Ozone troposphérique

Nuage de fumée et d'ozone polluant l'océan Indien jusqu'en Afrique, induit par les incendies de forêt (culture ou sylviculture sur brûlis) d'Indonésie (1997). L'échelle colorée vert - jaune - rouge indique les taux d'ozone.

Une petite partie est naturellement produite au-dessus des zones enforestées, ou après des incendies de forêt naturels, mais l'essentiel de l'ozone troposphérique est un polluant d'origine anthropique (généré à la suite des activités humaines). Les émissions directes d'ozone par des activités humaines n'ont lieu qu'en faible quantité :

• l'« effet couronne » sur les lignes à haute tension, par temps humide ;
• l'ozone produit par les moteurs électriques…

La pollution par l'ozone au niveau du sol résulte d'un mécanisme complexe. L'ozone troposphérique est massivement formé à partir de polluants « précurseurs », sous l'effet du rayonnement solaire (UV) ; il s'agit notamment du dioxyde d'azote NO₂ émis par les échappements des véhicules, des cheminées, incinérateurs et incendies de forêts (souvent volontaires, ou secondairement induits par le drainage et le réchauffement climatique).

Une molécule d’ozone (O₃) est toujours issue d’une réaction entre une molécule de dioxygène (O₂) et un atome d’oxygène (O). C’est la photodissociation du dioxyde d’azote (NO₂) qui produit l’atome d’oxygène requis (O), à condition que le monoxyde d’azote (NO) réagisse en priorité avec un radical hydropéroxyle (HO₂) plutôt qu’avec O₃, ce qui aurait un bilan nul.
Dans les zones peu polluées, le HO₂ est issu de l’oxydation du monoxyde de carbone (CO) et du méthane (CH₄) présents dans l’atmosphère naturelle. Il est principalement issu de la transformation, sous l’effet du rayonnement solaire, des oxydes d’azote (NO_x) et des composés organiques volatils (COV) émis majoritairement par les activités humaines (mauvais ozone).
Dans les zones polluées, la production d’ozone est favorisée car l’oxydation de composés organiques volatils (COV) est plus rapide que celle du CO ou CH₄.

Pollution à Paris.

Il apparaît si les conditions de formation de l'ozone sont réunies :

• circulation automobile intense (ville) ;
• temps ensoleillé (même sous ciel légèrement couvert en été, ou sous ciel dégagé en hiver) ;
• faible circulation atmosphérique (vent nul ou faible), surtout en condition d'inversion atmosphérique)

Les pics sont généralement plus forts en altitude, où l'ozone était jadis un argument publicitaire pour ses effets que l'on pensait alors bénéfiques sur la santé. Ceci s'observe par exemple sur l'arrière-pays niçois proche du Mercantour (où des apports de pollution littorale entrent également en jeu).

Tendance (sur 10 ans) pour 4 régions du monde concernant la teneur de troposphère en ozone
(a) Asie du Sud Est ; b) Afrique équatoriale ; c) Pacifique Nord-Est ; d) Atlantique Nord
En rouge : données mesurées ; en bleu : modélisation [5]

Globalement la teneur en ozone de la troposhère a augmenté depuis presque le début XXe siècle, pour des raisons anthropiques, principalement liées au transport, mais la vitesse et les taux d'augmentation varient selon les régions du monde[5].

Un bilan récent (2019) combinant les mesures satellitaires et un modélisation en chimie de l'atmosphère, montre que sur 40 ans environ (1979 à 2016) tous les instruments décrivent de fortes augmentations de l'ozone troposphérique, du Proche-Orient à l'Inde et à l'Asie de l'Est et plus à l'est au-dessus du Pacifique. (+ 15% à 20% en fond moyen)). L'augmentation la plus forte s'est faite dans la période la plus récente, entre 2005 et 2016 (voir graphique ci-contre). La modélisation montre et confirme que les plus fortes augmentations de (+6 à +7 UD) sont bien situées au-dessus de l'Inde et de l'Est asiatique[5].

