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Angus FergussonService météorologique du Canada

Appauvrissement de l’ozone et changement climatique : des problèmes liés

Appauvrissement de l’ozone et changement climatique : des problèmes liés

Publication autorisée par le ministre de l’EnvironnementCopyright © Travaux publics et Services gouvernementaux Canada, 2001

Nº de catalogue EN56-168/2001FISBN : 0-662-30692-9

Also available in English

Auteur : Angus Fergusson (Environnement Canada)

Éditeurs : David Francis (Lanark House Communications)David Wardle / Jim Kerr (Environnement Canada)

Contributeurs : Bruce McArthur (Environnement Canada) : Observatoire de Bratt’s Lake David Tarasick (Environnement Canada) : Modèle canadien de l’atmosphère moyenneTom McElroy (Environnement Canada) : Projet MANTRA

Remerciements spéciaux à : Vitali Fioletov (Environnement Canada)Hans Fast (Environnement Canada)

Illustrations : Angus Fergusson (Environnement Canada)John Bird (Environnement Canada)Brent ColpittsRay Jackson

Conception : BTT Communications

On peut se procurer gratuitement des exemplaires supplémentaires auprès de :

Angus FergussonDirection de l’évaluation de la science et de l’intégration des politiquesService météorologique du Canada4905, rue DufferinDownsview (Ontario)M3H 5T4Courriel : [email protected]

Table des matières

Résumé 2

Introduction 4

L’atmosphère et ses effets radiatifs 6

La dynamique de l’atmosphère 10

La chimie de l’atmosphère 12

Les liens biogéochimiques : impact de l’augmentation du rayonnement UV 14

La recherche et la surveillance au Canada 16

Les implications pour les politiques 20

Les recherches nécessaires 22

Les connexions 26

Bibliographie 28

1

Figure 1Source: NASA

Figure 1. Comparée à la planète, l’atmosphère de laTerre, vue de l’espace, semble remarquablement mince,comme la peau sur une pomme. Sur cette photographie,on voit bien les deux plus basses couches de l’atmosphère,la troposphère et la stratosphère. C’est dans la strato-sphère qu’est située la couche d’ozone qui protège lesorganismes vivants de l’intense rayonnement ultraviolet.La troposphère, quant à elle, est la couche où se manifeste

la majeure partie de l’activité météorologique. Le sommetdu nuage d’orage s’est aplati à la tropopause, qui est lalimite entre les deux couches. Les interactions entre la troposphère et la stratosphère constituent d’importantesconnexions entre l’appauvrissement de l’ozone et lechangement climatique.

Stratosphère

TropopauseTroposphère

Surface de la Terre

Orage

L’appauvrissement de l’ozone etle changement climatique ont

généralement été considéréscomme des problèmes environ-nementaux ayant peu en commun,hormis leur portée planétaire et lerôle principal qu’y jouaient les CFCet autres halocarbures. Cependant,à mesure que les connaissances

évoluaient, on a pris conscienceque des liens très importants lesunissaient. Et ces liens auront uneinfluence sur l’évolution future del’atmosphère et de ces problèmes(figure 1).

Certains des plus importants deces liens tiennent à la façon dont lesgaz à effet de serre et les substancesqui appauvrissent la couche d’ozonemodifient les processus radiatifsdans l’atmosphère, provoquant ainsiune augmentation du réchauffementplanétaire et de l’appauvrissementde l’ozone stratosphérique. Ceschangements induisent un réchauffe-ment de la troposphère (région del’atmosphère qui va du sol jusqu’à 8à 16 km d’altitude) et un refroidisse-ment de la stratosphère (la couchequi va de la troposphère jusqu’à 50 km et où se situe la couche d’ozone). Le refroidissement strato-sphérique favorise la formation denuages stratosphériques polaires

(PSC), cause principale dudéveloppement des trous d’ozonepolaires.

L’accroissement de l’effet de serrepeut également occasionner deschangements dans la circulation de la troposphère qui, à leur tour,modifient la circulation dans lastratosphère. Les scientifiquespensent que ces changements augmentent les forces derefroidissement qui agissent sur la stratosphère au-dessus des pôles,d’où la formation des trous d’ozone. De plus, on a des indica-tions que les changements de la circulation stratosphérique peuventmodifier les régimes météorolo-giques de la troposphère. D’autresliens entre le changement clima-tique et l’appauvrissement de l’ozone sont attribués à l’effet del’augmentation des niveaux du rayonnement ultraviolet sur lesréactions chimiques induites par lerayonnement solaire dans l’atmo-sphère ainsi qu’au changementdans les processus biologiques quiinfluent sur sa composition.

Il en résulte une intensificationdu changement climatique et del’appauvrissement de l’ozone ainsiqu’un ralentissement possible du rétablissement de la couche

d’ozone en réponse à la diminutiondu niveau des CFC et autres sub-stances réglementées par leProtocole de Montréal.Afin demieux comprendre ces relations, leschercheurs se concentrent sur lamanière dont la troposphère et lastratosphère interagissent. Les scien-tifiques d’Environnement Canadaparticipent à cette recherche dediverses façons. Ils surveillent, entreautres, le niveau du rayonnementsolaire et les concentrations d’ozone, et collaborent auxrecherches stratosphériques par ballon et à la modélisation atmo-sphérique.

Le réchauffement dû à l’effet deserre et l’amincissement de lacouche d’ozone stratosphériquesont le résultat des activitéshumaines qui ont changé la compo-sition de l’atmosphère de manièresubtile, mais néanmoins profonde,depuis le début de la révolutionindustrielle, il y a plus de deux centsans. En adoptant une approche inté-grée à l’appauvrissement de l’ozoneet au changement climatique, lesgouvernements et les scientifiquesauront de meilleures chances decomprendre et de limiter lesénormes changements que les acti-vités humaines ont infligés etinfligeront encore à l’atmosphère.

Résumé

Appauvrissement de l’ozone et changement climatique : des problèmes liés • 2

Hémisphère Nord

Année

les 1000 dernières années

Con

cent

ratio

n at

mos

phér

ique

Concentrations atmosphériques planétaires �de trois gaz à effet de serre bien mélangés��

Dioxyde de carbone

Méthane

Hémioxyde d’azote

Année

Forç

age

radi

atif

1,5

1,0

0,5

0,0

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

0,15

0,10

0,05

0,00

Figure 2a

Figure 2a. Les gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone, le méthane et l’hémioxyde d’azote, influent sur le climat en maintenant la chaleur à proximité de la surface de la Terre. Les concentrations de ces gaz ont commencé à monter au XIXe siècle et ont augmenté de façonexponentielle au XXe, parallèlement à l’expansion des économies industrialisées et à la croissance démographique. Au cours du dernier siècle,la température planétaire moyenne s’est élevée d’environ 0,6 ºC, et l’on prévoit des hausses significativement plus élevées au XXIe siècle. Leréchauffement de l’atmosphère devrait aussi entraîner des modifications d’autres éléments du climat, dont des changements des précipitationset de l’évaporation, de la circulation et des phénomènes météorologiques extrêmes.

Figure 2b. L’appauvrissement de la couche d’ozone stratosphérique a été causé en grande partie par des composés chlorés et bromés de longue durée de vie, comme les CFC et les halons, qui ont fini par atteindre la stratosphère. L’utilisation de ces composés a beaucoup augmenté dans les années 1960 et 1970. Les indications de l’appauvrissement de l’ozone dans la stratosphère ont commencé à se manifesterdans les années 1980. Les concentrations atmosphériques de la plupart des substances destructrices de l’ozone ont culminé, ou leur augmenta-tion a commencé à ralentir, grâce à leur élimination aux termes du Protocole de Montréal. Les concentrations de ces substances devraientdécliner au cours du prochain siècle, ce qui permettra un rétablissement graduel de la couche d’ozone.

Figure 2bSource : J. Elkins, NOAA (droite)

V. Fioletov, EC (bas)

Source : Adapté de GIEC, 2001

3

Données recueillies à l’aide de thermomètres (en rouge) et tirées des enregistrementsdes cernes de croissance des arbres, des coraux, des carottes de glace et des docu-ments historiques (en bleu). La zone ombrée représente la marge d’erreur des mesures.

Cha

ng.

de la

tem

p.

(ºC

)

Année

Introduction

Depuis plus d’un quart de siècle,le changement climatique et

l’appauvrissement de la couche d’ozone stratosphérique ont été desproblèmes environnementaux depremier plan. La plupart du temps,ils ont pourtant été analysés séparé-ment.Ainsi, les chercheurs ont établides programmes séparés afin d’étudier les questions scientifiquessous-jacentes, tandis que les gou-vernements ont mis en place desaccords internationaux séparés afin de coordonner les mesures de limitation.

