Un risque naturel créé par la science : le trou dans la couche d`ozone

Un risque naturel créé par la science : le trou dans la couche d’ozone
Dans un livre de chimie de 1964, on présente les fluorocarbures comme des
composés extraordinaires qui ne brûlent pas, ne réagissent pas avec les plus
puissants acides, sont insolubles dans l’eau et sont inoffensifs.
Qui aurait pu prévoir que ces composés allaient provoquer une augmentation du
risque de développer un cancer de la peau et nous obliger à nous couvrir de
crème solaire pour aller jouer dehors ?
Deux molécules de type chlorofluorocarbure
(CFC)
Rayonnement en provenance du soleil
1. Le Soleil émet différents rayonnements, les plus abondants étant les
infrarouges, la lumière et les ultraviolets. Tous ces rayonnements sont formés de
« grains d’énergie ». Certains grains ultraviolets ont assez d’énergie pour
endommager les molécules, notamment celles des organismes vivants. C’est
pourquoi le rayonnement ultraviolet (UV) détruit les bactéries, cause des cancers
de la peau et des cataractes, perturbe la croissance du plancton végétal à la
surface des océans, etc. Décrivez un effet commun d’une exposition excessive du
corps humain aux UV.
Une exposition excessive provoque des dommages plus ou moins graves à la
peau, un « coup de soleil » : rougeur, chaleur, cloques, etc.
Note : Un coup de soleil peut dérégler le fonctionnement d’une cellule, ce qui risque
de déclencher un cancer de la peau. Une cellule saine peut généralement se
réparer ou, au besoin, s’autodétruire (peau qui pèle après un coup de soleil). C’est
impossible cependant si la cellule a perdu ces fonctions lors d’un coup de soleil
précédent.
Image UV du soleil
2. On divise l’atmosphère en couches en fonction de la température. La troposphère s’étend
du sol jusqu’à 9 à 18 km d’altitude; c’est dans cette couche que se déroulent les
phénomènes météorologiques quotidiens. La couche suivante, la stratosphère, s'étend
jusqu'à environ 50 km d'altitude. La stratosphère contient des molécules d’oxygène O2 et une
proportion beaucoup plus faible de molécules d’ozone O3. L’ozone capte des grains UV ainsi:
une molécule O3 absorbe un grain d’énergie UV et se casse en une molécule d’oxygène O2
et un atome d’oxygène O; cet atome O s’associe à la première molécule O2 qu’il rencontre et
reforme une molécule O3. Faites un diagramme de ces réactions pour montrer qu’on perd un
grain UV, mais pas la molécule d’ozone.
3. L’ozone protège donc les organismes vivants de doses excessives d’UV parce
qu’il peut absorber des grains UV à répétition (l’énergie des grains sert ainsi à
chauffer la stratosphère). Si les UV ne détruisent pas l’ozone, d’autres processus
le font. Heureusement, il y a aussi des processus qui fabriquent de l’ozone. Tant
que les processus de destruction-fabrication restent stables, l’ozone se maintient à
une valeur constante. Qu’arrive-t-il si, comme ce fut le cas à la fin du XXe siècle,
les processus de destruction s’accélèrent par rapport aux processus de
fabrication?
À l’équilibre, il se fabrique autant d’ozone qu’il s’en détruit. Si
la destruction gagne sur la fabrication, la quantité d’ozone
diminue jusqu’à l’atteinte d’un nouvel équilibre. En effet, si le
nombre de molécules d’ozone diminue cela ne change rien
à la fabrication, mais il y a moins de molécules détruites
puisqu’il y en a moins sur lesquelles les processus de
destruction peuvent agir. (Si un virus tue 1 personne
infectée sur 1 000, il y a 10 morts dans un groupe de 10 000
personnes infectées et 5 morts seulement dans un groupe
de 5 000 personnes.)
4. L’ozone est un gaz toxique pour les plantes et les animaux, qui crée notamment
des troubles respiratoires. Il y en a peu en dehors de la stratosphère. Dans la
troposphère, les gaz d’échappement de l’industrie et des automobiles favorisent la
production d’ozone, un constituant important du smog. Pourquoi appelle-t-on
l’ozone troposphérique le « mauvais » ozone ?
On le nomme ainsi par opposition à
l’ozone de la stratosphère, le « bon »
ozone. Celui de la stratosphère nous
protège des effets nocifs du rayonnement
UV, alors que celui de la troposphère rend
les gens malades.
5. Comme le montre ce graphique (adapté d’une brochure de l’Organisation météorologique
mondiale), le nombre de molécules d’ozone dans la stratosphère a tendance à diminuer
depuis le début des années 1980. Les phénomènes naturels expliquent certaines variations
dans la quantité totale d’ozone, comme le creux qui a suivi l’éruption du Pinatubo, mais
n’expliquent pas la tendance à la baisse. Cette baisse n’est pas uniforme sur la planète.
