Bilan énergétique de la Terre et forçage radiatif du changement climatique
Lisez cet article pour en savoir plus sur le bilan énergétique de la Terre et sur le forçage radiatif du changement climatique.
Introduction:
Notre terre reçoit des rayons d'ondes courtes du soleil; un tiers est réfléchi et le reste est absorbé par l'atmosphère, les océans, la terre, la glace et le biote. L'énergie absorbée par le rayonnement solaire est équilibrée à long terme par le rayonnement sortant de la Terre et de son atmosphère.
Mais l'équilibre entre l'énergie absorbée et émise sous forme de rayonnement infrarouge à ondes longues peut changer en raison de nombreux facteurs naturels tels que la production d'énergie solaire, les lentes variations de l'orbite terrestre et les facteurs anthropiques provoquant l'effet de serre, le réchauffement climatique, l'hiver nucléaire et l'épuisement des ressources. couche d’ozone et trou d’ozone en Antarctique. L'absorption du rayonnement infrarouge est généralement appelée forçage radiatif.
Notre atmosphère est divisée en différentes couches horizontales. Chacun se caractérise par la pente de son profil de température. À partir de la surface de la Terre, ces couches s'appellent la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère. Dans la troposphère et la mésosphère, la température diminue avec l’altitude, alors que dans la stratosphère et la thermosphère, elle augmente avec l’altitude.
Les altitudes de transition séparant ces couches sont appelées tropopause, stratopause et mésopause. Plus de 80% de la masse de l'atmosphère et tous les nuages de vapeur d'eau et les précipitations se produisent dans la troposphère. À l'équateur, il peut atteindre environ 18 km, mais diminuer jusqu'à 10 à 12 km dans les latitudes moyennes et aux pôles, entre 5 et 6 km environ. Dans la troposphère, la température diminue normalement de 5 à 7 ° C par km.
Cette région est généralement très turbulente car il existe de forts mouvements verticaux qui entraînent un mélange rapide et complet de l'air. Ce mélange améliore la qualité de l'air car il diminue rapidement les différents polluants. Au-dessus de la troposphère se trouve le stratosphèse, qui est une couche stable d’air sec.
Les polluants qui pénètrent dans la stratosphère peuvent y rester pendant de nombreuses années avant d'être renvoyés dans la troposphère, où ils sont plus facilement dissipés et finalement éliminés par sédimentation ou précipitation. Dans la stratosphère, les rayons ultraviolets à ondes courtes sont absorbés par l'ozone (O 3 ) et l'oxygène (O 2 ), de sorte que l'air est chauffé. L'inversion de température qui en résulte provoque la stabilité de cette zone. La troposphère et la stratosphère représentent ensemble environ 99, 9% de la masse de l'atmosphère.
Après la stratosphère se trouve la mésosphère. Dans cette région, l'air se mélange également assez rapidement. Au dessus de la mésosphère se trouve la thermosphère. Dans la thermosphère, le chauffage est dû à l'absorption de l'énergie solaire par l'oxygène atomique. Dans la thermosphère, on trouve une bande dense de particules chargées, appelée ionosphère. Il reflète les ondes radioélectriques sur la Terre. Ainsi, avant l'invention des satellites, l'ionosphère était particulièrement importante pour les communications mondiales.
Effet de serre:
Les rayonnements solaires à ondes courtes ayant une longueur d'onde inférieure à 3 µm peuvent facilement traverser l'atmosphère, tandis que les rayonnements terrestres à ondes longues émis par la surface de la Terre (plus de 3 µm) sont partiellement absorbés par le nombre de gaz à l'état de traces présents dans l'atmosphère. Ces gaz traces sont appelés gaz à effet de serre. (GES).
Les principaux gaz à effet de serre sont le dioxyde de carbone (CO 2 ), le méthane (CH 4 ), l'oxyde nitreux (N 2 O), la vapeur d'eau et l'ozone (O 3 ) présents dans la troposphère et la stratosphère. Outre les gaz à effet de serre naturels des dernières décennies, les chlorofluorocarbures (CFC) et les autres hydrocarbures halogénés sont également ajoutés à la liste, en raison de diverses activités humaines.
Lorsque les rayonnements solaires ou les rayons cosmiques traversent l'atmosphère, ils sont affectés par divers gaz et aérosols présents dans l'air. Ces gaz peuvent laisser l’énergie rayonnante ou les rayons solaires traverser sans être affectés, ou les diffuser par réflexion, ou les arrêter en absorbant ces rayonnements.
De même, ces gaz absorbent également les radiations infrarouges sortantes (1R) émises par la surface de la Terre. La plupart des rayonnements thermiques à ondes longues émis par la Terre sont absorbés par les gaz à effet de serre radioactifs. La vapeur d'eau (H 2 O), qui est un gaz de serre très important, absorbe fortement les radiations thermiques inférieures à 8 µm et supérieures à 18 µm, ainsi que les bandes centrées à 2, 7 µm et 4, 3 µm.