Les mêmes sources révèlent aussi une augmentation de l'ozone troposphérique (+4 à +5 UD sur 38 ans d'enregistrement) en Afrique centrale et dans l'océan Atlantique tropical. Et en zone tempérée, l'atlantique nord et le nord-Est du pacigique n'ont pas été épargnés ( + 3 DU par décennie) [5].

Lorsque certaines conditions météorologiques sont réunies, de longues situations de pics d'ozone peuvent survenir, comme à Mexico au Mexique en mars 2016 avec un pic le 14 de ce mois (les stations au sol ont enregistré un record de 171 ppb [parties par milliards en volume] par heure à une station et les 150 ppb ont été dépassés dans six autres stations) ; une situation rare de dépression centrée sur cette région a littéralement permis une intrusion de la stratosphère dans la troposphère (du 9 au 12 mars, mais qui a été suivi d'une augmentation continue de l'ozone troposphérique durant quelques jours alors qu'une situation d'inversion atmosphérique se prolongeait, avec absence de vent[6]

Près de 15 % des Européens vivant en ville sont exposés à des niveaux d'ozone supérieurs aux normes de qualité de l’air de l’Union européenne, et environ 98 % des Européens vivant en ville sont exposés à des niveaux d'ozone jugés néfastes pour la santé par les lignes directrices, plus strictes, de l’Organisation mondiale de la santé[7].

L'ozone troposphérique n'a pas la même origine ni le même impact sur l'environnement et la santé que l'ozone stratosphérique à haute altitude qui, lui, nous protège des ultraviolets (UV) nocifs du soleil. Dans les deux cas, il s'agit de la même molécule, ses impacts diffèrent selon l'altitude et sa teneur dans l'air. Le seuil d'ozone est un indicateur de pollution de l'air. Il indique la quantité d'ozone en microgrammes dans un mètre cube d'air. À partir de 180 µg d'ozone par mètre cube en moyenne sur 1 heure, pour les pays de l'Union européenne, les populations sont informées de la pollution, de même à partir de 240 µg/m³ en moyenne sur 1 heure, une alerte à la pollution est lancée[8] - [9]. La norme européenne est de 120 µg/m³ en moyenne sur 8 heures[10]. L'OMS recommande quant à elle de ne pas dépasser 100 µg/m³ en moyenne sur 8 heures (contre 120 µg/m³ précédemment)[11].

L'ozone troposphérique peut provoquer une irritation des yeux, des muqueuses et des voies respiratoires supérieures[12].

La présence d'une grande quantité d'ozone troposphérique peut provoquer aussi un œdème du poumon, mais les problèmes les plus courants sont d'ordre respiratoires : asthme[13] ou maladies pulmonaires nécessitant une hospitalisation[14]. Il existe une discrète corrélation entre la mortalité due aux maladies respiratoires et la concentration en ozone. La mortalité cardio-vasculaire ne semble pas affectée[15]. Concernant la réponse et les cellules immuniaires, l'ozone impacte significativement les miRNA (en particulier : miR-143, miR-145, miR-199a*, miR-199b-5p, miR-222, miR-223, miR-25, miR-424), de façon directement proportionnelle à la concentration en ozone, causant une perturbation de la régulation immunitaire[16] et induisant des inflammations par activation des voies oxydatives[17].

Les pics d'ozone apparaissent généralement en aval des lieux d'émissions de précurseurs de l'ozone (par rapport au vent), et les masses d'air enrichies en ozone anthropique circulent. Cette pollution et ses effets en termes de mortalité peuvent être transfrontaliers, transocéaniques[18], transcontinentaux ou intercontinentaux[19]

Nécrose cellulaire et décoloration typique causée par l'ozone troposphérique, ici sur feuille d'aulne rouge. Les feuilles de plants de tabac sont souvent utilisées pour la bioindication de l'ozone.

