Des scientifiques découvrent une « empreinte digitale » humaine dans l’augmentation de l’ozone dans la haute troposphère

L’ozone peut être un agent bénéfique ou nocif, selon l’endroit où il se trouve dans l’atmosphère. Tout en haut dans la stratosphère, ce gaz incolore protège la Terre des rayons ultraviolets nocifs du soleil. Mais plus près du sol, l’ozone est un polluant atmosphérique nocif qui peut déclencher des problèmes de santé chroniques, notamment des douleurs thoraciques, des difficultés respiratoires et une altération de la fonction pulmonaire.

Et quelque part entre les deux, dans la haute troposphère (la couche de l’atmosphère située juste en dessous de la stratosphère, où volent la plupart des avions), l’ozone contribue au réchauffement de la planète en tant que puissant gaz à effet de serre.

Certains signes indiquent que la couche d’ozone continue de s’élever dans la haute troposphère, malgré les efforts déployés par de nombreux pays pour réduire ses sources à la surface. Aujourd’hui, des scientifiques du MIT confirment qu’une grande partie de l’augmentation de la couche d’ozone dans la haute troposphère est probablement due à l’activité humaine.

Dans un article publié aujourd’hui (2 août) dans la revue Sciences et technologies de l’environnementL’équipe rapporte qu’elle a détecté un signal clair d’influence humaine sur les tendances de l’ozone troposphérique supérieur dans un enregistrement satellite de 17 ans commençant en 2005.

« Nous confirmons qu’il existe une tendance claire et croissante de l’ozone troposphérique supérieur dans les latitudes moyennes du nord en raison des êtres humains plutôt que du bruit climatique », déclare l’auteur principal de l’étude, Xinyuan Yu, étudiant diplômé au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT.

« Nous pouvons désormais effectuer un travail de détection plus poussé et essayer de comprendre quelles activités humaines spécifiques sont à l’origine de cette tendance à l’ozone », ajoute la co-auteure Arlene Fiore, professeure Peter H. Stone et Paola Malanotte Stone en sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes.

Les auteurs de l’étude au MIT sont Sebastian Eastham et Qindan Zhu, ainsi que Benjamin Santer de l’Université de Californie à Los Angeles, Gustavo Correa de l’Université de Columbia, Jean-François Lamarque du Centre national de recherche atmosphérique et Jerald Zimeke du Goddard Space Flight Center de la NASA.

La toile emmêlée d’Ozone

Il est difficile de comprendre les causes et les influences de l’ozone. L’ozone n’est pas émis directement, mais est le produit de « précurseurs » : des ingrédients de départ, tels que les oxydes d’azote et les composés organiques volatils (COV), qui réagissent en présence de la lumière du soleil pour former de l’ozone. Ces précurseurs sont générés par les gaz d’échappement des véhicules, les centrales électriques, les solvants chimiques, les processus industriels, les émissions des avions et d’autres activités d’origine humaine.

La persistance de l’ozone dans l’atmosphère et sa durée dépendent d’un ensemble de variables, notamment du type et de l’ampleur des activités humaines dans une zone donnée, ainsi que de la variabilité naturelle du climat. Par exemple, une année marquée par un phénomène El Niño intense pourrait modifier la circulation atmosphérique d’une manière qui affecterait les concentrations d’ozone, quelle que soit la quantité d’ozone que les humains contribuent à l’atmosphère cette année-là.

Il est particulièrement difficile de distinguer les causes anthropiques et climatiques de la tendance à la formation d’ozone, en particulier dans la haute troposphère. La situation est d’autant plus compliquée que dans la basse troposphère (la couche la plus basse de l’atmosphère, la plus proche du niveau du sol), la couche d’ozone a cessé de s’élever et a même diminué dans certaines régions des latitudes moyennes de l’hémisphère nord au cours des dernières décennies. Cette diminution de la couche d’ozone de la basse troposphère est principalement le résultat des efforts déployés en Amérique du Nord et en Europe pour réduire les sources industrielles de pollution atmosphérique.

« Près de la surface, on a observé une diminution de l’ozone dans certaines régions, et ses variations sont plus étroitement liées aux émissions humaines », note Yu. « Dans la haute troposphère, les tendances de l’ozone sont moins bien surveillées mais semblent se découpler de celles près de la surface, et l’ozone est plus facilement influencé par la variabilité climatique. Nous ne savons donc pas si et dans quelle mesure cette augmentation de l’ozone observée dans la haute troposphère est attribuée aux activités humaines. »

Un signal humain au milieu du bruit climatique

Yu et Fiore se sont demandés si une « empreinte » humaine dans les niveaux d’ozone, causée directement par les activités humaines, pourrait être suffisamment forte pour être détectée par des observations par satellite dans la haute troposphère. Pour voir un tel signal, les chercheurs devraient d’abord savoir quoi chercher.

Pour cela, ils ont eu recours à des simulations du climat terrestre et de la chimie atmosphérique. En suivant les approches développées en climatologie, ils ont estimé que s’ils pouvaient simuler un certain nombre de variations climatiques possibles au cours des dernières décennies, toutes avec des sources d’émissions de précurseurs d’ozone d’origine humaine identiques, mais chacune commençant par une condition climatique légèrement différente, alors toute différence entre ces scénarios devrait être due au bruit climatique.

Par déduction, tout signal commun qui émergerait lors de la moyenne des scénarios simulés devrait être dû à des causes d’origine humaine. Un tel signal serait alors une « empreinte digitale » révélant la présence d’ozone d’origine humaine, que l’équipe pourrait rechercher dans des observations satellite réelles.

Avec cette stratégie en tête, l’équipe a réalisé des simulations à l’aide d’un modèle climatique chimique de pointe. Elle a mis en œuvre plusieurs scénarios climatiques, chacun commençant en 1950 et se poursuivant jusqu’en 2014.

À partir de leurs simulations, l’équipe a identifié un signal clair et commun à tous les scénarios, qu’elle a identifié comme une empreinte digitale humaine. Ils ont ensuite examiné les produits de l’ozone troposphérique dérivés de plusieurs instruments à bord du satellite Aura de la NASA.

« Honnêtement, je pensais que les données satellite seraient trop bruyantes », admet Fiore. « Je ne m’attendais pas à ce que le modèle soit suffisamment fiable. »

Mais les observations par satellite qu’ils ont utilisées leur ont donné une bonne idée de la situation. L’équipe a examiné les données sur l’ozone troposphérique supérieur dérivées des produits satellitaires, des années 2005 à 2021, et a découvert qu’elle pouvait effectivement voir le signal d’ozone d’origine humaine que leurs simulations prédisaient.

Le signal est particulièrement prononcé en Asie, où l’activité industrielle a considérablement augmenté au cours des dernières décennies et où l’ensoleillement abondant et les événements météorologiques fréquents propulsent la pollution, y compris l’ozone et ses précurseurs, vers la haute troposphère.

Yu et Fiore cherchent désormais à identifier les activités humaines spécifiques qui conduisent à l’augmentation de l’ozone dans la haute troposphère.

« D’où vient cette tendance croissante ? Est-ce les émissions de surface provenant de la combustion de combustibles fossiles dans les moteurs des véhicules et des centrales électriques ? Est-ce les avions qui volent dans la haute troposphère ? Est-ce l’influence des feux de forêt ? Ou une combinaison de tous ces facteurs ? », s’interroge Fiore. « Être capable de distinguer les impacts causés par l’homme des variations climatiques naturelles peut aider à éclairer les stratégies de lutte contre le changement climatique et la pollution de l’air. »

Cet article est republié avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.