On trouve une fenêtre atmosphérique de 7 à 12 µm qui constitue un ciel relativement dégagé pour les radiations terrestres sortantes. Les radiations dans ces longueurs d'onde traversent facilement l'atmosphère à l'exception d'une bande d'absorption faible mais assez importante comprise entre 9, 5 µm et 10, 6 µm, qui est associée à l'ozone. Tout le rayonnement solaire entrant avec une longueur d'onde inférieure à 0, 3 µm, c'est-à-dire que le rayonnement ultraviolet (UV) est absorbé par l'oxygène et l'ozone.
Cette absorption des rayons ultraviolets se produit dans la stratosphère, qui protège la surface de la Terre des rayonnements ultraviolets nocifs. Les gaz à effet de serre radioactifs et actifs absorbent la longueur d'onde supérieure à 4 µm. En raison de cette absorption, l'atmosphère est chauffée, ce qui renvoie ensuite de l'énergie à la terre et à l'espace, comme indiqué sur le schéma (fig. 1). Ces gaz à effet de serre agissent comme une couverture thermique autour du globe, augmentant la température de la surface de la terre.
Le terme effet de serre est basé sur le concept de serre conventionnelle en verre. Le verre transmet facilement les rayonnements solaires à ondes courtes à la serre et absorbe à peu près tout le rayonnement à ondes longues émis par l’intérieur de la serre. Ce piégeage des radiations est en partie responsable des températures élevées à l'intérieur de la serre. Une grande partie de cet effet est simplement due à la réduction du refroidissement par convection de l'espace intérieur provoquée par l'enceinte. Le chauffage de l’intérieur de votre voiture après un stationnement au soleil est un autre exemple simple d’effet de serre.
Si la terre n'avait pas d'effet de serre naturel, sa température moyenne serait de-19 ° C. On peut donc dire que l’effet de serre est responsable du réchauffement de la terre. Bien que l’effet de serre soit un phénomène naturel et qu’il soit présent depuis des temps immémoriaux, mais après la révolution industrielle, on peut dire que depuis les années 1950, en raison de l’industrialisation rapide, de l’exploitation forestière des forêts et de l’augmentation considérable du nombre de véhicules, etc. En serre, les gaz dans l’environnement sont multipliés par de nombreux plis en raison desquels la température de la terre augmente à un rythme beaucoup plus rapide. C’est un sujet de préoccupation majeur pour tous les pays développés et en développement.
Forçage radiatif du changement climatique:
Bien que l’effet de serre soit un phénomène naturel responsable de l’augmentation de la température de la terre à 34 ° C par rapport à ce qu’elle aurait été si l’atmosphère n’avait pas de gaz radioactifs. Il est tout à fait clair maintenant que les sources d’émission de nombreux gaz et aérosols d’origine humaine ont un effet sur l’effet de serre, ce qui entraîne une incertitude quant à la prévision du climat mondial futur. Comme le montre le modèle du flux énergétique moyen mondial
L'énergie solaire entrante absorbée par la Terre et son atmosphère est de 235 W / m 2, qui est équilibrée par 235 W / m 2 du rayonnement sortant des ondes longues. Si, pour une raison quelconque, une quantité supplémentaire d'énergie est ajoutée à l'énergie radiative entrante, cet équilibre sera temporairement perturbé. Toutefois, avec le temps, le système climatique s'adaptera à ce changement en augmentant ou en diminuant la température de surface de terre, jusqu’à ce que l’équilibre soit retrouvé. Mathématiquement, nous pouvons représenter le processus comme suit. Initialement, le système équilibré a une énergie solaire entrante absorbée égale (Qabs) et une énergie radiante sortante (Qrad)
Lorsque le système est perturbé par le forçage radiatif, c'est-à-dire AF (w / m 2 ), sur l'énergie absorbée entrante, un nouvel équilibre sera établi avec le temps, de sorte que
Ici, les deltas se réfèrent à des changements dans la quantité d'énergies absorbées et rayonnantes. En soustrayant 1 de 2 donne
Jusqu'à présent, nous avons décrit l'effet de serre comme un phénomène naturel en raison duquel la température moyenne de la Terre est 34 ° C plus élevée que si elle n'avait pas eu de gaz radioactifs dans l'atmosphère. Le concept de forçage radiatif du changement climatique peut s’appliquer à l’accumulation de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère, ce qui perturbe l’équilibre entre les radiations solaires entrantes et les radiations terrestres sortantes.
Il peut également être appliqué aux modifications des aérosols et des particules dues à des sources naturelles ou artificielles, à l'appauvrissement de la couche d'ozone dans la stratosphère, à l'accumulation d'ozone dans la troposphère d'origine photochimique et à la variabilité des rayonnements solaires atteignant l'atmosphère terrestre.
En raison de ces facteurs, des forçages positifs et négatifs sont possibles. Le forçage positif contribue au réchauffement climatique tandis que le forçage négatif contribue au refroidissement de la terre. Les gaz et les matières particulaires présents dans l'atmosphère sont capables d'exercer des effets de forçage radiatif directs et indirects.
