Si aucune autre force que la gravité terrestre ne s'exerçait sur les gaz de l'atmosphère, on peut penser que l'ozone descendrait vers le sol. Mais ce n'est pas le cas, étant donné l'instabilité de la molécule d'ozone.

L'équilibre instable de l'ozone

«L'ozone [O3] se retrouve en grande partie dans la haute atmosphère, où il protège la Terre contre les rayons UV du Soleil. On le retrouve aussi au niveau du sol, où il est considéré comme un polluant. Or sa densité est plus grande que celle de l'air, alors comment se fait-il que la couche d'ozone en altitude ne s'effondre pas vers le sol?» demande Diane Langis.
À pression normale et à 20 °C, l'air a une densité d'environ 1,2 kilogramme par mètre cube (kg/m3), contre à peu près 2,2 pour l'ozone. Alors si aucune autre force que la gravité terrestre ne s'exerçait sur les gaz de l'atmosphère, on peut en effet penser que l'ozone descendrait vers le sol. Et pour tout dire, c'est exactement ce qui se passe avec les gaz qui se trouvent à plus de 100 km d'altitude, seuil à partir duquel ils ne sont plus sujets au mélange dû aux vents, explique Enrico Torlaschi, directeur du Département des sciences de la Terre et de l'atmosphère de l'UQAM.
«À cause des vents, de la circulation de l'air, l'atmosphère est assez bien mélangée et ses composantes se trouvent pas mal dans les mêmes concentrations partout. Sauf à partir de la turbopause, à une centaine de kilomètres d'altitude, où l'effet de stratification sur la base du poids [les plus lourds descendant, les plus légers remontant] devient le plus fort», dit-il.
Alors pourquoi la couche d'ozone ne fait pas la même chose jusqu'à terre? Hormis le mélange forcé par les vents, indique M. Torlaschi, cela s'explique surtout par le fait que l'ozone est une molécule très instable. Pour atteindre des concentrations appréciables, il faut qu'une source produise constamment de l'ozone afin de remplacer les molécules d'O3 qui se défont. Et à une trentaine de kilomètres d'altitude, il y a une telle source : les rayons ultraviolets. Les UV, qui sont une forme très énergétique de «lumière» (bien que nos yeux ne peuvent pas les voir), sont habituellement divisés en trois catégories, prosaïquement nommées A, B et C. Les UVC sont les plus énergétiques et les plus dangereux pour la santé. Mais heureusement, quand ils pénètrent dans l'atmosphère, la plupart d'entre eux percutent des molécules de gaz avant d'arriver au sol. Et ces UVC (de même que les UVB les plus puissants) portent tellement d'énergie que lorsqu'ils heurtent une molécule d'oxygène (O2), ils la brisent et libèrent ainsi deux atomes d'oxygène (O).
Cependant, l'oxygène atomique est une «petite bête» extrêmement réactive, qui ne reste jamais seule longtemps. Et lorsqu'un de ces O réagit avec une molécule d'O2, cela donne une molécule d'ozone.
Celles-ci n'étant, comme on l'a dit, pas particulièrement stables, elles peuvent être brisées à leur tour par des UVB ou des UVA, ce qui libère encore des atomes d'oxygène, qui vont réagir avec d'autres O2, reformer de nouveaux O3, qui seront rebrisés par d'autres UV, et ainsi de suite.
Il est évident qu'à cause des vents, une partie de l'ozone stratosphérique est emportée vers le bas. Mais il ne fait pas long feu. Des expériences ont montré que, même dans une pièce fermée à l'abri des UV (avec un taux d'humidité normal de 45 %), l'ozone a une demi-vie d'environ 11 heures - c'est-à-dire que sur une quantité donnée de O3, la moitié se transforme en d'autres composés toutes les 11 heures. Et dans des conditions comme celles qui prévalent dehors, la demi-vie de l'ozone n'est que de l'ordre de 30 minutes.
Ajoutons à cela que, même en plein coeur de la couche d'ozone, la concentration d'O3 ne dépasse pas les huit particules par million, et vous comprendrez pourquoi on ne voit pas d'ozone stratosphérique sur le plancher des vaches. Les gaz d'échappement des voitures peuvent indirectement en produire (l'ozone est d'ailleurs une composante du smog), mais c'est une autre histoire...
Autres sources :
• J.D. McClurkin et D.E. Maier, Half-Life Time of Ozone As a Function of Air Conditions and Movement, Julius-Kuhn Institut Archiv, 2010, http://bit.ly/MLGPr0
• S.a., Ozone, Learn Chemistry, Royal Society of Chemistry, s.d. http://rsc.li/1fhguIz
• Paul A. Newman, Ozone Hole Watch, NASA, 2013, http://1.usa.gov/1lojOH9
«J'ai appris récemment que, lors d'études en vue de la construction des écluses du canal de Panama, Gustave Eiffel avait dû tenir compte d'une différence de trois mètres entre le niveau moyen des océans à cette latitude, le Pacifique étant trois mètres en dessous de l'Atlantique. Comment expliquer cette différence? Ces océans ne sont-ils pas comme des vases communicants du fait de leur lien via l'océan Austral?» demande Louis Morin, de Saint-Georges.
Il y a bel et bien une différence entre le niveau de l'Atlantique et celui du Pacifique, mais c'est ce dernier qui est le plus haut, et l'écart est loin de faire trois mètres. D'après le Service permanent du niveau de la mer (SPNL), en Grande-Bretagne, le Pacifique est environ 20 cm plus élevé que l'Atlantique. Le satellite franco-américain TOPEX-Poseidon, lancé en 1992 justement pour «cartographier» la surface des océans, a quant à lui mesuré un écart de 42 cm en moyenne - mais quelle que soit la bonne valeur, cela donne déjà un ordre de grandeur.
Ce genre de différence est assez fréquente de part et d'autre d'une masse terrestre, pour des raisons qui peuvent varier. Par exemple, il y a environ 20 cm d'écart entre la Méditerranée et l'Atlantique, principalement à cause des vents. Mais dans le cas de l'Atlantique et du Pacifique, ce sont plutôt de grands courants marins qui sont en cause. Le moteur de cette «circulation thermohaline», de son petit nom, est la densité de l'eau et il s'avère que celle-ci est plus grande dans l'Atlantique, parce que légèrement plus salée.
Un grand courant part des environs du Groenland, où l'eau chaude du Gulf Stream se refroidit, devient donc plus dense, et coule vers le fond. Ce courant redescend vers le sud sur toute la longueur de l'Atlantique avant de se séparer en deux - une branche s'écoulant dans l'océan Antarctique et l'autre dans l'Indien.
Cette eau finit bien sûr par revenir par d'autres courants, puisque autrement l'Atlantique se viderait. Mais le résultat net de cette circulation est que l'Atlantique est en moyenne un peu plus bas que le Pacifique.
Sources :
• Anders Levermann et al., «Dynamic Sea Level Changes Following Changes in the Thermohaline Circulation», Climate Dynamics, 2005. http://bit.ly/1cFaxEL
• Permanent Service for Mean Sea Level, Sea Level FAQs, s.d. http://bit.ly/1gh2KBs