Vers un rétablissement de la couche d'ozone ?

Régulièrement citée comme la « success story » de la politique environnementale à l'échelle planétaire, la réglementation des produits nocifs pour l'ozone devrait permettre un rétablissement de la couche d'ozone au milieu du XXIe siècle. Deux décennies après la signature du Protocole de Montréal, ces prévisions tiennent-elles ? Comment de nouveaux paramètres, comme l'augmentation de l'effet de serre, vont-ils agir sur ce rétablissement ?

Chaque année, le début du mois d'octobre nous livre les nouvelles images de la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique. Bon an mal an, ces images sont relayées par les médias. En 2002, la presse s'en est fait fortement l'écho. Les observations, cette année-là, ont en effet surpris les spécialistes de l'ozone stratosphérique. À la mi-août, le « trou d'ozone », c'est-à-dire la zone où l'on enregistre les plus fortes diminutions, restait relativement petit, autour de 18 millions de kilomètres carrés. Mais surtout, à la fin du mois de septembre, il se séparait pratiquement en deux, puis se réduisait en une semaine à 3 millions de kilomètres carrés. Et en octobre il ne dépassait pas les 7 à 8 millions de kilomètres carrés, à comparer aux 28 millions atteints lors du record de septembre 2000 ! Certains y voyaient le signe d'un rétablissement plus rapide que prévu de la couche d'ozone. Mais, en 2003, le trou recouvrait une taille avoisinant les 27 millions de kilomètres carrés. En 2004, il a à nouveau diminué, se réduisant à 20 millions de kilomètres carrés. Compte tenu de ces informations qui peuvent sembler contradictoires, quelles sont aujourd'hui les prévisions quant au rétablissement de la couche d'ozone ? Vingt ans après la découverte de ce phénomène, est-on capable d'évaluer l'efficacité des mesures prises à l'échelle internationale (lire « Le protocole de Montréal », p.53) pour retrouver les teneurs moyennes des années soixante-dix vers 2050 ?

Revenons un moment sur ce que l'on considère comme le premier succès de la politique environnementale à l'échelle planétaire. La première alerte avait été donnée dans les années soixante-dix. À l'époque, Paul Crutzen, de l'institut Max Planck à Mayence, attire l'attention sur les conséquences des émissions d'oxydes d'azote, en particulier par les avions supersoniques comme le Concorde. Selon lui, une augmentation de ces émissions pourrait porter atteinte à l'équilibre chimique de l'ozone, essentiellement localisé dans la stratosphère, c'est- à-dire entre 10 et 50 kilomètres d'altitude [1]. Puis, en 1974, Sherwood Rowland et Mario Molina, de l'université de Californie à Irvine, s'inquiètent des répercussions sur l'ozone des composés chlorés injectés dans l'atmosphère [2]. Ayant montré que les chlorofluorocarbures (CFC*) d'origine industrielle sont la source principale des composés chlorés dans la stratosphère, ils stigmatisent ces molécules. Ces travaux vaudront aux trois chercheurs le prix Nobel de chimie en 1995.

Les CFC accusés

Entre 1970 et 1975, les fabricants de CFC commencent à financer des recherches sur le sujet. Dans divers pays, les autorités publiques mettent en place des comités scientifiques pour piloter des programmes d'études. Les États-Unis enterrent leur projet de flotte d'avions supersoniques, même si, par la suite, les oxydes d'azote rejetés par ces avions seront mis hors de cause. À la fin des années soixante-dix, la Suède, les États-Unis, la Norvège et le Canada interdisent l'utilisation des CFC dans les bombes aérosols. Cependant, en 1981, des résultats théoriques montrent que l'effet des CFC sur l'ozone devrait être maximal vers 40 kilomètres d'altitude [3]. Or, à cette altitude, l'ozone est peu abondant. On estime alors que ces gaz ne devraient entraîner qu'une diminution de quelques pour-cent de l'épaisseur* totale de la couche d'ozone. Sur ces conclusions rassurantes, la production de CFC repart de plus belle. Mais, parallèlement, à partir du début des années quatre-vingt, l'équipe de Joe Farman, du British Antarctic Survey, mesure des abondances d'ozone anormalement basses en octobre au-dessus de Halley Bay, une base britannique en Antarctique : l'épaisseur de la couche aurait diminué d'un tiers ! De son côté, le Japonais Shigeru Chubachi, du Meteorological Research Institute, découvre également cet amincissement de la couche d'ozone. Après avoir renvoyé leur instrument en Grande-Bretagne pour le vérifier, l'équipe de Joe Farman publie en 1985 ses résultats dans la revue Nature [4]. Dans cet article, ils établissent aussi un parallèle entre la diminution de la concentration d'ozone et l'augmentation des émissions de CFC, sans toutefois démontrer de lien de cause à effet. Pour la petite histoire, à l'époque, les données des satellites qui montraient des concentrations très basses d'ozone étaient considérées comme aberrantes, et donc automatiquement rejetées.

