Ozone et climat

Le problème de la disparition de la couche d’ozone s’est posé de façon brutale dans les années 1980. Actuellement l’augmentation des gaz à effet de serre et le changement climatique sont au cœur des préoccupations environnementales.  On confond souvent trou dans la couche d’ozone et dérèglement du climat. Or, même si l’un agit sur l’autre, il s’agit de deux problèmes distincts.

Différentes causes et conséquences

Causes

• L’effet de serre est un phénomène naturel sans lequel la température moyenne à la surface de notre planète serait non pas de l’ordre de 15°C, mais plutôt de -19°C. 70% de l’énergie qui nous arrive du Soleil est absorbée par notre atmosphère – pour 20% – ou par la surface de la Terre, les sols et les océans – pour 50 %. En retour, un rayonnement infrarouge est émis vers l’atmosphère. Une partie de ce rayonnement s’échappe dans l’espace. Les nuages et les gaz à effet de serre piègent et renvoient vers le sol le reste du rayonnement. Le changement climatique est ainsi la conséquence de l’augmentation des gaz à effet de serre.
• La diminution de l’ozone provient de la présence dans la stratosphère de molécules chlorées, bromées et nitrées qui détruisent l’ozone.

Conséquences

• Pour le climat, les conséquences concernent le changement de la température de surface, du régime de précipitations et de l’occurrence d’évènements extrêmes. 
• Le trou dans la couche d’ozone provoque l’augmentation du flux ultraviolet solaire au niveau du sol. Cela peut provoquer des cancers.

Interactions entre ozone et climat

L’ozone, un gaz à effet de serre

La diminution d’ozone stratosphérique depuis le début de l’ère industrielle représente une diminution de l’ordre de 5 % du forçage radiatif dû à l’augmentation des autres gaz à effet de serre.

Des gaz qui interfèrent avec ozone et climat

Les CFC et la plupart des substituts mis au point pour les remplacer sont des puissants gaz à effet de serre. Globalement ils sont responsables d’environ 13% de l’effet de serre additionnel dû à l’ensemble des gaz à effet de serre depuis le début du 20^ème siècle. Les interdits portant sur les substances destructrices d’ozone ont de ce fait agit plus efficacement pour satisfaire les objectifs du Protocole de Kyoto que les réductions d’émission de gaz à effet de serre.

Modifications du climat & stratosphère

Inversement, le changement climatique lui-même exerce des effets sur la stratosphère. En effet on assiste actuellement à un refroidissement de la stratosphère. C’est la conséquence de la diminution d’ozone et de l’augmentation des gaz à effet de serre. IOn l’observe déjà sous nos latitudes (environ 1°K/dec à 25 km, 2°K/dec à 50 km). Ce refroidissement va ralentir le retour de l’ozone à la normale qui ne devrait pas avoir lieu avant un demi-siècle.

Et l’appauvrissement de la couche d’ozone perturbant l’interception des rayonnements ultraviolets, plus d’énergie solaire arrive jusqu’au sol. De quoi intensifier le réchauffement et légèrement modifier le climat.

Dans le sud de l’Afrique, on mesure une augmentation rapide de la température moyenne de l’air. Le principal facteur mis en cause est l’émission intensive de gaz à effet de serre. Mais, remarquant un pic annuel durant l’été austral depuis le début des années 1990, une étude parue en 2013 suggère que l’appauvrissement de la couche d’ozone en Antarctique en serait le principal responsable, en lien avec les courants atmosphériques.

Durant le printemps austral, le trou de la couche d’ozone au-dessus de l’Antarctique est maximal. Il provoque un refroidissement de la stratosphère. Cette variation thermique engendre des changements dans les vents, en l’occurence le courant-jet autour de l’Antarctique se rapprocherait du pôle. Au démarrage de l’été austral, il se forme juste au-dessus de l’Angola un système dépressionnaire nommé Angola Low. L’intensification du trou de la couche d’ozone estival amplifie ce système dépressionnaire, qui transporte de l’air humide et chaud des basses latitudes vers l’Afrique australe.

La tropopause en lien avec ozone et climat

La tropopause, zone de transition entre troposphère et stratosphère, est une couche de  1 à 2 km d’épaisseur . C’est aussi la région la plus froide de la basse atmosphère. En effet, la température diminue avec l’altitude dans la troposphère mais elle remonte progressivement dans la stratosphère. On observe des changements dans l’altitude et la température de la tropopause sous l’effet de l’augmentation des gaz à effet de serre. On n’en connaît pas encore toutes les conséquences.

