Sujet 2 Radiation solaire - Le "trou" dans la couche d`ozone

Sujet 2
Radiation solaire - Le "trou" dans la couche d'ozone
Comme on a déjà dit, l'atmosphère actuelle n'est pas d'origine minérale, cosmique, mais est le
produit de l'action des êtres vivants. Elle est le résultat d'une longue évolution, qui a nécessité
plusieurs milliards d'années.
Pendant les trois premiers milliards d'années de l'histoire de la Terre, aucune vie n'était possible à la
surface des continents ni même dans les premiers mètres de l'océan mondial situés au voisinage de
sa surface. En effet, l'atmosphère terrestre qui était alors dépourvue d'oxygène donc sans couche
d'ozone, était incapable d'arrêter les redoutables rayonnements ultraviolets du soleil de courte
longueur d'onde inférieure à 0.290 µm (1 micromètre est 1 million fois plus petit qu'un mètre ou
0,0001 cm). Donc pour comprendre l'existence de l'ozone, il faut comprendre les rayons du soleil et
leur spectre.
ÉNERGIE SOLAIRE
Nature de l'énergie:
Le Soleil, comme tous les corps dont la température est plus élevée que 0 Kelvin (K) (où 0 absolu =
0 K = -273°Celsius (C)) émet de l'énergie par radiation ou ondes électromagnétiques. Les ondes
électromagnétiques transportent de l'énergie même quand il n'y a pas de matière entre la source
d'énergie et le récepteur. Ces ondes sont appelées électromagnétiques parce qu'elles se propagent en
modifiant les champs électrique et magnétique. Leur vitesse de propagation est la vitesse de la
lumière qui, dans le vide, est constante pour tous les types d'onde et égale à 300 000 kilomètres par
seconde. La vitesse de la lumière est légèrement inférieure quand le milieu de déplacement de la
radiation est un gaz, un liquide ou un solide. Dans un milieu matériel les ondes électromagnétiques
peuvent être absorbées par les molécules ou les atomes qui le forment.
La lumière, les micro-ondes, les ondes radio, les rayons X, les rayons cosmiques, etc., sont des
exemples d'ondes électromagnétiques. On classifie ces formes d'énergie en fonction de leurs
longueurs d'onde. La distance entre deux maxima du champ électromagnétique est la longueur
d'onde. La rapidité à un point avec laquelle le champ varie dans le temps est appelée fréquence. En
météo on utilise comme unité de mesure des longueurs d'onde le micromètre (µm = 0.0001 cm).
source: Hidore 1984 p.23
Figure 2-1: L’énergie radiante est transmise sous la forme d’ondes. Les ondes se définissent en termes de
longueur d’onde, d’amplitude, de fréquence et de vitesse. La longueur d’onde est la distance entre deux crêtes.
L’amplitude est le moitié de la différence entre une crête et un creux. La fréquence est le nombre d’ondes qui
passent un point par unité de temps. La vitesse est la distance que parcours une onde par unité de temps.
2-1
Figure 2-2: Le spectre électromagnétique est constitué de plusieurs types de radiations
qui se distinguent par leur longueur d’onde, leur fréquence et leur niveau d’énergie.
Il y a un rapport entre la fréquence, la vitesse de propagation et la longueur d'onde.
vitesse ∝ longueur d'onde
fréquence
Étant donné que la vitesse est essentiellement fixe, le rapport entre la fréquence et la longueur d'onde
est fixe. Les ondes les plus courtes, dont la fréquence est plus rapide, contiennent le plus d'énergie.
Selon la loi de Planck, les corps dont la température est supérieure à 0 K émettent des radiations
dans un large spectre de longueur d'onde qui dépendent de la température du corps source. Plus la
température est élevée plus les radiations émises sont intenses et plus petite est leur longueur d'onde
(plus grande est leur fréquence).
2-2
F i g u r e 2 - 3 : Les bandes majeures de la radiation solaire. (b) L’intervalle
entre 10-4 et 10 -5 cm est une bande très importante. Dans cette bande, l’énergie
est visible à l’oeil humain. Les longueurs d’ondes dans le domaine de la
lumière visible sont données en micromètres (µm), où 1 µm = 10 -4 cm. (c) La
partie du spectre électromagnétique qui contient le plus de radiations solaires.
(d) La bande d’absorption de l’atmosphère terrestre.
2-3
La température de la photosphère du soleil, la couche émettrice des rayons, est d'environ 6000 K.
La radiation solaire consiste essentiellement en rayons ultraviolets (UV) (0.2 à 0.4 µm), visibles
(0.4 à 0.7 µm) et infrarouges proches (IR proche) (entre 0.7 µm et 4 µm) avec un maximum dans
la bande ou spectre visible. Les radiations visibles sont des ondes électromagnétiques de longueur
d'onde relativement courte donc transportant beaucoup d'énergie. Une bonne partie de l'énergie
solaire (45%) est émise dans cette bande. En effet nos yeux ont évolué pour être sensible au spectre
visible.