L'observation d'une destruction massive de l'ozone en Antarctique suscite une inquiétude sans précédent dans la société civile. Elle va aussi modifier radicalement la vision des processus chimiques affectant l'ozone stratosphérique. Comment en effet expliquer la diminution de 4 % à 5 % de l'ozone par jour observée vers 18 kilomètres d'altitude au plus fort du processus de destruction en septembre ? Les théories de l'époque, fondées uniquement sur des réactions chimiques en phase gazeuse, n'y parviennent pas. Mais, en 1986, Susan Solomon, de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), propose une nouvelle hypothèse : les composés chlorés y sont toujours les ingrédients déterminants, mais ce sont des interactions chimiques entre à la fois des gaz et des particules liquides ou solides qui détruiraient aussi massivement l'ozone polaire [5].

Dans la foulée, une campagne de mesures est organisée par la NASA en 1987. Les observations simultanées d'ozone et de monoxyde de chlore réalisées à 18 kilomètres d'altitude par un instrument installé à bord de l'avion stratosphérique ER2 démontrent le lien direct entre l'augmentation des composés chlorés dans la stratosphère et la destruction d'ozone [6]. En quelques années, les coupables sont ainsi identifiés, le scénario de l'apparition du trou d'ozone polaire est élucidé et un accord international signé.

Les fautifs sont bien les composés halogénés essentiellement issus des activités humaines, les CFC et les halons*. Émis principalement par les pays développés, ils sont transportés en quelques années par la circulation atmosphérique dans la stratosphère et sont décomposés par le rayonnement ultraviolet du Soleil, donnant naissance à des composés chlorés et bromés inorganiques. Une fois dans la stratosphère, ces composés et les produits de leur dissociation mettent entre trois et six ans pour atteindre les pôles.

Quant au scénario de destruction de l'ozone polaire, il requiert trois ingrédients [fig. 1]. Outre une forte hausse de la concentration en composés halogénés dans la stratosphère - l'abondance des composés chlorés a été multipliée par plus de 5 entre 1960 et 2000 -, il nécessite aussi des températures hivernales très basses. Le troisième ingrédient est la réapparition du rayonnement solaire au-dessus du continent à la fin de l'hiver polaire.

Vortex polaire

Ces conditions réunies, voici comment la destruction s'amorce : la disparition du rayonnement solaire au-dessus de l'Antarctique en hiver entraîne la formation du vortex polaire, une ceinture de vents d'ouest très intense, qui isole les masses d'air polaires des régions avoisinantes. La température dans la stratosphère polaire chute et peut descendre au-dessous de - 85 °C. Un tel froid est propice à la formation des nuages stratosphériques polaires composés de cristaux de glace ou de gouttelettes d'eau et d'acide nitrique. C'est à la surface de ces cristaux ou gouttelettes que se produisent les réactions chimiques. Ces réactions transforment la majeure partie des produits de dissociation des CFC et des halons en composés susceptibles de détruire l'ozone. La concentration de ces composés actifs devient alors 500 fois plus élevée à l'intérieur du vortex polaire. Dès la réapparition du Soleil au-dessus du pôle, se déclenchent les réactions de destruction massive de l'ozone expliquant les observations, à savoir une diminution de plusieurs pour-cent par jour conduisant à une réduction de plus de 60 % au mois d'octobre de l'épaisseur totale de la couche d'ozone. La disparition de l'ozone est quasi complète entre 14 et 20 kilomètres d'altitude, précisément là où sa concentration est d'ordinaire maximale.

Compte tenu de ce schéma et du temps de résidence très long des principaux CFC dans l'atmosphère (cent ans pour le CFC-12), l'arrêt des émissions des substances nocives pour l'ozone, décidé et réglementé par le protocole de Montréal, devrait conduire au rétablissement de la couche d'ozone au milieu du XXIe siècle.

