mercredi de la physique – 21 juin 2006 ozone : pollution et climat maud leriche

Mercredi de la physique – 21 juin

2006

Ozone : pollution et climat

Maud Leriche


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

1850s1880

1913

1927

1930

1952

1985

1995


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 NOx et COV (80 à 90%)


2006

L’ozone dans l’atmosphère (2)

5030

végétation

santé

85

information500

mégapoles

1500

stratosphère

20

troposphère libre

110140170

Alerte!!!

pollution

12

3

alerte

information

Indice Atmo

1 ppbv = sur 109 molécules dans un volume donné, une molécule est le gaz considéré


2006

L’ozone stratosphérique

Le trou dans la couche d’ozone


2006

L’importance de la couche d’ozone pour la vie terrestre


2006

Le cycle de Chapman

équilibre photo-stationnaireMaximum à 25km

Surestime les concentrationsprédit

Flux de photons Concentration d’O2

Maximum d’ozoneimplique

Production ozone

dépend

alt

itude


2006

Les cycles catalytiques

+ +

+ +

X O3 O2

O O2X

XO

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


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 1018 molécules d’ozone dans la colonne d’air située à la verticale d’une surface de 1 cm2 volume au sol à une température de 0°C de 0.35 cm3 3.5 mm d’épaisseur 350 DU


2006

Colonne totale d’ozone Antarctique

Situation naturelle Situation actuelle

Spectromètre TOMSEstimé à partir des données de spectromètres Dobson au dessus de l’antarctique antérieures à 1980


2006

Un trou de plus en plus important…

Spectromètre TOMS


2006

Le trou d’ozone en 1997 en Antarctique

Spectromètre TOMS


2006

Les responsables : les CFC

• Source : spray aérosols, réfrigération, ….

• Temps de vie dans la troposphère : ~ 100 ans


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?

??


2006

Dynamique : le vortex polaire


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


2006

Destruction de l’ozoneAbsence de nuages

O3 ClO

UV

CFC Cl

+

+

CH4

ClONO2

NO2

HCl

Réservoirs

Présence de nuages

ClONO2

HCl

+

PSC

HNO3(s)

Cl2

UV

Cl

O3

ClO

Cl

O3

ClO

+

Cl2O2

UV

+

75% de la destruction d’ozone observé


2006

Déroulement caractéristique du trou d’ozone au dessus de

l’Antarctique


2006

Colonne totale d’ozone Arctique

Situation naturelle Situation actuelle

Spectromètre TOMSEstimé à partir du spectromètre TOMS moyenne 1978-1988


2006

Le trou d’ozone en 1997 en Arctique

Spectromètre TOMS


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

(Information sent to the Ozone Secretariat by the Depositary, UN Office of Legal Affairs, June, 2004)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

19

86

19

87

19

88

19

89

19

90

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

Year

Nu

mb

er

of

Co

un

trie

s

Vienna Convention (188)

Montreal Protocol (187)

London Amendment (172)

Copenhagen Amendment (160)

Montreal Amendment (115)

Beijing Amendment (72)


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…..


2006

L’ozone troposphérique

La pollution photochimique


2006

Les effets néfastes

• Irritation des voies respiratoires et des yeux

• Phyto-toxicité

• Dégradation des matériaux (plastique)


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 : NOx et COVOzone : polluant secondaire


2006

Chimie : NOx et COVs (1)

NO2 +

O3O2

ONO +

+ O

Formation de l’ozone

Atmosphère "naturelle" : équilibre photo-stationnaire

NO + O3 NO2 + O2

Bilan nul pour l’ozone Midi, latitude moyenne NO2/NO = 3

Production d’ozone Conversion de NO en NO2 + rapide que par l’ozone

COV +OH

RO2 aldéhydes+

NO + RO2 NO2 + RO

O3

O2 h

O3

OH HO2

h, H2O

Deposition

NO

H2O2

CO, VOC

NO2

h

STRATOSPHERE

TROPOSPHERE

8-18 km


2006

Chimie : NOx et COVs (2)Production d’ozone dépend de la teneur en COVs et en NOx

Régime chimique limité par les NOx

Régime chimique limité par les COVs

O3 avec NOx

O3 avec NOx

O3 avec COVs


2006

Sources de NOx et de COVs

D’après l’EPA (Environmental Protection Agency) USA


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


2006

Déroulement caractéristique d’un épisode de pollution

photochimique

MatinTrafic urbain : 6-9h du matin

Émission primaire :1er étape:

