MECANISMES DE DESTRUCTION DE LA COUCHE D`OZONE I

MECANISMES DE DESTRUCTION DE LA COUCHE D’OZONE
I. Organisation de l’atmosphère
L’atmosphère terrestre est subdivisée en plusieurs couches dont le passage de l’une à
l’autre est caractérisé par une inversion de température.
Ainsi, du sol à 12 km environ d’altitude (à notre latitude) est définie la troposphère, séparée
de la stratosphère (12-50 km d’altitude) par une zone d’inversion de température appelée
tropopause.
Quand on examine la répartition de l’ozone dans l’atmosphère, on constate que la concentration
la plus élevée se situe entre 25 et 30 kilomètres d’altitude dans la stratosphère : c’est la couche
d’ozone. En fait, la concentration de l’ozone dans l’atmosphère est soumise à une très grande
variabilité spatio-temporelle aussi bien en fonction de l’altitude qu’en fonction de la latitude du
point terrestre considéré. Ainsi, si l’on s’attend à une production photochimique maximale de
l’ozone à l’équateur, les phénomènes de transport impliqués dans la distribution spatiale de
l’ozone conduisent en fait à une augmentation de la concentration de l’ozone stratosphérique de
l’équateur aux pôles. De fait, la concentration de l’ozone à un instant et à une coordonnée fixés
résulte de couplages de phénomènes complexes de type radiatif, chimique, climatique et
hydrodynamique.
II. Couche d’ozone
L’ozone est un gaz à forte odeur, au pouvoir très oxydant, dont la molécule est formée de trois
atomes d’oxygène, c’est un produit de cet oxygène et du rayonnement solaire, il forme une
couche en constant renouvellement. C’est un polluant qui intervient dans le phénomène des
pluies acides, c’est un gaz toxique pour l’homme. Dans la stratosphère il contribue à protéger
la vie sur terre.
Qu’est-ce que le « trou » de la couche d’ozone ? Quelles sont les causes de l’appauvrissement de
cette couche ?
L’ozone joue un rôle crucial ; il filtre les rayonnements ultraviolets trop agressifs pour les êtres
vivants. La diminution de la couche d’ozone est dangereuse, elle a pour effets l’augmentation
des cancers de la peau, des affections oculaires et a des effets biologiques pour l’ensemble des
êtres vivants. Soupçonné dés les années 1970, le phénomène a été mis en évidence en 1985 en
quasi-permanence au-dessus de l'Antarctique. Cette diminution de la couche d’ozone sur une
période récente ne fait aucun doute. Depuis plus de dix ans des chercheurs ont pu détecter, à
travers des milliers d’échantillons d’air stratosphérique, des chlorofluorocarbones (CFC) audessus des pôles et sous les tropiques. Ce milieu chimique de la couche d’ozone est très sensible
aux facteurs naturels (éruptions volcaniques…) et aux activités humaines. L’homme en ajoutant
de nouveaux composants, liés en particulier aux industries et aux transports, contribue à changer
la composition chimique de l’atmosphère. Sont considérés comme responsables les
chlorofluorocarbones (CFC) qui sont des produits chimiques utilisés dans les aérosols, dans
l’industrie du froid (réfrigérateurs, climatiseurs), dans l’électronique (comme solvants), dans la
chimie ‘gonfleurs pour former des objets en mousses plastiques…).
D’autres substances provenant d’engrais azotés ont également un effet destructeur.
Quant au bromure de méthyle, souvent utilisé pour la fumigation des cultures sous serre afin de
détruire les parasites, il serait cinquante fois plus agressif que les CFC…
III. L’augmentation de l’effet de serre
Rayonnement solaire
O3
COV
N2O
CO2
Atmosphère
Rayonnement absorbé par le sol
Rayonnement
Terrestre réémis par le
sol (I.R)
TERRE
Terre
.
(COV : composés organiques volatils)
L’effet de serre est un phénomène vital sur la terre
Il correspond à l’absorption du rayonnement infrarouge terrestre par les gaz de l’atmosphère,
dont la vapeur d’eau.
L’effet de serre permet de maintenir sur terre une température moyenne de 15°C.
Sans effet de serre, cette température moyenne serait de –15°C. L’eau serait gelée.
Une augmentation de la température moyenne à la surface de la terre, a été constatée, en même
temps qu’une élévation de la concentration en dioxyde de carbone (CO2).
Le CO2 provient de la combustion des matières organiques : pétrole, charbon, bois.
L’homme est donc directement responsable de l’élévation de la concentration en CO2.
L’augmentation de la teneur en CO2, mais aussi en COV, contribue à augmenter l’effet de serre.
Une augmentation de température sur Terre aurait pour effet des modifications climatiques et la
fonte des calottes glacières.