Il est certain que ces problèmessont distincts à bien des égards.D’un côté, le changement climatiqueest dû au rejet, par les activitéshumaines, de dioxyde de carbone,de méthane et d’autres gaz à effetde serre (figure 2a). La recherche surle sujet s’est donc concentrée large-ment (mais pas exclusivement) surles tendances et les processus à l’intérieur de la troposphère, couched’air turbulent d’une hauteur de 8 à16 km et qui est la plus proche dusol. D’un autre côté, l’appauvrisse-ment de la couche d’ozone qui protège la Terre est le résultat de l’utilisation de certains produitsindustriels chlorés et bromés quiaccroissent l’intensité du rayon-nement ultraviolet à la surface de laplanète (figure 2b). La recherche surce sujet s’est donc concentréelargement (mais pas exclusive-ment) sur les tendances et lesprocessus à l’intérieur de la

stratosphère, couche d’air stratifiérelativement stable où se situe lacouche d’ozone et qui s’étend duhaut de la troposphère jusqu’à unealtitude de 50 km. Cependant, àmesure que les scientifiques ontmieux compris ces problèmes et lesprocessus physiques et chimiquesqui les régissent, ils ont réalisé qu’ilssont liés par un grand nombre deconnexions.

Cette compréhension est accom-pagnée, chez les décideurs et les scientifiques, d’une prise de con-science croissante du fait que lesquestions atmosphériques ne peu-vent être résolues séparément. Lesactivités humaines contribuant auchangement climatique et à l’appau-vrissement de la couche d’ozone, ouà d’autres problèmes de pollutionde l’air, affectent la même atmo-sphère, qui est une entité très com-plexe. De ce fait, modifier un de sesaspects peut souvent engendrer desmodifications d’autres aspects de cesystème atmosphérique. Les activitéshumaines qui engendrent deschangements dans l’atmosphère, siminimes soient-ils, peuvent avoird’énormes répercussions.Afinde prendre encompte les

nombreuses interactions qui ontlieu dans l’atmosphère, les scien-tifiques et les décideurs adoptent deplus en plus une approche globaledes questions atmosphériques.

Le lien le plus évident entre ’appauvrissement de l’ozone et lechangement climatique est le faitque l’ozone lui-même et certainesdes plus importantes substances quil’appauvrissent, telles que les chloro-fluorocarbures (CFC) et leshydrochlorofluorocarbures (HCFC),sont aussi de très puissants gaz àeffet de serre. Mais l’appauvrisse-ment de l’ozone et le changementclimatique sont unis par d’autresliens, notamment leurs effets sur lesprocessus physiques et chimiquesen jeu dans l’atmosphère et lesinteractions entre l’atmosphère et les autres composantes de l’écosystème mondial.


Figure 3. Le contraste entre les régimes thermiques de la troposphère et de la stratosphère tient aux différences dans lamanière dont l’énergie radiative est transférée dans l’atmosphère. La stratosphère est réchauffée par le dessus lorsque le rayon-nement ultraviolet intense est absorbé par l’oxygène et l’ozone. La troposphère est réchauffée par le bas lorsque la surface de laTerre, réchauffée par le rayonnement solaire incident, émet du rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde, qui est ensuiteabsorbé et réémis par les gaz à effet de serre présents dans l’air au-dessus d’elle. Une petite quantité de chaleur est aussi transférée directement à l’air par contact direct avec la surface et par évaporation et condensation de l’humidité. Comme la troposphère devient généralement plus froide avec l’altitude, l’air plus chaud et plus léger de la surface s’élève facilement. Parconséquent, l’air de la troposphère est souvent turbulent et bien mélangé. La stratosphère, quant à elle, tend à être très stableparce que l’élévation de la température avec l’altitude empêche le mélange vertical de l’air.

Figure 4. On peut avoir une idée de l’effet de serre en comparant les longueurs d’onde auxquelles différents gaz de l’atmosphère absorbent le rayonnement avec celles auxquelles le rayonnement entre dans l’atmosphère et en sort. Le Soleil, étanttrès chaud, émet du rayonnement de courte longueur d’onde et, bien que les plus courtes de ces longueurs d’onde soient absorbées par l’oxygène et l’ozone, la plus grande partie du rayonnement solaire n’est pas absorbée par les gaz de l’atmosphère. La Terre, beaucoup plus froide, émet du rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde, mais la plupart deslongueurs d’onde dans cette partie du spectre sont facilement absorbées par la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane,l’hémioxyde d’azote, l’ozone et d’autres gaz à effet de serre. L’atmosphère fournit donc une fenêtre très large par laquelle le rayon-nement solaire incident peut pénétrer, mais seulement une fenêtre très étroite par laquelle le rayonnement infrarouge peut sortir.

1

0,5

0

Rayonnement (normalisé)

Efficacité d’absorption

1

0,5

0

Terre(290K)

Rayonnement de grande

longueur d’ondeFenêtre

atmosphérique

Rayonnement de courte

longueur d’onde

Longueur d’onde (µm)

Soleil(5800K)

Figure 4Source : Adapté de Jacob, 1999

5

Troposphère

Stratosphère

Le rayonnement de courte longueur d’onde qui arrive à la surface de la Terre la réchauffe

Gaz à effet de serre

Du rayonnement infrarouge est émis par la surface

L’énergie de courte longueur d’onde est absorbée par l’oxygène et l’ozone

Figure 3 Source : Adapté de Jacob, 1999

L’atmosphère et ses effets radiatifs

Les processus radiatifs influenténormément sur le comporte-

ment de l’atmosphère, parce qu’ilsrégissent la quantité d’énergie quientre dans le système Terre-atmo-sphère et qui en sort, et donc laquantité d’énergie disponible pourréchauffer l’air, faire évaporerl’humidité, et mettre en mouvementles masses d’air. Cette énergie entred’abord dans l’atmosphère sous laforme de rayonnement solaire decourte longueur d’onde, mais esttransférée à la troposphère et à la stratosphère de façons très différentes, ce qui confère à cesdeux couches de l’atmosphère desstructures et des caractéristiquestrès différentes (figure 3).

La stratosphère, réchauffée duhaut vers le bas, est donc pluschaude au sommet qu’à la base. Parconséquent, c’est dans le bas qu’ontrouve l’air le plus dense de lastratosphère, il y a peu de mélangevertical, et la stratosphère est unecouche très stable. De la chaleur s’ajoute à la stratosphère lorsque lefort rayonnement UV-C du Soleil est absorbé par les moléculesd’oxygène et les fait se dissocier. Undes résultats de ce processus est laproduction d’ozone et la formationde la couche d’ozone dans lastratosphère. Le réchauffement s’accentue quand le rayonnement

UV-B, intense mais légèrementmoins puissant, est intercepté parles molécules d’ozone et les détruit.Un sous-produit avantageux de cesprocessus est que la majeure partiedu rayonnement ultraviolet qui estnocif pour les végétaux et les ani-maux se trouve filtré dans lastratosphère et n’atteint pas la sur-face de la Terre. Le fait que l’ozoneabsorbe du rayonnement infrarougeémis par la surface de la Terreinduit aussi un certain réchauffe-ment supplémentaire de lastratosphère.

Dans la troposphère, par con-traste, l’atmosphère n’absorbedirectement qu’une très faible par-tie du rayonnement solaire incident.À la place, le rayonnement decourte longueur d’onde réchauffe lasurface de la Terre, qui transfèreensuite cette énergie thermique àl’atmosphère de diverses manières– en partie par contact direct entrela surface et l’air, en partie par éva-poration et condensation de l’hu-midité, mais surtout par émission derayonnement infrarouge de grandelongueur d’onde, qui est absorbépar la vapeur d’eau et d’autres gaz àeffet de serre présents dans l’air,comme le dioxyde de carbone, le

méthane, l’hémioxyde d’azote et l’ozone. En renvoyant une partie dece rayonnement de grande longueurd’onde vers la surface de la Terre,ces gaz conservent la chaleur dansla couche inférieure de l’atmo-sphère et contribuent à la rendreplus chaude. C’est grâce à cet effetde serre que la températuremoyenne de la Terre est de quelque33 ºC plus élevée qu’elle ne le seraitautrement, et que la planète peutsupporter la vie (figure 4).

Étant ainsi réchauffé, l’air de la tro-posphère est généralement le pluschaud en surface et se refroidit avecl’altitude. Comme l’air chaud estmoins dense que l’air froid, il s’élèveet l’air plus frais se déplace sur lasurface pour le remplacer. Cetécoulement convectif simple estmodifié par la rotation de la Terre,les caractéristiques de la surface etles différences de température entrel’équateur et les pôles. Il en résulteune couche d’atmosphère assez tur-bulente dans laquelle l’air circule defaçon complexe et variable,déplaçant l’énergie et l’humiditéd’un endroit à un autre.


