vignette|Les différentes couches de l'atmosphère terrestre. vignette|Filtration des UV par la stratosphère. vignette|Concentration et « trou d'ozone » au-dessus de l'hémisphère sud. vignette|Modélisation de la disparition de la couche d'ozone : ce qui serait arrivé si les CFC n'avaient pas été interdits.
La couche d'ozone, aussi appelée ozonosphère, est une portion de la stratosphère terrestre qui renferme une concentration notable d'ozone (environ un pour cent mille). À une altitude élevée, la couche d'ozone s'avère bénéfique : elle retient l'essentiel des rayons ultraviolets nuisibles pour les êtres vivants. Elle a donc un rôle protecteur pour les êtres vivants et les écosystèmes.
Cette couche est distincte de l'ozone troposphérique de plus basse altitude, qui est un gaz à effet de serre et un polluant.
Découverte et historique L'existence de la couche d'ozone a été démontrée en 1913 par les physiciens français Henri Buisson et Charles Fabry grâce à leur interféromètre optique. Cet ozone est produit par l'action des UV, du rayonnement solaire, sur les molécules de dioxygène à haute altitudeEntre 20 et d'altitude.. Sydney Chapman propose le mécanisme de formation en 1930. Elle renvoie les rayons solaires et n'en laisse pénétrer que 50 % dans la troposphère.
La couche d'ozone présente des variations naturelles au fil des saisons, particulièrement dans les zones polaires où elle se réduit en hiver et au printemps. Déjà dans les années 1980, des scientifiques ont identifié une dégradation nettement plus marquée, nommée « trou dans la couche d'ozone », particulièrement observée au-dessus de l'Antarctique et également visible en Arctique. Ce phénomène est essentiellement dû à l'émission de composés chimiques bromés et chlorés dans l'atmosphère, notamment les chlorofluorocarbures (CFC), les hydrochlorofluorocarbures (HCFC), les halons, le tétrachlorure de carbone et le bromure de méthyle.
Cette découverte est à l'origine de la signature en 1987 du Protocole de Montréal visant à bannir la création par l'industrie de substances chimiques chlorées aboutissant à la destruction de la couche d'ozone. Ces substances sont principalement les CFC utilisés dans les systèmes de refroidissements (réfrigérateurs, climatiseurs…).
Ozone (utile ou nocif selon son altitude) Selon son altitude, on considère l'ozone comme : « bon ozone », quand il est présent dans la stratosphèreobjet de cet article : bon, car il nous protège des rayons UV-C (ultraviolet) et de leurs effets ; le « mauvais ozone », quand il se forme dans la troposphère (couche basse de l'atmosphèreDu sol à environ d'altitude.) : mauvais, car c'est celui que toutes les espèces animales, dont l'homme, sont amenées à inhaler et qui présente, selon sa concentration, une certaine toxicité (voir Normes de qualité de l'air).
Sans la couche d'ozone dans la haute atmosphère, la vie telle que la planète l'a connue depuis la fin de l'Archéen, n'aurait été possible que dans les océans, à une profondeur suffisante de la surface des eaux (les UV ne pénétrant qu'à quelques mètres sous la surface). Ce fut le cas au cours de l'éon Archéen, lorsque l'atmosphère de la Terre était dépourvue de dioxygène (et donc de couche d'ozone).
Ozone stratosphérique Il se forme et persiste entre 20 et d'altitude. Il est cependant en réalité très dilué dans l'atmosphère locale : sa teneur est de l'ordre de quelques ppm à quelques dizaines de ppm dans la couche d'ozone elle-même qui est un mélange gazeux à faible pression.
En fait si cet ozone était regroupé en une couche à l'état pur, il aurait dans les conditions normales de température et de pression (c'est-à-dire les conditions moyennes à la surface de la Terre) une épaisseur de seulement , soit (DU)« DU » en anglais, en hommage au spécialiste anglais G.M.B Dobson, un des premiers scientifiques à étudier la couche d'ozone et inventeur du spectromètre Dobson. Une unité DU correspond à d'épaisseur à température et pression atmosphérique standard..
