Ozone troposphérique

La nocivité du smog est pour partie due à l'ozone

L'ozone (O₃) est dit troposphérique (ou « de basse altitude » ou « mauvais ozone ») quand il est situé dans la troposphère.
Cet ozone, en tant que superoxydant, est un polluant majeur de l'air, nocif pour la santé de l'homme, de la faune et de la flore, alors que la couche d'ozone à haute altitude, a des effets positifs.

Origine

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 (22 octobre 1997). L'échelle colorée vert - jaune - rouge indique les taux d'ozone

L'essentiel de l'ozone troposphérique est un polluant d'origine anthropique (généré par les activités humaines). Une petite partie est naturellement produite au-dessus des zones enforestées, ou après des incendies naturels de forêt.

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).

Sous l'action de rayonnements solaires de courte longueur d'onde NO₂ → NO + O puis O + O₂ → O₃ (en présence d'autres oxydants, sinon, NO₂ se reforme : NO + O₃ → NO₂ + O₂)

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,
• ou l'ozone produit par les moteurs électriques…

Pic d’ozone

Pollution à Paris

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

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

• Circulation automobile intense (ville)
• Temps ensoleillé (été, même sous ciel légèrement couvert, ou hiver sous ciel dégagé)
• Faible circulation atmosphérique (pas de vent ou vent faible, et notamment en condition d'inversion atmosphérique)

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

Impact sur la santé

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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 ultra-violets nocifs. 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 µg dans un mètre cube d'air. À partir de 180 µg d'ozone par mètre cube, pour les pays de l'Union Européenne, les populations sont informées de la pollution, de même à partir de 240 µg par mètre cube, une alerte à la pollution est lancée.

L'ozone troposphérique peut provoquer une irritation des yeux, des muqueuses et des voies respiratoires supérieures^[1]. La présence d'une grande quantité d'ozone troposphérique peut provoquer aussi une oedème du poumon, mais les problèmes les plus courants sont d'ordre respiratoires : asthme^[2] ou maladies pulmonaires nécessitant une hospitalisation^[3]. 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^[4].

Impact sur l'agriculture

La pollution des basses couches d'air par l'ozone cause des nécroses folaires et nuit à de nombreuses plantes^[5], et en particulier aux cultures (blé, pommes de terre^[6])... et aux rendements agricoles^[7], même si les plantes peuvent dans une certaine mesure se défendre en produisant des antioxydants^[8]. Ces impacts pourraient être exacerbés dans un contexte de dérèglement climatique^[9],[10].
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^[11],[12] des pertes économiques pour au moins 23 cultures arables (de l'ordre de 5,72 à 12 milliards USD par année^[13]. Certaines céréales et notamment le blé (y compris le blé d'hiver^[14],Shankar, B., Neeliah, H., 2005. Tropospheric ozone and winter wheat production in England and Wales: a note. Journal of Agricultural Economics 56, 145–151., également exposé à l'ozone) y sont particulièrement sensibles^[15]. Selon une méta-analyse^[16] (basée sur 39 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)^[16]. 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 élevées 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 de [O3]^[16]. 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^[16]. 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^[17]. Certains cultivars de blé s'avèrent effectivement plus tolérants à l'ozone^[18]. Si la pollution acide tend à diminuer dans les pays riches, d'autres polluants, dont les NOx pourraient ajouter leurs effets à ceux de l'ozone ^{[19],[20],[21]}.

Métrologie

La mesure de l'ozone se fait au sol (par les réseaux de surveillance de la qualité de l'air) et, pour la prévision du déplacement des masses d'air pollué, dans les différentes hauteurs de l'atmosphère par ballon sonde. En 2008, une nouvelle méthode a été testée par le LISA^[22], de mesure par satellite (Instrument IASI en orbite, avec une couverture du globe 2 fois par jour, depuis octobre 2006 à bord de MetOp) du signal spécifique de l'ozone dans l'imagerie infrarouge, 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 du programme Kopernikus^[23].