À travers l'atmosphère
Le rayonnement solaire arrive à l'atmosphère sans subir des modifications dans le vide de l'espace.
La Terre reçoit 1/2 000 000 000 de l'énergie émise par le soleil. La constante (presque) solaire,
1,94 calorie par centimètre carré (1340 watts par mètre carré), est la quantité d'énergie reçue par une
surface perpendiculaire aux rayons du soleil au sommet de l'atmosphère.
Les radiations solaires, en pénétrant dans l'atmosphère, peuvent interagir avec les gaz de
l'atmosphère, les nuages, les aérosols, et le sol. Elles peuvent être absorbées, diffusées ou réfléchies
vers l'espace. Une fraction de l'énergie solaire atteind directement le sol. Seulement 25% atteint le
sol sans avoir subi aucune interférence de la part de l'atmosphère. Les 75% restants sont absorbés
par les molécules, diffusés en partie vers le sol, en partie vers l'espace.
F i g u r e 2 - 4 : La radiation qui atteint l’atmosphère est réfléchie, difusée ou
absorbée par l’atmosphère elle-même, les nuages, le sol et ce qui se trouve au sol
(ex. édifices). Le budget radiatif (en pourcentage) donne une indication de la
quantité de radiation perdue ou gagnée. La radiation diffusée par les nuages peut
fournir de la radiation indirecte additionnelle vers la surface (voir l’encadré).
2-4
Qu'est-ce qui détermine si la lumière est absorbée, diffusée ou réfléchie? C'est la longueur d'onde
des radiations ainsi que la nature du milieu qu'elles traversent.
Diffusion: La lumière change de direction et est dispersée en ses différentes longueurs d’ondes
mais la fréquence ne change pas.
Le degré de diffusion dépend de la taille de la molécule ou particule et aussi de la longueur d'onde
de la radiation incidente. Quand la lumière est diffusée par des petites particules (e.g. gouttes,
poussière) elle est distribuée dans toutes les directions. Une partie de la lumière diffusée retourne
dans l'espace, et la lumière restante continue à interagir avec d'autres molécules qu'elle frappe dans
son chemin, jusqu'à atteindre le sol ou elle est absorbée ou réfléchie.
Les molécules de gaz diffusent plus efficacement les radiations de petite longueur d'onde (bleu).
Ceci explique la couleur bleu du ciel.
source: Lutgens et Tarbuck 1986 p.42
Figure 2-5: Quand le Soleil est haut dans le ciel, la lumière solaire constituée de
toutes les longueurs visibles atteint vos yeux, les rayons directs du soleil apparaissent
alors blancs. Cependant, le reste du ciel vous apparaît bleu car la lumière bleue qui
atteint vos yeux est celle qui est la plus diffusée. Quand le soleil est bas dans le ciel
(près de l’horizon), la lumière du soleil paraît orange ou rougeâtre parce que la plupart de
la lumière bleue a été perdue en cours de chemin à cause de la diffusion.
2-5
Quand le Soleil est au zénith, le ciel est bleu dans n'importe quelle direction autour du Soleil,
puisqu’on voit surtout la lumière bleue très efficacement diffusée par les molécules. Par contre, au
coucher du Soleil la radiation qui nous arrive a dû parcourir une plus grande distance dans
l’atmosphère. La radiation qu’on voit alors est celle la moins diffusée, d'où la couleur orange. La
lumière bleue a été complètement diffusée et donc éliminée des rayons directs du Soleil, en chemin.
Les particules de taille plus grande comme la fumée et les gouttelettes des nuages diffusent la
lumière de façon plus équitable, c'est-à-dire indépendamment de la longueur d'onde, en toutes les
directions. Le ciel nous semble alors blanc ou bleu pâle. Donc la couleur du ciel nous donne une
indication de la concentration de particules en suspension dans l'air. Plus le ciel est bleu plus propre
est l'air.
Réflexion: les rayons changent de direction sans se disperser, leur fréquence ne change pas.
En moyenne 30% de l'énergie solaire est réfléchie par la Terre/atmosphère. Cette énergie est perdue
pour le système Terre-atmosphère. La fraction de l'énergie solaire incidente qui est réfléchie par une
surface est appelée son albédo. L'albédo moyen de la Terre est donc 30% ou 0,3. L'albédo est une
caractéristique qui change dans l'espace et dans le temps. Il dépend de la nature de la surface du sol,
de la couverture nuageuse et de l'angle d'incidence des rayons du Soleil.
source: Anthes 1992 p.53
Figure 2-1: Réflectivité ou “albédo” pour différentes
surfaces.
Absorption: Les rayons sont absorbés par les particules, leur énergie est transformée en énergie
interne, augmentant l'énergie cinétique des molécules et par conséquent leur température. Si la
quantité d'énergie est assez élevée les particules peuvent "s'éclater".
Chaque atome et molécule possèdent certaines fréquences naturelles d'excitation. Donc il absorbe
seulement certaines radiations de fréquences bien définies (spectre d'absorption). Nous allons
discuter ces phénomènes davantage lorsque nous aborderons les aurores. Il y a une très faible
quantité de l'énergie du soleil qui est absorbée par ce mécanisme qui est néanmoins très important.
