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TXL-6014 Perturbations globales des cycles biogéochimiques II: le réchauffement global/ l’appauvrissement de la couche d’ozone Bernadette Pinel-Alloul Université de Montréal 6 octobre 2005

TXL-6014 Perturbations globales des cycles biogéochimiques II: le réchauffement global/ lappauvrissement de la couche dozone Bernadette Pinel-Alloul Université

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  • TXL-6014 Perturbations globales des cycles biogochimiques II: le rchauffement global/ lappauvrissement de la couche dozone Bernadette Pinel-Alloul Universit de Montral 6 octobre 2005
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  • Plan de cours Rchauffement global/GES Leffet de serre: un phnomne ncessaire la vie sur terre Les gaz effet de serre et leurs proprits radiantes: le dioxyde de carbone (CO 2 ), le mthane (CH 4 ), loxyde nitreux (N 2 O), les CFCs Les modles climatiques: comment sont-ils construits? Le climat de demain
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  • Plan de cours (suite) Les impacts sur lenvironnement lvation du niveau des mers impacts au niveau de la cryosphre les provinces coclimatiques
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  • 1.Leffet de serre: un phnomne naturel indispensable la vie sur Terre
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  • Le systme climatique Radiation solaire Albedo
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  • Facteurs rgissant le climat Radiation solaire (albedo) et cycles solaires Composition de latmosphre (GES, arosols, vapeur deau) Volcanisme (CO 2, arosols) Prsence des glaces polaires et des banquises changes radiatifs avec les ocans et courants ocaniques Gulf stream, Labrador, el Nino, la Nina, etc) changes radiatifs avec les continents et utilisation des terres (feu, dboisement, agriculture) missions anthrophiques de GES transports, utilisation des combustibles fossiles, CFCs
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  • Thermosphre Troposphre Stratosphre Msosphre Source: NASA Structure verticale de latmosphre terrestre
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  • Source: NASA Tropo- Mso- Strato- Structure verticale de latmosphre terrestre Gradient thermique Couche dozone Absorption des UVs Gradient thermique Remission des IRs
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  • Composition de la troposphre Non - 1,8210 -3 % Hlium - 5,2410 -4 % Krypton - 1,1410 -4 % Xnon - 8,710 -6 % + 1 3% (v/v) vapeur deau Mthane (CH 4 ) Oxyde nitreux (N 2 O) Ozone (O 3 ) < 0.1% GES
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  • L effet de serre: un phnomne naturel 342 W m -2 168 W m -2 Absorption UVs PAR: 450-600 nm
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  • Absorption des UVs Rflection des Infra-Rouges
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  • Climats plantaires
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  • 2. Le rchauffement global la surface de la Terre: une ralit?
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  • Variations long terme de la temprature la surface de la Terre Priodes glaciaires Priodes inter-glaciaires
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  • Variations GES Millnaire 400 ans stabilit Augmentation GES Fin 1800
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  • Entre 90 et 98: croissance annuelle de 1,3% de l utilisation d nergie primaire croissance annuelle de 1,6% dans les pays dvelopps croissance annuelle de 2,3 5,5% pour les pays en voie de dveloppement diminution de 4,7% dans les pays en voie de transition vers l conomie de march (industriel vers service)
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  • Au cours du 20e sicle, la temprature moyenne la surface du globe a augment de 0,60,2C Globalement, il est fort probable que les annes 1990 soient la dcennie la plus chaude depuis 1861, et 1998 l anne la plus chaude Moyenne 1961-1990 Hmisphre nord
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  • 3. Les gaz effet de serre et leurs proprits radiantes
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  • Exemples de GES affects par les activits anthropiques Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
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  • Potentiel de rchauffement des principaux GES par rapport au CO 2 Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
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  • Contribution de chacun des GES au forage anthropique Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 1990 55% 15% 6% 17% 7% CO 2 Autres CFC CFC 11 et 12 Mthane N2ON2O