Processus de formation vignette|Lancement d'un ballon sonde pour des mesures dans la couche d'ozone.
L'ozone est produit à partir du dioxygène, composé de deux atomes d'oxygène(). Aux altitudes supérieures à 30 km, le rayonnement solaire possède encore une énergie suffisante pour casser une partie des molécules de dioxygène et libérer les atomes. Un atome d'oxygène tendant à ne pas rester seul pour des raisons de stabilité, doit se recombiner à un autre élément ; il interagit donc avec une autre molécule de dioxygène () présente pour former une nouvelle molécule, composée de trois atomes d'oxygène : l'ozone ().
Cette réaction chimique est la seule qui, dans la stratosphère, produise de l'ozone. Mais puisque tout l'oxygène n'est pas transformé en ozone dans ce processus, il existe donc un facteur limitant sa concentration. Primitivement, une certaine quantité d'ozone est apparue, il y a plus de deux milliards d'années, lorsque l'oxygène est devenu permanent avec une concentration de l'ordre du pour cent. La concentration observée aujourd'hui résulte d'un équilibre entre la production d'ozone par le rayonnement solaire, et certains processus de destruction : en temps normal, tout l'ozone produit en « trop plein du réservoir » est détruit. C'est ce que l'on appelle un équilibre dynamique.
Équilibre dynamique Le jour, à haute altitude, le rayonnement solaire peut dissocier la molécule d'ozone en une molécule de dioxygène et un atome d'oxygène :
Durant la nuit et en particulier la nuit polaire, cette réaction n'existe pas puisqu'il n'y a plus de rayonnement solaire. Une autre réaction devient alors prépondérante : la recombinaison d'un atome d'oxygène et d'une molécule d'ozone pour donner deux molécules de dioxygène :
C'est ce que l'on appelle la décomposition spontanée de l'ozone. Mais l'ensemble de ces deux réactions ne peut rendre compte que de 20 % de la destruction naturelle de l'ozone, alors que pour parvenir à un équilibre il faut que la perte soit égale à la production. Ce problème met en évidence la fragilité de l'équilibre de l'ozone. En effet, si les deux réactions ci-dessus avaient pu suffire à compenser la surproduction d'ozone, l'équilibre de ce dernier ne dépendrait que de la quantité de dioxygène présent dans la haute atmosphère, et cet équilibre aurait été difficilement perturbable, mais les composés chlorés perturbent cet équilibre. Les composés bromés, et les oxydes d'azote (NOx) contribuent également à cette destruction.
Action des composés chlorés
Parvenues dans la stratosphère, les molécules de composés chlorés sont décomposées par le rayonnement solaire, les produits de cette décomposition détruisant les molécules d'ozone par le jeu de réactions catalytiquesCatalytique signifie que le constituant qui attaque l'ozone est régénéré à la fin de la réaction. À travers une succession de ces réactions en chaine, un unique atome d'un constituant peut donc permettre la destruction d'un très grand nombre de molécules d'ozone (de l'ordre de à ). Dès lors, des constituants dont l'abondance relative ne se chiffre pourtant qu'en milliardièmes peuvent suffire à contrôler chimiquement l'équilibre de l'ozone, dont l'abondance relative est pourtant mille fois supérieure..
Une source naturelle abondante de chlore organique est le chlorure de méthyle, principalement produit dans les océans par les micro-organismes et les alguesHaute Atmosphère: Chimie du Chlore Sur le site Société Max-Planck atmosphere.mpg.de. La concentration ne dépasse pas 0,6 milliardième, limite naturelle du taux de chlore organique dans l'atmosphère.