Les atomes de la thermosphère absorbent tous les rayons ultraviolets durs (longueur d'onde < 0,1
µm)
2-6
Les gaz sont des absorbants sélectifs, c'est-à-dire qu'ils absorbent fortement certaines longueurs
d'onde et moins d'autres. Comme les atomes, chaque molécule a une fréquence naturelle de rotation
ou de vibration (comme les cordes de violon). Lorsqu'une molécule est frappée par un rayon dont la
fréquence est une des fréquences naturelles de vibration, la molécule ou atome absorbe l'énergie du
rayon qui est employée pour vibrer et/ou tourner. L'énergie est parfois assez forte pour que les
vibrations soient capables de briser les liens et la molécule s'éclate. On parle alors de photodissociation.
source: Anthes 1992 p.52
Figure 2-6: Absorption des radiations de diverses longueurs d’ondes par (a) O2 et O 3, (b) H 2O; et (c) les principaux
gaz absorbants.
Production de l'ozone
Résumé: Absorption de l'énergie solaire dans l'atmosphère terrestre.
Pratiquement toutes les radiations de longueur d'onde inférieure à 0,31 µm sont absorbées avant
d'atteindre la troposphère. Voici les mécanismes d'absorption les plus importants:
1) tout le rayonnement de longueur d'onde plus petite que 0,1 µm est absorbé dans la
couche de 50 à 200 km par photo-ionisation (photo-ionisation : l'énergie absorbée par les
atomes est suffisante pour "arracher " les électrons de leurs orbites)
2) entre 0,1 et 0,2 µm (UVC) l'absorption se fait par dissociation de l'oxygène moléculaire
(O2 ) dans la couche de 50 à 110 km.
2-7
3) entre 0,2 et 0,31 µm (UVB) l'absorption se fait par photo-dissociation de l'ozone (O 3 )
dans la couche de 20 à 60 km.
4) pour des longueurs d'onde entre 0,31 et 0,4 (UVA), une partie de la radiation (17%) est
absorbée par les molécules d'eau (H2 O).
Dans la bande de radiation visible (entre 0,3 et 0,7 µm) les constituants gazeux atmosphériques
absorbent très peu d'énergie. Ceci coïncide avec les longueurs d'onde où se concentre le maximum
d'énergie solaire.
Les origines de la couche d'ozone remontent à environ deux milliards d'années, au moment où les
organismes photosynthétiques unicellulaires (phytoplancton) ont commencé à introduire de
l'oxygène dans l'atmosphère. L'ozone qu'on retrouve dans la stratosphère est produit par l'interaction
entre les rayons du soleil et les molécules d'oxygène. Il se forme spontanément dans la haute
atmosphère à partir de la décomposition de l'oxygène moléculaire en oxygène atomique par les
rayons solaires, ultraviolets (UV), ayant une longueur d'onde inférieure à 0,245 µm.
Le cycle de l'ozone
La teneur en ozone de l'atmosphère ne correspond pas à un stock original mais est le produit d'un
équilibre dynamique entre des réactions de synthèse et de dégradation. Le terme de couche d'ozone
est en un sens abusif puisque ce gaz se rencontre dans la colonne atmosphérique depuis le niveau
du sol jusqu'à la mésosphère. Cependant sa concentration est maximale entre 20 et 30 km d'altitude,
dans la stratosphère moyenne où cette "couche" est localisée.
De l'ozone se forme à tous les niveaux selon les réactions chimiques:
Oxygène moléculaire
O2
plus
+
rayons UVC
photon
produisent
—>
2 atomes d'oxygène
2O
L'oxygène atomique réagit ensuite avec l'oxygène moléculaire pour produire l'ozone (O3)
production
destruction
atome d'oxygène
O
ozone
O3
+
+
+ Oxygène moléculaire
+
O2
rayons UVB —>
UVB
—>
produisent
—>
ozone +
O3 +
énergie
énergie
Oxygène moléculaire + atome d'oxygène
O2
+
O
Ces réactions prédominent essentiellement entre 40 et 60 km d'altitude.
Note: on distingue dans la lumière solaire des UVA, dits mous, dont la longueur d'onde est
comprise entre 0,4 et 0,32 µm, des UVB de (0,29 à 0,32 µm) et des UVC dans les longueurs d'onde
inférieures à 0,29 µm. Seuls les UVA et une fraction des UVB décroissante avec la longueur d'onde
accède aux basses couches de l'atmosphère. Les UVB sont responsables des coups de soleil. Ils
sont capables de provoquer des mutations géniques de l’ADN et des cancers de la peau.
2-8
Le trou d'ozone
Les molécules stables qui contiennent du chlore, se rendent dans la stratosphère et se décomposent
en présence des rayons ultraviolets. Ceci produit des atomes de chlore qui réagissent fortement avec
l’ozone pour le détruire.
Tableau 2-2
2-9