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  • Augmentation [CO 2 ] atmosphre = moiti du taux des missions de combustibles carbons Post-glaciaire Pr-industriel Post-industriel 500 millions annes 25 millions annes 400 mille annes
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  • Le cycle du carbone: les perturbations anthropiques Fig. 2. Budgets globaux de CO 2 (en PgC/an). Les valeurs rvises (IPCC, 2001) des principaux flux sont en rouge: les valeurs positives indiquent les flux vers l atmosphre; les valeurs ngatives indiquent une prise en charge du CO 2 partir de l atmosphre (source: IPCC, 2001). 6.30.4 -1.70.5 -1.40.7 Puits de carbone Squestration
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  • Ocan=puits de carbone Fig. 5. Profils verticaux des concentrations de CO 2 au niveau de l Atlantique nord la station GEOSECS 37 et au niveau du Pacifique nord au niveau de la station GEOSECS 214 (source: Mann et Lazier, 1991). Fig. 4. Circulation thermohaline dans l ocan Atlantique. Squestration Carbone Eaux profondes
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  • Cycle terrestre du carbone Fig.6. Cycle du carbone terrestre. Par rapport au cycle du carbone ocanique, une grande partie du cycle du C se droule localement, au sein des cosystmes. =turnover pour les diffrentes composantes de la matire organique du sol (source: IPCC, 2001). Humus Production primaire Dcomposition Carbone fossile Combustibles fossiles missions anthropiques
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  • Concentrations atmosphriques de CH 4 400 mille annes cycles de priodes glaciaires et interglaciaires Post-glaciaireMillnaire Centennaire Taux de changement
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  • Concentrations atmosphriques de N 2 O Millnaire Centennaire
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  • Les CFC sont non seulement de puissants gaz effet de serre, mais aussi des destructeurs trs efficaces d ozone En vertu du Protocole de Montral (1987) bannissement de ces substances appauvrissant la couche d ozone (SACO) Les CFCs Produits de synthse augmentation x 5 en 40 ans
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  • Substituts des CFCs Les hydrochlorofluorocarbures (HCFC) et les hydrofluorocarbures (HFC) sont les produits de remplacement des CFCs Les HCFC et les HFC sont tous des gaz effet de serre (GES) et leur contribution au rchauffement global pourrait tre encore plus nuisible l environnement que leurs effets sur l ozone Augmentation trs importante depuis 1990
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  • Forage radiatif moyen du climat pour l anne 2000, comparativement 1750 Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
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  • 4. Les modles climatiques et les diffrents scnarios d mission
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  • Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001 Complexification des modles climatiques
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  • Fig. 1. Estimations des tempratures annuelles moyennes la surface de la Terre (source: IPCC, 2001). Les modles climatiques sont-ils fiables? Facteurs naturelsFacteurs anthropiques Tous les facteurs naturels et anthropiques Meilleur ajustement
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  • Les diffrents scnarios d mission Fig. 2. Diffrentes directions des scnarios SRES ( Special Report on Emissions Scenarios ) pour divers indicateurs (source: IPCC, 2001).
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  • Projections des missions des GES
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  • Fig. 4. Projections des concentrations atmosphriques de dioxyde de carbone, CO 2 (haut), de mthane, CH 4 (milieu) et d oxyde nitreux, N 2 O (bas) rsultant des six scnarios d missions du SRES ( Special Report on Emissions Scenarios ) (source: IPCC, 2001). Meilleurs scnarios B1, A1T, B2 Pires scnarios A1F1, A1B
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  • 5. Le climat de demain
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  • Selon l IPCC l augmentation de la temprature la surface du globe, d ici 2100 va se situer entre 1,4C et 5,7C Fig. 1. Projections de l IPCC (2001). L enveloppe 1 correspond au rchauffement (par rapport 1990) calculs en appliquant un modle climatique l ensemble des scnarios d mission; l enveloppe 2 en appliquant plusieurs modles. 1 2 Pr-industriel Post-industriel projections
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  • Fig. 2. Rchauffement prvu pour les scnarios d missions A2 (haut) et B2 (bas) comparant les tempratures moyennes pour la priode 2071-2100 celles de 1961-1990 (source: IPCC, 2001). Rchauffements majeurs jusqu 6-8 degrs en zones polaires arctiques Scnario A2 Scnario B2