Le forçage direct est causé par des substances dans l'atmosphère qui ont en fait été émises par une source. Les forçages indirects sont ceux qui se produisent lorsque ces substances causent d'autres changements atmosphériques qui affectent les propriétés radiatives de l'atmosphère.
Par exemple, les aérosols affectent directement le forçage en absorbant ou en réfléchissant le rayonnement solaire, alors qu'ils exercent également un effet indirect en induisant des modifications de l'albédo des nuages. De même, les hydrocarbures halogénés tels que les chlorofluorocarbones (CFC) exercent également des effets directs et indirects. L'effet direct des hydrocarbures halogénés est une augmentation du forçage radiatif, car ces gaz, à savoir le carbone et le fluor, le chlore et / ou le brome, absorbent les radiations terrestres à grandes ondes provenant de la Terre. Ils ont également un effet indirect en détruisant l'ozone (O 3 ) dans la stratosphère.
L'ozone étant absorbé par la fenêtre radiative atmosphérique de midi, la destruction de l'ozone ouvre la fenêtre et permet à la Terre de se refroidir plus facilement. Nous pouvons donc affirmer que l'effet direct des halocarbures contribue au réchauffement planétaire, alors que leur effet indirect de destruction de l'ozone aide à refroidir la planète. Le tableau ci-dessous résume les estimations actuelles du forçage radiatif dues aux effets directs et indirects des gaz à effet de serre, des aérosols, des particules et des radiations solaires.
Les contributions des halocarbures sont simplifiées dans cette figure, leur effet de refroidissement indirect associé à la destruction de l'ozone n'étant pas inclus dans les données. Si l'on inclut ces effets indirects, le forçage total des hydrocarbures halogénés devient en réalité inférieur à 11%. Nous allons maintenant discuter en détail de ces principaux gaz à effet de serre.
Dioxyde de carbone (CO 2 ):
Il s'agit d'un gaz à effet de serre majeur dont la proportion est la plus élevée, à savoir 50-60%, et représente près des deux tiers du forçage radiatif actuel. Les premières mesures précises et directes du dioxyde de carbone atmosphérique ont commencé en 1957 au pôle Sud et en 1958 à Monaloa, à Hawaii.
La concentration de CO 2 à cette époque était d’environ 315 ppm et augmentait presque au rythme de 1 ppm par an jusqu’à la moitié des années 80. Elle augmente maintenant au rythme d’environ 1, 6 ppm / an. Le CO 2 est extrait de l'atmosphère par les plantes au cours du processus de photosynthèse, comme indiqué dans cette équation
Au printemps et en été, la croissance des plantes est maximale. Le niveau de CO 2 diminue et atteint son point le plus bas vers octobre dans l'hémisphère nord. Dans la respiration, processus que les êtres vivants utilisent pour obtenir de l'énergie, l'équation ci-dessus est inversée. Dans la respiration, les molécules organiques complexes sont décomposées, ce qui ramène le carbone dans l'atmosphère.
En automne et en hiver, le taux de respiration dépasse le taux de photosynthèse. Il y a un remplacement net de carbone dans l'atmosphère qui résulte en une concentration maximale de CO 2 dans les hémisphères nord autour de mai. Ainsi, le carbone passe continuellement de l'atmosphère dans la chaîne alimentaire (lors de la photosynthèse) et retourne dans l'atmosphère (lors de la respiration).
La réaction pour la respiration est la suivante:
Les concentrations de CO 2 sont presque 30% plus élevées qu’avant la révolution industrielle.
Méthane (CH 4 ):
L'accumulation de méthane dans l'atmosphère représente 0, 47 W / m 2 de forçage radiatif, ce qui représente 19% du total des forçages de serre directs. À l'époque préindustrielle, la concentration de méthane dans l'atmosphère était d'environ 700 parties par milliard (ppb) pendant plusieurs centaines d'années, mais au XIXe siècle. sa concentration a augmenté rapidement. En 1992, il atteignait 1714 ppb, ce qui était presque deux fois et demie supérieur au niveau préindustriel.
Le méthane est un gaz naturel dans l'atmosphère mais sa concentration augmente rapidement en raison des activités humaines. Les sources naturelles de méthane sont les zones humides et les océans émettant 160 millions de tonnes de méthane par an, tandis que les sources anthropiques génèrent environ 375 millions de tonnes de gaz méthane. Environ 50% des émissions anthropiques de CH4 résultent de la production d'aliments destinés à la consommation humaine et environ 27% sont dues à l'utilisation de combustibles fossiles.
À mesure que la production alimentaire et énergétique augmentera pour répondre à la demande croissante de la population, les émissions de méthane continueront de représenter une fraction importante du forçage radiatif total. Le diagramme à barres ci-dessous (Fig. 3) illustre le pourcentage de contribution de différentes sources anthropiques d'émissions de méthane.
Le méthane a des effets directs et indirects sur le forçage radiatif. Comme le CH 4 a une durée de vie plus longue dans l'atmosphère, il continue d'absorber le rayonnement infrarouge plus longtemps, augmentant ainsi son potentiel de réchauffement planétaire. On craint également que, en raison du réchauffement climatique, une grande quantité de méthane actuellement gelée dans le pergélisol dans les régions les plus au nord du monde puisse être libérée et permettre la décomposition anaérobie des matières organiques gelées dans le pergélisol, produisant ainsi davantage de méthane. Le réchauffement dû à la libération accrue de méthane pourrait contribuer au réchauffement initial.
