Détecter la reconstitution de la couche d’ozone

La dégradation de la couche d'ozone stratosphérique a été et est une des grandes problématiques environnementales des 40 dernières années. En effet, la couche d'ozone protège la surface de la Terre des rayons solaires ultraviolets (UV) nocifs et est donc un facteur clé dans la création des conditions propices à la vie sur Terre. Depuis les années 70, la couche d’ozone s’est dégradée sous l’effet des émissions croissantes de gaz d’origine industrielle (appelés substances appauvrissant l'ozone, SAO), tels que les chlorofluorocarbones (CFCs) et les halons. En effet, les SAO sont principalement décomposées dans la stratosphère, là où elles libèrent leurs atomes d’halogènes (chlore et brome) qui détruisent alors l’ozone par l’intermédiaire de cycles catalytiques. Sous l’effet de l’augmentation massive des concentrations de SAO, le contenu intégré d'ozone stratosphérique (c’est-à-dire l’épaisseur de la couche d’ozone) a diminué un peu partout sur la planète dans les années 80 et au début des années 90. L’exemple le plus emblématique est la formation du « trou d’ozone » au-dessus de l’Antarctique.

L’action engagée avec succès par la communauté internationale dans le cadre du protocole de Montréal (adopté en septembre 1987) et de ses amendements successifs a permis une interdiction presque complète de la production des plus grandes catégories de SAO. Cela s’est traduit par un pic puis une diminution des concentrations atmosphériques de SAO, notamment les CFCs, depuis la fin des années 90. La décroissance actuelle de concentrations de SAO est beaucoup plus lente que leur augmentation au cours du siècle précédent, car elles ont des durées de vie (temps caractéristiques de destruction dans l’atmosphère) de l’ordre de 10 à 100 ans. Comme attendu, la couche d’ozone a cessé de diminuer à la fin des années 90 et semble relativement stable depuis le début du siècle. Toutefois, même si elle est certainement en train de se reconstituer sous l’effet de la diminution de la concentration des SAO, les signes de ce rétablissement restent difficiles à détecter. La variabilité d'autres facteurs influençant l'ozone stratosphérique (par exemple la météorologie stratosphérique et la variabilité solaire) au cours des 15 dernières années complique la détection du rétablissement de la couche d’ozone. La question est donc de savoir dans quelle mesure et où nous pouvons détecter ce rétablissement.

Série temporelle des anomalies observées de la moyenne zonale annuelle de la concentration d'ozone à ~40 km (haute stratosphère) aux tropiques et aux latitudes moyennes des 2 hémisphères. Les données proviennent de mesures satellite : SAGEII+OSIRIS (bleu clair), produits fusionnés GOZCARDS (vert) et produits SBUV fusionnées par la NASA (rouge) et NOAA (rose). Les anomalies sont calculées en prenant 1998-2008 comme période de référence. Les courbes orange représentent la variation inversée de la teneur en « chlore effectif équivalent dans la stratosphère » (EESC) qui est un indicateur de la concentration stratosphérique d’halogènes (chlore, brome). Cette variation inversée d’EESC est mise à l'échelle dans chaque figure pour refléter la variation attendue de l'ozone associée aux variations des halogènes stratosphériques.

Ainsi, la couche d’ozone a commencé à se reconstituer, comme prévu. L’incertitude sur son rétablissement à l’échelle globale diminuera à mesure que les séries d’observations s'allongeront et que le signal de rétablissement émergera de plus en plus clairement de la variabilité naturelle sous-jacente. Toutefois, nous devons rester vigilants face aux autres facteurs qui pourraient perturber ce rétablissement : les variations à long terme de température et de circulation stratosphériques engendrées par le changement climatique, les émissions croissantes des SAO non contrôlées par le protocole de Montréal, une future grande éruption volcanique ou encore l’hypothétique utilisation de la géo-ingénierie. Il faut aussi souligner que la couche d’ozone ne retrouvera pas son état des années 50, d’avant l’arrivée des SAO anthropiques. En effet, du fait du déclin de leurs concentrations, l’effet des SAO sur la couche d’ozone diminue alors que l’effet de l’augmentation de concentration des gaz à effet de serre (GES) grandit et devrait devenir, d’ici une trentaine d’années, le facteur dominant dans l’évolution de l’ozone stratosphérique dans la plupart des régions.

L’une des conséquences est que les projections de l’épaisseur de la couche d’ozone dépendent fortement des émissions futures des GES qui, contrairement aux émissions de SAO, sont très incertaines, surtout dans la seconde moitié du 21e siècle. Par exemple, dans les tropiques (là où vit environ 40 % de la population mondiale), les modèles prédisent que l’évolution à la hausse ou à la baisse de l’épaisseur de la couche d’ozone à la fin du siècle dépend du scénario d’émission des GES. Le devenir de la couche d’ozone dépend donc non seulement de l’application du protocole de Montréal mais aussi de celle du protocole de Kyoto.

Ce travail a bénéficié du soutien du LABEX L- IPSL, financé par l'ANR, dans le cadre du programme "Investissements d'Avenir" (subvention ANR -10- LabX - 18-01).