Les variations de la couche d'ozone

Les images TOMS présentées ci-dessous et issues de la NASA expriment la teneur de l'atmosphère en ozone. Compte-tenu du fait que la majorité de l'ozone est concentrée dans la stratosphère, on dispose là d'une cartographie planétaire de l'ozone stratosphérique, de février à novembre 1990. Du bleu au violet, l'épaisseur de la couche d'ozone, exprimée en unités Dobson est croissante. Le noir signifie "absence de mesures" et correspond à la nuit polaire dans l'un et l'autre des hémisphères.

Ces cartes montrent le caractère saisonnier de la répartition planétaire de l'ozone, avec quelques points  remarquables :
* la forte concentration de l'ozone sur les continents dans la partie nord de l'hémisphère nord, en février-mars.
* la faible épaisseur de la couche d'ozone en février (moins de 250 unités Dobson) sur les zones océaniques tropicales (mer des Caraïbes, par exemple) à forte fréquentation touristique en cette période.
* la forte diminution de l'épaisseur de la couche d'ozone de septembre à novembre sur l'Antarctique

Les images OMI présentées ci-dessous et fournies par la NASA expriment la teneur de l'atmosphère en ozone. Compte tenu du fait que la majorité de l'ozone est concentrée dans la stratosphère, on dispose là d'une cartographie planétaire de l'ozone stratosphérique de janvier à décembre 2008. Du violet au brun, l'épaisseur de la couche d'ozone, exprimée en unités Dobson, est croissante. Le blanc signifie « absence de mesures » et correspond à la nuit polaire dans l'un et l'autre des hémisphères.
Les commentaires relatifs à ces valeurs sont proposés après les 12 cartes.

Ces cartes montrent le caractère saisonnier de la répartition planétaire de l'ozone,
avec quelques points remarquables :
- Le fort déficit de la couche d'ozone de septembre à novembre sur l'Antarctique : il s'agit du trou d'ozone présenté par ailleurs et qui résulte de phénomènes physico-chimiques de destruction de l'ozone.
- la forte concentration de l'ozone sur les continents dans la partie nord de l'hémisphère nord, en février-mars. Plus généralement, les latitudes moyennes et hautes (excepté le cas de l'antarctique), sont celles qui connaissent les plus fortes valeurs d'ozone tout au long de l'année.
- la faible épaisseur de la couche d'ozone en février (moins de 250 unités Dobson) sur les zones océaniques tropicales (mer des Caraïbes, par exemple) : ces valeurs relativement basses ont une origine dynamique, indépendante des phénomènes de destruction physico-chimique rencontrés au niveau du pôle sud. Elles résultent de la circulation stratosphérique de Brewer-Dobson qui entraîne l'ozone, principalement formé dans la stratosphère tropicale (ou le rayonnement solaire est le plus fort) vers le pôle d'hiver, alternativement Nord et Sud. Si les valeurs rencontrées sous les tropiques ne sont pas aussi faibles que celles de l'Antarctique durant le printemps austral, elles se conjuguent à un ensoleillement fort (faible angle solaire zénithal tout au long de l'année et tout particulièrement en été), pour aboutir à un rayonnement ultraviolet à la surface particulièrement élevé. Ce rayonnement représente un enjeu sanitaire important, d'autant que sont concernées des régions balnéaires (mer des Caraïbes par exemple) très fréquentées par les touristes, à des périodes (hiver de leur hémisphère) où leur peau n'est pas préparée à recevoir un tel rayonnement.


Par ailleurs, si on compare les cartes de 2008 au jeu de cartes réalisé en 1990 (chapitre1), on note les points suivants :
- l'accroissement du trou d'ozone au sud de l'antarctique,
- en revanche, le déficit d'ozone des zones tropicales, en particulier en février, d'origine dynamique rappelons le, ne s'est pas accentué.

