verticale d’ozone à l’ozone stratosphérique seront notam-
pour la couche d’ozone, tout en fournis- l’échelle globale depuis 2000. L’enjeu ment une diminution persistante de la
sant un co-bénéfice substantiel en ter- est maintenant de détecter l’augmenta- taille du trou d’ozone antarctique et, en
mes de réduction d’émission de gaz à tion de ces paramètres. Or la variabilité parallèle, une augmentation des
effet de serre. Des simulations ont mon- atmosphérique, plus ou moins impor- niveaux d’ozone stratosphérique à
tré qu’en l’absence de protocole, la tante selon les régions, peut brouiller l’échelle globale. Il est donc indispen-
charge totale en chlore stratosphérique le signal, comme en témoigne la des- sable de continuer à surveiller avec
aurait dépassé largement le maximum truction record d’ozone en Arctique au attention l’abondance de ce gaz si
de 3,5 ppbv pour atteindre 45 ppbv en printemps 2011. Malgré certains indispensable à la vie sur Terre.
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