Figure 5. La stratosphère a connu un refroidissement significatif depuis les environs de 1980, surtout à cause de la perte d’ozone,mais aussi à cause de l’accumulation de gaz à effet de serre dans la troposphère. Aux latitudes moyennes de l’hémisphère Nord, la tendance au refroidissement a été considérablement plus grande dans la stratosphère moyenne et supérieure que dans le bas de cettecouche.

Figure 6. Des nuages stratosphériques polaires comme celui-ci, photographié en Suède pendant l’hiver 2000, se forment dans labasse stratosphère lorsque les températures tombent en dessous d’environ –80 ºC. Ces nuages favorisent des réactions chimiques quitransforment des composés bromés et chlorés stables en substances destructrices de l’ozone plus actives. Le refroidissement de lastratosphère dû au changement climatique et à l’appauvrissement de l’ozone accroît la possibilité que de tels nuages se forment.

Figure 6

Figure 5

7

Écarts de la température annuelle dans l’hémisphère Nord

Éca

rt d

e la

tem

péra

ture

(ºC

)

(basse troposphère)

(stratosphère moyenne)

(basse stratosphère)

(troposphère moyenne et supérieure)

destruction rapide de l’ozonelorsque le soleil revient sur lesrégions polaires au printemps. LesPSC sont donc un facteur clé dugrave appauvrissement de l’ozonequi survient à cette saison dans cesrégions.

Les différentes forces de réchauf-fement et de refroidissement quidécoulent de l’appauvrissement dela couche d’ozone et de l’augmenta-tion des concentrations de gaz àeffet de serre ont fait l’objet demesures à l’échelle planétaire et d’études au moyen de modèlesinformatiques. Ces études indiquentque le résultat net de toutes cesforces antagonistes est un réchauffe-ment en surface (imputable surtoutà l’augmentation des concentrationsde gaz à effet de serre), une éléva-tion faible ou négligeable de la température dans la troposphèremoyenne à supérieure, et unrefroidissement de la stratosphère(imputable surtout à la perte d’ozone).

Il n’en demeure pas moins que lesimpacts des gaz à effet de serre et del’appauvrissement de l’ozone sur lebilan radiatif sont très complexes, etque de nombreuses incertitudes per-sistent. Divers efforts de recherchesont actuellement en cours pour tenter de lever ces incertitudes.

concentrations de gaz à effet deserre augmentent, le flux entrant derayonnement de grande longueurd’onde augmente et le flux sortantdiminue, ce qui entraîne un réchauf-fement dans la troposphère et unrefroidissement dans la stratosphère(figure 5). Bien que tous les gaz àeffet de serre contribuent auréchauffement dans la troposphère,leurs effets dans la stratosphère peu-vent varier considérablement del’un à l’autre, selon que la réductiondes émissions sortantes qu’ilscausent est plus importante au som-met de cette couche ou à la base.C’est le dioxyde de carbone quirefroidit le plus la stratosphère, alorsque les CFC, eux, la réchauffent. Lerésultat net de l’augmentation desconcentrations de tous les gaz àeffet de serre reste cependant unrefroidissement de la stratosphère.

Le refroidissement de la strato-sphère a d’importantes conséqu-ences pour l’appauvrissement del’ozone, parce qu’il contribue à laformation de nuages stratosphéri-ques polaires (PSC). Ces nuages (figure 6), qui ne se forment qu’à destempératures extrêmement bassesdans la partie inférieure de lastratosphère pendant la périoded’obscurité de l’hiver polaire, con-stituent un milieu dans lequel pren-nent place des réactions chimiquesqui transforment des composéschlorés et bromés stables en sub-stances beaucoup plus actives. Cesont ces dernières qui causent une

Lorsque des substances chimiquesqui appauvrissent la couche d’ozonesont libérées dans l’atmosphère,cependant, ces processus radiatifssubissent diverses modifications :• Étant donné que les substances

qui détruisent le plus efficace-ment l’ozone, comme les CFC etles HCFC, sont aussi de puissantsgaz à effet de serre, l’effet deserre se trouve renforcé; la sur-face de la Terre et la basse tro-posphère deviennent alors pluschaudes.

• Le réchauffement imputable auxCFC et aux HCFC est cependantcompensé en partie par les pertesd’ozone que ces substances chimi-ques causent dans la basse strato-sphère. Comme l’ozone est un gazà effet de serre, un appauvrisse-ment de l’ozone stratosphériqueaffaiblit l’effet de serre naturel etrefroidit la stratosphère.

• L’amincissement de la couche d’ozone a aussi pour effet quemoins de chaleur provenant del’absorption des UV-B par lesmolécules d’ozone est transmise àla stratosphère. Cette situation aaussi un effet refroidissant sur lastratosphère.

• Comme il y a dans la stratosphèremoins de molécules d’ozone quipeuvent absorber le rayonnementUV-B, celui-ci atteint le sol en plusgrande quantité, ce qui contribueà un réchauffement supplémen-taire de la surface de la Terre etde la basse troposphère.L’augmentation de l’abondance

des gaz à effet de serre a des résul-tats similaires. À mesure que les



La dynamiquede l’atmosphère

Àmesure que les gaz à effet deserre s’accumulent dans l’atmo-

sphère, ils modifient les différencesde température entre les diversesparties du globe et les diversniveaux de l’atmosphère. Lesrégimes de circulation atmo-sphérique se trouvent ainsi altérés,et l’on a de bonnes raisons decroire que ces changements de lacirculation peuvent accentuer l’ap-pauvrissement de l’ozone au-dessusdes pôles en affaiblissant certainesdes forces de réchauffement quiagissent sur la stratosphère polaire.

L’une de ces forces, le réchauffe-ment dynamique, est associée à unrégime lent de circulation généraledans la stratosphère, dans lequell’air s’élève graduellement sous lestropiques, se déplace vers les pôles,puis s’enfonce lentement surceux-ci (figure 7). À mesure que l’air descend sur les pôles, il secomprime et se réchauffe. L’énergie

qui régit cette circulation provientd’ondes planétaires qui remontentde la troposphère. Les ondes plané-taires sont causées par des pertur-bations atmosphériques à grandeéchelle, elles-mêmes dues aux varia-tions de la façon dont les terres,l’eau et les divers types de surfacedes terres influent sur le réchauffe-ment et le mouvement de l’air. Ellesont tendance à être plusvigoureuses dans l’hémisphèreNord, parce qu’il présente une plusgrande masse terrestre, ce qui faitque la stratosphère est en moyenneplus chaude sur l’Arctique que surl’Antarctique.

Les ondes planétaires influentaussi sur la stabilité d’un phéno-mène appelé « vortex polaire ». Lesvortex polaires sont des systèmesde vents qui circulent autour despôles pendant l’hiver; ils isolent lastratosphère polaire, empêchantl’air plus chaud et l’ozone des

latitudes inférieures d’y entrer. Enraison de cette barrière, la zonesituée à l’intérieur du vortex devientun milieu extrêmement favorable àla formation de PSC et à un appau-vrissement rapide de l’ozone.Avantde se dissiper au printemps, cepen-dant, le vortex peut à l’occasion sebriser sous l’effet de fortes ondesplanétaires, ce qui permet un apporttemporaire d’air plus chaud quirend les conditions moins propicesà une destruction rapide de l’ozone.L’action des ondes planétaires étantplus forte dans l’hémisphère Nord,le vortex de l’Arctique a tendance àêtre moins stable que celui del’Antarctique. C’est pourquoil’Arctique n’a pas encore connu detrous massifs de l’ozone commeceux qui se forment régulièrementsur l’Antarctique au printemps.

Les études réalisées avec des modèles du climat indiquent cependant que le réchauffement de

Figure 7. Dans la stratosphère, l’air s’écoule de l’équateur vers le pôle, sonmouvement étant largement régi par laforce d’ondes créées par les tempêtesde la troposphère. L’air gagne générale-ment la stratosphère à l’équateur, où lasurface chaude engendre des courantsascendants et orages forts. Latropopause, limite entre les deuxcouches, disparaît aux pôles pendantl’hiver, ce qui permet à l’air de lastratosphère de s’enfoncer dans la tro-posphère. Bien que la tropopause aittendance à bloquer le mouvement del’air entre la troposphère et lastratosphère, il se produit aussi deséchanges d’air dans les deux directionsaux latitudes moyennes et dans lesrégions polaires, sous l’effet des ondesplanétaires. Lorsque ces ondes sebrisent dans la basse stratosphère, il secrée une « zone de déferlement » oùsurvient un certain brassage de l’air.

Figure 7

Circulation de l’air dans la stratosphère

Échange bidirectionnelentre lastratosphère etla troposphère

Ondes planétaires dues aux tempêtes

Vortex polaire

Latitudesmoyennes

Tropiques

Formation d’ozone due au fort rayon-nement UV

Pôle Équateur

Zone de déferlement.