Dispositifs pour limiter la pollution à l’ozone

De nombreux pays, et l'Union européenne ont produit des lois sur la qualité de l'air et mettent à jour des Normes de qualité de l'air et des seuils portant notamment sur l'ozone (par exemple la valeur seuil d'information est en Europe de 180 microgrammes/m³, et il ne faut pas dépasser 120 microgramme/m³ sur plus de 8 heures, seuil à partir duquel des dégâts sur la santé sont considérés comme certains)^[24]. Ceci permet aux autorités nationales ou locales d'interdire ou de réduire certaines activités (combustion de fuel lourd par exemple), ou la vitesse des véhicules. L'OMS a également produit des recommandations (valeurs-guide).
Des systèmes d'amendes et/ou d'encouragements fiscaux ou de subventions encouragent localement les industriels, collectivités et particuliers à moins polluer. Certains aménagements du temps de travail, télétravail et dispositifs de fluidification de la circulation contribuent à diminuer les émissions de précurseurs de l'ozone aux moments où les UV solaires sont les plus actifs.
Des réseaux d'alerte et mesure de la qualité de l'air (Plus de 700 dispositifs de mesure dans l'UE en 2007^[25]), avec la météorologie aident les responsables d'émissions à volontairement ou obligatoirement anticiper en limitant leurs activités polluantes les jours à risque de « pic d'ozone » ou aux heures critiques.

En Europe, ces dispositifs commencent à montrer leur efficacité globale ; en 2007, Les taux estivaux d'ozone ont ainsi été parmi les moins élevés depuis 10 ans, surtout dans les pays d'Europe du nord où « aucun dépassement de la valeur seuil d'information n'a eu lieu » . L'Italie reste le pays le plus exposé (479 microgrammes/m³ ont été mesurés en Sicile, le second record de 2007 étant 363 microgrammes/m³ en Roumanie). Des taux de 300 à 360 microgrammes/m³ ont été mesurés 6 fois en France, Grèce, Italie et Roumanie et le seuil prévu à long terme par la directive a été largement dépassé dans l'UE^[26], comme dans d'autres pays européens (dont certains ont souvent dépassé la valeur-cible pour la protection de la santé humaine). En 2007, et en Europe : 45 % du total des dépassements du seuil d'information, 39 % des dépassements du seuil d'alerte et 12 % des dépassements de l'objectif à long terme ont été observés entre le 14 et le 21 juillet^[27].

Législation européenne

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Solutions mécaniques

Sur les véhicules ont été installés les dispositifs anti-pollution suivants :

• Pot catalytique
• Dispositif EGR

L'utilisation de véhicules 100 % électriques permettraient de limiter la formation, après réaction chimique, d'ozone troposphérique.