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  • Fig. 3. Modifications du ruissellement annuel moyen en 2050 (2041- 2070) compar la priode 1961-1990, selon deux modles de circulation gnrale atmosphre-ocan du Hadley Centre (UK Met Office), pour un scnario d augmentation 1% par an de la concentration effective du CO 2 (source: IPCC, 2001). Ruissellement annuel Scnario daugmentation 1% de CO2 par an Scheresse Fonte des glaces ouragans inondations
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  • 6. Les impacts sur l environnement
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  • Fig. 3. Projections des variations du niveau moyen des mers de 1990 2100 selon les diffrents scnarios d missions envisags (source: IPCC, 2001). lvation du niveau des mers 0.2 0.8 m
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  • Fig. 4. A) Anomalies de la couverture neigeuse mensuelle dans l hmisphre nord (incluant le Groenland) entre novembre 1966 et mai 2000; B) Anomalies saisonnires de la couverture de neige (en millions de km 2 (ligne continue) en fonction des anomalies de tempratures en C (ligne pointille). Anomalies de la couverture de neige Baisse depuis 1990 Glaces du Groenland Bonne corrlation avec hausse de temprature
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  • Fig. 5. Anomalies mensuelles de l tendue des glaces de mer, de 1973 2000 (comparativement la moyenne calcule entre 1973 et 1996) au niveau de l Arctique (source: IPCC, 2001). Fig. 6. Variation de l paisseur moyenne de la glace pour diffrentes rgions du globe entre la priode de temps allant de 1958 1976 et celle allant de 1993 1997 (source: IPCC, 2001). Baisse depuis 1980 Glaces de mer surface paisseur (-1 2 m)
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  • Fig. 7. Localisation des impacts physiques et biologiques lis aux changements climatiques et rapports dans la littrature scientifique contemporaine (source: IPCC, 2001).
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  • Les provinces coclimatiques au Canada Fig. 8. Rpartition des provinces coclimatiques au Canada: a) l heure actuelle; b) telle que prvues par suite du doublement de la concentration atmosphrique de dioxyde de carbone, l aide du modle du Goddard Institute for Space Studies (source: Environnement Canada, 2003).
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  • Impacts au niveau de l agriculture Fig. 9. Variations des des rendements de divers cultures suivant les diffrents scnarios climatiques (avec ou sans adaptation agronomique) (source: IPCC, 2001). Mas BlRiz
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  • Les CFC, la couche dozone et le rayonnement UV
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  • Plan de cours Dpltion de la couche dozone/CFCs Cycle de lozone stratosphrique Variations spatio-temporelles de l ozone stratosphrique Les craintes entourant l intgrit de la couche d ozone Les facteurs responsables de la destruction de la couche d ozone Les impacts environnementaux
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  • Mesure de lozone atmosphrique Spectophotomtre Brewer Units Dobson Maximum Stratosphre 10 ppm Colonne d`ozone correspondant 3 mm niveau de la mer
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  • Source: NASA Rpartition verticale de lozone Maximum Stratosphre 10 ppm
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  • La molcule dozone Source: NASA
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  • Cycle de lozone dans la stratosphre Source: Environnement Canada (1999), La couche dozone La formation et la destruction de lozone ont lieu simultanment. Dans une atmosphre non perturbe, ces processus squilibrent mutuellement et les concentrations dozone se maintiennent dans des limites bien dfinies Photolyse
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  • Rpartition mondiale de lozone total dans la stratosphre Les vents stratosphriques transportent lozone de lquateur vers les ples Source: OMM, 2003 Effets des brouillards arctiques a trs basses temprature
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  • Variations saisonnires de lozone au-dessus de lArctique Source: OMM, 2003 Accumulation en hiver Destruction en t
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  • Variations saisonnires de lozone au-dessus de lAntarctique Source: OMM, 2003 Destruction en t Accumulation en hiver
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  • Les craintes entourant lintgrit de la couche dozone
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  • Fig. 1. Abondances moyennes de lozone en fonction de la latitude et de la saison pour a) 1964-1980 et b) 1984-1993. Les effets de lappauvrissement de lozone sont visibles dans le graphe b) ou les valeurs printanires sont plus basses tant dans lArctique que dans lAntarctique Source: Environnement Canada (2003), Ltat de la couche dozone de lArctique