Protoxyde d'azote:
C'est un autre gaz à effet de serre d'origine naturelle dont la concentration a augmenté en raison des activités humaines. Avant l’époque industrielle, sa concentration était de 275 ppb. qui est actuellement de 312 ppb montrant 13% d’augmentation. L'oxyde nitreux est libéré dans l'atmosphère au cours du processus de nitrification du cycle de l'azote.
L'oxyde nitreux représente 6% du forçage radiatif. Les sources naturelles de N2O rejettent environ 9 millions de tonnes d’azote dans l’atmosphère par an, dont une grande partie provient des océans et des sols forestiers humides. Les sources artificielles contribuent pour environ 40% aux émissions totales de N 2 O, soit 5, 7 millions de tonnes par an (GIEC, 1995), ce qui est principalement dû à l’agriculture tropicale.
La conversion de terres forestières en prairies et l’utilisation d’engrais azotés sur les terres cultivées sont les principales sources d’émission de N 2 O. D'autres sources sont la combustion de carburants contenant de l'azote, des convertisseurs catalytiques à trois voies dans les voitures et de nombreux procédés industriels tels que la production de nylon. Le N 2 O a également une longue durée de vie dans l'atmosphère estimée à environ 120 ans, ce qui signifie que des perturbations dans son cycle naturel auront des répercussions à long terme. Il se dégrade lentement dans la stratosphère par photolyse.
Halocarbures:
Ce sont des molécules à base de carbone contenant du chlore, du fluor ou du brome. Ce sont de puissants gaz à effet de serre. Celles-ci sont également très importantes sur le plan environnemental car elles contribuent au réchauffement de la planète et également à la présence d'atomes de chlore et de brome qui pénètrent dans la stratosphère et ont la capacité de détruire l'ozone dans cette couche. Les halocarbures comprennent les chlorofluorocarbures. (CFC) et les hydrochlorofluorocarbures (HCFC).
Les CFC sont non toxiques, non réactifs, ininflammables et insolubles dans l'eau. En raison de leur nature inerte, ils ne sont pas détruits par des réactions chimiques ni retirés de la troposphère par les pluies. Ils ont donc une longue durée de vie dans l'atmosphère. Ils ne peuvent être éliminés que par photolyse, c'est-à-dire par décomposition par rayonnement solaire à ondes courtes, qui ont lieu lorsque les molécules atteignent la stratosphère.
Mais le chlore libéré par la photolyse de CFC détruit l'ozone stratosphérique. Afin d'éviter cet appauvrissement de la couche d'ozone stratosphérique, des HCFC sont introduits à la place des CFC. L'addition d'hydrogène brise leur inertie et est détruite par des réactions chimiques dans la troposphère avant d'être entraînée dans la stratosphère. Mais ils ont encore un potentiel sonore pour
appauvrir la couche d'ozone. Les hydrocarbures fluorés (HFC) ne contiennent pas de chlore, ils sont donc encore meilleurs que les HCFC.
Les halons contiennent du brome qui est également un élément destructeur de l'ozone. Ce sont des molécules très stables qui ne se décomposent pas dans la troposphère. Ils ne libèrent donc ce brome qu’après avoir atteint la stratosphère et sont cassés par photolyse. Ils sont utilisés dans les extincteurs.
Ozone (O 3 ):
L'ozone a une bande d'absorption puissante à 9 µm, c'est-à-dire au milieu de la fenêtre atmosphérique, ce qui en fait un gaz de serre important. C'est l'un des principaux gaz du smog photochimique, car la production de smog est associée à une industrialisation majeure, de sorte que sa concentration est davantage concentrée dans les pays développés. c'est-à-dire dans l'hémisphère nord que dans l'hémisphère sud.
Leur concentration varie également de façon saisonnière, avec des concentrations plus élevées en été, à mesure que les mois d'été dynamisent la formation d'ozone. Le forçage radiatif de l'ozone troposphérique est également très incertain et se situe entre 0, 2 et 0, 6 w / m 2 . Les concentrations d'ozone stratosphérique sont en baisse en raison d'attaques de chlore et de brome libérées par les CFC et les halons exposés aux rayons UV.
Selon une estimation, la perte d'ozone stratosphérique est associée à un forçage négatif moyen d'environ -0, 1 w / m 2 avec un facteur d'incertitude de 2. L’appauvrissement de la couche d’ozone résulte indirectement de l’utilisation de CFC et de halons. Ce forçage négatif tend donc à compenser un forçage positif provoqué par l'émission d'halocarbures. Comme après le Protocole de Montréal, les émissions de CFC et de halons dans l'atmosphère ont été réduites, on s'attend à ce que l'ozone commence à se reconstituer au cours des prochaines années et que ce forçage négatif diminue.
