Le mystère de l'ozone repose

Avant les années 1950, les observations directes de la composition de l'atmosphère étaient extrêmement limitées. L’air emprisonné dans des poches de neige et de glace a permis de reculer l’observation de certains gaz depuis des centaines d’années. Mais certains gaz qui affectent le climat et la qualité de l’air, tels que l’ozone (O₃), ne sont pas stables dans la glace ou la neige, ce qui limite leurs records aux dernières décennies. , Yeung et al. signaler que les observations isotopiques d'oxygène (O₂) les molécules piégées dans la neige et la glace polaires peuvent constituer une nouvelle contrainte pour l’estimation des niveaux d’ozone dans la troposphère (les 12 kilomètres les plus bas de l’atmosphère) au cours des 150 dernières années. Cela étend considérablement notre connaissance de la concentration de ce gaz atmosphérique clé et pourrait enfin résoudre un problème qui préoccupe les chimistes de l'atmosphère depuis des décennies.

Les progrès de la science de l’atmosphère se font souvent en tirant parti des «expériences d’opportunité» résultant de modifications naturelles et anthropiques de l’atmosphère. Il est donc crucial de mesurer l’atmosphère à long terme. L’ère moderne de telles mesures a commencé à la fin des années 50, avec des observations des niveaux de dioxyde de carbone de l'observatoire du Mauna Loa à Hawaii. Les mesures à long terme des autres composants atmosphériques ont commencé peu après. Ce n’est que dans les années 90 que les réseaux d’observation se sont développés suffisamment pour offrir une perspective globale d’un large éventail de composants de l’air..

Cependant, l’impact de la composition changeante de l’atmosphère dépend à la fois des concentrations actuelles de polluants et de leurs concentrations avant le début du changement. De nombreux changements atmosphériques (le changement climatique étant l'exemple le plus notable) sont associés à la révolution industrielle. Par conséquent, pour comprendre l'ampleur de ces effets, nous devons comprendre la composition de l'atmosphère au cours des 100 à 200 dernières années.

Les changements dans les concentrations de certains composants de l'air, tels que le CO₂ et le méthane, sont très bien connus grâce aux archives de glace et aux observations modernes. Cependant, étant donné que les données sur les glaces ne fournissent aucune contrainte sur les estimations des modifications des niveaux d'ozone, des modèles informatiques de chimie et de physique de l'atmosphère sont utilisés. Ces modèles calculent une augmentation d'environ 40% des niveaux d'ozone troposphérique entre 1850 et le présent.. Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat utilise ces estimations pour évaluer l'importance relative de l'ozone en tant que gaz à effet de serre, par rapport au CO₂ et le méthane, et ainsi développer une politique climatique.

L’utilisation d’estimations informatiques de l’ozone ne serait pas une source de préoccupation si l’on ne disposait pas d’un ensemble improbable de mesures de l’ozone effectuées au XIXe siècle par des scientifiques de plusieurs sites dans le monde (figure 1). Ces mesures ont été effectuées à l'aide de diverses techniques qui ont depuis été évaluées par les scientifiques d'aujourd'hui. Ils ont étalonné les données pour situer les résultats sur des échelles modernes et ont déterminé que d'autres polluants, tels que le dioxyde de soufre, auraient pu interférer avec les mesures.^,. Il était toutefois difficile d'évaluer l'ampleur d'une telle interférence. Étonnamment, les données suggéraient que les concentrations d'ozone au XIXe siècle étaient très basses et avaient augmenté d'environ 300% pendant la période industrielle – un changement beaucoup plus important que celui calculé par les modèles..

À première vue, ces résultats ont des implications énormes. Étant donné que les concentrations actuelles d'ozone calculées par les modèles sont approximativement correctesSi nous ne parvenons pas à simuler les concentrations avant la période industrielle, il semblerait que notre compréhension de la chimie atmosphérique pose un problème fondamental. Dans ce cas, comment pourrions-nous avoir confiance dans les prédictions des modèles concernant la composition de l’atmosphère future et donc formuler une politique climatique? Si les concentrations d'ozone avaient augmenté beaucoup plus qu'on ne le pensait auparavant, le rôle du gaz dans le changement climatique serait plus important qu'on ne le supposait, et les efforts visant à réduire les niveaux d'ozone auraient donc un potentiel plus important de réduction du réchauffement planétaire.

Il a semblé invraisemblable à la plupart des chimistes de l'atmosphère que les modèles informatiques puissent être si faux. L'explication la plus probable était que le dioxyde de soufre et d'autres réducteurs chimiques produits par la combustion du charbon pendant la révolution industrielle interféraient avec les techniques d'observation utilisées à cette époque. Mais l'absence d'une contrainte d'observation indépendante sur les niveaux d'ozone historiques a fait que les observations du XIXe siècle ont vexé les chimistes de l'atmosphère au cours des dernières décennies.

Bien que les molécules d'ozone ne restent pas piégées dans la glace et la neige, les molécules d'oxygène le font. Yeung et al. donc mesuré les quantités de l'isotope commun oxygène-16 et de l'isotope oxygène-18, beaucoup moins commun, dans les molécules d'oxygène emprisonnées dans la glace et la neige polaires. La production d'ozone dans l'atmosphère modifie la proportion de ces isotopes dans les molécules d'oxygène de l'atmosphère. L'enregistrement isotopique des molécules d'oxygène piégées contient donc un historique des concentrations d'ozone au cours des 150 dernières années.

L’analyse de Yeung et ses collègues montre que l’augmentation de l’ozone troposphérique au cours de cette période a été d’environ 40%, soit bien moins que les augmentations indiquées par les observations du dix-neuvième siècle et conformes aux chiffres prévus par les modèles. Il semble donc probable que les interférences causées par le dioxyde de soufre et d'autres gaz aient effectivement réduit artificiellement les concentrations d'ozone enregistrées lors des mesures historiques.

Les doutes persistants des chimistes de l’atmosphère peuvent probablement maintenant être mis de côté. Ce qui est peut-être décevant pour certains, notre compréhension de la chimie de l'atmosphère ne semble pas poser de problème fondamental, ce qui signifie que la gestion de l'ozone permettant de réduire les changements climatiques est limitée: le forçage radiatif (réchauffement de l'effet de serre) causé par l'ozone troposphérique. est seulement environ 22% de celle causée par le CO₂. Toutefois, les efforts visant à réduire les concentrations d’ozone troposphérique ne devraient pas s’arrêter. Chaque petit geste contribue à la lutte contre le changement climatique et des réductions permettraient d'éviter certains des quelque 1 million de morts estimées chaque année par l'ozone troposphérique..

Il reste d’autres mystères dans la chimie de l’atmosphère, notamment les sources des aérosols organiques dans l’atmosphère, la chimie des molécules contenant des halogènes et la manière dont les émissions naturelles interagissent avec celles associées aux activités humaines. Mais les scientifiques victoriens n’ont pas grand chose à dire à propos de ceux-là.