L'effet est particulièrement marqué au-dessus de l'Antarctique entre les mois de septembre
et octobre, où on parle d'un « trou » dans la couche d'ozone. Ce n'est pas vraiment un
trou, mais une zone où la quantité d'ozone est anormalement basse. En Antarctique, à
quelle saison correspondent les mois de septembre et d'octobre?
Les fines poussières injectées dans l’atmosphère
par une grande éruption volcanique accélèrent les
processus de destruction de l’ozone.
Au sud de l’équateur, les mois de septembre et d’octobre correspondent au
printemps.
6. L’Antarctique est une région isolée où les températures sont exceptionnelles
froides dans la stratosphère pendant la longue nuit polaire. Cela permet la
formation de nuages spéciaux où ont lieu des réactions chimiques qui préparent
la destruction de l’ozone. Celle-ci commence avec le retour du rayonnement
solaire quand les grains d’énergie UV détachent des atomes de chlore des
molécules préparées durant l’hiver. Complétez ce dessin pour vous convaincre
que l’Antarctique reste dans la nuit tout l’hiver malgré la rotation de la Terre.
Pôle Nord
rotation quotidienne
rayonnement du Soleil
Jour Nuit
position de la
Terre en juillet
Antarctique
7. La quantité d’atomes de chlore libres a beaucoup augmenté durant la deuxième
moitié du 20ième siècle avec l’introduction des Chloro-Fluoro-Carbures ou CFC.
Ces molécules fort utiles ont été créées en 1928 pour répondre à certains besoins.
Comme elles sont inoffensives, parce qu’elles refusent complètement de réagir
avec les autres produits chimiques, on les utilise depuis les années 1950 comme
fluides réfrigérants dans les systèmes de climatisation et les réfrigérateurs, comme
gaz propulseurs dans les canettes aérosols, comme agents moussants dans les
mousses isolantes, etc. Pourquoi faut-il que le gaz propulseur d’une canette soit
inactif chimiquement ?
Un gaz actif transformerait votre fixatif à cheveux en autre
chose ou encore prendrait feu en sortant de la canette.
On doit avoir un gaz qui ne réagit ni avec le contenant de
la canette, ni avec l’air, ni avec la personne qui utilise le
produit.
Canette récente sans CFC comme propulseur.
Que font les CFC à l’ozone?
• Le chlore des CFC attaque l’ozone
Cl + O3 → ClO + O2
• Le chlore relâche l’atome d’oxygène
ClO + O → Cl + O2
• On recommence le cycle
Chaque atome de chlore peut donc
détruire beaucoup de molécule d’ozone
8. C’est la stabilité des CFC qui leur permet de gagner la stratosphère après 10
ou 20 ans d’errance dans la troposphère. Une molécule ordinaire se transforme
bien avant. Depuis le milieu des années 1980, l’application d’ententes
internationales a permis de restreindre (et non d’arrêter) la production des CFC
et leur niveau commence à diminuer. En 2006, on prévoit un retour aux
concentrations d’ozone d’avant 1980 vers 2065. Pourquoi faudrait-il compter
beaucoup d’années avant de voir se résorber le trou dans la couche d’ozone
même si on stoppait complètement aujourd’hui la production des CFC ?
Pour deux raisons. D’abord, même si on arrête la production des CFC, il en reste
dans beaucoup de choses (mousses, réfrigérateurs, systèmes de climatisation des
automobiles, etc.). Une partie de ces CFC va se retrouver plus tard dans
l’atmosphère, même si on met en place des mesures de récupération. Pensez à la
vieille auto qui rouille dans un champ. Ensuite, les CFC émis dans les dernières
années de production vont influencer la couche d’ozone seulement dans 10 ou 20
ans, le temps qu’il leur faut pour se rendre dans la stratosphère.
Remarque : La photo montre T. Midgley qui a inventé les CFC. En essayant de
développer de nouveaux CFC, un chimiste de Du Pont a créé le téflon en 1938.
Le téflon partage avec les CFC la propriété de ne réagir chimiquement avec rien.
C’est à la compagnie française Tefal qu’on doit l’utilisation du téflon comme
pellicule anti-adhésive.
On considère que ce scientifique a eu, bien malgré
lui, un rôle majeur dans la dégradation de
l’atmosphère. Il a en effet aussi inventé l’essence
avec plomb pour régler les problèmes de
détonation des moteurs d’automobile. Il faut
reconnaître qu’il a grandement contribué avec les
CFC et l’essence avec plomb au développement
économique des pays de l’Ouest et à
l’amélioration du niveau de vie.