Nous voyons ainsi que le forçage radiatif de ces gaz à effet de serre affecte la température et le climat de la planète. Le forçage positif augmente la température tandis que le forçage négatif diminue de la même manière. Comme nous en avons discuté, ces phénomènes sont non seulement des phénomènes naturels, mais aussi des activités humaines. Nous devons donc réfléchir à deux fois avant d’utiliser cette technologie, qui contribue à l’augmentation des gaz à effet de serre et au réchauffement de la planète entraînant des changements climatiques.
Gaz à effet de serre et climat mondial:
L’augmentation de la concentration de CO 2 mesurée à l’observatoire de Maunalao à Hawaii en 1958, passant de 315 ppm à 345 ppm en 1985, est principalement due à deux activités humaines principales, à savoir la combustion de combustibles fossiles à une vitesse alarmante et la destruction du couvert forestier considéré comme du CO 2 évier de la planète. Comme le montre la figure (19), la consommation de charbon et de pétrole a considérablement augmenté au cours des dernières années (19). Augmentation du niveau de CO 2, effet immédiat sur la hausse de la température mondiale. En outre, comme nous en avons déjà discuté, le niveau de CO 2 des gaz à effet de serre (GES) augmente également.
Selon le rapport de la NASA, l'augmentation des CFC est d'environ 5% par an, tandis que celle du méthane est d'environ 1% par an. Si l'augmentation des gaz à effet de serre a lieu au taux actuel, le point de doublement de chacun de ces gaz contribuant à l'effet de serre se situera vers 2030. Bien que l'effet des gaz à effet de serre sur le climat soit lent et imperceptible immédiatement, il a L’impact sur le changement climatique devient alarmant et irréversible. Le pourcentage d'émissions de gaz à effet de serre de 12 grands pays est donné dans le graphique (fig. 5).
Il est intéressant de noter que les pays développés sont les principaux contributeurs aux émissions de GES et que la contribution des pays en développement ne représente que 15%. bien que près de 75% de la population mondiale soit encore en vie dans les pays en développement du tiers monde. Jusqu'à récemment, la plupart des gaz à effet de serre étaient émis et éliminés de la troposphère par les principaux cycles biogéochimiques de la Terre, sans aucune activité humaine, mais après la révolution industrielle, en particulier depuis 1950, nous avons introduit d'énormes quantités de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. On s'inquiète de plus en plus maintenant que ces GES peuvent renforcer l'effet de serre naturel et entraîner le réchauffement de la planète.
Les impacts possibles du réchauffement climatique sont les suivants:
(i) Hausse du niveau de la mer:
En raison de l'expansion thermique de la mer provoquée par le réchauffement de la planète, il se produira une fonte des glaciers de montagne, des calottes glaciaires du Groenland et des plaques d'Antarctique, ce qui entraînera une élévation du niveau de la mer.
ii) Rendement des cultures:
En raison de l'augmentation du niveau de CO2, les rendements des cultures devraient augmenter, même si d'autres facteurs pourraient réduire ces effets.
iii) santé humaine:
Dans les décennies à venir, alors que le monde se réchauffera, le nombre de personnes susceptibles de contracter des maladies tropicales augmentera.
(iv) Bilan hydrique:
En dépit de l'élévation du niveau de la mer à l'avenir, le monde plus chaud connaîtra une crise de l'eau dans certaines régions, tandis que d'autres seront plus humides qu'aujourd'hui. De cette façon, l'équilibre de l'eau sera perturbé. Les impacts globaux sont décrits ci-dessous (fig. 6).
Appauvrissement de la couche d'ozone et problème de radiation:
L'ozone est présent dans l'atmosphère en petites quantités. C'est un gaz à l'odeur piquante de couleur bleue. Au sol, en moyenne, chaque centimètre d’air contient environ 10 à 19 molécules de gaz dont la concentration en ozone est proche de 0, 1 ppm. Près de 90% de l'ozone atmosphérique se trouve dans la stratosphère. L'ozone est constamment produit et détruit dans la stratosphère. Mais de nombreux gaz à l'état de traces polluants comme le NO, le NO 2, le CI, etc., qui pourraient facilement réagir avec l'ozone, se frayent un chemin vers la stratosphère et réagissent avec l'ozone pour produire de l'oxygène. C'est ce qu'on appelle communément «l'appauvrissement de la couche d'ozone».
En raison de cet appauvrissement de la couche d'ozone dans la stratosphère, les rayons ultraviolets du soleil atteignent facilement la Terre, la couche d'ozone servant de bouclier protecteur. Ces rayons UV ont des effets néfastes sur notre santé, nos écosystèmes, les systèmes aquatiques et la végétation, etc. Selon une estimation réalisée entre 1969 et 1988, l’appauvrissement de la couche d’ozone dans l’hémisphère nord aurait atteint de 3 à 5%.
Généralement, il existe 3 manières principales d'appauvrissement de la couche d'ozone dans la stratosphère. Ceux-ci sont:
(i) Système à hydrogène
(ii) système d'azote et
(iii) Système de chlore
i) Système hydrogène (système OH):
Ce système ne détruit que 10% de l'ozone.