Les images TOMS présentées ci-dessous et issues de la NASA expriment la teneur de l'atmosphère en ozone. Compte-tenu du fait que la majorité de l'ozone est concentrée dans la stratosphère, on dispose là d'une cartographie de l'ozone stratosphérique, dans l'hémisphère sud de février à novembre 1990. La légende est mentionnée au niveau de l'image de bas de page, qui détaille les concentrations du mois d'octobre. Le noir traduit l'absence de mesures" (et non "trou d'ozone" !!!), car la région observée par TOMS doit être éclairée par le Soleil pour que les mesures soient réalisables. Ces taches noires correspondent à la nuit polaire dans l'hémisphère sud. Le minimum d'épaisseur de la couche d'ozone est observé au mois d'octobre.

A noter les valeurs très basses observées à l'intérieur du vortex polaire : moins de 150 unités Dobson au centre du "trou d'ozone".

Les images OMI présentées ci-dessous et issues de la NASA expriment la teneur de l'atmosphère en ozone. Compte tenu du fait que la majorité de l'ozone est concentrée dans la stratosphère, on dispose là d'une cartographie de l'ozone stratosphérique, dans l'hémisphère sud, de janvier à décembre 2008. Le blanc signifie « absence de mesures » (et non « trou d'ozone » !), car la région observée par OMI doit être éclairée par le Soleil pour que les mesures soient réalisables. Ces taches blanches correspondent à la nuit polaire dans l'hémisphère sud. Le minimum d'épaisseur de la couche d'ozone est observé au mois d'octobre.

L'hémisphère sud est caractérisé par la présence de grandes étendues marines autour du continent antarctique. La circulation atmosphérique est liée à ces aspects et l'on observe un vaste mouvement circulaire des masses d'air autour des régions polaires. Les traits de cette circulation atmosphérique apparaissent dans la répartition de l'ozone dans l'hémisphère sud.

À noter, les valeurs très basses observées à l'intérieur du vortex polaire : moins de 150 unités Dobson au centre du « trou d'ozone ».

 

L'apparition et l'extension du trou d'ozone établie à l'aide des données TOMS confirme et complète les observations effectuées au sol depuis la station britannique d'Halley Bay située en Antarctique, par 75° 40' de latitude sud et 25° 30' de longitude ouest. De 1955 à 1975, les mesures effectuées depuis le sol à l'aide d'un spectrophotomètre Dobson montrent une certaine stabilité du minimum moyen au mois d'octobre de chaque année, avec des valeurs supérieures à 270 unités Dobson. A partir de la fin des années 1970, la courbe décroit, pour chuter aux alentours de 120 unités Dobson en 1993. Les mesures effectuées depuis le sol (en blanc) et depuis l'Espace (en rouge) sont bien corrélées.

Dès la fin des années 70, des observations de la couche d'ozone ont été réalisées à partir des instruments TOMS puis OMI. Elles ont mis en évidence une diminution de la colonne totale d'ozone très marquée sur l'Antarctique durant la fin de l'hiver austral. Les images ci-dessous, montrent l'évolution, par intervalles de 2 ans par décennie, du trou d'ozone au dessus du pôle sud, matérialisé par les couleurs bleu (jusqu'au bleu nuit pour les plus faibles concentrations). La succession d'images montre l'aggravation du phénomène durant les années 80. Ces résultats sont bien corrélés avec les mesures effectuées à partir du sol de 1955 jusqu'au milieu des années 90.

Ces observations sont cohérentes avec le suivi du minimum annuel de la concentration d'ozone stratosphérique.

L'extension du trou d'ozone depuis les années 1970 est visible sur le graphe ci-dessous, qui représente l'évolution au cours du temps de la valeur minimale annuelle de l'épaisseur de la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique, telle que vue par les instruments TOMS puis OMI. Si l'on observe une variabilité interannuelle naturelle, la tendance générale est très fortement marquée à la baisse : ainsi, en une vingtaine d'années, cette valeur minimale a été réduite de moitié. À partir des années 2000, il semble que la tendance s'inverse, mais avec une pente beaucoup moins forte ; le retour à une situation normale (c'est-à-dire sans impact des CFC anthropogéniques) n'est pas attendu avant la deuxième moitié du XXIe siècle.

