Den ozonlaget eller ozonosphere betyr at en del av stratosfæren av jorden som inneholder en forholdsvis stor mengde av ozon (konsentrasjon av størrelsesorden ett hundre tusen). I store høyder er ozonlaget nyttig: det absorberer det meste av ultrafiolett solstråling som er skadelig for organismer . Den har derfor en beskyttende rolle for levende vesener og økosystemer .
Eksistensen av ozonlaget ble demonstrert i 1913 av de franske fysikerne Henri Buisson og Charles Fabry ved hjelp av deres optiske interferometer . Denne ozonen er produsert ved innvirkning av UV- stråler, solstråling, på oksygenmolekyler i stor høyde. Sydney Chapman foreslo treningsmekanismen i 1930 . Den gjenspeiler solstrålene og lar bare 50% av dem komme inn i troposfæren.
På slutten av 1970-tallet demonstrerte forskere en periodisk reduksjon i antarktisk ozon, særlig takket være lydende ballongmålekampanjer. fenomen da døpt " hull i ozonlaget ". Dette hullet vokser om våren i Antarktis (på slutten av polarnatten ) i flere måneder før det krymper, til neste vår når det utvides igjen. Andre studier ved bruk av høytliggende ballonger og satellitt- og meteorologiske observasjoner har avslørt at andelen arktisk ozon også synker.
Denne oppdagelsen var opprinnelsen til opprettelsen av IPCC og undertegnelsen i 1989 av Montreal-protokollen som hadde til formål å forby industrien å produsere klorerte kjemikalier, noe som resulterte i ødeleggelsen av ozonlaget. Disse stoffene er hovedsakelig CFC-er som brukes i kjølesystemer (kjøleskap, klimaanlegg, etc.).
Avhengig av høyden anses ozon å være:
Uten ozonlaget i den øvre atmosfæren, ville livet som planeten har kjent det siden slutten av Archean bare vært mulig i havene , i tilstrekkelig dybde over vannoverflaten (UV-stråler trenger bare noen få meter under overflaten). Dette var tilfelle i løpet av aeon Archean, da jordens atmosfære var uten oksygen (og dermed ozonlaget).
Den danner og vedvarer mellom 20 og 40 km høyde. Imidlertid er det i realiteten veldig fortynnet i den lokale atmosfæren: innholdet er i størrelsesorden noen ppm til noen titalls ppm i selve ozonlaget, som er en gassblanding ved lavt trykk.
Faktisk hvis denne ozonet ble samlet i et lag i ren tilstand, ville det under normale forhold med temperatur og trykk (det vil si gjennomsnittlige forhold på jordens overflate) ha en tykkelse på bare 3 mm , eller 300 Dobsonian enheter (DU).
Ozon produseres fra oksygen , som består av to atomer av oksygen (O to). Ved høyder over 30 km , solstråling fortsatt har tilstrekkelig energi til å bryte ned noen av de oksygenmolekyler Et oksygenatom, som ikke holder seg alene av stabilitetsmessige grunner, må rekombineres med et annet element ; det samhandler derfor med et annet oksygenmolekyl (O 2) til stede for å danne et nytt molekyl, sammensatt av tre oksygenatomer: ozon (O 3).
O 2+ solstråling → O + O og O + O 2→ O 3
Denne kjemiske reaksjonen er den eneste i stratosfæren som produserer ozon. Men siden ikke alt oksygen blir transformert til ozon i denne prosessen, er det derfor en faktor som begrenser konsentrasjonen. Opprinnelig dukket det opp en viss mengde ozon for mer enn 2 milliarder år siden, da oksygen ble permanent med en konsentrasjon av størrelsesorden en prosent. Konsentrasjonen som observeres i dag, skyldes en balanse mellom produksjonen av ozon ved solstråling, og visse destruksjonsprosesser: i normal tid blir all ozon som produseres i “overløp av reservoaret” ødelagt. Dette kalles en dynamisk likevekt .