La réaction se voit au dessus de 40 km au dessus de la croûte terrestre. Elle se présente comme suit :
OH peut également être formé par l'oxydation du méthane
ii) Système à l'azote (système à N 2 O):
Ce système détruit 60% de la couche d'ozone. Le N 2 O qui est produit dans les océans et les sols par l'action bactérienne de micro-organismes se diffuse vers le haut dans la stratosphère et y réagit avec le "0" en présence de lumière pour produire du NO qui détruit ensuite l'O 3 .
Les réactions de ce processus sont les suivantes:
(iii) Système de chlore (système CFCI 3 ou CF 2 CI 2 ):
Le chlore neutre détruit très peu l’ozone, mais les chlorofluorocarbures (CFCI) et les autres halocarbures sont les principaux destructeurs de l’ozone. Ces composés restent inertes dans la troposphère mais se dissocient dans la stratosphère.
Les réactions sont les suivantes:
Nous voyons ainsi que ces processus conduisent à l'appauvrissement de la couche d'ozone dans la stratosphère. À la fin des années 1980, des satellites et des ballons ont montré que la zone appauvrie en O 3 s'étend à l’ensemble de l’Antarctique. L'épuisement est principalement concentré entre 12 et 14 km d'altitude, couvrant une grande partie de la basse stratosphère sous ces latitudes.
Ce trou d’ozone se développe chaque année au mois d’août et de septembre. La cause d'un trou dans la couche d'ozone est une question controversée. Mais un consensus commun est qu'une séquence d'étapes est responsable de l'efficacité peculuar avec laquelle le chlore détruit l'ozone au-dessus de l'Antarctique. L’appauvrissement de la couche d’ozone est une source de préoccupation majeure en raison de son rôle de filtre des rayons ultraviolets du soleil. La bande de rayonnement ultraviolet marquée UV-C (2, 0 x 2, 9 x 10 -7 nm) est éliminée par l'atmosphère.
Cette bande UV-C est mortelle pour les microorganismes et peut détruire les acides nucléiques et les protéines. La protection contre les UV-C est entièrement due à son absorption par l'ozone. Une bande de rayonnement ultraviolet comprise entre 2, 9 × 10 -7 nm et 3, 2 × 10 -7 est plus importante qu'une autre appelée «rayonnement UV biologiquement actif ou UV-B». B: et. Les rayons UV-B ont des effets nocifs sur l'homme, ainsi que sur les plantes et les animaux. Nous allons maintenant discuter en détail des effets nocifs des UV-B sur les êtres humains, les plantes et les animaux et sur notre environnement.
i) sur la santé humaine:
L'effet le plus nocif est que l'incidence des cancers de la peau est augmentée par les rayons UV-B. Les deux preuves en faveur de ceci sont: (i) le cancer de la peau est principalement la maladie des personnes à la peau blanche et la mélanine à pigment noir est connue pour être le filtre efficace des UV-B. La deuxième preuve provient de l'épidémiologie, à savoir l'étude des facteurs qui influencent l'apparition de la maladie dans la population humaine. Le mélanome, une forme particulière de cancer de la peau, est signalé dans de nombreuses régions où le taux de mortalité est élevé.
Il affecte les jeunes bien que d'autres formes de cancer de la peau surviennent principalement chez les personnes relativement âgées. Ces cancers sont pénibles mais généralement traités avec succès. La fréquence des mélanomes est en augmentation au cours des dernières décennies dans toutes les populations à peau blanche. Des études suggèrent que le mélanome est associé à une exposition élevée aux UV-B.
Selon une étude menée par l'EPA, chaque diminution de 1% de la colonne d'ozone peut entraîner une augmentation de 3% de l'incidence des cancers de la peau autres que le mélanome. L'exposition aux rayons ultraviolets biologiquement actifs (UV-B) peut également avoir des effets nocifs directs sur le corps humain, ces radiations ayant tendance à supprimer le système immunitaire. Les rayons UV-B causent également des dommages à nos yeux.
ii) sur les plantes terrestres:
La plupart des plantes terrestres sont adaptées aux niveaux actuels de rayonnement visible et on en sait peu sur les effets de l'augmentation du rayonnement UV-B chez les plantes. La plupart des études sur les effets d'une augmentation du rayonnement UV-B se concentrent sur les plantes cultivées et plus de 300 espèces ont été examinées jusqu'à présent, dont environ les deux tiers montrent une certaine sensibilité aux rayonnements bien que le degré de sensibilité pour différentes espèces et même pour différents cultivateurs. des mêmes espèces varient considérablement.
Les symptômes de sensibilité induisent une croissance réduite des plantes, des feuilles plus petites, une réduction de l'efficacité de la photosynthèse et une réduction du rendement en graines et en fruits. Dans certains cas, des modifications de la composition chimique des plantes sont également observées, affectant la qualité de leurs aliments. Bien que peu de données soient disponibles sur l’effet des radiations UV-B sur la végétation forestière, elles suggèrent que l’augmentation des niveaux d’UV-B pourrait également affecter la productivité des forêts.