Les ondes qui sebrisent causent unbrassage et untransport vers lepôle et vers le bas.

Flux net vers le pôle.

Mouvement ascendant à grande échelle

Mouvementdescendantà grandeéchelle

Tropopause

11

Smog sur la vallée du bas Fraser

l’atmosphère à proximité de la surface de la Terre et les change-ments de la circulation ainsi induitspourraient affaiblir les mouvementsde ces ondes planétaires, et doncleur effet de réchauffement sur lastratosphère polaire. Si c’était le cas,il s’ensuivrait un renforcement del’appauvrissement de l’ozone auxdeux pôles, mais surtout au-dessusde l’Arctique. Cette situation ralentirait le rétablissement de lacouche d’ozone que devrait permettre dans les prochainesdécennies la baisse des concentra-tions stratosphériques de composésdestructeurs de l’ozone.

Les recherches révèlent aussi desmécanismes par le biais desquelsdes changements de la compositionde la stratosphère peuvent influersur le mouvement de l’air dans latroposphère. Les météorologistessavent depuis longtemps que lesrégimes de la pression atmo-sphérique à la surface de la Terrevarient avec le cycle des taches

solaires, mais ils ont eu de la difficulté à expliquer cette connex-ion, puisque la production totaled’énergie du Soleil ne varie qued’environ 0,1 % sur la totalité ducycle. Des études récentes ontcependant montré que la variationde la production d’énergie solaireest beaucoup plus importante dansla partie UV-C du spectre, et peutatteindre jusqu’à 10 % sur le cycle. Ils’agit là d’une fluctuation suffisantepour avoir un effet notable surl’abondance de l’ozone dans lastratosphère, que les études ontrévélé être d’environ 1,5 % plusélevée au maximum du cycle(lorsque le nombre de tachessolaires est le plus grand) qu’à sonminimum (nombre de taches le plusbas). Ces changements des abon-dances de l’ozone entraînent deschangements correspondants de latempérature de la stratosphère, qui àleur tour induisent des modifica-tions de la pression et de la circula-tion atmosphériques.

De récentes simulations informa-tiques effectuées au GoddardInstitute for Space Studies de laNASA ont montré que des change-ments dans la circulationstratosphérique peuvent aussiinfluer sur le flux descendantd’énergie dans la troposphère, où il peut avoir une incidence sur lesrégimes de pression et de circula-tion. Ces changements peuventmodifier la position du courant-jet,qui régit la trajectoire des systèmesmétéorologiques dans la tro-posphère, et dont un faible décalagepeut modifier considérablement les climats régionaux. Des étudesinitiales menées à l’aide de modèles,par exemple, suggèrent que les aug-mentations d’abondance de l’ozonestratosphérique pourraient dirigerdavantage de tempêtes vers leCanada. Il faudra cependant pour-suivre les travaux pour déterminerpar quels mécanismes l’appauvrisse-ment à long terme de la couche d’ozone affecte les régimesmétéorologiques en surface.


La chimie de l’atmosphère

L’appauvrissement de l’ozone estlargement une question de

chimie de l’atmosphère, mais lesprocessus chimiques jouent aussi unrôle important dans le changementclimatique, surtout dans la formationet la dissociation de certains gaz àeffet de serre. La chimie de l’appau-vrissement de l’ozone et celle duchangement climatique ont desinteractions significatives sur aumoins deux plans.

L’une prend place par le biais de laphotochimie – des processus chimi-ques qui sont régis par l’énergie duSoleil. Nombre des principales réac-tions en jeu dans l’atmosphère sontde cet ordre, et la quantité d’ozoneprésente dans la stratosphère influesur la vitesse de ces réactions, parcequ’elle détermine la quantité de rayonnement ultraviolet-B (UV-B)solaire de grande énergie qui atteintl’atmosphère à proximité du sol. Cetétat de choses a des répercussionsconsidérables sur le changement climatique, parce que l’ozone auniveau du sol (troposphérique),important gaz à effet de serre et com-posante du smog, est un produit de laphotochimie (figure 8). À mesure quela couche d’ozone s’amincit et

qu’une plus grande quantité derayonnement ultraviolet atteint la surface de la Terre, les réactions photochimiques qui produisent l’ozone troposphérique peuvent sedérouler avec plus de vigueur. Lesvaleurs moyennes de l’ozoneau-dessus du Canada sont actuelle-ment d’environ 6 % inférieures àcelles d’avant 1980. Les scientifiquesestiment que cette baisse a entraînéune augmentation d’environ 7 % dela quantité de rayonnement UV-B quiatteint la surface de la Terre. Unerecherche effectuée récemment àl’aide d’un modèle informatiqueindique qu’un accroissement durayonnement UV causera une augmentation de l’ozone tro-posphérique dans les régionsurbaines polluées, où l’on rencontredes concentrations élevées d’oxydesd’azote, de monoxyde de carbone etd’hydrocarbures.

L’autre lien fait intervenir un com-posé hautement réactif de courtedurée de vie, le radical hydroxyle(OH), qui est produit par la dissocia-tion photochimique de l’ozone enprésence de vapeur d’eau. OH est uncapteur atmosphérique qui réagitavec de nombreux polluants et les extrait de l’atmosphère. Ces

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Figure 8Source : Ministère de l’Environnement de l’Ontario (ozone) et Environnement Canada (Indice UV)

Ozone troposphérique et Indice UV à Etobicoke Sud, 14, 15 & 16 juillet 1999

Figure 8. Le rayonnement ultraviolet-B fournit de l’énergie aux réactions chimiquesqui conduisent à la formation d’ozone tro-posphérique, qui est à la fois un importantcomposant du smog et un gaz à effet deserre. Les mesures prises pendant un épisodede smog à Toronto en juillet 1999 montrentune étroite relation entre les niveaux d’UV etles concentrations d’ozone troposphérique.Les modèles informatiques suggèrent que desniveaux élevés d’UV-B pourraient entraînerune augmentation de la formation d’ozonetroposphérique dans les régions très polluées.Cette augmentation non seulement aggrav-erait les problèmes de smog, mais aussiajouterait au réchauffement par effet de serre.

polluants sont entre autres leméthane, un gaz à effet de serre, leméthylchloroforme, un destructeurde l’ozone, et d’autres gaz, commeles hydrochlorofluorocarbures(HCFC) et les hydrofluorocarbures(HFC), qui sont à la fois des destruc-teurs de l’ozone et des gaz à effet deserre. De plus, OH réagit avec unefoule d’autres polluants, dont lemonoxyde de carbone, les composésorganiques volatils, et divers oxydesd’azote. Certains craignent que lademande en radical hydroxyle dansune atmosphère très polluée ne fassebaisser les concentrations de OH, cequi réduirait l’efficacité avec laquellele méthane et divers composésdestructeurs de l’ozone sont retirésde l’atmosphère. Un ralentissementde l’élimination de ces composésintensifierait le processus du change-ment climatique et ralentirait lerétablissement de la couche d’ozone.Bien qu’il soit impossible d’estimer avec un degré élevé de certitudel’abondance planétaire du radicalhydroxyle, certaines indicationsrécentes suggèrent que les concen-trations de OH ont subi une baissesignificative dans les années 1990 etqu’on peut s’attendre à ce que la situation se poursuive dans les dixprochaines années.

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Les liens biogéochimiques :impact de l’augmentation du rayonnement UV

Tant les modifications du climatque les changements de l’inten-

sité du rayonnement ultraviolet peuvent avoir des impacts considé-rables sur les processus biologi-ques, géologiques, chimiques etphysiques qui régissent leséchanges de matière et d’énergieentre les principaux compartimentsde l’environnement – l’atmosphère,la biosphère, l’hydrosphère et lalithosphère. Le mieux connu de ceséchanges est probablement le cycledu carbone, dans lequel le carbonecircule continuellement entre l’atmosphère, les océans, les orga-nismes vivants, et les roches et lessols, allant d’une forme presquetotalement élémentaire, comme lecharbon de bois ou la houille, à ungaz simple comme le dioxyde decarbone, ou à l’un des nombreuxcomposés organiques lorsqu’ilpasse d’un réservoir environnemen-tal à un autre.