L'ozone pénètre dans les feuilles, à travers les stomates (flux stomatique), et se dégrade instantanément au contact des cellules, entraînant des réactions en chaîne pouvant aboutir à la mort de celles-ci. Les symptômes peuvent être des nécroses foliaires, une chute prématurée des feuilles, une modification de l’ouverture des stomates et donc une réduction du taux d’activité photosynthétique[20] qui nuit à de nombreuses plantes, et en particulier aux cultures (blé, pommes de terre[21], etc.) et aux rendements agricoles[22], même si les plantes peuvent dans une certaine mesure se défendre en produisant des antioxydants[23]. Ces pertes entraînent des diminutions de croissance et un affaiblissement des plantes, les rendant plus sensibles aux attaques parasitaires et aux aléas climatiques (sécheresse). Ces impacts pourraient être exacerbés dans un contexte de dérèglement climatique[24] - [25].

Ainsi, au début des années 2000, les effets mesurables de l'ozone troposphérique sur le rendement des cultures à l'échelle régionale entraînaient en Europe[26] - [27] des pertes économiques pour au moins vingt-trois cultures arables (de l'ordre de 5,72 à 12 milliards USD par année[28]. Certaines céréales et notamment le blé (y compris le blé d'hiver[29] - [30], également exposé à l'ozone) y sont particulièrement sensibles[31]. Selon une méta-analyse[32] (basée sur trente-neuf études réalisées dans divers pays, dont en Chine), un taux élevé d'ozone dans l'air diminue le taux de chlorophylle du blé, les échanges gazeux de la plante et d'autres facteurs de rendement. Le rendement agricole peut chuter de 26 % en raison d'un moindre poids du grain (–18 %), d'un nombre de grains sur épi diminué (–11 %), d'un nombre d'épi diminué (–5 %) et d'un indice de productivité diminué de 11 % (par rapport à une culture non exposée)[32]. L'état physiologique des feuilles était encore plus affecté, avec un taux de photosynthèse en lumière saturée (ASAT), une conductance stomatique (Gs) et une teneur en chlorophylle (Chl) respectivement diminués de 40 %, 31 %, et 46 %. Les réponses à des taux élevés d'O₃ étaient similaires pour le blé de printemps et celui d'hiver. Pour la plupart des variables, la tendance à la diminution était linéairement corrélée à l'augmentation des taux d'O₃[32]. Les auteurs de cette méta-analyse ont estimé que l'augmentation du taux de CO₂ pouvait en partie compenser les effets délétères de l'ozone troposphérique[32]. Une seule étude, en Grande-Bretagne, a trouvé qu'une augmentation de 10 % de l'AOT 40 ne causait que de faibles pertes de rendements (–0,23 %). Les auteurs concluent que via les parcelles d'essais, les sélectionneurs auraient ici involontairement sélectionné des souches de blés résistantes à l'ozone[33]. Certains cultivars de blé s'avèrent effectivement plus tolérants à l'ozone[34]. Si la pollution acide tend à diminuer dans les pays riches, d'autres polluants, dont les NO_x, pourraient ajouter leurs effets à ceux de l'ozone[35] - [36] - [37].

L'air intérieur peut contenir de l'ozone venant de l'air extéieur, et parfois produit in situ, par exemple à partir de certains moteurs électriques, de certains Purificateurs et ionisateurs d’air ou d'appareils utilisant une source de rayonnements UV.

