MECANISMES DE DESTRUCTION DE LA COUCHE D OZONE

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1 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

2 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 O 3 COV N 2 O CO 2 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.

3 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 (CO 2 ). Le CO 2 provient de la combustion des matières organiques : pétrole, charbon, bois. L homme est donc directement responsable de l élévation de la concentration en CO 2. L augmentation de la teneur en CO 2, 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 O 3 O 3 O CFC Cl + O 3 ClO + O 2 O 3 O 2 O 3 O 2 O 2 Stratosphère CFC Troposphère NO 2 + O 2 NO + O 3 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.

4 V. Comment se forme l ozone au niveau de la stratosphère? L ozone (O 3 ) est formé dans la stratosphère par recombinaison des molécules de la photolyse du dioxygène initiée par les rayons UV solaires : O 2 + hν (λ< 240 nm) O + O O + O 2 + O 3 A ces processus de formation s opposent des processus de destruction par photolyse et attaque radicalaire de l ozone lui-même : O 3 + hν (λ< 310 nm) O + O 2 O 3 + O O 2 + O 2 (lente) Ces quatre réactions définissent le cycle proposé par S. CHAPMAN en 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 CH 4 (principalement d origine naturelle, fermentation de matière organique ), et de l oxyde nitreux N 2 O (sols, océans, biomasse, industries). A ces deux composés, il faut ajouter des espèces halogénées RX (X = Cl, Br ou I) émises par les océans (CH 3 X) 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.

5 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 (HO 2, ClO,..) ou moléculaires (NO 2, HO 2 NO 2, HCl, ). Molécules et radicaux peuvent interagir et former deux types d espèces moléculaires : des espèces dites «réservoirs» telles que HO 2 NO 2, ClONO 2, HOCl, ), qui en stockant certains radicaux, limitent leurs capacités à détruire l ozone. des espèces dites «puits» telles que HCl, HNO 3, H 2 O 2, 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, (CFCl 3 ). 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 : CFCl 3 + hν CFCl 2 + Cl (a) CFCl 3 + 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.

6 VII. Cycles catalytiques de destruction de O 3 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/NO 2 (NOx), OH/ HO 2 (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).

7 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 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 : CFCl 3, CFCl 2, CF 2 BrCl ) 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.

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