La visualisation des cartes de l'épaisseur de la couche d'ozone sur l'Antarctique sur une année complète montre que c'est au cours du printemps austral, et plus précisément au cours de la première semaine d'octobre que l'extension maximale du trou d'ozone est enregistrée. La sélection d'un jeu d'images, une tous les deux ans, à la même date, au début d'octobre, de 1981 à 1991  permet de percevoir  l'évolution du phénomène. La méthode utilisée consiste à effectuer un seuillage manuel pour une même valeur numérique, de façon à classer ensemble tous les pixels qui correspondent à une épaisseur d'ozone inférieure à 200 unités Dobson (travail réalisé à l'aide du logiciel TITUS ; une version détaillée de ce traitement des images TOMS est présenté sur le site "Observation de la Terre"). La zone du "trou d'ozone" est ici représentée en bleu.

La sélection d'images ci-dessus met en évidence l'accroissement de l'étendue de la couche d'ozone d'épaisseur inférieure à 200 unités Dobson au cours de la décennie considérée. Simultanément, les valeurs minimales mesurées se sont abaissées, et ces faits ont été confirmés par des observations effectuées depuis le sol avec des spectrophotomètres.


 

Les données satellitaires permettent de suivre l'évolution de la colonne totale d'ozone depuis les années 1970 dans les régions arctiques (figure 1). Jusque dans les années 80, les valeurs en mars restent de l'ordre de 450 à 500 DU. Mais on peut observer sur les cartes que dans les années 2000 ces valeurs tombent en dessous de 400 DU. En fait la destruction de l'ozone en Arctique est extrêmement variable d'une année à l'autre. Des diminutions importantes ont été enregistrées certaines années, en 1997, en 2000, avec des valeurs  50% inférieures  à celles des années 70. C'est ce que l'on a observé aussi en mars 2011 mais avec une intensité jamais égalée : des pertes de 80 %.

En fait, jusqu'à maintenant,  on ne peut pas véritablement parler de " trou d'ozone " en Arctique. Rappelons qu'en Antarctique, le trou d'ozone est apparu progressivement partir des années 1980. Depuis  le début des années 1990, il y est présent chaque année (figure 2) avec des quantités d'ozone très faibles au mois d'octobre (figure 3).Les situations en Arctique et en Antarctique sont donc bien différentes.

Les déplétions épisodiques de la colonne d'ozone relèvent des mêmes processus que dans l'hémisphère sud.

-    Les premières manifestations datent du début des années 1980.

-    La diminution maximale de l'ozone a lieu au printemps, ici en mars.

-    Cette diminution est liée à la persistance du vortex polaire.

Elles sont dues à la  même cause : la présence de substances anthropiques destructrices de l'ozone.

Cependant, les très basses températures qui règnent dans la stratosphère en Antarctique n'ont pas leur équivalent en Arctique où les conditions météorologiques sont beaucoup plus variables d'une année à l'autre. Les nuages stratosphériques polaires qui sont le support des réactions chimiques aboutissant à la destruction de l'ozone ne se forment que lorsque la température descend en-dessous de -78°C. On constate sur la figure 3 que cette température est atteinte et dépassée de mi-mai à mi-octobre en Antarctique avec une amplitude de variation faible selon les années, alors qu'en Arctique la situation est bien différente : les moyennes journalières n'atteignent -78°C que de la fin décembre au début  du mois de février et l'amplitude des fluctuations selon les années est bien plus grande qu'en Antarctique. Autre condition nécessaire à la destruction de l'ozone : la persistance du vortex polaire.  Or la présence des montagnes scandinaves à une distance assez faible du pôle nord empêche le vortex polaire de se maintenir.  