Une thèse récente (2006) a étudié les interactions entre l’ozone importé de l’air extérieur via la ventilation dans la maison expérimentale « MARIA » du CSTB, pour 16 produits de construction et de décoration très utilisés dans les pays riches, pour l’architecture ("effets de paroi" possibles[41]) et décoration intérieures[42]. Au contact des 16 matériaux testés, on a noté une chute importante du taux d'ozone dans l’air intérieur (chute modeste, de 8% pour une peinture glycérophtalique atteignant 89% pour un lambris de pin brut, avec des vitesses variable (de 0,003 à 0,158 cm/s). Certains éléments du décor intérieur se comportent donc un comme un puits d’ozone.
Sans surprise pour le chimiste, on note cependant aussi que les émissions habituelles des matériaux sont modifiées en présence d’ozone (les émissions de styrène, et d’alcènes C 12 diminuent alors que d’autres produits augmentent nettement (aldéhydes notamment, dont formaldéhyde, acétaldéhyde, benzaldéhyde, C5 à C10), mais aussi cétones et acides carboxyliques.
Les tests faits sur un lambris en pin (neuf), ont montré que des mécanismes hétérogènes complexes expliquent la disparition d’ozone ; avec des réactions en phase homogène estimée entre 5 et 20 % [42].
A cette occasion on a constaté aussi que la pollution extérieure par NO, NO2 et O3 a été entièrement transférée dans la pièce par le système de ventilation, mais qu’ensuite 80% à 95% de cet ozone est éliminé dans la pièce par oxydation d’objets (réactivité hétérogène) et moindrement par interaction avec des molécules en phase gazeuse, avec par exemple des réactions d’ozonolyse d’alpha-pinène observées dans une pièce avec lambris de pins) ; les sous-produits réactionnels tels que le formaldéhyde, l’hexaldéhyde, le benzaldéhyde et le nonanal constituent une nouvelle pollution, secondaire[42].
La température de l’air intérieur (ainsi que le taux de renouvellement de l'air et l'hygrométrie) peut moduler les émissions de certains matériaux, et donc sur leurs teneurs dans l’air intérieur[42]. Un modèle simple permet de prédire les taux de polluants de l’air intéireur, à partir de ceux de l’air extérieur. Pour l’ozone la prévision est satisfaisante, pour le NO le modèle est presque parfait, mais il surestime la concentration intérieure de NO2 (peut-être parce que le modèle ignore le phénomène d’adsoption du NO 2 sur les surfaces intérieures)[42]. Attention cette maison automatisée et contrôlée ne contient pas d'habitants, d'animaux de compagnie, de plantes vertes ni de fentes ou fissures[43] pouvant augmenter certaine entrées ou sorties d'air en plus du système de ventilation

La métrologie est nécessaire à l'évaluation des pollutions et des risques pour la santé, ainsi que pour la prévision du déplacement des masses d'air pollué. Elle doit pour cela être faite à différentes hauteurs de l'atmosphère.

• Au niveau du sol : elle se fait par des réseaux de capteurs gérés par les réseaux de surveillance de la qualité de l'air.

• Dans la colonne d'air : elle est encore principalement faite par ballon sonde mais en 2008[44], une nouvelle méthode a été mise au point en France par le LISA dans le cadre d'un partenariat international[45]. Il s'agit d'une mesure par satellite (Instrument IASI en orbite, avec une couverture du globe deux fois par jour, depuis octobre 2006 à bord de MetOp) du signal spécifique de l'ozone dans l'imagerie infrarouge (pour des pixels de 12 km de diamètre et distants de 25 km, au nadir), aussi précise que par le ballon sonde, mais moins couteuse. Ceci devrait permettre une amélioration de la modélisation de l'ozone dans la troposphère, notamment dans le cadre de la plate-forme française Prev’Air et du programme Copernicus[46].
  Cette méthode permet à échelle régionale et globale de suivre des panaches d'ozone troposphériques (dont la durée de vie est de plusieurs semaines) dans les trois premiers kilomètres de la basse atmosphère[47]. L'idée nouvelle a été d'associer un sondeurs IASI dans l’infrarouge et le capteur GOME-2[48] dans l’ultraviolet. Ces méthodes sont très efficaces pour la couche comprise entre 3 et 4 km au-dessus du niveau marin, mais l'est beaucoup moins pour l'ozone de la très basse troposphère. les tests faits en 2009 montrent que les taux d’ozone entre 2 et 2,5 km d’altitude peuvent être suivis avec une sensibilité au moins 40 % meilleure que celle de méthodes s'appuyant sur une unique bande spectrale[49]. Les nouvelles donnés sont utilisées par le programme ADONISS sur la surveillance de l'atmosphère[50].