Le cycle du carbone est un élé-ment essentiel dans le problème duchangement climatique; en effet, laperturbation du cycle naturel ducarbone par l’homme, avec la

combustion de combustibles fossileset le déboisement, est largementresponsable de l’actuelle augmenta-tion des concentrations atmo-sphériques de dioxyde de carbone,le gaz à effet de serre anthropique leplus abondant. En ce qui concernel’atmosphère, un des liens les plusimportants dans le cycle du carboneest ce qu’on appelle la « pompebiologique » aquatique. Il s’agit duprocessus par lequel le plancton (lesplantes et animaux microscopiquesqui vivent près de la surface desocéans et des lacs) extrait le carbonede l’air et, après sa mort, le déposesur le fond de ces océans et lacs.Or, l’amincissement de la couched’ozone, en particulier les épisodesgraves comme les trous d’ozoneprintaniers en Antarctique, pourraitmenacer sérieusement ce proces-sus, parce que le plancton ne peutpas s’abriter du rayonnementsolaire. Une baisse considérable del’abondance du plancton consécu-tive à l’exposition à un rayon-nement ultraviolet plus intensepourrait donc faire baisser la vitesseà laquelle le dioxyde de carbone estretiré de l’atmosphère.

De même, les changementsbiologiques déclenchés par les

modifications du climat pourraientinfluer sur l’appauvrissement de l’ozone. Le chlorure de méthyle et lebromure de méthyle, par exemple,sont deux substances destructricesde l’ozone que l’on cesse graduelle-ment de produire et d’utiliser, enapplication du Protocole deMontréal. Cependant, comme lessources naturelles de ces gaz sontplus importantes que les sourcesindustrielles, tout facteur influantsur les écosystèmes et les processusnaturels qui produisent ces gazpourrait aussi avoir des incidencessur la couche d’ozone. Il reste beau-coup à apprendre sur ces sourcesnaturelles, mais les marais côtierssemblent être des contributeursimportants. Les champignons, descultures comme le colza, et les solsriches en matière organique sontaussi soupçonnés d’en être dessources considérables. Le réchauffe-ment de l’atmosphère et des océans,ou un changement du niveau marin,pourrait avoir un impact sur toutesces sources en modifiant les écosys-tèmes et les conditions climatiquesqui régissent la production naturellede ces gaz. Le changement clima-tique pourrait aussi influer sur lavitesse à laquelle ces gaz sont retirésde l’atmosphère par les océans. Lesétudes de la production et de l’extraction naturelles de ces gaz ensont cependant à leurs tout débuts,et il n’est pas encore possible deprédire comment le changement climatique pourrait modifier leursabondances dans l’atmosphère.


, ,Pression partielle d’ozone (nb), Eureka, 2000

Figure 9. Les données d’ozonosondage recueillies à Eureka en 2000 montrent le cycleannuel de l’ozone, les niveaux les plus élevés survenant en hiver et au début du prin-temps, et les plus bas en été. Le graphique montre aussi des niveaux d’ozone inhabi-tuellement bas à la fin de mars et au début d’avril aux altitudes d’environ 15 à 20 km.On pense que la présence de cette zone d’appauvrissement est due à des niveaux élevésde chlore et de brome dans une stratosphère arctique très froide.

Figure 10. À l’observatoire d’Environnement Canada situé à Alert, sur l’île d’Ellesmere,dans le haut-Arctique, on surveille quotidiennement les concentrations de fond de gaz àeffet de serre, de substances destructrices de l’ozone et d’aérosols.

Figure 10

Figure 9

15


La recherche et la surveillance au Canada

Avec sa Division des études expéri-mentales, la Direction de la

recherche sur la qualité de l’aird’Environnement Canada est engagéedans diverses activités qui aident àmieux comprendre l’appauvrissementde l’ozone et ses interactions avec lechangement climatique. Certaines deces activités sont des projets derecherche conçus pour acquérir denouvelles connaissances sur les com-posants et processus de l’atmosphère.D’autres sont des programmes de sur-veillance à long terme visant à fournirun long enregistrement continu desconditions atmosphériques qui puisseconstituer une base fiable pour identi-fier les tendances et changementsdans la composition et le comporte-ment de l’atmosphère. Ces activités,qui aident aussi à évaluer l’efficacitédes mesures adoptées en applicationdu Protocole de Montréal et à élaborerdes stratégies pour l’avenir, sontmenées par le biais d’installations etprogrammes clés.

Surveillance de l’ozone depuis le sol et ozonosondes

Depuis les années 1950, des scien-tifiques canadiens utilisent des instru-ments au sol pour mesurer les quan-tités d’ozone total. Les mesures sontactuellement faites à 12 sites répartissur le territoire du Canada, avec lespectrophotomètre d’ozone Brewer,un appareil développé au Canada.Trois de ces instruments sont installésdans le haut-Arctique, à Resolute Bay,Eureka et Alert. Le réseau Brewer estune source fondamentale d’informa-tion sur les changements de l’état dela stratosphère. Sur un plan plus pra-tique, il fournit aussi des données quisont utilisées pour produire les prévi-sions et rapports de l’indice UV.

Ces mesures au sol sont complétées

par les données recueillies par depetits capteurs emportés par ballon,les ozonosondes. D’un poids d’envi-ron 3 kg, ces nacelles instrumentéesfournissent des mesures en continudes concentrations d’ozone jusqu’àune altitude de quelque 20 km(figure 9).

Observatoires de l’ArctiqueEn 1992, Environnement Canada a

construit l’Observatoire de l’ozonestratosphérique du haut-Arctique, prèsde la station météorologique d’Eureka,sur l’île d’Ellesmere. L’observatoire estle principal centre de rechercheatmosphérique dans l’Arctique, et unélément de premier rang du Réseaupour la détection de changementsstratosphériques, un ensemble inter-national de stations au sol de grandequalité qui mesurent l’état physiqueet chimique de la stratosphère.L’observatoire d’Eureka est équipéd’instruments qui mesurent l’ozone, ledioxyde d’azote, et d’autres sub-stances jouant un rôle important dansla chimie de l’atmosphère. Le Canadaexploite, à Alert, sur l’île d’Ellesmereégalement, un autre observatoire (figure 10) qui assure une surveillancecontinue des concentrations de fondde gaz à effet de serre, de substancesdestructrices de l’ozone, et d’aérosols(particules en suspension dans l’atmo-sphère). L’analyse de ces données four-nit des informations sur la variabilité àlong terme de ces substances et aide àmieux comprendre l’impact des activ-ités humaines sur l’atmosphère.

L’observatoire d’Alert est une sta-tion de référence officielle du pro-gramme Veille de l’atmosphère duglobe (VAG) de l’Organisationmétéorologique mondiale; il y a unevingtaine de ces stations réparties surla planète. L’objectif de la VAG est de

rendre disponibles les mesures desconcentrations de fond actuelles decertains éléments de l’atmosphère etdes conditions physiques qui lesaccompagnent, pour toutes lesgrandes régions du globe. Le pro-gramme canadien de référence(Canadian Baseline Program) a débutéà Alert en 1975, avec des mesures sim-ples du dioxyde de carbone. Il aensuite été élargi et, en 1998, incluaitdes mesures d’autres gaz à effet deserre, comme le méthane, l’ozone etles chlorofluorocarbures.

Études sur le rayonnement (observatoire de Bratt’s Lake)

L’observatoire de Bratt’s Lake, situéà environ 20 km au sud de Regina, estle volet canadien du Réseau deréférence pour la mesure du rayon-nement en surface du Programmemondial de recherche sur le climat.Ce réseau se compose d’une quaran-taine de stations, réparties sur les septcontinents, qui effectuent desmesures très précises du rayonnementsolaire et infrarouge (figure 11). Étantdonné que c’est l’énergie du rayon-nement solaire de courte longueurd’onde et du rayonnement infrarougede grande longueur d’onde émis parla surface de la Terre et l’atmosphèrequi régissent le système climatique dela Terre, cette information peut don-ner des indications de la manière dontles changements des flux d’énergieradiative influent sur le changementclimatique aux échelles régionale etplanétaire. L’observatoire de Bratt’sLake, qui fonctionne depuis le milieudes années 1990, fournit auxchercheurs un milieu relativementnon pollué dans une région où le climat devrait changer significative-ment avec l’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre.

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Figure 11. Les mesures des quantités quotidiennes de rayonnement solaire et infrarouge qui atteignent la surface de la Terre devraient perme-ttre de détecter des tendances temporelles. Le pointage de 4 ans présenté ici montre peu de changement, que ce soit du rayonnement solaire oudu rayonnement infrarouge, d’un été à l’autre. Au cours des 4 hivers, cependant, le rayonnement solaire a diminué et le rayonnement infrarougeaugmenté. Ces changements peuvent être dus à une augmentation de la couverture nuageuse en hiver. Il faudra toutefois disposer de bien plusd’années de données avant qu’on puisse déterminer si cette situation s’inscrit dans une tendance à long terme ou est simplement due à la vari-abilité naturelle à court terme du climat.