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  • Source: Srie nationale dindicateurs nvironnementaux, Environnement Canada (2003) Ozone stratosphrique
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  • Source: NOAA Trou dozone Maximum au printemps Moyenne 1991-2000 2000 2001
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  • Les facteurs responsables de la destruction de la couche dozone
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  • Les substances appauvrissant la couche dozone (SACO ou ODS) Les Chlorofluorocarbures (CFC), le ttrachlorure de carbone, le mthylchloroforme et les hydrochlorofluorocarbures (HCFC) sont des SACO contenant du chlore Les halons, le bromure de mthyle et les hydrobromofluorocarbures (HBFC) contiennent plutt du brome, qui dtruit aussi lozone
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  • Les CFCs Ce sont les SACO les plus abondantes Dvelopps dans les annes 1920 pour remplacer le dioxyde de soufre comme gaz frigorigne Fin des annes 40: utiliss comme gaz propulseurs dans les arosols Produits chimiques trs stables qui ne se dcomposent pas dans la basse atmosphre Dans la stratosphre, ils sont dcomposs par les UV librant le chlore lozone Un seul atome de chlore peut dtruire 100 000 molcules ou plus dozone
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  • Mcanismes daction des CFC (1)Cl 2 CF 2 + h Cl + ClCF 2 (2)Cl + O 3 ClO + O 2 (3)O 3 + h O 2 + O (4a)ClO + O Cl + O 2 Cl + O 3 ClO + O 2 O 3 + O 2O 2 (4b)ClO + NO Cl + NO 2 O 3 + Cl ClO + O 2 O 3 + NO NO 2 + O 2 action catalytique
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  • Source: Environnement Canada (1999), La couche dozone
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  • Source: Srie nationale dindicateurs environnementaux, Environnement Canada (2003) Production de CFCs Offre de SACO Protocole de Montral 1987
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  • Source: Srie nationale dindicateurs environnementaux, Environnement Canada (2003) Interdiction Persistance Longue dure de vie > 50 ans
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  • Les HCFCs Fig. 1. Concentrations atmosphriques des principaux hydrochlorofluorocarbures Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001 La plupart des HCFC ont t dvelopps comme produits chimiques de transition pour remplacer les CFC Les HCFC ont un potentiel dappauvrissement de 2 5% de celui des CFC
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  • Formation des nuages stratosphriques polaires (PSC) Fig. 1. Les nuages stratosphriques polaires se forment dans la basse stratosphre quand les tempratures tombent en dessous de -80C. Ils favorisent des ractions chimiques qui transforment des composs broms et chlors stables en substances destructrices de lozone plus actives ClNO 3 + HCl (glace) HNO 3 (glace) + Cl 2 (gaz) Activation de leffet destructeur du Chlore
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  • Autres facteurs influant sur lappauvrissement de lozone dans lArctique Fig. 1. Quantit dozone (en unit Dobson) au niveau de la basse atmosphre (10-20 km) sur lArctique canadien Les fluctuations long terme ont galement t associes divers processus naturels, dont les plus importants sont la renverse priodique des vents stratosphriques au-dessus de lquateur, les pisodes El Nio, le cycle des taches solaires et les ruptions volcaniques Variation naturelle SACO
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  • Les impacts sur lenvironnement
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  • Le rayonnement UV UV-A : pas trs nocifs UV-B : trs nocifs
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  • Source: Environnement Canada (2001), Appauvrissement de lozone et changement climatique: des problmes lis En septembre 2000, le trou dozone de lAntarctique a atteint son extension maximale et il sest tendu, pour la premire fois, au-dessus de grandes rgions habites du sud de lAmrique du Sud Pantagonie Argentine X
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  • Laugmentation des rayonnements UV-B est elle une menace potentielle pour les forts? Fig. 1. Effet des UV-B (kj j -1 ) sur la longueur inter-noeud terminale chez le sapin de Norvge aprs 35 jours dexposition Fig. 2. Effet des UV-B (kj j -1 ) sur le % de dioles dans la cire daiguille chez le sapin de Norvge aprs 35 jours dexposition Fig. 3. Effet des UV-B (kj j -1 ) sur le % chl a dans la cire daiguille chez le pin blanc aprs 63 jours dexposition Source: Proceedings of the workshop on atmospheric ozone, Downsview, Ont. (Mars 1997)