Le 5 avril 2011, l'OMM a publié un communiqué de presse faisant  état d'une déperdition record d'ozone stratosphérique au-dessus de l'Arctique au printemps 2011 : "Les observations effectuées à partir du sol et par ballons sondes au-dessus de l'Arctique ainsi que par satellite révèlent que la colonne d'ozone a accusé une déperdition d'environ 40 % dans cette région entre le début de l'hiver et la fin du mois de mars. Le précédent record en matière de destruction d'ozone était une perte d'environ 30 % sur tout un hiver. Cette forte déperdition d'ozone s'explique par un hiver stratosphérique stable et plus froid que d'ordinaire,  bien que l'hiver ait été plus clément que la normale cette année dans l'Arctique au niveau du sol ".

A cela s'ajoute la persistance du vortex polaire jusqu'en avril. Une configuration exceptionnelle qui explique donc cette forte déperdition d'ozone.

Courant avril, le vortex s'est déplacé au-dessus de la Russie, de la Mongolie et de l'Europe de l'Est durant une quinzaine de jours. Des mesures effectuées au sol, ont montré, dans ces  régions plus densément peuplées, des valeurs inhabituellement élevées d'ultraviolets.

Figure 5 - Colonnes totales d'ozone enregistrées le 30 mars 2011  à partir de plusieurs stations autour du pôle nord et dans la  station finlandaise de Sodankylä - © ESA-FMI

 

 

 

La dégradation de l'ozone dépend de plusieurs facteurs,  en premier lieu la persistance des composés chlorés et bromés issus des activités humaines.  Leur  production a été règlementé par le protocole de Montréal signé en 1987.  Selon le dernier rapport international d'évaluation de l'état de la couche d'ozone, l'ozone devrait retrouver son niveau des années 1980 autour de 2045-2060 au pôle Sud, et probablement une ou deux décennies plus tôt au pôle Nord. Tant que ces composés persisteront dans l'atmosphère, chaque hiver où la température de la stratosphère se maintiendra basse, sera propice à une destruction de l'ozone.

Le réchauffement climatique joue-t-il un rôle ? Il a deux effets contraires : l'augmentation des concentrations de gaz à effet de serre dans la troposphère se traduit par une hausse des températures à la surface de la Terre, tandis que parallèlement la stratosphère se refroidit, situation propice à la destruction de l'ozone. Mais le réchauffement climatique accélère également le déplacement méridien des masses d'air ce qui favorise un retour à l'équilibre de l'ozone. Quel facteur l'emportera ?

L'ozone stratosphérique est placé aujourd'hui sous haute surveillance : les observations et mesures, les données satellitaires et les modélisations réalisées par les Laboratoires sont intégrés dans le dispositif international d'observation continue de l'ozone atmosphérique, sous l'égide de l'Organisation météorologique mondiale et du Programme des Nations Unies sur l'environnement.

Eumetsat

http://www.eumetsat.int/Home/Main/News/Features/805284

Communiqué de presse de l'OMM du 4 avril 2011 : Déperdition record d'ozone stratosphérique au-dessus de l'Arctique au printemps 2011

https://public.wmo.int/en/media/press-release/no-912-record-stratospheric-ozone-loss-arctic-spring-of-2011

Nature 478, (27 October 2011) : Unprecedented Arctic ozone loss in 2011

http://www.nature.com/nature/journal/v478/n7370/full/nature10556.html

La Recherche n°458 décembre 2011 : l'ozone disparaît aussi au-dessus de l'Arctique - S. Godin-Beekman (Latmos)

Les simulations réalisées à l'aide du  modèle Mocage, sur le pôle sud, permettent de suivre l'évolution du trou d'ozone sur cette région, durant les périodes comprises entre août et novembre pour les années 2007, 2008 et 2009.