L'ozone dans la basse atmosphère a augmenté modérément au XXème siècle
Publié par Redbran le 17/06/2019 à 08:00
Source: CNRS INSU
De nouvelles mesures d'une variante isotopique très rare de l'oxygène dans l'air contraignent les variations de l'ozone dans l'ensemble de la basse atmosphère depuis la période préindustrielle. Cela constitue une information importante sur le rôle joué par l'ozone (L’ozone (ou trioxygène) est un composé chimique comportant 3 atomes d’oxygène (O3). Sa structure est une résonance entre trois états. Métastable aux conditions ambiantes, l’ozone a tendance...) dans le réchauffement climatique (Le réchauffement climatique, également appelé réchauffement planétaire, ou réchauffement global, est un phénomène d'augmentation de la température moyenne des...), qui aurait contribué à un accroissement de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) conservée à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique,...) de 0,33 Watts/m2 (moins de 0,4 Watts/m2) entre les années 1850 et 2005. Ce résultat, qui vient d'être publié dans Nature, a pu être obtenu grâce à des analyses inédites de cet isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de...) de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) dans des prélèvements dans la neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de façons. Puisque les flocons sont composés de...) et la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) polaire, réalisés pour certains lors d'une expédition française au centre de l'Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle Sud, il est entouré de l'océan Austral (ou...) (1). L'étude a impliqué une collaboration entre deux équipes américaines et trois équipes françaises (2), ainsi qu'une combinaison (Une combinaison peut être :) d'analyses et de modèles mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les transformations. Les...).


Site LOCK-IN en Antarctique central. A gauche: dispositif de prélèvement d'air dans le névé, au centre: dispositif de forage, à droite: zone de traitement des carottes de neige et glace.© Jérôme Chappellaz, CNRS/IGE/IPEV

L'ozone joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) un rôle important et complexe dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). La couche d'ozone dans la haute atmosphère nous protège des rayons ultra-violets, alors que l'ozone au niveau du sol est un oxydant qui irrite les yeux et les poumons. De plus, l'ozone dans l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) de la basse atmosphère (la troposphère) est le troisième gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas...) produit par l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) humaine par ordre d'importance. Contrairement aux deux plus importants: le gaz carbonique et le méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes...), ce gaz n'est pas réparti quasi-uniformément dans l'atmosphère. L'ozone est produit et détruit par des réactions chimiques rapides qui conduisent à une répartition complexe et un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de résidence (Le nom de résidence est donné à un ensemble de voies souvent qui forment une boucle ayant la particularité de desservir des mêmes logements appelées également résidence. Ce terme vient du verbe latin residere qui signifie rester...) court dans l'atmosphère. Ces caractéristiques de l'ozone rendent ses effets sur le réchauffement climatique passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au...) et futur difficiles à estimer. La mesure inédite d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) naturelle mais très rare a permis aux scientifiques de retracer les variations passées de l'ozone dans la troposphère (La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d'environ 8 à 15 kilomètres, selon la latitude et la saison. Elle est plus épaisse à...).

L'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) d'oxygène comprend plusieurs variantes de masses différentes, avec plus ou moins de neutrons dans le noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite que celle de l'atome (10-10...): ses isotopes. L'isotope de nombre de masse (Le nombre de masse (A) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de nucléons du noyau d'un atome.) 18 est beaucoup moins abondant que l'isotope de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) 16. L'équipe de Rice University a récemment inventé une technique pour mesurer le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de molécules d'oxygène composées de deux atomes rares d'oxygène 18 (18O18O). La probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet...) de former cette molécule est comparable à celle qu'une même personne gagne deux fois à un jeu de hasard (Un jeu de hasard est un jeu dont le déroulement est partiellement ou totalement soumis à la chance. Celle-ci peut provenir d'un tirage ou d'une distribution de cartes, d'un jet de dé, etc. Lorsque le jeu est totalement soumis au hasard, on...): il y a seulement quatre molécules de 18O18O par million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un (1 000 001). Il vaut un millier de milliers.) de molécules d'oxygène. Les chercheurs ont mesuré la différence entre l'abondance réelle de cette molécule et celle qu'elle aurait si les atomes d'oxygène 18 se combinaient complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la...) au hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause...). Cette petite différence est principalement liée à la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) de l'ozone, qui possède la particularité d'échanger ses isotopes avec l'oxygène dans l'ensemble de l'atmosphère.


Site LOCK-IN en Antarctique central. Au premier plan: dispositifs de prélèvement d'air et de forage. En arrière-plan: caravanes du camp mobile de l'Institut polaire français Paul Emile Victor.
© Patricia Martinerie, CNRS/IGE/IPEV

Des mesures ont été réalisées dans trois carottes de glace couvrant les derniers siècles et, pour les dernières décennies, dans l'air interstitiel du névé (la neige compactée) au site de LOCK-IN situé à 135 km de la station Antarctique franco-italienne Concordia. Les équipes françaises ont aussi développé une méthode de calcul du comportement de l'oxygène 18O18O inclue dans un modèle de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de...) des gaz dans le névé et la glace pour reconstruire l'histoire atmosphérique de ce traceur depuis le milieu du XIXème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération...). Les résultats indiquent une augmentation significative mais modérée de l'ozone dans la basse atmosphère: moins de 40% au XXème siècle, en accord avec des modèles récents de chimie atmosphérique. Des mesures d'ozone réalisées à la fin du XIXème siècle ont au contraire suggéré des augmentations allant jusqu'à 300%, que les modèles atmosphériques actuels ont du mal à reproduire. Les nouveaux résultats indiquent que ces fortes augmentations ont probablement affecté uniquement le voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout point. En...) du sol plutôt que toute la basse atmosphère. Elles renforcent la confiance dans les modèles actuels de chimie atmosphérique pour prédire l'effet de serre (Une serre est une structure généralement close destinée à la production agricole. Elle vise à soustraire aux éléments climatiques les cultures produites pour l'alimentation ou le...) dû à l'ozone à la fois dans le passé et le futur.

Notes:
(1) Expédition "LOCK-IN" de l'Institut polaire français Paul Emile Victor (IPEV) en janvier 2016.
(2) Equipes de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une...): Rice University, Texas, USA ; University of Rochester, New-York, USA ; Institut des Géosciences de l'Environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend...), Grenoble (CNRS, UGA, IRD, G-INP), Grenoble Image Parole (La parole, c'est du langage incarné. Autrement dit c'est l'acte d'un sujet. Si le langage renvoie à la notion de code, la parole renvoie à celle de corps. La...) Signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) Automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour...) (GIPSA-lab, UGA, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), G-INP) ; et Laboratoire des Sciences du Climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de...) et de l'Environnement, Gif-sur-Yvette (L-IPSL,CNRS, CEA, UVSQ, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la...) Saclay)


Référence publication:
L. Y. Yeung, L. T. Murray, P. Martinerie, E. Witrant, H. Hu, A. Banerjee, A. Orsi et J. Chappellaz. Isotopic constraint on the increase in tropospheric ozone in the twentieth century, Nature (2019), doi: 10.1038/s41586-019-1277-1

Contact chercheuse:
Patricia Martinerie - IGE
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