La relation entre la concentration en ozone de l'air et les impacts sur les êtres vivants est parfois difficile à comprendre. Les indices d'exposition ont été mis au point pour aider à traiter cette question.

Comment prédire les effets de l'ozone sur les plantes à partir de la mesure de la concentration dans l'air ? Cette question n'est pas si simple à résoudre.

La première question qui est souvent posée aux scientifiques est de savoir à partir de quelle concentration en ozone les dégâts foliaires apparaissent sur les plantes. Pour le tabac Bel-W3, on estime que c'est à partir de 30 ppb (voir la page consacrée à ce thème). Cependant, les impacts observés ne dépendent pas seulement de la concentration en ozone de l'air, mais aussi de la durée pendant laquelle les plantes sont exposées.

La première façon de traiter cette question a été de combiner les concentrations aux durées :

               Exposition = durée x concentration

Ce type d'approche a été utilisé jusqu'à la fin des années 1990 (voir par exemple le rapport de l'académie des sciences sur l'ozone, 1993):

Ce graphe permet de visualiser les combinaisons concentration-durée
d'exposition qui provoquent des dégâts foliaires chez les végétaux (toutes espèces)

(D'après le rapport de l'académie des sciences
"ozone et propriétés oxydantes de la troposphère" , 1993)

Une deuxième approche, plus récente et plus facile à mettre en oeuvre consiste à calculer des indices d'exposition fondés sur le cumul des concentrations horaires d'ozone au cours du temps : par exemple, une plante qui aurait été exposée à 50 ppb pendant 3h aurait donc subi une exposition de 150ppb.h (soit 50+50+50 ppb).

Cependant, cette méthode est moins performante que la précédente : en effet,  une exposition de 150 ppb.h réalisée en exposant une plante à 150 ppb pendant une heure aura des impacts très différents de ceux qu'on peut attendre en exposant la plante à 1 ppb pendant 150 heures !

D'autre part, les teneurs en ozone nocturnes ont relativement peu d'impacts sur les végétaux, car les stomates (orifices situés à la surface des feuilles et par lesquels les plantes réalisent leurs échanges gazeux) sont généralement fermés pendant la nuit. Cette fermeture stomatique empêche l'ozone de diffuser à l'intérieur des feuilles, ce qui réduit fortement les impacts.

C'est pourquoi on calcule ces cumuls de concentrations horaires uniquement entre le lever et le coucher du soleil, soit entre 7h et 21h (heure solaire) en été.

Enfin, les faibles concentrations d'ozone ayant peu d'impacts sur les végétaux (on a vu qu'on ne peut pas comparer 150ppb pendant 1h avec 1ppb pendant 150 heures), on est ammené à ne prendre en compte que les concentrations qui se situent au-dessus du "seuil de tolérance" des végétaux à l'ozone. A partir des résultats de diverses études, les scientifiques européens ont fixé ce seuil à 40 ppb.

C'est ainsi qu'on a défini l'AOT40, qui est le cumul des concentrations horaires diurnes supérieures à 40 ppb.

Ainsi, si la concentration horaire en ozone est de 50 ppb, on ne prendra en compte dans le cumul que les 10 ppb en excès.  

Néanmoins, cette méthode reste imprécise. A titre d'exemple,le graphe suivant donne la relation entre un indice de dégâts foliaires (basé sur l'estimation des pourcentages de surface foliaire nécrosée) et l'AOT40 sur des plants de tabac "Bel-W3" à Grignon il y a quelques années :

 Relation entre l'indice d'exposition AOT40 et les dégâts foliaires
observés sur tabac "Bel W3" (Castell et al., 2004)

Cette figure montre nettement que pour un même niveau d'exposition (ici, un peu plus de 100 ppb.h), on peut avoir plusieurs niveaux de dégâts foliaires différents.

Un moyen d'améliorer la relation "ozone-dégâts" consiste à estimer l'ouverture des stomates des feuilles, au moyen de mesures ou de modèles, et de calculer la quantité d'ozone qui est réellement entrée dans les feuilles pendant la durée de l''expérience. Cette approche permet d'établir une relation plus pertinente entre l'indicateur d'exposition et les dégâts foliaires :

Relation entre l'indice d'exposition "flux d'ozone absorbé par les feuilles"
et les dégâts foliaires observés sur tabac "Bel W3" (Castell et al., 2004)


Mais ces approches ne sont pas suffisamment  complètes pour tout expliquer. Les études actuelles visent à estimer la "capacité de détoxication" des feuilles, c'est-à-dire le flux d'ozone qu'elles peuvent absorber sans subir de dégâts (leurs systèmes de défense détruisent l'ozone au fur et à mesure qu'il pénètre dans les feuilles). A partir ce cette connaissance, on peut alors calculer le cumul des "flux d'ozone toxiques" (Phytotoxic ozone dose, ou POD) qui sont entrés dans les feuilles, et établir avec précision des relations doses-impacts.

 

Référence :

Castell, J.F., Maton, C., Vivant, A.C., 2004. An empirical model or Bel-W3 leaf stomatal conductance for ozone biomonitoring studies. in "Urban air pollution, bioindication and environmental awareness", Klumpp, A. Ansel, W. Klumpp, G. (Eds) - Cuvillier Verlag, Stuttgart. pp 263-269