I løpet av dagen, i stor høyde, kan solstråling dissosiere ozonmolekylet i et dioksygenmolekyl og et oksygenatom: O 3+ stråling → O 2 + O
I løpet av natten og spesielt polarnatten , eksisterer ikke denne reaksjonen siden det ikke er mer solstråling. En annen reaksjon blir overveiende: rekombinasjonen av et oksygenatom og et ozonmolekyl for å gi to oksygenmolekyler: O 3+ O → 2 O 2
Dette kalles spontan spaltning av ozon. Men kombinasjonen av disse to reaksjonene kan bare utgjøre 20% av den naturlige ødeleggelsen av ozon, mens det for å oppnå en balanse er nødvendig at tapet er lik produksjonen. Dette problemet fremhever skjørheten i ozonbalansen. Hvis de to reaksjonene ovenfor hadde vært tilstrekkelig til å kompensere for overproduksjonen av ozon, ville sistnevntes likevekt bare avhenge av mengden oksygen i den øvre atmosfæren, og denne likevekten ville vært vanskelig å forstyrre, men klorforbindelsene forstyrrer denne balansen. Bromerte forbindelser og nitrogenoksider (NOx) bidrar også til denne ødeleggelsen.
Ankommet i stratosfæren, blir molekylene av klorerte forbindelser spaltet av solstråling , produktene av denne nedbrytningen ødelegger ozonmolekylene ved settet med katalytiske reaksjoner .
En rikelig naturlig kilde til organisk klor er metylklorid , hovedsakelig produsert i havene av mikroorganismer og alger . Konsentrasjonen overstiger ikke 0,6 milliarddeler, den naturlige grensen for hastigheten av organisk klor i atmosfæren.
Oppfunnet på 1930-tallet gjennomgikk klorfluorkarboner (CFC) betydelig utvikling fra 1950-tallet på grunn av deres bemerkelsesverdige egenskaper (ikke-brennbare, lett komprimerbare, uoppløselige), og siden de bare har lav kjemisk reaktivitet, tror vi den lave giftigheten for miljøet . Brukes hovedsakelig i kjøleindustrien , i aerosolbokser som drivmiddel, i løsningsmidler for elektronikkindustrien , i syntetisk skum og slokkemidler; de skyldes hovedsakelig menneskelig aktivitet. Produksjon av CFC er veldig viktig. For de to viktigste, triklorfluormetan (CFC 11) og diklorfluormetan (R 21), steg produksjonen fra 50 000 til 100 000 t tidlig på 1960-tallet til 500 000 t i 1999. Dette representerer en økning på 5 til 6% per år, dvs. praktisk talt en dobling av mengden hvert tiende år.
Vindene rører stadig atmosfæren:
I løpet av 2 til 3 år finnes derfor CFC i atmosfæren på alle breddegrader , både ved ekvator og ved polene. Så, om 15 år, går de opp i den øvre atmosfæren.
Til dette legges en annen effekt, CFC-ene som er til stede i stratosfæren i 1997 er de som ble produsert mellom 1977 og 1982, som bare representerer 40% av det som hittil er produsert. De resterende 60% blandes fortsatt og stiger. Som et resultat av denne forsinkelsen, vil effekten av CFC-er produsert de siste årene fremdeles merkes om 60 år.
Dermed er mengden organisk klor som er naturlig til stede i stratosfæren omtrent 0,6 milliarddeler, mens i dag når den totale andelen organisk klor 3,5 milliarddeler. Den har multiplisert med 5 på 20 år, noe som har ført til en forstyrrelse av den dynamiske likevekten.
Om vinteren er ødeleggelsen av ozon begrenset til spontan ødeleggelse. På våren blir det veldig viktig fordi det allerede er UV, mye iskrystaller i stratosfæren, og fordi den atmosfæriske sirkulasjonen, polarhvirvelen rundt Antarktis, forhindrer erstatning av ozon ødelagt av l ozon fra Nord-Antarktis.
Fra slutten av våren er tynningen mindre viktig fordi mengden av iskrystaller avtar, og også fordi den atmosfæriske sirkulasjonen endres: det er da en blanding mellom den antarktiske luften og luften som kommer fra nord som gir ozon. Til slutt, og fremfor alt, ble generasjonen av ozon fra oksygen gjenopptatt med økningen i solskinn på dagtid.
Ozonlaget observeres i dag av et nettverk av bakkestasjoner som Halley stasjon, ved 76 ° S, der det er gjort ozonobservasjoner siden 1956. Mer nylig har observasjonens presisjon blitt bedre. Forbedret takket være kunstige satellitter som ble bygget, blant annet andre, av NASA (USA).
De flerårige variasjonene siden 1957 i tykkelsen på ozonlaget kan også måles ved nivået av flavonoider som finnes i mosser (spesielt Bryum argenteum ) holdt i herbaria. Imidlertid har alvorlige observasjoner av ozonlaget bare blitt gjort i omtrent seksti år.
