Cet article de blog examine la double nature de l'ozone : comment il protège la vie en bloquant les rayons ultraviolets dans la haute atmosphère, tout en nuisant aux plantes et aux humains au niveau du sol.
L'ozone (O₃) se forme lorsque des atomes d'oxygène (O) se combinent à des molécules d'oxygène (O₂). C'est une substance très toxique, suffisamment puissante pour être utilisée comme désinfectant une fois diluée. Dans la haute atmosphère, il est connu pour endommager les chloroplastes des plantes et les tissus pulmonaires humains. À l'inverse, l'ozone a la propriété d'absorber le rayonnement ultraviolet nocif pour la vie, jouant ainsi un rôle protecteur pour les formes de vie sur Terre en bloquant les rayons UV dans la haute atmosphère.
Au niveau du sol, l'ozone se forme lorsque les oxydes d'azote subissent des réactions chimiques sous l'effet d'un fort rayonnement solaire. Ces oxydes sont émis lors de la combustion des carburants, principalement sous forme d'oxyde nitrique (NO) et de dioxyde d'azote (NO₂). Tout comme l'ozone, les oxydes d'azote sont chimiquement très instables et se transforment en dioxyde d'azote, plus stable, en se combinant à des atomes d'oxygène. Sous l'effet du rayonnement solaire, le dioxyde d'azote se décompose à nouveau en oxydes d'azote et en atomes d'oxygène. Ces atomes d'oxygène se combinent ensuite à des molécules d'oxygène pour former de l'ozone. Les hydrocarbures agissent comme catalyseurs dans ce processus de formation d'ozone.
L'ozone présent dans la haute atmosphère se forme principalement dans la basse stratosphère, aux basses latitudes. Les molécules d'oxygène absorbent le rayonnement ultraviolet et se dissocient en atomes d'oxygène. Ces atomes d'oxygène se lient ensuite à d'autres molécules d'oxygène pour former de l'ozone. Les molécules d'azote ou d'oxygène agissent également comme catalyseurs dans ce processus. La stratosphère est la couche atmosphérique qui s'étend de la basse troposphère jusqu'à environ 50 km d'altitude. Contrairement à la troposphère, où la circulation verticale de l'air est active, la température de la stratosphère augmente avec l'altitude, ce qui empêche la convection. La température stratosphérique est proportionnelle à la quantité de rayonnement ultraviolet absorbée par l'ozone. La majeure partie de l'ozone est concentrée dans la couche la plus basse de la stratosphère, appelée couche d'ozone.
L'appauvrissement de la couche d'ozone est influencé par les oxydes d'azote émis lors des opérations aériennes et des essais nucléaires, mais il est principalement causé par les fréons (CF₂Cl₂ ou CFCl₃), classés parmi les principaux gaz à effet de serre au même titre que le dioxyde de carbone. Développés et utilisés depuis la fin des années 1920, les CFC sont très stables et ne se décomposent pas sous l'effet du rayonnement solaire dans la troposphère. Cela leur permet de se répandre dans toute l'atmosphère terrestre pendant de longues périodes grâce à la circulation atmosphérique. Les fréons ne se décomposent que sous l'effet du rayonnement ultraviolet dans la stratosphère, libérant des atomes de chlore (Cl). Ces atomes de chlore réagissent chimiquement avec l'ozone pour former du monoxyde de chlore (ClO), qui réagit ensuite avec les atomes d'oxygène pour se régénérer en atomes de chlore. Ce cycle se répète, entraînant l'appauvrissement de la couche d'ozone.
Durant l'hiver, lorsque le rayonnement solaire est très faible, un immense vortex circulaire se forme dans la basse stratosphère au-dessus de l'Antarctique, sous l'effet de forts vents rotatifs. L'air contenant des gaz fréon et de la vapeur d'eau est aspiré dans ce vortex depuis les latitudes plus basses par la circulation atmosphérique globale. La vapeur d'eau présente dans cet air entrant se transforme en cristaux de glace, emprisonnant les gaz fréon. Ce processus se répète, entraînant une accumulation continue de cristaux de glace contenant du fréon au sein du vortex durant tout l'hiver. Au printemps, lorsque le rayonnement solaire atteint cette région, le vortex s'affaiblit et se dissipe. La fonte des cristaux de glace libère rapidement des atomes de chlore provenant des gaz fréon emprisonnés, détruisant ainsi l'ozone. Si l'appauvrissement de la couche d'ozone antarctique n'est apparu qu'un demi-siècle après l'apparition des CFC, c'est parce que le transport et l'accumulation de ces substances au-dessus de l'Antarctique ont nécessité un temps extrêmement long.
Parallèlement, le vortex arctique est moins puissant que le vortex antarctique, ce qui lui confère une forme plus complexe. L'air à l'intérieur du vortex se mélange fortement avec l'air environnant, et sa durée de vie est plus courte. De ce fait, l'appauvrissement de la couche d'ozone est moins marqué dans l'Arctique que dans l'Antarctique. Cependant, avec la progression du réchauffement climatique, les températures stratosphériques devraient diminuer, ce qui pourrait renforcer et étendre les vortex antarctique et arctique. En effet, si l'augmentation des concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère provoque une hausse des températures dans la troposphère, leur structure thermique particulière dans la stratosphère tend en réalité à la refroidir. Par conséquent, si des changements d'intensité des vortex polaires surviennent parallèlement au réchauffement climatique, le profil d'appauvrissement de la couche d'ozone différera probablement considérablement de celui observé aujourd'hui.