Rayonnement
solaire
dégradation
Cl
O3
O3
O
O3 O2
O3
O2 O2
Stratosphère
Troposphère
CFC
Cl + O3
ClO + O2
CFC
NO2 + O2
NO + O3
Terre
Les atteintes de la couche d’ozone stratosphérique
IV. Métrologie et Ozone :
La concentration de l’ozone dans la colonne atmosphérique s’exprime en unités Dobson, du nom
de G.M.B DOBSON qui fut l’un des premiers scientifiques à étudier (de1920 à 1960) l’ozone
stratosphérique. Pour quantifier l’ozone à partir du sol, il conçut un spectromètre d’absorption
permettant de mesurer les intensités des rayons UV solaires à quatre longueurs d’onde différentes,
deux longueurs d’onde étant absorbées par l’ozone, deux ne l’étant pas. Le spectromètre«Dobson »
continue à être une référence pour toutes les mesures de l’ozone total.
V. Comment se forme l’ozone au niveau de la stratosphère ?
L’ozone (O3) est formé dans la stratosphère par recombinaison des molécules de la photolyse du
dioxygène initiée par les rayons UV solaires :
O2 + hν (λ< 240 nm) → O + O
O
+
O2 + → O3
A ces processus de formation s’opposent des processus de destruction par photolyse et attaque
radicalaire de l’ozone lui-même :
O3 + hν (λ< 310 nm) → O + O2
O3 + O → O2 + O2 (lente)
Ces quatre réactions définissent le cycle proposé par S. CHAPMAN en 1930. Elles conduisent à
une concentration photo-stationnaire de l’ozone stratosphérique dont la valeur calculée demeure
largement excédentaire par rapport à celle réellement observée au niveau de la stratosphère.
Quels sont les autres phénomènes susceptibles de renforcer les processus de destruction de
l’ozone ans la stratosphère ?
VI. Les autres sources de destruction.
Pour rendre compte de la concentration réelle de l’ozone stratosphérique, il est nécessaire
de supposer l’intervention d’autres processus chimiques de destruction que ceux imaginés
par CHAPMAN. Ainsi, il existe des composés moléculaires minoritaires, d’origine naturelle
et/ou anthropogénique1, qui ont un temps de résidence dans la troposphère suffisamment long et
contribuer à la destruction de la couche d’ozone.
Il s’agit du méthane CH4 (principalement d’origine naturelle, fermentation de matière
organique…), et de l’oxyde nitreux N2O (sols, océans, biomasse, industries). A ces deux
composés, il faut ajouter des espèces halogénées RX (X = Cl, Br ou I) émises par les océans
(CH3X) accédant plus ou moins à la stratosphère, et surtout les ChloroFluoroCarbures (CFC :
CF3Cl, CF2Cl2, ..) qui ont été massivement produits depuis la seconde guerre mondiale, en
raison de leurs propriétés exceptionnelles (faible toxicité, miscibilité avec l’eau et l’huile,
ininflammabilité, pouvoir solvant, etc..). Cependant, leur production marqua le pas à partir de
1974 en raison de la saturation de certains débouchés et des premières inquiétudes soulevées par
l’article de M.G MOLINA et F.S ROWLAND (Nature, 1974) ayant attiré l’attention de la
communauté scientifique sur les effets potentiellement néfastes des CFC sur la couche d’ozone.
VII. Chimie et dynamique
Le méthane, l’oxyde nitreux et les composés halogénés (principalement les composé issues de
l’activité humaine) CFC ont une durée de vie suffisamment longue dans la troposphère
pour y subir un brassage important et, par un processus d’éjection, entrer dans la stratosphère
où les rayons UV du soleil sont particulièrement énergétiques. Ces composés vont alors
être photo-dissociés et libérer des espèces radicalaires très réactives telles que OH, NO et Cl
qui vont à leur tour donner naissance à de nouveaux processus chimiques et de nouvelles espèces
radicalaires (HO2, ClO,..) ou moléculaires (NO2, HO2NO2, HCl, …). Molécules et radicaux
peuvent interagir et former deux types d’espèces moléculaires :
• des espèces dites « réservoirs » telles que HO2NO2, ClONO2, HOCl, …), qui en stockant
certains radicaux, limitent leurs capacités à détruire l’ozone.
• des espèces dites « puits » telles que HCl, HNO3, H2O2, très solubles dans l’eau, qui sont
lessivées et retombent dans la troposphère (et disparaissent ainsi de la stratosphère).
Mais quel est l’impact de cette nouvelle chimie radicalaire sur la couche d’ozone ?
Il est nécessaire de postuler l’intervention de nouveaux cycles catalytiques de destruction de
l’ozone, ces cycles étant initiés par les radicaux formés par la photolyse des composés
moléculaires qui atteignent la stratosphère.