Inventés dans les années 1930, les chlorofluorocarbures (C.F.C.) ont connu un développement important à partir des années 1950 à cause de leurs propriétés remarquables (ininflammables, facilement compressibles, non solubles) et, comme ils n'ont qu'une faible réactivité chimique, on les croyait peu toxiques pour l'environnement. Utilisés principalement dans l'industrie du froid, dans les bombes aérosols comme propulseur, en solvants pour l'industrie électronique, dans les mousses synthétiques et les agents extincteurs ; ils sont essentiellement dus à l'activité humaine. La production des CFC est très importante. Pour les deux principaux, le trichlorofluorométhane (CFC 11) et le dichlorofluorométhane (R 21), la production est passée de à au début des années 1960 jusqu'à en 1999. Cela représente une croissance de 5 à 6 % par an, soit pratiquement un doublement de la quantité tous les dix ans.
Les vents brassent l'atmosphère en permanence : horizontalement, avec un temps moyen de transport d'un pôle à l'autre de l'ordre de deux ou trois ans ; verticalement, avec une homogénéisation de l'atmosphère jusqu'à d'altitude. En deux ou trois ans, les CFC se retrouvent donc dans l'atmosphère sous toutes les latitudes, aussi bien à l'équateur qu'aux pôles. Puis, en , ils montent dans la haute atmosphère.
À cela s'ajoute un autre effet, les CFC présents dans la stratosphère en 1997 sont ceux qui ont été produits entre 1977 et 1982, ce qui ne représente que 40 % de ce qui a été produit jusqu'à ce jour. Les 60 % restants sont encore en train de se mélanger et de monter. Du fait de ce retard, les effets des CFC produits ces dernières années se feront encore sentir dans .
Bilan Ainsi, la quantité de chlore organique naturellement présente dans la stratosphère est d'environ 0,6 milliardième, alors qu'aujourd'hui la proportion totale de chlore organique atteint 3,5 milliardièmes. Elle a été multipliée par 5 en , ce qui a entraîné une rupture de l'équilibre dynamique.
En hiver, la destruction d'ozone est limitée à sa destruction spontanée. Au printemps, elle devient très importante car il y a déjà des UV, beaucoup de cristaux de glace dans la stratosphère et parce que la circulation atmosphérique, le vortex polaire autour de l'Antarctique, empêche le remplacement de l'ozone détruit par de l'ozone provenant du nord de l'Antarctique.
Dès la fin du printemps, l'amincissement est moins important parce que la quantité de cristaux de glace diminue, et aussi parce que la circulation atmosphérique change : il y a alors un mélange entre l'air antarctique et l'air venu du nord qui apporte de l'ozone. Enfin, et surtout, la génération de l'ozone à partir de l'oxygène a repris avec l'allongement de l’ensoleillement diurne.
Statistiques Perte continue d'ozone en Antarctique
thumb|right|Carte du trou d'ozone au-dessus de l'Antarctique le 15 octobre 1987.
La couche d'ozone est aujourd'hui, observée par un réseau de stations au sol tel la station Halley, à 76° S, où des observations de l’ozone sont effectuées depuis 1956. La précision des observations s'est améliorée grâce aux satellites artificiels construits, entre autres, par la NASA (USA).
Les variations pluriannuelles depuis 1957 de l'épaisseur de la couche d'ozone peuvent aussi être mesurées par le taux de flavonoïdes contenus dans des mousses (notamment Bryum argenteum) conservées dans des herbiers G. Ryan Ken . 2009;15:1694-702.. Cependant, les observations sérieuses de la couche d'ozone n'ont été réalisés que depuis une soixantaine d'années..
C'est en 1985 que l'alerte a été donnée avec la découverte d'une diminution importante de la concentration d'ozone au cours des mois de septembre et d'octobre au-dessus du continent Antarctique. Une réduction de près de 50 % du contenu total d'ozone était observée, se produisant au cours du printemps austral et couvrant toute la surface de l'Antarctique.
Depuis la fin des années 1970, l'épaisseur de l'ozone est passée, en certains endroits, de l'équivalent de à 2 et même aujourd'hui, en moyenne pour le mois d'octobre.