Effet de serre et couche d'ozone

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Effet de serre et couche d'ozone

Je sais que l'effet de serre est un effet naturel du à une couche de plusieurs gaz émis par la terre. Sans ce phénomène la vie sur terre ne serait pas possible puisqu'il ferait trop froid. Mais plusieurs autres gaz polluants ont augmenté la couche initiale et empêche le filtrage des rayons infra rouge. Ces derniers retournent sur terre. Il en résulte donc un réchauffement de la planète.
En même temps on parle du trou dans la couche d'ozone qui serait du aux gaz CFC que l'on retrouve dans la couche de gaz à effet de serre.
Je ne comprends pas où se trouve la couche des gaz qui est à l'origine du phénomène à effet de serre par rapport à la couche d'ozone? Est-ce que la couche d'ozone participe elle aussi à l'effet de serre ou sert-elle uniquement à filtrer les rayons UV du soleil.
Merci de m'éclairer sur ces deux couches de notre atmosphère.

Réponse simplifiée :
L'effet de serre concerne plutôt les basses couches de l'atmosphère (troposphère, entre 0 et 10-15 km d'altitude), bien qu'on trouve des gaz à effet de serre à de plus hautes altitudes (stratosphère et même au-delà) . L'ozone présent en assez faible quantité dans la troposphère est également un gaz à effet de serre. La couche d'ozone se trouve dans la stratosphère (les quantités maximales d'ozone sont situées entre 20 et 30 km d'altitude). Elle intervient dans l'effet de serre et joue un rôle important en absorbant une partie du rayonnement solaire ultraviolet.

Réponse un plus détaillée :
Tout ceci est bien compliqué, je vais essayer de faire une synthèse la plus simple possible.

1. Au fur et à mesure que l'on s'élève en altitude au-dessus de la surface terrestre, les effets de la pesanteur s'atténuent, et la concentration en gaz (kilogrammes de gaz par mètre cube d'atmosphère) diminue. Pour simplifier, on considère habituellement que les 9/10 de la masse atmosphérique sont compris entre 0 et 16 km d'altitude, et que la concentration en gaz de l'atmosphère devient négligeable au-delà de 150 km d'altitude (bien que les gaz n'échappent vraiment à l'attraction terrestre qu'au-delà de 400 km d'altitude)

2. Pour bien comprendre, nous allons nous intéresser aux 50 premiers kilomètres d'atmosphère qui se trouvent au-dessus de la surface terrestre. On peut séparer ces 50 km en deux couches :

  • La première couche, qui se situe à peu près entre zéro et 10 à 15 km d'altitude est appelée la troposphère ; c'est dans cette couche que se réalisent la plupart des phénomènes météorologiques (formation des nuages, etc.). La température de la troposphère n'est pas constante : elle diminue en moyenne de 0,5 °C quand on s'élève de 100 m (mais ce n'est qu'une moyenne, et cela peut varier énormément, surtout au voisinage de la surface). Au sommet de la troposphère, la température est de l'ordre de -50 °C.
  • La seconde couche, qui se situe donc entre 10-15 km d'altitude et à peu près 50 km d'altitude s'appelle la stratosphère. La température y augmente progressivement avec l'altitude, jusqu'à environ 0 °C à 50 km d'altitude.

    3. Les principaux gaz à effet de serre se trouvent dans ces deux couches d'atmosphère, mais il existe des différences d'un gaz à l'autre :

  • la vapeur d'eau (H2O) qui est un gaz à effet de serre "naturel" est présente essentiellement dans la troposphère ;
    le dioxyde de carbone, ou gaz carbonique (CO2) est présent à la fois dans la troposphère et la stratosphère. Il est détruit au-delà de 70 km d'altitude par le rayonnement ultraviolet émis par le soleil. Son rôle de gaz à effet de serre se joue essentiellement dans la troposphère ;
  • le méthane (CH4), qui est réparti à peu près de la même façon que le CO2 dans l'atmosphère;
  • Le gaz hilarant (N2O) s'accumule dans la troposphère, et il est détruit par le rayonnement solaire ultraviolet quand il passe dans la stratosphère ;
  • Les chlorofluorocarbones (CFC) sont aussi des gaz à effet de serre. Ils sont présents dans la troposphère et sont également détruits dans la stratosphère par le rayonnement solaire ultraviolet et leur réaction avec l'ozone stratosphérique.