Figure 12. Bien que l’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre entraîne un réchauffement à la surface de la Terre, elle peutcauser un refroidissement dans la stratosphère. Le graphique présenté ici montre les effets potentiels d’un doublement des concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone sur les températures et les vents stratosphériques pendant l’été, tels que les estime le modèle canadiende l’atmosphère moyenne. Les changements de la température sont indiqués par les lignes tiretées en degrés Kelvin (1 ºK est égal à 1 ºC, maisl’échelle Kelvin commence au zéro absolu, soit –273 ºC). Les changements de la vitesse des vents sont indiqués par les couleurs. Le modèle mon-tre que le refroidissement le plus marqué survient près du sommet de la stratosphère, et que la baisse des températures dans la hautestratosphère au-dessus de l’Antarctique peut atteindre 14 ºK.

Figure 13. Ce graphique montre les quantités quotidiennes moyennes de rayonnement ultraviolet-B reçues à Toronto, Edmonton et Churchillpour chaque année depuis 1965. Les valeurs pour la fin des années 1980 sont dérivées de mesures réelles. Les valeurs antérieures sont des estimations dérivées d’informations météorologiques connexes par un modèle statistique. Les quantités d’UV-B commencent à augmenter considérablement à tous les endroits au début des années 1980, peu après le moment où l’on pense que la couche d’ozone a commencé à s’appauvrir. L’augmentation constatée à Churchill a cependant été plus élevée qu’aux deux autres sites; on pense que cette situation est due àdes facteurs climatiques, mais il n’est pas encore certain que ceux-ci soient liés à un changement climatique à long terme.

Figure 12Source : de Grandpré 2001

Figure 13Source : V. Fioletov,Environnement Canada

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Figure 11Source : B. Arthur, Environnement Canada

Exposition énergétique au rayonnement solaire total et infrarouge,

Observatoire de Bratt’s Lake, 1996-1999

Exposition énergétique aurayonnement solaire total Exposition énergétique aurayonnement infrarouge

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tant qui les aide à améliorer leur com-préhension des processus atmo-sphériques, à étudier l’impact deschangements naturels et anthropiquessurvenus dans l’atmosphère, et à fairedes prédictions à long terme deschangements à venir. Le modèle cana-dien de l’atmosphère moyenne(MAM), développé conjointement pardes scientifiques d’EnvironnementCanada et des universités, fournit unereprésentation sophistiquée desgrands processus physiques et chimi-ques en jeu dans la haute troposphèreet la stratosphère. Il a récemment étéutilisé pour étudier la façon dontchangerait l’atmosphère moyenne sila concentration atmosphérique dedioxyde de carbone était du doubledes valeurs actuelles. Les résultats decette étude suggèrent qu’un accroisse-ment du dioxyde de carbone entraîn-era indirectement un refroidissementde l’atmosphère moyenne, puisque lesautres régions de l’atmosphère émet-tront davantage de rayonnement versl’espace. Ces résultats concordentavec les observations effectuées cesdernières décennies, qui montrentune tendance au refroidissement danscertaines parties de l’atmosphèremoyenne. Même si l’on estime que laplus grande partie du refroidissementobservé dans la stratosphère estimputable à l’appauvrissement de lacouche d’ozone, une partie pourraitcependant être due à l’augmentationdes concentrations de dioxyde de car-bone (figure 12). Les résultats mon-trent aussi des changements faiblesmais significatifs de la distribution del’ozone dans l’atmosphère moyenne,qui sont dus à l’accroissement dudioxyde de carbone.

UV – climatologie et rechercheLes mesures de l’intensité du rayon-

nement UV qui atteint la surface de la Terre ne sont prises de façonrégulière au Canada que depuis l’in-troduction du spectrophotomètreBrewer, à la fin des années 1980.Lorsque, dix ans plus tard, leschercheurs d’Environnement Canadaont entrepris d’estimer les tendancesà long terme du rayonnement UV,l’enregistrement était encore tropcourt pour qu’on puisse en tirer desrésultats fiables. Pour surmonter ce problème, ils ont développé des modèles statistiques qui estiment l’irradiance UV à l’aide d’une combi-naison de données antérieures sur lerayonnement solaire, les niveaux d’ozone total, la température du pointde rosée et le couvert nival. C’est ainsiqu’ils ont estimé que l’intensité durayonnement UV atteignant la surfacede la Terre a augmenté en moyennede 7 % sur le Canada depuis la fin desannées 1970, époque où semble avoircommencé l’amincissement de l’ozone.

L’étude montre aussi la possibilitéd’une influence du climat sur lesrégimes du changement des UV auCanada (figure 13). Lorsque l’on acomparé les résultats pour différentsendroits du pays, l’augmentation desUV s’est révélée beaucoup plusimportante à Churchill qu’àEdmonton ou à Toronto. Cette dif-férence est probablement imputableaux variations de la réflectivité de lasurface dues aux augmentations de lacouverture nivale et aux diminutionsde la couverture nuageuse. Ceschangements peuvent, à leur tour,être le reflet d’un décalage de posi-tion moyenne du courant-jet polaire.

Recherche sur l’ozone à l’aide de ballons instrumentés

Depuis 20 ans, EnvironnementCanada collabore avec l’Agence spatiale canadienne et des partenairesdes universités et de l’industrie pourrecueillir des données sur les com-posés azotés réactifs, les composéschlorés et bromés, l’ozone, lesaérosols et d’autres substances quijouent un rôle clé dans la chimie de la haute troposphère et de lastratosphère. Ces travaux sont coor-donnés via le programme d’évaluationdes tendances de l’azote dans l’atmo-sphère moyenne (Middle AtmosphèreNitrogen Trend Assessment, ouMANTRA). La collecte des donnéesest effectuée à l’aide d’énormes bal-lons de polyéthylène, d’une hauteurd’environ 20 étages, qui emportentdes instruments jusqu’à des altitudesde 30 à 40 km en général. Les instru-ments balaient l’horizon terrestre àdiverses altitudes et enregistrent lesspectres produits par la diffusion de lalumière solaire. À la fin du vol, lacharge utile instrumentée se séparedu ballon et redescend, freinée par unparachute, jusqu’à la surface, où ellepeut être récupérée. L’analyse desdonnées enregistrées fournit alors desinformations sur la composition chimi-que de l’atmosphère à différentes alti-tudes. L’information recueillies lors desvols MANTRA non seulement con-tribue à améliorer la compréhensiondes processus stratosphériques, maisaussi aide les gouvernements à déter-miner l’efficacité des mesures visantles substances destructrices de l’ozone qui ont été mises en place enapplication du Protocole de Montréal.

Modèle canadien de l’atmosphèremoyenne

La modélisation informatique estpour les chercheurs un outil impor-


Grâce au Protocole de Montréal,signé en 1987, et aux divers

amendements qui lui ont étéapportés depuis, les concentrationsde CFC, de halons et d’autresimportantes substances appauvris-sant la couche d’ozone (SACO) sontmaintenant en train de baisser. Onpeut penser que, à mesure qu’ellescontinueront de décroître pendantle prochain siècle, les effets de l’appauvrissement de l’ozonestratosphérique sur le changementclimatique commenceront à s’atténuer. Si le Protocole est pleine-ment respecté, les concentrationsde SACO à la fin du présent siècledevraient avoir baissé au point dene plus constituer une menacesignificative pour la couche d’ozone. Cependant, il est peu probable que l’on en arrive à uneobservance totale du Protocole; ilest donc presque certain que lerétablissement de la couche d’ozone demandera plus de temps.Les effets de l’appauvrissement del’ozone sur le changement clima-tique vont aussi durer pluslongtemps si les CFC sont rem-placés par des substituts tels queles hydrofluorocarbures (HFC), quisont de puissants gaz à effet deserre. L’effet de serre dû à ces sub-stances viendrait en outre s’ajouterà celui des substances destructricesde l’ozone plus anciennes encoreprésentes dans l’atmosphère.

Bien que les concentrations atmo-sphériques de SACO soient à labaisse, celles d’importants gaz àeffet de serre, comme le dioxyde decarbone et le méthane, qui n’ontpas de lien direct avec l’appau-vrissement de l’ozone, continuent

de s’accroître. Or, des concentra-tions plus élevées de ces gaz peu-vent avoir pour effet d’allonger letemps de rétablissement de lacouche d’ozone, surtout à cause deleurs effets sur le refroidissementde la stratosphère et donc sur la for-mation de nuages stratosphériquespolaires. De récentes simulationsinformatiques appuient cette idée,et suggèrent que, avec les augmen-tations prévues des concentrationsde gaz à effet de serre, le graveappauvrissement de l’ozone auxpôles pourrait durer 10 à 20 ans deplus que si les concentrations degaz à effet de serre étaient restéesaux niveaux antérieurs. Ces étudessont cependant très préliminaires,et il faudra procéder à de nouveauxtravaux, avec des modèles plus raffinés.