Det var i 1985 alarmen ble gitt med oppdagelsen av en betydelig reduksjon i ozonkonsentrasjonen i løpet av september og oktober over det antarktiske kontinentet . Det ble observert en reduksjon på nesten 50% av det totale ozoninnholdet, som skjedde i løpet av den australske våren og dekket hele overflaten av Antarktis.
Siden slutten av 1970-tallet har ozonens tykkelse noen steder falt fra tilsvarende 3 mm til 2 og til og med 1,5 mm i dag, i gjennomsnitt i oktober måned.
Det er denne relative reduksjonen i tykkelsen på det stratosfæriske ozonlaget (sammenlignet med dets standard eller innledende tykkelse på 300 DU), som kalles "ozonhullet" eller "hullet i ozonlaget". Ozon ”. Montreal-protokollen i 1987 gjorde det internasjonale samfunn i stand til å øke bevisstheten, noe som førte til konkrete tiltak for å begrense menneskelig spredning av CFC-gasser.
I 2000 , 2001 og 2003 nådde ozonhullet et område som ikke ble sett før 2000, mens 2002- hullet var det minste som ble observert siden 1998.
Faktisk, på slutten av sommeren 2003 nådde hullet igjen et rekordområde ... for å avta raskt i løpet av oktober måned. I 2006 ble en ny plate spilt inn over Antarktis.
I 2006 , den FN og eksperter advarer om at ozonlaget er på bedringens mindre raskere enn forventet, sannsynligvis på grunn av vedvarende bruk av forbudte gasser som KFK.
Bruken av en modell gjorde det mulig å tilskrive pausen som ble observert i 2015 til utbruddet av den chilenske vulkanen Calbuco og å vise at fallet i klor- og bromkonsentrasjoner faktisk var ansvarlig for forbedringen som ble observert på lang sikt.
Siden 2019 ser hullet i ozonlaget ut til å være delvis fylt, men på en kunstig måte. Faktisk forklares dette fenomenet hovedsakelig av den betydelige oppvarmingen av troposfæren over Antarktis, noe som fører til reduksjon i antall og vedvarende polare stratosfæriske skyer: Dette resulterer i mindre transformasjon av klorerte forbindelser i atmosfæren og haloner som slippes ut av menneskelige aktiviteter. til aktivt klor, som kan ødelegge ozon .
I Arctic Ocean , har omfanget av fenomenet ennå ikke nådd det som ble observert i den sørlige halvkule.
Det faktum at tapet av ozon, som er så viktig i Antarktis , er mindre over Arktis , skyldes klimaforskjellene mellom disse to regionene. Avkjølingen av den polare stratosfæren er faktisk mindre intens i nord, hvor temperaturene i gjennomsnitt er 15 til 20 ° C høyere enn de som er observert på Sydpolen .
Denne forskjellen mellom de to polene er av geografisk opprinnelse : Det antarktiske kontinentet er isolert midt i havene på den sørlige halvkule. På den nordlige halvkule bidrar tvert imot en veksling av kontinenter og hav, områder med høyt og lavt atmosfærisk trykk til å skape en kontinuerlig bevegelse av luftmasser slik at Nordpolen aldri forblir helt isolert. Den varmere luften på midten av breddegraden kommer derfor alltid til polen, og øker derved gjennomsnittstemperaturen der.
Ved å bruke data levert av en NASA- satellitt med høyere atmosfære la forskerne merke til at antarktiske stratosfæriske skyer har en levetid dobbelt så lang som de over Arktis. MetOp-A- satellitten observerte ozonhullet i 2007.
I 2011 nådde hullet i ozonlaget rekordverdier i Arktis, med 80% tap av ozon, mellom 15 og 20 km høyde, i vinteren 2010 - våren 2011.
Imidlertid rapporterte en rapport fra World Meteorological Union og FNs miljøprogram i 2014 stabilisering og til og med begynnelsen av absorpsjon på den nordlige halvkule. I juni 2016 konkluderte en studie ledet av Susan Salomon og publisert i tidsskriftet Science at ozonhullet i Antarktis hadde redusert med mer enn 4 millioner km2 siden 2000, eller omtrent halvparten av USAs areal. Ifølge forskerne ble denne forbedringen, som fortsatt var å bekrefte, delvis forklart av reduksjonen i utslipp av klorerte gasser (spesielt CFC) og bromerte gasser; men også av den menneskeskapte drivhuseffekten . Faktisk, oppvarmingen indusert av klimagasser (CO 2, metan, etc.) forårsaker paradoksalt nok en avkjøling av stratosfæren. Imidlertid, som Slimane Bekki, forsker ved CNRS, forklarer: "denne avkjølingen bremser de kjemiske reaksjonene som ødelegger ozon".
