LA COUCHE D'OZONE

Guy P. Brasseur

La couche d’ozone.
De sa découverte à sa sauvegarde

Académie royale de Belgique

rue Ducale, 1 - 1000 Bruxelles, Belgique

www.academieroyale.be

Informations concernant la version numérique

ISBN : 978-2-8031-0767-4

© 2020, Académie royale de Belgique

Collection L’Académie en poche

Sous la responsabilité académique de Didier Viviers

Volume 136

Diffusion

Académie royale de Belgique

www.academie-editions.be

Crédits

Conception et réalisation : Laurent Hansen, Académie royale de Belgique

Couverture : Earth Observation - © Nasa

Publié en collaboration avec

Introduction

Le 16 mai 1985, la revue scientifique Nature publie un article surprenant 1. Ses auteurs, Joseph C. Farman, Brian G. Gardiner et Jonathan D. Shanklin du British Antarctic Survey de Cambridge au Royaume-Uni, y indiquent qu’au-dessus de la base scientifique de Halley Bay en Antarctique, la quantité d’ozone atmosphérique, mesurée systématiquement depuis 1958, s’est mise à décroître considérablement pendant le printemps austral. L’effet est surtout marqué depuis la fin des années 1970.

Cet article fait l’effet d’une véritable bombe au sein de la communauté scientifique internationale. Aucun des modèles mathématiques qui calculent l’évolution de la couche d’ozone n’avait prédit une telle tendance. De plus, la NASA, qui scrute l’atmosphère de manière permanente grâce à ses satellites, n’avait pas annoncé une décroissance quelconque de la quantité d’ozone dans les régions polaires australes. Seul un chercheur des services météorologiques du Japon, Shigeru Chubachi, avait indiqué sur un « poster » présenté dans le cadre de la conférence quadriennale sur l’ozone tenue à Halkidiki (Grèce) en 1984 que les quantités d’ozone mesurées à la base japonaise de Syowa en Antarctique avaient été anormalement faibles pendant les mois de septembre 1982 et 1983. On notera qu’aucune perturbation semblable n’avait été signalée ailleurs dans le monde.

L’annonce de la formation d’un « trou » dans la couche d’ozone est reprise par la presse internationale et retentit comme un coup de tonnerre. Il s’agit pour beaucoup d’un véritable désastre écologique dont on appréhende l’ampleur et les conséquences futures pour la vie sur Terre. On sait, en effet, que la couche d’ozone, située essentiellement dans la stratosphère (la couche atmosphérique située entre 15 et 50 km d’altitude), protège les êtres vivants de la radiation ultraviolette émise par le Soleil. Ce rayonnement induit des effets néfastes sur les cellules vivantes et détruit en particulier l’ADN. Sans la présence de l’ozone dans l’atmosphère, qui agit comme un bouclier protecteur vis-à-vis des rayons ultraviolets, la vie telle que nous la connaissons ne serait pas possible. On sait en particulier qu’une destruction même partielle de la couche d’ozone engendrerait un accroissement considérable du nombre de cancers de la peau chez les êtres humains.

La question se pose donc immédiatement. Quels sont les mécanismes qui, depuis les années 1970, produisent dans l’Antarctique — et seulement dans cette région — un trou dans la couche d’ozone dont la dimension (30 millions de km2) correspond à près de cinquante fois la superficie de la France ? S’agit-il d’une perturbation naturelle qui se serait produite à plusieurs reprises dans le passé, ou bien est-ce un phénomène nouveau qui résulterait de l’activité humaine ? Il ne faudra pas attendre longtemps pour que la réponse à cette question soit apportée par la communauté scientifique. Il s’agit bien d’une perturbation produite par l’homme, et elle résulte de l’émission dans l’atmosphère de produits générés par l’industrie, utilisés dans un grand nombre d’applications : les chlorofluorocarbures.

L’histoire de l’ozone débute un peu par hasard dans un laboratoire universitaire de Bâle en Suisse, lorsqu’un professeur de chimie, Christian Friedrich Schönbein, détecte une odeur étrange alors qu’il effectue une expérience sur l’électrolyse de l’eau. La cause de cette odeur ne sera identifiée avec certitude qu’une trentaine d’années plus tard. Il s’agit d’une molécule jusque-là inconnue, une forme allotrope 2 de l’oxygène produite notamment lors de l’électrolyse de l’eau acidulée et qu’on appellera ozone. Le symbole de cette espèce chimique est O3. La découverte de cette substance retient l’attention des scientifiques de l’époque ; dans une lettre adressée à Schönbein le 12 mars 1847, le chimiste J. J. Berzelius écrit qu’il s’agit là d’une des plus belles découvertes jamais effectuées. On remarquera quelques années plus tard que la molécule d’ozone absorbe de manière très efficace la radiation ultraviolette et que sa présence dans l’atmosphère est donc un élément essentiel pour le maintien de la vie sur Terre.