Peut-on dire aujourd'hui que cet accord international est efficace ? Concernant la diminution des CFC et des halons, l'efficacité se mesure par la « charge effective » en chlore stratosphérique. Cette quantité est calculée à partir des mesures de CFC, de halons et des autres gaz halogénés au niveau du sol, pondérées par la capacité de destruction de l'ozone de chaque composé. Elle tient compte d'un délai moyen de transport des masses d'air, de la basse atmosphère vers la stratosphère, de trois ans. L'évolution de cette charge effective au fil des ans montre qu'elle a atteint son maximum à la fin des années quatre-vingt-dix. La part des composés halogénés présents dans la stratosphère imputable aux activités humaines était alors d'environ 85 % pour les composés chlorés et d'environ 50 % pour les composés bromés. De ce point de vue, les objectifs ont été atteints.

Qu'en est-il de la couche d'ozone ? Depuis deux décennies, satellites et instruments au sol mesurent son évolution en Antarctique mais aussi à l'échelle de la planète entière et en Arctique (lire : « Existe-t-il un trou d'ozone en Arctique ? », ci-dessus). En termes d'altitude, l'examen des mesures montre que deux zones distinctes sont particulièrement touchées : entre 14 et 20 kilomètres, et autour de 40 kilomètres. On est toujours, comme prévu, dans la phase de destruction. Mais un certain nombre d'incertitudes subsistent quant à la prévision du retour à l'équilibre de l'ozone. Et de nouveaux paramètres changent un peu la donne.

Tout d'abord, comme on s'y attendait, la réduction de l'ozone stratosphérique induit elle-même un refroidissement de la stratosphère, en raison du rôle crucial de ce gaz dans l'équilibre thermique de cette région. En effet, en absorbant le rayonnement UV, l'ozone entraîne un réchauffement de la stratosphère. Ce réchauffement, de l'ordre de 10 °C par jour vers 50 kilomètres, est compensé en permanence par un refroidissement dû au rayonnement infra-rouge de certains gaz, principalement le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau et l'ozone lui-même. Selon le dernier rapport international sur l'état de la couche d'ozone, publié en 2003, le refroidissement de plusieurs degrés au pôle Sud enregistré en vingt ans est essentiellement attribué à la diminution d'ozone [7]. Un tel refroidissement favorise la formation des nuages stratosphériques polaires, et donc les processus de destruction de l'ozone. Autrement dit, le phénomène s'auto-entretient. Une persistance du vortex polaire jusque vers la fin du mois de novembre, alors qu'il disparaît normalement à la fin octobre, a en outre été observée au cours des années quatre-vingt-dix. Là encore, plusieurs études ont montré que cette persistance anormale est directement liée au refroidissement qu'induit la destruction de l'ozone.

L'augmentation des principaux gaz à effet de serre (CO2, CH4, CFC et HCFC) renforce ce phénomène, compte tenu du rôle joué par ces gaz dans le refroidissement radiatif de la stratosphère. En compilant les résultats de plusieurs modèles, V. Ramaswamy, de la NOAA, a estimé cette baisse de température à environ 0,3 °C par décennie dans la basse stratosphère [8]. L'accroissement des émissions de gaz à effet de serre devrait donc également retarder la disparition progressive du trou d'ozone polaire.

Gaz à effet de serre

Un autre gaz à effet de serre, la vapeur d'eau, joue également un rôle important. La vapeur d'eau est l'un des principaux constituants à partir desquels sont formées les espèces qui interviennent naturellement dans l'équilibre de l'ozone (lire p.52 : « Ozone et stratosphère »). Or, des mesures à long terme de son abondance dans la stratosphère réalisées à partir d'instruments embarqués sous ballon par l'équipe de Sam Oltmans, de la NOAA, et à partir d'instruments satellite par la NASA montrent qu'elle a augmenté au rythme de 0,5 à 1 % par an depuis le début des années quatre-vingt [9]. Une telle hausse, si elle se confirmait, devrait à la fois se répercuter sur la quantité des composés hydrogénés qui interviennent dans la destruction de l'ozone vers 20 kilomètres d'altitude et sur la formation des nuages stratosphériques polaires, essentiellement composés d'eau. Dans les deux cas, elle devrait retarder le rétablissement de l'ozone stratosphérique.

Enfin, une troisième inconnue concerne la propagation des ondes atmosphériques dans la stratosphère. L'alternance sur Terre d'océans et de continents dotés de reliefs génère des ondes atmosphériques à large échelle, qui se traduisent par la présence de zones de haute et de basse pression. Certaines de ces ondes se propagent dans la stratosphère. Elles déplacent le vortex polaire vers les latitudes plus basses et le réchauffent.