    4. Pour l'ozone, c'est plus compliqué :
    90 % de l'ozone atmosphérique se trouve dans la stratosphère. C'est là que l'ozone (O3) est fabriqué "naturellement" : l'absorption d'une partie du rayonnement solaire ultraviolet (très énergétique) par la molécule de dioxygène (O2) provoque la cassure de cette molécule en deux atomes d'oxygène. Cette réaction ne peut se faire qu'au-delà de 20 km, car aux plus basses altitudes, le rayonnement solaire est atténué par son interaction avec les composants atmosphériques et n'a plus l'énergie nécessaire pour casser la molécule d'O2. Les deux atomes d'oxygène réagissent ensuite chacun avec une molécule de dioxygène pour donner une molécule d'ozone (O3).
    C'est cet ozone stratosphérique qui constitue la fameuse "couche d'ozone" qui nous protège d'un partie du rayonnement ultraviolet du soleil : en effet, la molécule d'ozone a pour propriété d'absorber également une partie du rayonnement ultraviolet (un peu moins énergétique que le précédent) et de se casser en une molécule de dioxygène (O2) et un atome d'oxygène (O). Celui-ci réagit ensuite avec une molécule d'ozone (O3) pour donner deux molécules d'O2.

    Dans la troposphère, l'énergie solaire n'est plus assez forte pour casser la molécule d'O2, et la production d'ozone n'est pas possible par ce moyen là. Par contre, il existe un autre moyen : la cassure du dioxyde d'azote (NO2) par le rayonnement ultraviolet. L'ozone est produit en plus faible quantité que dans la stratosphère car ses précurseurs sont moins abondants que l'oxygène (je vous fais grâce de toute la chimie qui permet d'expliquer la concentration en ozone de la troposphère, je vous l'envoie si vous voulez !).

    Mais l'ozone de la troposphère est aussi un gaz à effet de serre, qui contribue à peu près pour 18 % de l'effet de serre "additionnel" (c'est-à-dire qui s'ajoute à l'effet de serre naturel).

    5. Et l'effet de serre dans tout ça ?
    L'atmosphère est relativement transparente pour la partie du rayonnement solaire qui correspond au domaine du visible, et elle est relativement opaque pour l'ultraviolet, (nous l'avons vu) ainsi que pour les rayonnements de grande longueur d'onde (infrarouge). Le rayonnement visible traverse donc assez facilement l'atmosphère et est absorbé en partie par la surface terrestre. Cet apport d'énergie provoque un échauffement de la surface.
    En fonction de sa température, la surface émet alors de l'énergie vers l'espace, sous forme de rayonnement infrarouge. Mais celui-ci est absorbé en partie par les gaz à effet de serre, qui émettent à leur tour du rayonnement infrarouge vers la surface. Ainsi, le rayonnement solaire visible qui a pu atteindre la surface à travers l'atmosphère a été "transformé" en rayonnement infrarouge et ne peut être renvoyé vers l'espace, puisqu'il est absorbé par les gaz à effet de serre. L'énergie ainsi piégée est transformée en chaleur, ce qui contribue au réchauffement des basses couches de l'atmosphère.

    Ce sont les basses couches de l'atmosphère (troposphère) qui sont les plus concernées car :
    C'est à ce niveau que les gaz sont présents à de plus fortes concentrations (sauf pour l'ozone, mais c'est un cas particulier), ce sont les gaz les plus près de la surface qui absorbent préférentiellement le rayonnement de la surface et qui sont les plus chauds (on a vu que dans la troposphère, la température décroît avec l'altitude), et donc qui émettent le plus de rayonnement vers la surface. Les gaz à effet de serre présents à plus haute altitude peuvent également absorber le rayonnement infra rouge émis par la surface, mais celui-ci a déjà été absorbé en grande partie par les couches inférieures, et ils réémettent moins de rayonnement. De plus, une partie de ce rayonnement quitte l'atmosphère sans être absorbé par un autre gaz à effet de serre.

    6. Conclusion :
    Comme la plupart des gaz, les gaz à effet de serre sont présents à de fortes concentrations dans les basses couches de l'atmosphère (troposphère), et c'est à ce niveau qu'ils exercent principalement leur rôle d' "effet de serre". La formation d'ozone dans l'atmosphère se réalise essentiellement à plus haute altitude, dans la stratosphère, dans une zone où l'effet de serre est moins marqué car une grande partie du rayonnement terrestre a déjà été absorbé par les basses couches atmosphériques. C'est pourquoi la couche d'ozone joue principalement un rôle d'absorption du rayonnement ultraviolet d'origine solaire, plutôt qu'un rôle d'absorption du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. A l'inverse, l'ozone présent à faible concentration dans les basses couches de l'atmosphère (troposphère) jouera plus un rôle de gaz à effet de serre qu'un rôle d'écran vis-à-vis du rayonnement ultraviolet puisque celui-ci aura été déjà en grande partie absorbé par la "couche d'ozone".

  • Un petit complément sur les CFC (ou fréons) :
    les CFC (ou fréons) sont nocifs à la fois pour l'ozone (puisqu'ils contribuent à sa destruction) et pour l'effet de serre.
    En effet, les CFC sont présents en très faible quantité dans l'atmosphère, mais leur augmentation au cours du temps (due aux activités humaines) contribue très efficacement à l'augmentation de l'effet de serre : l'addition d'une molécule de CFC est environ 12 000 fois plus efficace pour augmenter l'effet de serre qu'une molécule de gaz carbonique !
    Deux bonnes raisons pour limiter l'utilisation des CFC !