La découverte, par l’agronome français Jean-Auguste Houzeau, de la présence permanente de l’ozone dans l’atmosphère ouvre un nouveau champ de recherches. Il s’agit d’abord d’établir des techniques précises de mesure de la concentration de ce gaz dans l’air. Ensuite, il faudra déterminer la répartition de ce gaz en fonction de l’altitude, car on pressent rapidement que l’ozone doit être plus abondant dans la haute atmosphère qu’à proximité de la surface terrestre. Des scientifiques comme Charles Fabry en France, Gordon Dobson au Royaume-Uni, Paul Götz en Suisse ou Erich et Victor Regener en Allemagne joueront un rôle primordial dans l’observation de l’ozone au début du XXe siècle. Après avoir mis au point des techniques élaborées, ils découvrent la présence d’une couche d’ozone dans la stratosphère. Cette couche d’ozone, dont une propriété essentielle est d’absorber une large fraction du rayonnement solaire ultraviolet, est caractérisée par un maximum de concentration vers 25 km d’altitude (Figure 1). L’ozone est également présent, mais en plus faible quantité, dans la troposphère, la couche atmosphérique qui s’étend de la surface terrestre jusqu’à la limite inférieure de la stratosphère.

Fig. 1 — Distribution verticale moyenne de la pression partielle d’ozone exprimée ici en milli-Pascals (mPa), montrant le maximum de concentration situé dans la stratosphère vers 25 km d’altitude et la plus faible présence d’ozone dans la troposphère, avec des quantités plus élevées à la surface de la Terre dues aux émissions de polluants.

Source : Fahey D. W. et Hegglin M. I., Twenty Questions and Answers about the Ozone Layer, Genève, Organisation météorologique mondiale, 2011.

Les premières mesures atmosphériques de l’ozone seront complétées par des travaux théoriques qui tenteront d’expliquer comment l’ozone est produit et détruit dans l’atmosphère. La première théorie, proposée en 1929 par le géophysicien britannique Sydney Chapman, décrit les processus de formation et de destruction de l’ozone par seulement cinq réactions où n’interviennent que des composés de l’oxygène. Elle sera complétée dans les années 1950 par la prise en compte de l’effet de la vapeur d’eau et des radicaux hydrogénés, puis dans les années 1970 par celle des composés azotés et halogénés (chlore et brome). Ces derniers travaux mettent en lumière la vulnérabilité de l’ozone aux rejets dans l’atmosphère de substances chimiques produites par l’activité humaine. L’apparition du trou d’ozone à la fin du XXe siècle montrera l’urgente nécessité d’éliminer de l’atmosphère des produits susceptibles d’altérer la couche d’ozone. À partir de ce moment, la question de l’ozone n’est plus seulement considérée comme un problème purement académique mais bien comme un problème de société au même titre que le réchauffement climatique.

Dans les pages qui suivent, nous décrirons, parfois par des anecdotes intéressantes et souvent en évoquant l’histoire de différentes personnalités scientifiques, le développement de nouveaux concepts qui ont façonné la recherche sur l’ozone depuis sa découverte au milieu du XIXe siècle. Les résultats de ces recherches ont mené, à la fin du XXe siècle, aux connaissances qui conduisent à la conclusion d’accords internationaux destinés à nous protéger de la destruction de ce gaz. Ce parcours historique nous permettra de suivre l’évolution, depuis près de deux siècles, de nos connaissances scientifiques sur la chimie et la dynamique de la stratosphère. Nous montrerons, en particulier, le rôle important joué par la recherche, souvent fondamentale, pour résoudre un problème global qui touche l’environnement terrestre, le climat et la santé de chacun d’entre nous. L’histoire de la recherche sur l’ozone est jalonnée de péripéties typiques de la méthode scientifique et illustre à merveille la façon dont s’effectue la progression des connaissances. On parlera d’hypothèses parfois contestées avant d’être finalement acceptées ou rejetées, de débats intenses entre chercheurs, de l’importance des mesures expérimentales qui mettront fin à des désaccords, de « vérités » que l’on croyait universelles et permanentes et qui seront remises en cause, de surprises qui prennent de court les chercheurs et qui requièrent de nouvelles investigations et, enfin, de la difficulté de convaincre les preneurs de décision lorsque les résultats de la recherche ne sont pas conformes aux intérêts de certains groupes économiques. Ce petit ouvrage présente le résumé d’une étude historique plus complète publiée en anglais 3.

CHAPITRE 1

Les premiers pas

La découverte de l’ozone

Christian Friedrich Schönbein (1799-1868), professeur à l’Université de Bâle (Figure 2), est un spécialiste de l’électrolyse. Il est aussi l’inventeur de la pile à combustible et a découvert les propriétés explosives de la nitrocellulose. Passionné de chimie, il se propose dès l’âge de treize ans comme apprenti dans une firme pharmaceutique à Böblingen, dans son Allemagne natale. Pour satisfaire son ambition d’explorer les processus complexes de la chimie, il passe avec succès plusieurs examens organisés par un professeur de chimie à Tübingen avant de rejoindre l’Université de Bâle en 1828, où il est promu ordentlicher Professor en 1835. Schönbein devient l’un des chimistes les plus réputés d’Europe, tout en étant engagé politiquement dans les affaires gouvernementales de la ville de Bâle.

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