Dans les années quatre-vingt et quatre-vingt-dix, plusieurs études théoriques ont montré que ces ondes pouvaient expliquer le schéma de la circulation de l'air dans la stratosphère des tropiques vers les pôles, établi dans les années cinquante [10] : selon ce schéma, les masses d'air de la troposphère s'élèvent dans les régions tropicales et gagnent la stratosphère. Elles sont alors transportées jusqu'aux pôles et redescendent dans la troposphère. Cette circulation dite « méridienne », pour la différencier de la circulation bien plus rapide le long des cercles de latitude, explique les fortes concentrations d'ozone dans la stratosphère des régions polaires, très éloignées des régions de production d'ozone. On pense aujourd'hui que c'est en fait la propagation des ondes dans la stratosphère qui induit le mouvement ascendant aux tropiques et descendant aux pôles, un mécanisme que James Holton, de l'université de Washington à Seattle, a appelé la « pompe extra-tropicale » [11].

Mais cette circulation méridienne représente un point de désaccord entre les différents modèles climatiques développés pour prédire l'évolution future de l'ozone. Certains prévoient une diminution de cette circulation dans les vingt prochaines années [7]. Elle serait liée à l'écart de température plus grand entre la stratosphère polaire, refroidie par la destruction de l'ozone, et les régions tropicales réchauffées par les gaz à effet de serre. Ce contraste thermique accru renforcerait en effet les vents d'ouest. Or, quand ils sont forts, ces vents empêchent les ondes stratosphériques de se propager, ce qui renforce le vortex polaire. D'où un retard dans le rétablissement de l'ozone. D'autres modèles prévoient au contraire un renforcement important de ces ondes atmosphériques. Selon eux, ce renforcement surpasserait l'effet d'un contraste thermique accru dans la stratosphère. Une intensification de la circulation méridienne stratosphérique se traduirait alors par des régions polaires plus chaudes et une destruction d'ozone réduite. Ces divergences conduisent à des écarts importants dans les prévisions du retour à l'équilibre de l'ozone. Ainsi, la période à laquelle on devrait observer les valeurs minimales d'ozone en Antarctique - c'est-à-dire le maximum du trou d'ozone - varie de 2007 à 2015 selon les modèles !

Détection du rétablissement

Une équipe de la NOAA a montré, quant à elle, un affaiblissement de l'activité des ondes stratosphériques dans l'hémisphère nord sur les vingt dernières années, sans toutefois pouvoir en établir la cause exacte [12]. A contrario cette activité a été particulièrement forte dans l'hémisphère sud en 2002. Elle a entraîné le réchauffement soudain du vortex polaire et la réduction spectaculaire du trou d'ozone qui, on l'a vu, a créé l'événement. Mais, en 2003, elle ne s'est pas répétée, et le trou d'ozone a repris une taille normale, si l'on peut dire. Quant à la nouvelle réduction de 2004, le rôle qu'y ont joué les ondes stratosphériques n'a pas encore été précisé.

On le voit, les variations d'une année sur l'autre des conditions atmosphériques brouillent le signal. Mais on considère aujourd'hui que la détection de ce rétablissement sera plus aisée dans deux zones particulières : vers 40 kilomètres d'abord, car même si les répercussions y sont moindres, c'est la région la mieux comprise. L'ozone y est en équilibre photochimique et son évolution découle essentiellement de processus en phase gazeuse. Son rétablissement y dépend donc directement de la quantité des composés chlorés. En 2003, s'appuyant sur les mesures d'ozone réalisées par les instruments satellitaires SAGE II et Haloe, Mike Newchurch et ses collègues de l'université d'Alabama ont publié un article attestant d'un ralentissement de la diminution d'ozone à cette altitude [13]. D'autres auteurs ont cependant attribué ce ralentissement au cycle solaire de onze ans : lorsque l'activité solaire est maximale, l'abondance de l'ozone augmente en effet de quelques pour-cent dans la stratosphère [14].

La deuxième région où l'on pense pouvoir détecter le plus rapidement l'effet du protocole de Montréal est la basse stratosphère antarctique, entre 12 et 22 kilomètres d'altitude. L'évolution de l'ozone y est dominée au printemps par la destruction chimique liée à l'activation des composés halogénés et la variabilité atmosphérique s'y révèle relativement faible.

Quoi qu'il en soit, seules une diminution de la taille du trou d'ozone persistante sur plusieurs années et une élévation tout aussi régulière de l'épaisseur minimale de la couche d'ozone seront les signes indiscutables du rétablissement de la couche d'ozone.