Il est également suggéré qu'une réduction de la croissance des plantes induite par les rayons ultraviolets biologiquement actifs (UV-B) pourrait perturber le délicat équilibre trouvé dans les écosystèmes naturels, de sorte que la distribution et l'abondance des plantes puissent être affectées.
(iii) sur les écosystèmes marins:
La vie dans les océans est également vulnérable aux rayons UV. Il est évident que le rayonnement UV-B solaire ambiant est également un facteur limitant important dans les écosystèmes marins, bien qu’il ne soit pas aussi important que la lumière visible ou la température des niveaux de nutriments. L’impact du rayonnement UV-B accru dépend de la profondeur à laquelle il pénètre. Dans les eaux claires, il fait plus de 20 m, mais dans les eaux peu claires, il n’est que de 5 m.
Les rayons ultraviolets-B renforcés ont montré qu'ils endommageaient de nombreuses espèces de petits organismes aquatiques, zooplanctons, crabes et crevettes larvaires et poissons juvéniles. Dans le phytoplancton, la réduction de la photosynthèse est observée en raison des rayons UV.
(iv) Sur le climat:
Notre principale préoccupation est liée au rôle majeur joué par Ozone dans la température atmosphérique. Avec le cycle créatif et destructeur du cycle de l'ozone, il se produit une absorption globale du rayonnement solaire, qui est finalement libéré sous forme de chaleur dans la stratosphère. Cela réchauffe la stratosphère et provoque une inversion de température lors de la tropopause. En effet, il n'y aurait pas de stratosphère sans la couche d'ozone. Ainsi, un appauvrissement en ozone stratosphérique refroidirait cette région et modifierait dans une certaine mesure la structure de la température de la stratosphère.
Radiations atmosphériques et hiver nucléaire:
Les particules et les aérosols exercent une influence sur le climat en perturbant le flux de radiations solaires dans le système atmosphérique terrestre. Cette atténuation ou réduction du rayonnement solaire due à la présence de particules et d'aérosols dans l'atmosphère est une indication de la turbidité atmosphérique, propriété associée à la formation de poussière ou de saleté dans l'atmosphère.
Lorsque le rayonnement frappe un aérosol dans l'atmosphère, alors si la particule est optiquement transparente, l'énergie rayonnante le traverse sans être altérée et aucun changement ne se produit dans le bilan énergétique de l'atmosphère. Généralement, le rayonnement est réfléchi, diffusé ou absorbé et la proportion de réflexion, de diffusion ou d'absorption dépend de la taille, de la couleur et de la concentration des particules dans l'atmosphère, ainsi que de la nature même du rayonnement. Les particules ou les aérosols, qui diffusent ou réfléchissent le rayonnement, augmentent l'albédo de l'atmosphère et réduisent la quantité de rayonnement solaire parvenant à la surface de la Terre.
Les aérosols ou les particules qui absorbent le rayonnement ont un effet opposé et augmentent la quantité de rayonnement solaire entrant. Chacun de ces processus a le potentiel de modifier le bilan énergétique de la Terre en modifiant leur trajectoire de rayonnement dans l'atmosphère. En plus de perturber l'écoulement du rayonnement solaire entrant, la présence d'aérosols a également un effet sur le rayonnement terrestre.
La surface de la Terre étant à un niveau d'énergie inférieur émet de l'énergie à l'extrémité infrarouge du spectre. Les particules et les aérosols tels que la suie, le sable et les particules de poussière libérées dans la couche limite absorbent facilement les radiations infrarouges, en particulier si elles ont un diamètre supérieur à 1, 0 µm. En conséquence, la température dans la troposphère a tendance à augmenter. De grands volumes de particules sont libérés dans l'environnement par le biais de processus naturels tels que les éruptions volcaniques.
Les particules libérées sont évacuées des sites sources par les pressions du vent et de l'air de la circulation atmosphérique vers des lieux très éloignés. Les activités humaines ne produisent que 15 à 20% de particules et la principale source de ces matières est la guerre. Par exemple, lors de la guerre du Golfe en 1991, plus de 600 puits de pétrole ont été incendiés par les forces irakiennes. Ces puits ont continué à brûler pendant plusieurs mois.
Au cours de cette période, d’énormes quantités de fumée, de SO 2, de CO 2, d’hydrocarbures non brûlés et de nitrates sont rejetées dans l’environnement. La majeure partie de cette matière est restée dans la moitié inférieure de la troposphère à moins de 5 km de la surface de la terre. Au cours des cinquante dernières années environ, malgré les accords entre les superpuissances visant à limiter l’utilisation des armes nucléaires, leur utilisation continue dans la plupart des pays.
Les retombées et les radiations ionisantes de ces armes polluent l’atmosphère à un rythme alarmant. Une nouvelle possibilité d’hiver nucléaire s’est également ajoutée à cette bataille moderne de la suprématie, qui constitue peut-être le coup de grâce pour les survivants des échanges nucléaires. L'hypothèse de l'hiver nucléaire est basée sur l'hypothèse que la fumée et les poussières libérées dans l'atmosphère pendant la guerre nucléaire augmenteraient la turbidité atmosphérique à un point tel qu'une grande partie du rayonnement solaire entrant ne pourrait atteindre la basse atmosphère et la surface de la Terre. Donc, la température de la terre va chuter brusquement.