Sous l’angle des politiques, il est clair que les actions visant àatténuer le réchauffement planétairepeuvent avoir des effets positifs surl’appauvrissement de l’ozone, etinversement. Il faut cependantveiller à éviter que les solutions à unproblème n’aggravent l’autre. Lesdécideurs et les scientifiques sontdéjà aux prises avec ce genre de dif-ficulté quand ils cherchent des rem-placements à long terme aux CFC,halons et autres substances destruc-trices d’ozone dont l’utilisation estgraduellement éliminée aux termesdu Protocole de Montréal. Lesactuelles restrictions sur les HCFC,qui ont un potentiel de destructionde l’ozone plus bas que les CFC

mais sont de puissants gaz à effet deserre, illustrent bien la nécessité deprendre en compte les implicationssur les deux aspects de la question.

Mais il reste d’autres problèmes.En particulier, que devrions-nousfaire face aux HFC et autres gaz àeffet de serre que l’on vante présen-tement en tant que remplacementsdes CFC et des HCFC? Bien queleurs concentrations dans l’atmo-sphère soient encore relativementfaibles, on peut s’attendre à cequ’elles montent significativementavec le temps si l’utilisation de cessubstances n’est pas réglementée. Laposition adoptée par le Canada estque l’on ne devrait utiliser des HFCque pour remplacer des substancesdestructrices de l’ozone. Le Canadaveut aussi que les émissions de HFCsoient réglementées : récupérationet recyclage obligatoires, éliminationsécuritaire et autres mesures de limi-tation. Lors de la dixième Réuniondes Parties au Protocole de Montréalet de la quatrième Conférence desParties à la Convention-cadre sur leschangements climatiques, il a étédemandé aux autorités techniqueset scientifiques des deux ententesde fournir une orientation en vue delimiter les émissions de HFC etautres gaz à effet de serre qui pour-raient être utilisés en remplacementdes CFC. Cette étude des options esten cours.

Les implications pour les politiques


21

À l’observatoire de Bratt’s Lake, le spectrophotomètre Brewer (au premier plan)mesure le rayonnement ultraviolet et l’épaisseur de la couche d’ozone, et lessuiveurs solaires mesurent le rayonnement solaire diffus.

Les recherches nécessaires• Comment les changements des

concentrations d’aérosols dans latroposphère influeront-ils sur laquantité de rayonnement solairequi atteindra la surface de laTerre? Les aérosols sont de minus-cules particules et gouttelettes ensuspension dans l’atmosphère, quiproviennent de sources naturellesou anthropiques. Pendant la plusgrande partie du XXe siècle, lesactivités industrielles ont consid-érablement fait monter la chargeatmosphérique d’aérosols, surtoutde sulfates. Comme les sulfates sontà l’origine des pluies acides ainsique de problèmes de santéhumaine, les émissions de ces com-posés ont été substantiellementréduites en Europe et en Amériquedu Nord depuis les années 1970.Bien que, dans d’autres régions dumonde, les émissions aient augmen-té avec l’industrialisation, on s’at-tend à ce qu’elles finissent par ydiminuer, pour les mêmes raisons.Les aérosols de sulfatesréfléchissent le rayonnementsolaire vers l’espace, ce qui a uneffet de refroidissement à la surfacede la Terre, et réduit la quantitéd’ultraviolets qui traversent l’atmo-sphère. À mesure que la quantitéd’aérosols sulfatés présents dansl’atmosphère baissera, cependant, leréchauffement en surface pourraaugmenter, puisqu’il y aura plus derayonnement solaire qui y parvien-dra. De plus, cet accroissement durayonnement solaire total seraaccompagné d’un accroissement durayonnement ultraviolet atteignantla surface de la planète. Comme lerayonnement ultraviolet contribue àla formation d’ozone troposphérique,qui est à la fois un gaz à effet deserre et un important composantdu smog, la réduction des concen-trations de sulfates pourrait intensi-fier encore le réchauffement pareffet de serre, et créer des prob-

lèmes de qualité de l’air en bien des endroits.

• Comment le refroidissement de lastratosphére influera-t-il sur la for-mation de trous de l’ozone? Depuisqu’ils ont été découverts en 1985, lestrous d’ozone de l’Antarctique sonttoujours de plus en plus grands.Celui qui s’est formé en septembre2000 était, au moment où le présentdocument a été rédigé, le plus vastejamais constaté, avec une superficiede 28,3 millions de kilomètres car-rés, soit un peu plus que l’Amérique du Nord et un peu moins quel’Afrique (figure 14). Il s’étendaitvers le nord jusqu’à la pointe sud del’Amérique du Sud; Ushuaia(Argentine) et Punta Arenas (Chili),une ville de plus de 100 000 habi-tants, se sont ainsi trouvéesexposées à des niveaux de rayon-nement ultraviolet très élevés pourcette époque de l’année. Depuis ledébut des années 1990, un graveappauvrissement de l’ozone a aussiété détecté à quelques reprises dansla stratosphère de l’Arctique.Auprintemps de 2000, par exemple, leniveau d’ozone dans l’Arctique avaitbaissé de près de 60 % à l’altitudede 18 km. L’appauvrissement de l’ozone sur les pôles devrait s’atténueravec la diminution de l’abondancede substances destructrices d’ozonedans l’atmosphère, mais leschercheurs ont besoin d’en savoirplus sur la façon dont leschangements des concentrations degaz à

Pour ce qui est des recherches, ellesdevront enrichir les connaissances

sur la manière dont interagissent latroposphère et la stratosphère. Parmiles plus importantes questions présen-tement étudiées figurent les suivantes :• Quels sont les principaux mécan-

ismes de couplage entre la tropo-sphère et la stratosphère, et com-ment influent-ils sur le climat?Nous savons, par exemple, que lastructure thermique verticale de latroposphère est sensible auxchangements de celle de la strato-sphère. Nous savons aussi que desondes se propageant vers le haut àpartir de la troposphère montentjusque dans la stratosphère et yinfluent sur les températures et surla circulation. De même, des ondesnées dans la stratosphère peuventse propager vers le bas, et influersur les conditions météorologiquesdans la troposphère. En étudiantplus avant ces mécanismes, nousaméliorerons notre compréhensionde la façon dont les conditions quirègnent dans la stratosphère ontune incidence sur le climat dans latroposphère, et réciproquement.

• Comment les changements desstructures thermiques verticales dela troposphère et de la stratosphèreinfluent-ils sur le climat? Depuis30 ans, les chercheurs constatent unrefroidissement de la stratosphère etun réchauffement de la basse tro-posphère. Ces changements pour-raient faire varier la hauteur de latropopause, qui est la limite entre latroposphère et la stratosphère. Cettevariation pourrait à son tour influersur la hauteur des courants de con-vection au sein de la troposphère,comme ceux qui accompagnent lesorages, et donc possiblement surl’intensité de ceux-ci. Elle pourraitaussi modifier les positions descourants-jets sur la planète, et doncle déplacement des systèmesmétéorologiques.


Figure 14Source : NASA (haut) ; Servicio Meteorologico Nacional, Argentine (bas)

Figure 14. C’est en septembre 2000 que le trou d’ozone de l’Antarctique a atteint son extension maximale de tous lestemps, et qu’il s’est étendu pour la première fois au-dessus de grandes régions habitées du sud de l’Amérique du Sud.L’Indice UV à Ushuaia, en Argentine, a été aux environs ou au-dessus de 8 pendant cinq journées différentes, et atteint 10,1 le 12 octobre. L’Indice UV en octobre à Ushaia se situe normalement aux alentours de 4. Les valeurs supérieures à 10 ne se rencontrent généralement que dans les régions tropicales.

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Indice UV à Ushuaia (Argentine)

Octobre 2000

aura une incidence sur les tempéra-tures de l’atmosphère. Les donnéesdes systèmes de surveillance quisuivent les concentrations de l’ozoneet d’autres grandes caractéristiquesde l’atmosphère aideront à vérifierque les changements attendus seproduisent effectivement et àaccroître notre compréhensiond’autres changements qui pour-raient survenir.Nombre des initiatives de recherche

qui se penchent sur ces aspects etd’autres questions connexes sedéroulent dans le cadre du projetProcessus stratosphériques et leurrôle dans le climat (en anglaisStratospheric Processes and TheirRole in Climate, ou SPARC) duProgramme climatologique mondial,projet lancé en 1992. Le projetenglobe un certain nombre d’étudesconçues pour améliorer la com-préhension scientifique des connex-ions physiques, chimiques et radia-tives entre la troposphère et la strato-sphère, et leurs effets sur le climat.L’actuel programme de recherches deSPARC vise des domaines tels que lesindicateurs stratosphériques duchangement climatique, la physique etla chimie de l’appauvrissement de l’ozone, l’influence des changementsde l’ozone sur le climat, les échangesd’énergie et de gaz entre la trposphèreet la stratosphère, et les ondes planétaires.

