En utilisant des molécules d'oxygène rares piégées dans des bulles d'air dans la vieille glace et la neige, Des scientifiques américains et français ont répondu à une question de longue date :de combien les niveaux de « mauvais » ozone ont-ils augmenté depuis le début de la révolution industrielle ?

"Nous avons pu suivre la quantité d'ozone qu'il y avait dans l'atmosphère ancienne, " a déclaré Laurence Yeung, géochimiste de l'Université Rice, l'auteur principal d'une étude publiée en ligne aujourd'hui dans La nature . "Cela n'a pas été fait avant, et c'est remarquable que nous puissions le faire."

Les chercheurs ont utilisé les nouvelles données en combinaison avec des modèles de chimie atmosphérique de pointe pour établir que les niveaux d'ozone dans la basse atmosphère, ou troposphère, ont augmenté d'un plafond de 40 % depuis 1850.

"Ces résultats montrent que les meilleurs modèles actuels simulent bien les anciens niveaux d'ozone troposphérique, ", a déclaré Yeung. "Cela renforce notre confiance dans leur capacité à prédire comment les niveaux d'ozone troposphérique vont changer à l'avenir."

L'équipe de recherche dirigée par Rice comprend des chercheurs de l'Université de Rochester à New York, l'Institut des Géosciences de l'Environnement du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de l'Université Grenoble Alpes (UGA), Le Laboratoire de contrôle et de signalisation de la parole à Grenoble Images du CNRS à l'UGA et le Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement du CNRS et du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) de l'Université Versailles-St Quentin.

"Ces mesures limitent la quantité de réchauffement causé par l'ozone anthropique, " a dit Yeung. Par exemple, il a déclaré que le rapport le plus récent du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) estimait que l'ozone dans la basse atmosphère terrestre contribue aujourd'hui à 0,4 watt par mètre carré de forçage radiatif au climat de la planète, mais la marge d'erreur pour cette prédiction était de 50 %, ou 0,2 watt par mètre carré.

"C'est une très grosse barre d'erreur, " a déclaré Yeung. " Avoir de meilleures estimations de l'ozone préindustriel peut réduire considérablement ces incertitudes.

"C'est comme deviner le poids de votre valise quand il y a des frais pour les sacs de plus de 50 livres, " dit-il. " Avec les anciennes barres d'erreur, tu dirais, "Je pense que mon sac pèse entre 20 et 60 livres." Ce n'est pas suffisant si vous ne pouvez pas vous permettre de payer la pénalité."

L'ozone est une molécule qui contient trois atomes d'oxygène. Produit dans des réactions chimiques impliquant la lumière du soleil, il est très réactif, en partie à cause de sa tendance à abandonner un de ses atomes pour former une molécule d'oxygène plus stable. La majorité de l'ozone terrestre se trouve dans la stratosphère, qui est à plus de cinq milles au-dessus de la surface de la planète. L'ozone stratosphérique est parfois appelé « bon » ozone car il bloque la plupart des rayons ultraviolets du soleil, et est donc essentiel à la vie sur Terre.

Le reste de l'ozone terrestre se trouve dans la troposphère, plus près de la surface. Ici, la réactivité de l'ozone peut être nocive pour les plantes, animaux et humains. C'est pourquoi l'ozone troposphérique est parfois appelé « mauvais » ozone. Par exemple, l'ozone est un composant principal du smog urbain, qui se forme près du niveau du sol lors de réactions provoquées par le soleil entre l'oxygène et les polluants provenant des gaz d'échappement des véhicules à moteur. L'Environmental Protection Agency considère qu'une exposition à des niveaux d'ozone supérieurs à 70 parties par milliard pendant huit heures ou plus est malsaine.

"Le problème avec l'ozone, c'est que les scientifiques ne l'étudient en détail que depuis quelques décennies, " dit Yeung, un professeur assistant de la Terre, sciences de l'environnement et de la planète. "Nous ne savions pas pourquoi l'ozone était si abondant dans la pollution de l'air jusqu'aux années 1970. C'est à ce moment-là que nous avons commencé à comprendre comment la pollution de l'air modifiait la chimie atmosphérique. Les voitures faisaient monter l'ozone troposphérique."

Alors que les premières mesures de l'ozone troposphérique datent de la fin du XIXe siècle, Yeung a déclaré que ces données sont en conflit avec les meilleures estimations des modèles de chimie atmosphérique de pointe d'aujourd'hui.