Notes et références

1. ↑ Mudway IS, Kelly FJ, An investigation of inhaled ozone dose and the magnitude of airway inflammation in healthy adults, Am J Respir Crit Care Med, 2004;169:1089-1095
2. ↑ McConnell R, Berhane K, Gilliland F et als. Asthma in exercising children exposed to ozone: a cohort study, Lancet, 2002;359:386-391
3. ↑ Yang Q, Chen Y, Shi Y, Burnett RT, McGrail KM, Krewski D, Association between ozone and respiratory admissions among children and the elderly in Vancouver, Canada, Inhal Toxicol, 2003;15:1297-1308
4. ↑ Jerrett M, Burnett RT, Pope CA et Als. Long-term ozone exposure and mortality, N Eng J Med, 2009;360:1085-1095
5. ↑ Ashmore, M.R., 2002. Effects of oxidants at the whole plant and community level. In: Bell, J.N.B., Treshow, M. (Eds.), Air Pollution and Plant Life, second ed. John Wiley and Sons, Chichester, pp. 89–118.
6. ↑ Pleijel, H., Danielsson, H., Embersson, L., Ashmore, M.R., Mills, Q., 2007. Ozone risk assessment for agricultural crops in Europe: further development of stomatal flux and flux-response relationships for European wheat and potato. Atmospheric Environment 41, 3022–3040.
7. ↑ Mills, G., Buse, A., Gimeno, B., Bermejo, V., Holland, M., Emberson, L., Pleijel, H., 2007. A synthesis of AOT40-based response functions and critical levels of ozone for agricultural and horticultural crops. Atmospheric Environment 41, 2630–2643.
8. ↑ Nataliya P. Didyk and Oleg B. Blum ; Review Natural antioxidants of plant origin against ozone damage of sensitive crops ; Acta Physiologiae Plantarum Volume 33, Number 1, 25-34, DOI:10.1007/s11738-010-0527-5 (Résumé)
9. ↑ K. Vandermeiren, H. Harmens, G. Mills and L. De Temmerman Impacts of Ground-Level Ozone on Crop Production in a Changing Climate ; Climate Change and Crops Environmental Science and Engineering, 2009, 213-243, DOI:10.1007/978-3-540-88246-6_10 (Accès au document)
10. ↑ Young, D.A.S., 1993. Ozone and wheat farming in Alberta: a micro-study of the effects of environmental change. Canadian Journal of Agricultural Economics 41, 27–43.
11. ↑ Fuhrer, J., Skärby, L., Ashmore, M.R., 1997. Critical levels of ozone effects on vegetation in Europe. Environmental Pollution 97, 91–106.
12. ↑ Holland, M., Kinghorn, S., Emberson, L., Cinderby, S., Ashmore, M., Mills, G., Harmens, H., 2006. Development of a Framework for Probabilistic Assessment of the Economic Losses Caused by Ozone Damage to Crops in Europe. Centre for Ecology and Hydrology, Bangor.
13. ↑ Holland, M., Kinghorn, S., Emberson, L., Cinderby, S., Ashmore, M., Mills, G. et Harmens, H. (2006). Development of a framework for probabilistic assessment of the economic losses caused by ozone damage to crops in Europe. Projet CEH n° C02309NEW. Centre pour l'écologie et l'hydrologie, Conseil de la recherche sur l'environnement naturel, Bangor, Pays de Galles (Accès au document)
14. ↑ Ollerenshaw, J.H., Lyons, T., 1999. Impacts of ozone on the growth and yield of fieldgrown winter wheat. Environmental Pollution 106, 67–72.
15. ↑ Feng, Z., Kobayashi, K., Ainsworth, E., 2008. Impact of elevated ozone concentration on growth, physiology, and yield of wheat (Triticum aestivum L.): a metaanalysis. Global Change Biology 14, 2696–2708
16. ↑ ^{a, b, c et d} ZhaoZhong Feng, Kazuhiko Kobayashi, XiaoKe Wang and ZongWei Feng ; A meta-analysis of responses of wheat yield formation to elevated ozone concentration ; Chinese Science Bulletin, 2009, Volume 54, Number 2, 249-255, DOI:10.1007/s11434-008-0552-6 (Résumé)
17. ↑ Kaliakatsou, E., et al., The impact of tropospheric ozone pollution on trial plot winter wheat yields in Great..., Environ. Pollut. (2009), doi:10.1016/j.envpol.2009.10.033 (Article complet)
18. ↑ Barnes, J.F., Velissariou, D., Davison, A.W., Holeves, C.D., 1990. Comparative ozone sensitivity of old and modern Greek cultivars of spring wheat. New Phytologist 116, 707–714.
19. ↑ Lea, P.J., 1998. Oxides of nitrogen and ozone: can our plants survive? New Phytologist 139, 25–26
20. ↑ Pleijel, H., Berglen Eriksen, A., Danielsson, H., Bondesson, N., Sellde´ n, G., 2006. Differential ozone sensitivity in an old and a modern Swedish wheat cultivardgrain yield and quality, leaf chlorophyll and stomatal conductance. Environmental and Experimental Botany 56, 63–71.
21. ↑ refSillman, S., 1999. The relation between ozone, NOx and hydrocarbons in urban and polluted rural environments. Atmospheric Environment 33, 1821–1845
22. ↑ LISA : Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques, France
23. ↑ Communiqué de presse (du 2008 10 30) (consulté 2009 01 04)
24. ↑ directive 2002/3/CE
25. ↑ rapport EEA n° 5 de 2007 cité ci-dessous
26. ↑ Voir carte 2.2 du rapport EEA 2008
27. ↑ Air pollution by ozone across Europe during summer 2007 (EEA Technical report No 5/2008, PDF, 6964 KB)

Voir aussi

Articles connexes

• Pollution de l'air, photochimie
• Ozone stratosphérique
• Ozone
• Dispositif anti-pollution.

Liens externes

• (fr) Ozone au niveau du sol et santé résumé de GreenFacts de rapports scientifiques de l'OMS
• http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/climatologie-1/d/lhistoire-de-lozone-revelee-par-des-spores-fossiles_16558/
• (fr) Questions-réponses sur le site d'Airparif