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Ozone : pollution et climat

Ozone : pollution et climat. Maud Leriche. 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

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Presentation Transcript

  1. Ozone : pollution et climat Maud Leriche Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  2. 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 Historique 1839 1850s 1880 1913 1927 1930 1952 1985 1995 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  3. 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%) L’ozone dans l ’atmosphère (1) Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  4. 1500 stratosphère mégapoles 500 pollution alerte Alerte!!! information 3 2 170 1 140 information 110 85 végétation 50 30 20 Indice Atmo troposphère libre santé L’ozone dans l’atmosphère (2) 1 ppbv = sur 109 molécules dans un volume donné, une molécule est le gaz considéré Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  5. L’ozone stratosphérique Le trou dans la couche d’ozone Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  6. L’importance de la couche d’ozone pour la vie terrestre Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  7. Production ozone dépend Flux de photons Concentration d’O2 altitude implique Maximum d’ozone Maximum à 25km prédit équilibre photo-stationnaire Surestime les concentrations Le cycle de Chapman Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  8. Modélisation numérique cycle de Chapman + cycles catalytiques Localisation et concentration correcte de la couche d’ozone Les cycles catalytiques + + Destruction d’ozone X O3 XO O2 + + XO O X O2 X = catalyseur = NO ou H ou OH ou Cl Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  9. 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 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  10. Colonne totale d’ozone Antarctique Situation naturelle Situation actuelle Estimé à partir des données de spectromètres Dobson au dessus de l’antarctique antérieures à 1980 Spectromètre TOMS Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  11. Spectromètre TOMS Un trou de plus en plus important… Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  12. Le trou d’ozone en 1997 en Antarctique Spectromètre TOMS Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  13. Les responsables : les CFC • Source : spray aérosols, réfrigération, …. • Temps de vie dans la troposphère : ~ 100 ans Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  14. 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? Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  15. Dynamique : le vortex polaire Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  16. Peu de vapeur d’eau dans la stratosphère Formation des PSC pour température très basse < -80°C Nuages stratosphériques polaires Observé depuis l’avion de recherche DC-8 de la NASA le 14 janvier 2003 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  17. Absence de nuages NO2 ClONO2 UV + O3 Réservoirs ClO Cl CFC + HCl CH4 Présence de nuages O3 PSC UV Cl ClO + + ClONO2 + O3 HCl Cl ClO HNO3(s) Cl2 UV Cl2O2 Destruction de l’ozone 75% de la destruction d’ozone observé Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  18. Déroulement caractéristique du trou d’ozone au dessus de l’Antarctique Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  19. Colonne totale d’ozone Arctique Situation naturelle Situation actuelle Estimé à partir du spectromètre TOMS moyenne 1978-1988 Spectromètre TOMS Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  20. Le trou d’ozone en 1997 en Arctique Spectromètre TOMS Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  21. 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 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  22. 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….. Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  23. L’ozone troposphérique La pollution photochimique Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  24. Les effets néfastes • Irritation des voies respiratoires et des yeux • Phyto-toxicité • Dégradation des matériaux (plastique) Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  25. Le smog de Los Angeles Smog = contraction de smoke et fog Los Angeles 1943, photo paru dans le Los Angeles Times La situation actuelle Précurseurs : NOx et COV Ozone : polluant secondaire Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  26. Formation de l’ozone NO2 + NO + O O2 hn O2 + O O3 O3 STRATOSPHERE Atmosphère "naturelle" : équilibre