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  • Fig. 1. volution de la distribution de la biomasse de phytoplancton dans les enclos du lac Jack de la mi- aot la fin septembre 1994 (Lean et al., ASLO meeting 1995) Absence dUV UV ambiants +20% UV Forte irradiation Baisse de biomasse Algues tolrantes Diatomes Cryptophytes
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  • Ozone troposphrique = important constituant du smog. Il se forme lorsque les oxydes dazote librs par les combustibles carbons brls ragissent la lumire du soleil dans lair stagnant avec des composs organiques volatils provenant dmanations de combustibles, de solvants, etc. Example de pollution locale (< 100 km): le smog photochimique Smog sur la valle du bas Fraser
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  • Relation entre ozone troposphrique et rayonnement UV Source: Environnement Canada (2001), Appauvrissement de lozone et changement climatique: des problmes lis Formation dozone en basse atmosphre aprs forte irradiation UVs Ozone UV
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  • Conditions d inversion thermique Barrire naturelle: Montagnes
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  • Formation du smog photochimique Stratosphre Troposphre Raction de la phase lumineuse NO 2 NO HO 2 RO 2 OH OR O3O3 O2O2 O2O2 O P.A.N
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  • Inflammation des voies respiratoires aprs exposition O 3
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  • . Source: Proceedings of the workshop on atmospheric ozone, Downsview, Ont. (Mars 1997) Implications pour la sant humaine Hospitalisation corrle pollution atmosphrique
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  • 7. Bref historique de la politique du climat
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  • 1972 Le climat fait son apparition sur la scne politique internationale Stockholm 1975 Premiers programmes nationaux de recherche sur le changement climatique, aprs la publication des rsultats de Keeling sur la croissance rapide des concentrations atmosphriques de CO 2 1979 Premire confrence mondiale sur le climat organise par lOMS Genve: on y traite du renforcement anthropique des GES 1985 Signature de la convention de Vienne sur la protection de la couche dozone 1987 Signature du protocole de Montral: arrt de la production des CFCs 1990 Dpt du premier rapport du GIEC sur les impacts probables dun changement climatique 1992 Sommet de Rio: la convention donne comme objectif ultime de stabiliser les concentrations des GES dans l atmosphre un niveau qui empche toute perturbation anthropique dangereuse
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  • Le Protocole de Kyoto Confrence de Kyoto, dcembre 1997: il s agit de s engager pour des rductions chiffres des missions de GES pour 2010 par rapport au niveau de 1990 objectifs du Protocole: -rduction globale de 5,2% des missions de GES pour l ensemble des pays de l annexe I, -objectifs moduls par pays, -prise en compte des puits et rservoirs de carbone, -prne l utilisation accrue des sources d nergies renouvelables, -prvoit le commerce de droits d mission et d autres arrangements entre Nord et Sud , -ces amnagements combattus pas l UE, ont reu le soutien du groupe JUSCANZ et de la Russie Confrence de Kyoto, dcembre 1997: il s agit de s engager pour des rductions chiffres des missions de GES pour 2010 par rapport au niveau de 1990 objectifs du Protocole: -rduction globale de 5,2% des missions de GES pour l ensemble des pays de l annexe I, -objectifs moduls par pays, -prise en compte des puits et rservoirs de carbone, -prne l utilisation accrue des sources d nergies renouvelables, -prvoit le commerce de droits d mission et d autres arrangements entre Nord et Sud , -ces amnagements combattus pas l UE, ont reu le soutien du groupe JUSCANZ et de la Russie
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  • L aprs Kyoto Arriv la fin de l anne 2000 la prsidence des tats-Unis, George W. Bush dcide de retirer la signature des tats- Unis du Protocole: dcision justifie en arguant que les rapports de l IPCC ne constituaient pas une base scientifique fiable pour de tels engagements (trop de variabilit) Le programme annonc en 2002 par G.W. Bush pour limiter les missions amricaines de GES vise diminuer de 18% d ici 2010 les emmissions de la production industrielle amricaine Arriv la fin de l anne 2000 la prsidence des tats-Unis, George W. Bush dcide de retirer la signature des tats- Unis du Protocole: dcision justifie en arguant que les rapports de l IPCC ne constituaient pas une base scientifique fiable pour de tels engagements (trop de variabilit) Le programme annonc en 2002 par G.W. Bush pour limiter les missions amricaines de GES vise diminuer de 18% d ici 2010 les emmissions de la production industrielle amricaine