I 2018 rapporterer FN at ozonlaget er under utbedring. Likevel avslører en studie publisert i Science at reduksjonsgraden for CFC-11-utslipp har avtatt med 50% siden 2012, noe som gjenspeiler en ny produksjon av CFC-11 som ikke er deklarert mot Montreal-protokollen. Denne produksjonen mistenkes å komme fra kinesiske industriister. I 2019 synes denne kur å bli bekreftet av nye observasjoner nevnt ovenfor i avsnittet "Fortsatt tap av ozon i Antarktis".
De ultrafiolette stoffene er mutagene, de forverrer DNA i celler, noe som forstyrrer deres biologiske aktiviteter ( f.eks. Kreft ) eller ødelegges ( solbrenthet ). De9. oktober 2003i Sør- Chile tilbød ozonlaget, som hadde mistet 50% av sin vanlige tykkelse, så lite beskyttelse mot ultrafiolette stråler at det på denne dagen var nok å tilbringe fem minutter ute uten beskyttelse for å fange solbrenthet . Sør-Chile er ikke det eneste området som er berørt, andre deler av Australia og New Zealand har også opplevd lignende episoder. I tillegg forstyrrer ultrafiolette stråler celledelingene i akvatiske mikroorganismer , noe som har alvorlige konsekvenser for livet ved polene. I tillegg til hudkreft er det også en generell svekkelse av immunforsvaret .
På planeten Mars er det identifisert tre forskjellige lag med ozon i atmosfæren . Det ene laget ligger under 30 km høyde, et annet er til stede om våren og sommeren på den nordlige Marshalvkulen (mellom 30 og 60 km ) og et annet over sørpolen mellom 40 og 60 km . Laget over Sydpolen har ingen tilsvarende som Nordpolen.
The Montreal-protokollen , undertegnet i september 1987 og revidert i London , København , Montreal og Beijing til 1999 , kalt for en 50% reduksjon i utslipp i ti år. Den universelle ratifiseringen (196 land) ble nådd i 2009, som er en begivenhet siden det er den første internasjonale miljøavtalen som oppnår denne statusen.
Den europeiske union er foreslått i 1989 et totalforbud mot bruk av KFK ( klorfluorkarboner ) på 1990-tallet, som ble godkjent av USA . Den europeiske unionen vedtok deretter juridiske verktøy, inkludert den nylige europeiske forskriften (1005/2009) som tar sikte på å overføre Montreal-protokollen til europeisk lov, mens de setter mer ambisiøse mål for reduksjon eller forbud mot at visse gasser ødelegger ozonlaget.
Delegater fra 190 land samlet seg i Montreal den12. september 2007klarte å hilse suksessen til prosjektet, 20 år etter signeringen av protokollen, som blir materialisert av en total nedleggelse av produksjonen av klorfluorkarboner planlagt til 2010 og et optimistisk estimat fra det vitenskapelige samfunnet: ozonlaget vil gå tilbake til sitt normal tilstand. 1980 mellom 2055 og 2065 .
Det var planlagt å fase ut hydroklorfluorkarboner , de viktigste erstatningene for klorfluorkarboner, innen 2020 for industriland og 2040 for utviklingsland. Forskere fant nylig at tidlig eliminering (10 år tidligere, i 2030) av hydroklorfluorkarboner ville redusere drivhuseffekten med en større andel enn hva Kyoto-protokollen om klimaendringer skulle tillate . En avtale ble avsluttet ved 19 th møtet mellom partene som gjør at en akselerasjon av utgivelsen av bruk av hydroklorfluorkarboner. I henhold til denne avtalen vil produksjonen av disse stoffene bli frosset i 2013 på gjennomsnittlig nivå for 2009-2010. Industriland vil stoppe produksjon og forbruk i 2020 , og redusere dem til 75% i 2010 og 90% i 2015 . Utviklingsland vil redusere med 10% i 2015 , 35% i 2020 , 67,5% i 2025 , og vil holde 2,5% i gjennomsnitt de siste fem årene for vedlikehold.
Hvis årsakssammenhengen mellom CFC og hull påvises, eller hvis sistnevnte forsvinner over en lang periode, vil det være mulig å fastslå at Montreal-protokollen har vært en suksess for det internasjonale samfunnet, i stand til å løse miljøproblemer.