Cinq facteurs modifient l’altitude de la tropopause :

• les niveaux de gaz à effet de serre,
• la concentration d’ozone dans l’atmosphère,
• la lumière du Soleil reflétée par les particules solides présentes dans l’air (aérosols),
• la poussière d’origine volcanique injectée dans l’atmosphère (aérosols)
• la production solaire de chaleur et de lumière.

Tous ces facteurs affectent la température de l’air à différentes altitudes.

• Le dioxyde de carbone réchauffe et élargit la troposphère.
• La destruction de la couche d’ozone entraîne un refroidissement et un rétrécissement de la stratosphère.

Ces forces conjointes font monter la tropopause.

Une concentration doublée de dioxyde de carbone dans l’atmosphère augmenterait, à elle seule, la température mondiale moyenne de 1,2 °C.

L’océan, les surfaces continentales et les différentes couches de l’atmosphère répondent à cette modification. La stratosphère répondrait à l’augmentation de la température de l’air à la surface terrestre en augmentant sa quantité de vapeur d’eau. Un tiers de cette vapeur d’eau entre dans la stratosphère depuis la tropopause tropicale, le reste de la vapeur d’eau pénètre depuis diverses zones de la tropopause extratropicale. La vapeur d’eau étant un puissant gaz à effet de serre, la température de l’air augmenterait. Cette rétroaction positive serait responsable d’au moins 5 % du réchauffement total pour certains. Et pour d’autres la vapeur d’eau stratosphérique n’a aucune influence sur le climat terrestre. Bref, on sait qu’il y a davantage de vapeur d’eau dans la stratosphère mais on connaît encore mal le rôle de la stratosphère sur la variation de température à la surface de la Terre.

Les vents de la stratosphère

Dans la stratosphère, au niveau de l’équateur, les vents dominants alternent entre puissants vents d’ouest et puissants vents d’est tous les 28 mois. C’est l’oscillation quasi biennale (OQB). Ce changement de direction impacte la composition chimique de toute l’atmosphère, et notamment la couche d’ozone.

Et réciproquement, l’OQB est influencée par le changement climatique. De 1953 à 2012, là où la pression est de 70 hPa (à environ 19 km d’altitude), l’amplitude de l’oscillation quasi biennale a diminué d’environ un tiers.

A l’équateur, les particules de l’air s’élèvent verticalement depuis la surface jusqu’en haute atmosphère, où elles peuvent facilement atteindre 16 km d’altitude. Elles sont ensuite redirigées vers les hautes latitudes. La montée de l’air vers la stratosphère est lente : certaines particules peuvent mettre plusieurs décennies à l’atteindre. L’amplitude de l’OQB aurait pu baisser à cause du renforcement de ce courant ascendant (qui supprimerait la force des vents de l’OQB), qui a été mesuré et qui est l’une des empreintes du réchauffement global de la Terre.

Autre effet du renforcement du courant ascendant. L’utilisation de produits chimiques destructeurs de la couche d’ozone, comme les CFC, est interdite. Mais ces molécules peuvent rester plusieurs décennies dans l’atmosphère. Ils sont lentement transportés de la basse atmosphère vers la haute atmosphère, où ils sont détruits. Plus l’ascendance se renforce, plus ces molécules sont détruites rapidement. L’atmosphère retrouvera donc plus vite une couche d’ozone à la concentration naturelle.

Influence de phénomènes naturels sur ozone et climat

Impact de l’activité solaire

Les changements d’activité solaire se produisent pour la majeure partie dans l’UV. Ces changements influencent le climat, notamment grâce à l’absorption du rayonnement UV par l’ozone stratosphérique qui conditionne la température de la stratosphère. Tout changement dans le flux solaire entraîne des changements du gradient de température entre l’équateur et les pôles et donc des modifications de la circulation stratosphérique. Ces changements passent ensuite de la stratosphère à la troposphère, entraînant des changements de température au sol. Les échanges de matière et d’énergie ont lieu essentiellement du sol vers la stratosphère au niveau des tropiques, et de la stratosphère vers le sol au niveau des pôles. Entre deux, il y a des « vents » dans un sens ou dans l’autre.

Impact des éruptions volcaniques

Lors d’éruptions volcaniques violentes, l’injection dans la stratosphère de grandes quantités de dioxyde de soufre peut d’une part contribuer à détruire l’ozone et d’autre part jouer un rôle d’écran pour le flux solaire et refroidir ainsi la surface. L’éruption du Mont Pinatubo en 1991 a ainsi entraîné un refroidissement de la surface atteignant 0.6°C en été 1992, mais cet effet est passager (1 – 2 ans).

Incendies de forêts