Un autre important domaine d’activité, dans lequel SPARC est trèsimpliqué, vise à améliorer la manièredont les modèles informatiques de l’at-mosphère représentent les grands liensentre l’appauvrissement de l’ozone etle changement climatique. Il s’agitentre autres de mieux représenter lastratosphère dans les modèles de circu-lation générale utilisés pour étudier le

effet de serre et d’ozone strato-sphérique influeront sur les températures de la stratosphère polaireavant de pouvoir prédire avec confi-ance les tendances futures de la forma-tion de trous d’ozone.• Comment les changements de la

quantité de vapeur d’eau présentedans l’atmosphère influeront-ilssur le changement climatique etl’appauvrissement de l’ozone? Lavapeur d’eau est le gaz à effet deserre le plus abondant dans l’atmo-sphère. Dans la stratosphère, lavapeur d’eau des nuages strato-sphériques polaires agit égalementcomme un catalyseur qui accentuel’appauvrissement de l’ozone.Comme l’atmosphère peut retenirplus de vapeur d’eau quand elle estplus chaude, le réchauffement pareffet de serre pourrait faire croîtrela quantité de vapeur d’eau dansl’atmosphère, ce qui aurait d’impor-tantes incidences à la fois sur le climat et sur l’appauvrissement de l’ozone. Les scientifiques doiventdonc déterminer si la quantité devapeur d’eau dans l’atmosphère esteffectivement à la hausse et, si oui,comment elle est répartie entre lesdiverses régions de l’atmosphère.

• Quel effet les baisses de la chargeatmosphérique de chlore et debrome auront-elles sur le change-ment climatique et l’appauvrisse-ment de l’ozone? Avec la baisse desabondances de chlore et de bromedans la stratosphère, les concentra-tions d’ozone dans cette couchedevraient graduellement remontervers les niveaux naturels. En mêmetemps, cependant, la baisse de l’ef-fet refroidissant de la perte d’ozoneet de l’effet réchauffant des gaz àeffet de serre destructeurs d’ozone

changement climatique et de mieuxreproduire les ondes planétaires. Unefois ces raffinements apportés, nonseulement nous connaîtrons mieux lesinteractions entre l’appauvrissementde l’ozone et le changement clima-tique, mais aussi nous comprendronsmieux comment ces liens, en mêmetemps que tous les autres facteursintervenant dans le changement clima-tique,influeront sur l’état futur tant de lacouche d’ozone que du climat en surface.

De plus en plus, les actions de lacommunauté scientifique et de celledes politiques prennent en compte lefait que l’atmosphère ne peut pas êtreperçue comme une série de comparti-ments distincts, où les phénomènes sedéroulent en vase clos.Au contraire,les chercheurs et les décideurs ontune perspective plus globale de l’atmosphère, la considérant commeun tout dynamique dont l’état à unmoment donné dépend d’un réseaucomplexe d’interactions, non seule-ment entre ses divers éléments etprocessus, mais aussi avec ceuxd’autres composants de l’écosphère.

Pour bien prendre en compte cesinteractions, les scientifiques de l’atmosphère regardent de plus enplus à l’extérieur de leurs propresspécialités et collaborent plus étroite-ment avec des experts d’autresdomaines. L’évolution d’approchesplus intégrées à l’appauvrissement del’ozone et au changement climatique –ainsi qu’à d’autres problèmes atmos-phériques – est en train d’accroîtrenotre capacité de comprendre et d’atténuer les énormes changementsque les activités humaines ontimposés à l’atmosphère terrestredepuis 200 ans. Non seulement cesapproches nous aideront à lutter plusefficacement contre les problèmesd’aujourd’hui, mais aussi elles nousdonneront une meilleure chance deprévoir et limiter les autres menacesde l’homme pour l’atmosphère quipourraient survenir dans l’avenir.


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Une approche intégrée aux problèmes atmosphériquess’impose aussi, parce que les écosystèmes et la santéhumaine ne sont pas affectés par un seul de ces problèmes,mais bien par tous. L’étonnant déclin des populations d’amphibiens, par exemple, est peut-être imputable à desstress multiples liés aux précipitations acides, aux polluantsorganiques persistants et à un certain nombre d’autresproblèmes de pollution. L’augmentation des niveaux d’UV(due à l’appauvrissement de l’ozone) et des changementsde niveau des eaux peu profondes (dus au changement climatique) pourraient aussi être des facteurs de ce déclin,puisqu’ils rendent les œufs d’amphibiens plus susceptiblesaux champignons aquatiques, ce qui tue les embryons.

Les connexions

De plus en plus, les actions de lacommunauté scientifique et de

celle des politiques prennent encompte le fait que l’atmosphère nepeut pas être perçue comme unesérie de compartiments distincts, oùles phénomènes se déroulent envase clos.Au contraire, leschercheurs et les décideurs ont uneperspective plus globale de l’atmo-sphère, la considérant comme untout dynamique dont l’état à unmoment donné dépend d’un réseaucomplexe d’interactions, non seule-ment entre ses divers éléments et processus, mais aussi avec ceuxd’autres composants de l’écosphère.

Pour bien prendre en compte cesinteractions, les scientifiques de l’atmosphère regardent de plus enplus à l’extérieur de leurs propresspécialités et collaborent plusétroitement avec des experts

d’autres domaines. L’évolution d’approches plus intégrées à l’appauvrissement de l’ozone et auchangement climatique – ainsi qu’àd’autres problèmes atmosphériques– est en train d’accroître notrecapacité de comprendre et d’at-ténuer les énormes changementsque les activités humaines ontimposés à l’atmosphère terrestredepuis 200 ans. Non seulement cesapproches nous aideront à lutterplus efficacement contre les pro-blèmes d’aujourd’hui, mais aussielles nous donneront une meilleurechance de prévoir et limiter lesautres menaces de l’homme pourl’atmosphère qui pourraient sur-venir dans l’avenir.


BibliographieAngell, J.K. 2000. Global, hemispheric, and zonal temperature deviations derived from radiosonde records. In

Trends Online:A Compendium of Data on Global Change. Oak Ridge,Tennessee: Carbon DioxideInformation Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy.

Bernard, S.M., J. Samet,A. Grambsch, K. Ebi, and I. Romieu. 2001.The Potential Impacts of Climate Variability andChange on Air Pollution-Related Health Effects in the United States. Environmental HealthPerspectives, 109, 199-209.

Butler,J.H. 2000. Better budgets for methyl halides. Nature, 403, 260-261.

Fioletov,V.E., B. McArthur, J. Kerr, and D.Wardle. 2000. Estimation of long-term changes in ultraviolet radiationover Canada. Journal of Geophysical Research, in press.

Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat. 2001. Climate Change 2001, The ScientificBasis, Summary for Policymakers et Technical Summary of the IPCC WGI Third Assessment Report.Genève : Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat.

Harvey, D. 2000. Global Warming:The Hard Science.Toronto: Prentice Hall.

Labitzke, K and B. Naujokat. 2000.The lower arctic stratosphere in winter since 1952. SPARC Newsletter, No. 15,11-14.

McArthur, L.J.B.,V.E. Fioletov, J.B. Kerr, and D.I.Wardle. 1999. Derivation of UV-A irradiance from pyranometermeasurements, Journal of Geophysical Research, 104, 30139-30151.

Organisation météorologique mondiale, 1999. Évaluation scientifique de l’appauvrissement de la couche d’o-zone : 1998. Genève : Organisation météorologique mondiale.

Rhew, R.C., B. Miller, and R.F.Weiss. 2000. Natural methyl bromide and methyl chloride emissions from coastalsalt marshes. Nature, 403, 292-295.

Rind, D., D. Shindell, P. Lonergan, N.K. Balachandran. 1998. Climate change and the middle atmosphere. Part III:The Doubled CO2 Climate Revisited. Journal of Climate, 2, 876-893.

Rind, D., R. Suozzo, N.K. Balachandran, and M.J. Prather. 1990. Climate change and the middle atmosphere. Part I:The doubled CO2 Climate. Journal of the Atmospheric Sciences, 47, 475-494.

Shepherd,T.G. 2000. On the role of the stratosphere in the climate system. SPARC Newsletter, No 14, 7-10.

Shindell, D., R. Rind, N. Balachandran, J.Lean, and P. Lonergan 1999. Solar cycle variability, ozone, and climate.Science, 284, 305-308.

Staehelin, J., N.R.P. Harris, C.Appenzeller, and J. Eberhard. 2001. Ozone trends: A review. Review of Geophysics,39 (2), 231-290.

Weaver,A., and F.W. Zwiers. 2000. Uncertainty in climate change. Nature, 407, 571-572.


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