HNO2 + h NO + OHRO2, aldéhydes

Conversion rapide NO NO2

Après-midi : production de polluants secondaires NO2 + h NO + O

O + O2 O3Aldéhydes + NO2 PAN

: -: NO et COV

1er étape:

2 + COV + OH 2 é

2

- :

2

2

Maximum = 180 ppbv> Seuil d’alerte niveau 3


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


2006

Simulation de la campagne d’ESCOMPTE (1)

MARSEILLE

MARTIGUES

BERRE

POND

MEDITERRANEAN SEA

TOULON

AIX - EN - PROVENCE

AVIGNON

NIMES

MARIGNANE

DURANCE

VALLEY

RHONE

VALLEY

ALPILLES

HILLS

MARSEILLE

MARTIGUES

BERRE

POND

MEDITERRANEAN SEA

TOULON

AIX - EN - PROVENCE

AVIGNON

NIMES

MARIGNANE

DURANCE

VALLEY

RHONE

VALLEY

ALPILLES

HILLS

MARSEILLESMARSEILLE

MARTIGUES

BERRE

POND

MEDITERRANEAN SEA

TOULON

AIX - EN - PROVENCE

AVIGNON

NIMES

MARIGNANE

DURANCE

VALLEY

RHONE

VALLEY

ALPILLES

HILLS

MARSEILLE

MARTIGUES

BERRE

POND

MEDITERRANEAN SEA

TOULON

AIX EN PROVENCE-

AVIGNON

NIMES

MARIGNANE

DURANCE VALLEY

RHONE

VALLEY

ALPILLES

MARSEILLES

MEYRARGUES

VINON

MONTMEYAN

LES MEES

BOLLENE

LE PONTET

St REMY DE PROVENCE

Modèle RAMS_chimieDomaine simulé

Alpilles : entrée vallée du Rhône

Meyrargues : entrée vallée de la Durance

Les Mees : + haut dans vallée de la Durance

Source de la pollutionCOVs limité

Arrière paysNOx limité


2006

Simulation de la campagne d’ESCOMPTE (2)

• Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 15h TU ( pic à 110 ppb)

MEYRARGUES (IOP2b)

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

0 12 24 36 48 60 72

Time (h)

Ozo

ne

(pp

bv)

Day1 Day2 Day3

• Uniquement pic transport à 18h TU ( pic à 130 ppb)

ALPILLES (IOP2b)

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

0 12 24 36 48 60 72

Time (h)

Ozo

ne

(pp

bv)

Day1 Day2 Day3

• Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 14h TU (pic à 110 ppb)

LES MEES (IOP2b)

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

0 12 24 36 48 60 72

Time (h)O

zon

e (p

pb

v)

Day1 Day2 Day3

Mesures d’ozone


2006

Simulation de la campagne

d’ESCOMPTE (3)

Symétrie = le modèle rééquilibre par diffusion


2006

2003 : l ’année la plus polluée depuis

10 ans, notamment par la

durée des situation de pollution.

Nbre d'heures de dépassement du seuil : 180 µg/m3/h

0

2 000

4 000

6 000

8 000

10 000

12 000

14 000

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003partielnbre d'heures de dépassement / nbre total de site

0

5

10

15

20

25

30

35

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003partiel

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


2006

Les moyens d’action : réduction des émissions de

NOx et COVs

régime limité par les NOx

Pour diminuer les concentrations d’ozone :

régime limité par les COV

il faut réduire les COV

il faut réduire les NOx


2006

L’ozone gaz à effet de serre

Le réchauffement climatique


2006

-18C

Un peu plus compliqué par la présence de l’atmosphère et sescomposantes climatiques

Effet de Serre

+15C

L’effet de serre


2006

Impact de l’ozone sur le réchauffement climatique

Troposphère

Effet de serre

Stratosphère

Trou d’ozone

Refroidissement

Réchauffement


2006

Évolution de la concentration de fond de l’ozone

troposphérique

Depuis 1995 : mesures continues d’ozone au sommet du Puy de Dôme


2006

Évolution de l’ozone en surface depuis le préindustriel

Préindustriel Actuel

Janvier

Juillet

605040302520151086420


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


2006

Fin

mercredi de la physique – 21 juin 2006 ozone : pollution et climat maud leriche

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