EN DEUX MOTS : Au début des années quatre-vingt, la découverte d'une diminution très importante de l'ozone stratosphérique en Antarctique pendant le printemps austral a marqué le début de l'ère des problèmes environnementaux touchant la planète entière. Ce phénomène saisonnier, très vite médiatisé sous le nom de « trou d'ozone », a suscité un énorme intérêt public et une inquiétude légitime. Et pour cause, l'ozone dans la stratosphère est crucial pour la vie sur Terre car il la protège des rayons ultraviolets du Soleil. La réaction des scientifiques a été rapide. En quelques années seulement les coupables étaient désignés : les chlorofluorocarbures et les halons, des gaz d'origine industrielle. Et, dès 1987, vingt-quatre pays signaient un protocole à Montréal pour diminuer, puis arrêter la production de ces composés. Peut-on d'ores et déjà évaluer l'efficacité de cet accord international ?

Sophie Godin-Beekmann

Ozone et stratosphère

L'ozone est un gaz dont les molécules sont constituées de trois atomes (O3) d'oxygène. Il est présent dans la troposphère, au-dessous de 10 kilomètres d'altitude et dans la stratosphère, entre 10 et 50 kilomètres d'altitude. C'est là qu'il est le plus abondant puisqu'il y représente 90 % de l'ozone atmosphérique. Ce gaz est produit essentiellement dans les régions tropicales : les rayons ultraviolets émis par le Soleil dissocient les molécules d'oxygène O2. Les atomes d'oxygène ainsi libérés se recombinent ensuite avec les molécules O2 pour créer les molécules d'ozone O3. Cette production est compensée par une destruction chimique faisant intervenir d'autres composés, essentiellement les composés hydrogénés, azotés et chlorés. Ces processus de création et de pertes naturelles conduisent à un équilibre de l'ozone au-dessus de 25 à 30 kilomètres. Ce gaz est fondamental pour les organismes vivants sur Terre car il les protège du rayonnement solaire ultraviolet B*.

Le protocole de Montréal

Le protocole de Montréal, signé en 1987 par 24 pays, et ses amendements successifs ont conduit, dès 1996, à la suppression quasi totale dans les pays développés de la production des composés halogénés responsables de la destruction de l'ozone stratosphérique. Les principaux composés réglementés sont les CFC-11 et CFC-12, le tétrachlorure de carbone, les halons 1211 et 1301 et le bromure de méthyle. Dans l'atmosphère, les composés chlorés sont pratiquement 100 fois plus abondants que les composés bromés. Mais on estime que le pouvoir de destruction de l'ozone de ces derniers est près de 45 fois plus fort. Ces différents produits ont été remplacés par des substituts, les hydrochlorofluorocarbures beaucoup moins nocifs pour la couche d'ozone. Ces gaz sont en effet dissociés au-dessous de 10 kilomètres d'altitude, et seule une petite fraction atteint la stratosphère. Le protocole de Montréal stipule toutefois l'arrêt de la production de ces gaz à l'horizon 2040. De nouveaux substituts ont été mis au point, qui ne contiennent pas d'atome de chlore : les HFC (ou hydrofluorocarbures). Outre ces réglementations, le protocole souligne l'importance de la surveillance de la couche d'ozone à l'échelle de la planète. Il prévoit une évaluation internationale régulière de l'état de la couche d'ozone. Le dernier rapport date de 2003.

Existe-t-il un trou d'ozone en Arctique ?

En Arctique, les conditions sont moins favorables à l'apparition d'un trou d'ozone car les températures hivernales y sont beaucoup plus élevées que dans l'hémisphère sud. Cette dissymétrie s'explique par des continents bien plus vastes qui remontent plus haut en latitude dans l'hémisphère nord. L'alternance de continents et d'océans, et les reliefs comme l'Himalaya génèrent des conditions météorologiques beaucoup plus variables dans la stratosphère Arctique qu'en Antarctique. La formation de nuages stratosphériques polaires y varie fortement d'une année sur l'autre. Les années 1990 ont toutefois connu plusieurs hivers froids. Durant cette décennie, des réductions de 20 % à 30 % de l'épaisseur de la couche d'ozone par rapport aux années 1960-1970 ont été enregistrées. Et en mars 2000, une destruction record, atteignant 70 % vers 18 kilomètres d'altitude a été mesurée lors d'une campagne internationale THESEO-SOLVE au cours de laquelle tous les moyens de mesure disponibles ont été déployés (ballons, avions, satellites).