photo-stationnaire 8-18 km NO O3 NO2 + O2 + TROPOSPHERE Bilan nul pour l’ozone Midi, latitude moyenne NO2/NO = 3 hn NO2 NO Production d’ozone Conversion de NO en NO2 + rapide que par l’ozone O3 OH hn, H2O COV RO2 + aldéhydes + OH HO2 H2O2 Deposition NO RO2 NO2 + RO + CO, VOC Chimie : NOx et COVs (1) Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  27. Chimie : NOx et COVs (2) Production d’ozone dépend de la teneur en COVs et en NOx Régime chimique limité par les COVs O3  avec NOx O3  avec COVs Régime chimique limité par les NOx O3  avec NOx Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  28. Sources de NOx et de COVs D’après l’EPA (Environmental Protection Agency) USA Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  29. 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 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  30. Matin Après - - midi : : production de Trafic urbain : 6 : - - 9h du matin polluants secondaires Émission primaire : NO et COV : n n NO + h NO + O 2 2 1er étape: 1er étape: O + O O 2 3 n n HNO + + h NO + OH Ald é hydes + NO PAN 2 2 2 2 COV + OH RO , ald é é hydes 2 2 Conversion rapide NO NO 2 2 Déroulement caractéristique d’un épisode de pollution photochimique Maximum = 180 ppbv > Seuil d’alerte niveau 3 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  31. 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 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  32. BOLLENE LE PONTET LES MEES AVIGNON AVIGNON St REMY DE PROVENCE NIMES NIMES DURANCE VALLEY VINON DURANCE ALPILLES ALPILLES VALLEY MEYRARGUES HILLS RHONE RHONE MONTMEYAN VALLEY VALLEY AIX - - EN - PROVENCE BERRE BERRE AIX EN PROVENCE POND POND MARIGNANE MARIGNANE MARTIGUES MARTIGUES MARSEILLES MARSEILLE MARSEILLE MARSEILLES TOULON TOULON MEDITERRANEAN SEA MEDITERRANEAN SEA AVIGNON AVIGNON NIMES NIMES DURANCE DURANCE ALPILLES ALPILLES VALLEY VALLEY HILLS HILLS RHONE RHONE VALLEY VALLEY AIX AIX - - EN EN - - PROVENCE PROVENCE BERRE BERRE POND POND MARIGNANE MARIGNANE MARTIGUES MARTIGUES MARSEILLE MARSEILLE TOULON TOULON MEDITERRANEAN SEA MEDITERRANEAN SEA Simulation de la campagne d’ESCOMPTE (1) Arrière pays NOx limité Modèle RAMS_chimie Domaine simulé Alpilles : entrée vallée du Rhône Meyrargues : entrée vallée de la Durance Source de la pollution COVs limité Les Mees : + haut dans vallée de la Durance Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  33. Day2 Day3 Day1 Day2 Day3 Day1 Day2 Day3 Day1 Simulation de la campagne d’ESCOMPTE (2) Mesures d’ozone • Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 15h TU ( pic à 110 ppb) • Uniquement pic transport à 18h TU ( pic à 130 ppb) • Pic photochimie à 12h TU, pic transport à 14h TU (pic à 110 ppb) Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  34. Simulation de la campagne d’ESCOMPTE (3) Symétrie = le modèle rééquilibre par diffusion Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  35. Le climat de l’ozone en France sur la période 1991 - 2003 2003 : l ’année la plus polluée depuis 10 ans, notamment par la durée des situation de pollution. Nombre d’heures de dépassement seuil d’information Nombre d’hures de dépassement/nombre total de sites Source : ADEME Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  36. Les moyens d’action : réduction des émissions de NOx et COVs il faut réduire les COV régime limité par les COV Pour diminuer les concentrations d’ozone : régime limité par les NOx il faut réduire les NOx Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  37. L’ozone gaz à effet de serre Le réchauffement climatique Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  38. Un peu plus compliqué par la présence de l’atmosphère et ses composantes climatiques -18C Effet de Serre +15C L’effet de serre Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  39. Impact de l’ozone sur le réchauffement climatique Troposphère Effet de serre Réchauffement Stratosphère Trou d’ozone Refroidissement Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  40. Évolution de la concentration de fond de l’ozone troposphérique Depuis 1995 : mesures continues d’ozone au sommet du Puy de Dôme Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  41. 0 2 4 6 8 10 15 20 25 30 40 50 60 Évolution de l’ozone en surface depuis le préindustriel Préindustriel Actuel Janvier Juillet Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  42. 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 Mercredi de la physique – 21 juin 2006

  43. Fin Mercredi de la physique – 21 juin 2006

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