"La plupart de ces données plus anciennes proviennent de tests sur papier d'amidon où le papier change de couleur après avoir réagi avec l'ozone, " dit-il. " Les tests ne sont pas les plus fiables - le changement de couleur dépend de l'humidité relative, par exemple, mais ils suggèrent, néanmoins, que l'ozone troposphérique aurait pu augmenter jusqu'à 300 % au cours du siècle dernier. En revanche, les meilleurs modèles informatiques d'aujourd'hui suggèrent une augmentation plus modérée de 25 à 50 %. C'est une énorme différence.

"Il n'y a tout simplement pas d'autres données là-bas, il est donc difficile de savoir ce qui est juste, ou si les deux sont justes et que ces mesures particulières ne sont pas une bonne référence pour l'ensemble de la troposphère, " a déclaré Yeung. "La communauté a lutté avec cette question pendant longtemps. Nous voulions trouver de nouvelles données qui pourraient faire avancer ce problème non résolu."

Recherche de nouvelles données, cependant, n'est pas simple. "L'ozone est trop réactif, par lui-même, à conserver dans la glace ou la neige, " dit-il. " Alors, nous cherchons le sillage de l'ozone, les traces qu'il laisse dans les molécules d'oxygène.

"Quand le soleil brille, les molécules d'ozone et d'oxygène sont constamment fabriquées et brisées dans l'atmosphère par la même chimie, ", a déclaré Yeung. "Notre travail au cours des dernières années a permis de trouver une 'étiquette' naturelle pour cette chimie:le nombre d'isotopes rares qui sont regroupés."

Le laboratoire de Yeung est spécialisé à la fois dans la mesure et l'explication de l'occurrence de ces isotopes agglutinés dans l'atmosphère. Ce sont des molécules qui ont le nombre habituel d'atomes - deux pour l'oxygène moléculaire - mais elles ont des isotopes rares de ces atomes substitués à la place des communs. Par exemple, plus de 99,5% de tous les atomes d'oxygène dans la nature ont huit protons et huit neutrons, pour un nombre total de masse atomique de 16. Seulement deux sur chaque 1, 000 atomes d'oxygène sont l'isotope le plus lourd de l'oxygène-18, qui contient deux neutrons supplémentaires. Une paire de ces atomes d'oxygène-18 est appelée amas d'isotopes.

La grande majorité des molécules d'oxygène dans tout échantillon d'air contiendra deux oxygène-16. Quelques rares exceptions contiendront l'un des rares atomes d'oxygène-18, et plus rares encore seront les paires d'oxygène-18.

Le laboratoire de Yeung est l'un des rares au monde à pouvoir mesurer exactement le nombre de ces paires d'oxygène-18 dans un échantillon d'air donné. Il a déclaré que ces amas d'isotopes dans l'oxygène moléculaire varient en abondance en fonction de l'endroit où la chimie de l'ozone et de l'oxygène se produit. Parce que la basse stratosphère est très froide, les chances qu'une paire oxygène-18 se forme à partir de la chimie ozone/oxygène augmentent légèrement et de manière prévisible par rapport à la même réaction dans la troposphère. Dans la troposphère, où il fait plus chaud, la chimie ozone/oxygène donne un peu moins de paires oxygène-18.

Avec le début de l'industrialisation et la combustion des combustibles fossiles vers 1850, les humains ont commencé à ajouter plus d'ozone dans la basse atmosphère. Yeung et ses collègues ont estimé que cette augmentation de la proportion d'ozone troposphérique aurait dû laisser une trace reconnaissable - une diminution du nombre de paires d'oxygène-18 dans la troposphère.

En utilisant des carottes de glace et du névé (neige comprimée qui n'a pas encore formé de glace) de l'Antarctique et du Groenland, les chercheurs ont construit un enregistrement de 18 paires d'oxygène dans l'oxygène moléculaire de l'époque préindustrielle à nos jours. Les preuves ont confirmé à la fois l'augmentation de l'ozone troposphérique et l'ampleur de l'augmentation qui avait été prédite par les modèles atmosphériques récents.

« Nous limitons la hausse à moins de 40 %, et le modèle chimique le plus complet prédit environ 30 %, " dit Yeung.

"L'un des aspects les plus passionnants était de savoir à quel point l'enregistrement des carottes de glace correspondait aux prédictions du modèle, " il a dit. " C'était un cas où nous avons fait une mesure, et indépendamment, un modèle a produit quelque chose qui était en accord très étroit avec les preuves expérimentales. Je pense que cela montre à quel point les scientifiques de l'atmosphère et du climat sont parvenus à prédire avec précision comment les humains modifient l'atmosphère de la Terre, en particulier sa chimie. »