Prenons l’exemple d’un CFC, (CFCl3). Libéré dans la troposphère par les activités humaines, ce
composé a une réactivité troposphérique avec les radicaux OH si faible que sa durée de vie
moyenne dans la troposphère est évaluée à 60 ans. Ce temps de séjour et les processus
dynamiques agissant dans la troposphère lui permettent de parvenir à la stratosphère et y subir
l’action des rayons UV. Deux réactions de photodissociation peuvent avoir lieu, avec des
rendements quantiques relativement importants :
CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl (a)
CFCl3 + hν → CFCl + 2 Cl
(b)
Le rendement quantique définissant le nombre d’atomes de chlore libérés par quantum d’énergie
absorbé. A 214 nm, le rendement quantique de la réaction (a) est quasiment égal à 1. Cette
capacité à libérer des atomes de chlore qui vont par la suite initier de nouveaux cycles de
destruction de l’ozone est exploitée pour définir le potentiel de destruction de l’ozone ou ODP
(Ozone Depletion Potential). Le CFC-11 servant de référence à la définition de ce potentiel aura
donc un ODP égal à 1.
VII. Cycles catalytiques de destruction de O3
L’appauvrissement de la couche d’ozone observé aux latitudes moyennes est attribué aux cycles
catalytiques de destruction de l’ozone suivants :
X + O3 → XO + O2
XO + O → X + O2
O3 +O → O2 + O2
avec X = Cl, NO ou OH.
Ces réactions de catalyse homogène vont donc renforcer la destruction de l’ozone.
En effet, les atomes de chlore impliqués dans ces cycles étant régénérés, peuvent détruire
plusieurs centaines de milliers de molécules d’ozone tant qu’ils n’ont pas réagi avec une
autre molécule pour donner un composé « puits » qui sera lessivé.
Bien entendu, l’appauvrissement de la couche d’ozone ne peut être réduit qu’en limitant les
émissions de polluants d’origine anthropogénique. C’est le cas des CFC qui sont les sources
principales d’atomes de chlore. Par ailleurs, MOLINA observa que la contribution relative des
différents cycles sur la destruction de l’ozone variait en fonction de l’altitude.
Ainsi, le traitement des modèles chimiques correspondant aux différents cycles catalytiques
impliquant les couples NO/NO2 (NOx), OH/ HO2 (HOx) et Cl/ClO (ClOx), montre une
contribution plus importante des NOx à basse altitude, des ClOx aux altitudes moyennes
(cycle d’oxydation), et des HOx aux altitudes élevées (photolyse).
EN BREF
Les changements climatiques
Le mécanisme physique de « l’effet de serre » :
 La moitié environ de l’énergie solaire est absorbée par la Terre. Le reste est
réfléchi vers l’espace
 La Terre ainsi chauffée renvoie vers le ciel une partie de cette énergie sous
forme de rayonnement ou d’évaporation.
 Une couverture faite de vapeur d’eau et de gaz empêche une partie de cette
chaleur de retourner dans l’espace. C’est « l’effet de serre » qui réchauffe la
planète.
 Plus la couche de gaz est épaisse plus le réchauffement est fort.
 Sans l’effet de serre la Terre serait glacée, mais l’augmentation de l’épaisseur
de la serre, due à l’augmentation des émissions de gaz, provoque un réchauffement.
Les atteintes de la couche d’ozone stratosphérique
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L’ozone : c’est une forme chimique particulière de l’oxygène.
Habituellement, la molécule d’oxygène comporte 2 atomes. La molécule d’ozone
comporte 3 atomes d’oxygène. L’ozone est un gaz nocif pour la santé.
L’ozone est produit dans l’atmosphère à la suite de réactions chimiques
nécessitant l’action de la lumière solaire, surtout au niveau de la stratosphère,
où le rayonnement solaire est particulièrement énergétique.
Depuis quelques années, les scientifiques ont observé des « trous » dans la
couche d’ozone stratosphérique.
Les « trous » peuvent être expliqués par des réactions chimiques entre le chlore
et l’ozone, qui ont pour effet de réduire la teneur en ozone. Le chlore est
présent dans la stratosphère à cause de la production de CFC
(chlorofluorocarbone : CFCl3, CFCl2, CF2BrCl…)
Les CFC sont utilisés comme fluide frigorigène dans les installations
frigorifiques ou comme gaz propulseur de bombes aérosol. Les molécules de CFC
libérées montent lentement dans l’atmosphère (plusieurs années pour atteindre
la stratosphère).
Dans la stratosphère, sous l’action du rayonnement solaire, les molécules de CFC
libèrent les atomes de chlore qui réagissent avec l’ozone.
Des traités internationaux ont été signés par les pays industrialisés. Les pays
signataires se sont engagés à stopper progressivement la production des CFC.
Il reste à trouver des produits de substitution efficaces et écologiquement
acceptables.