Il est probable que la végétation des régions tropicales subirait des dommages importants. Les plantes tropicales s'épanouissent dans des températures douces et subtiles. Ils sont susceptibles de baisser modérément les températures et incapables de développer une résistance au froid comme le font les plantes tempérées. En cas de basses températures et de faible luminosité en hiver nucléaire, ils pourraient disparaître dans ces régions. Outre les dommages causés à la végétation dans l'écosystème naturel, les plantes cultivées seront également endommagées.
Tropical crops like rice, maize, banana etc. are usually damaged by temperature falling to 7-10°C for even a few days and moderate chilling would be sufficient to cause crop failure. We are already facing the problem of crop shortage which would be aggravated by nuclear winter.
In addition to these atmospheric effects of low temperatures, low light levels and violent storms, we would also face continued radioactive fallout, high levels of toxic air pollution and increase in ultraviolet radiation. All these impacts along with shortage of food and drinking water would make life highly stressful and hazardous. So to save our future and the life of coming generations it is essential that necessary steps should be taken for curbing wars and promoting the world peace not only for the sake of humanity but also to protect our environment.
Radiation and Global Warming:
Our climate system includes the atmosphere, the hydrosphere the lithosphere and the biosphere. These are all interrelated and disturbance in one affects the other. In the atmosphere CO 2 and water vapours strongly absorb infrared radiation (in the wavelength of 14000 to 25000 nm) and effectively block a large fraction of earths emitted radiations.
The radiation thus absorbed by CO 2 and water vapours ie H 2 O is partly emitted to the earth's surface causing global warming. Soot or black carbon absorbs solar radiation directly and causes 15-30% heating of earth. The International Panel On Climate Change (IPCC) in their first assessment report concluded that the earth's lower level temperature would increase on an average between 2°C to 6°C by the end of next century, which will have very disastrous consequences.
We have observed in the past century that the decade of nineties have been the warmest in the northern hemisphere. The radiation changes and volcanic activity are considered as the main cause of hot years of nineties especially 1990, 1994, 1997, and 1998. In 1998 Europe and Japan experienced the scorching heat. In London it was the driest summer in 300 years and Germany experienced the hottest summer ever.
In Japan the drought was so severe, that thousands of factories were closed there. Due to the rise in temperature the ice at poles melt much rapidly resulting in the rise in sea level. In warm climate snow and ice cover of earth tends to decrease. As snow and ice are good reflectors of incoming radiation, therefore a decrease in snow and ice will increase absorption of radiation and enhance the warming of earth. As the temperature increases soil becomes dry and dust and particulate matter easily go into the atmosphere.
IPCC claims that by 2100 AD the sea level will rise by 30-110cm if our present energy consumption pattern continues as such. The rise in sea level will have serious impacts. Many densely populated areas could be flooded, severe erosion of coastal areas could occur, intrusion of salt water in land areas would salinize many potable ground waters and over 30% of cropland would lose productivity. There is a possibility that in Indian and Pacific ocean many beautiful islands like Maldives, Marshall island, Tonga, Tavalu etc. would be wiped out. Many low lying coastal areas would be at stake.
Other effects include slowing of thermohaline circulation, depletion of ozone layer, intense hurricanes, lowering of pH of seawater and spread of infections and diseases like dengue fever, bubonic plague, viral infections and many other bacterial diseases in people. Besides there would be danger of extinction of many plant and animal species.
Global warming will cause warmer temperatures in some regions and also dryness in some areas, so there will be dislocations that would go beyond control of any modern society. No continent has been spared from adverse effects of global warming.
Some repercussions of global warming in the previous two decades are reflected in the form of following consequences:
1. The mean sea level has risen by 15 cm.
2. At Antarctica melting of ice has reduced the population of Adelie Penguins by one third in last 25 years.
3. Australia had experienced its worst drought in 2003, which was due to Elnino effect ie the warming of the equatorial Pacific Ocean.
4. New York experienced driest July in 1999 with temperature raising above 35°C for nearly 15 days.
5. In Tibet, warmest days temperatures were recorded in June 1998, in Lhasa with temperature exceeding 25°C for almost the whole month.
6. In Spain in 2006 severe drought was experienced and more than 306, 000 hactare of forests went up in flames
7. According to the United Nations Environment Programme (UNEP) reports the Arctic Permafrost is melting due to global warming and releasing carbon and methane locked in it.
8. Himalayan glaciers are receding at an alarming rate. These are origin of most of the rivers of North India. The Gangotri glacier is a major source of mighty Ganga, and tributaries of Ganga constitute the lifeline of hundreds of millions of people living in Gangetic basin. According to one report of International Commission for Snow and Ice, the Gangotri glacier is receding 20- 30 metres per year and had lost about one third of its 13 km length. Drying of this glacier means drying of Ganga which will have devastating consequences for the people of Gangetic basin.
