Formation de l'ozone
Sous l'action du rayonnement UV, la molécule d'oxygène O2 subit une dissociation en deux atomes d'oxygène libres :
O2 ⇒ O• + O•
Les atomes libres formés sont très réactifs. Ils peuvent réagir de plusieurs manières selon les rencontres qu'ils effectuent. L'un des processus possibles est le suivant.
O• + O2 ⇒ O3
Cette réaction est majoritaire, tout simplement parce que le grand nombre de molécules d'oxygène rend ce type de rencontre plus probable qu'un autre. Il faut toutefois préciser que la concentration en ozone reste excessivement petite (voir dans le texte).
la destruction de l'ozone n'est pas causee par des phenomene naturels
Si l'on ne peut nier que les volcans et les océans libèrent d'importantes quantités de chlore, on sait aussi que le chlore de ces sources se dissout dans l'eau et disparaît de l'atmosphère sous l'effet de la pluie. En revanche, les CFC ne se dissolvent pas dans l'eau et ne se décomposent pas dans la basse atmosphère. Ces molécules de synthèse atteignent la stratosphère où elles libèrent du chlore et du brome. Les mesures montrent que l'accroissement du chlore dans la stratosphère depuis 1985 correspond aux rejets de CFC et d'autres SACO dus à l'activité humaine.
Les scientifiques s'entendent sur les causes de l'appauvrissement de la couche d'ozone. Trois cents chercheurs du monde entier ont collaboré à l'évaluation scientifique de l'appauvrissement de la couche d'ozone . Un consensus international s'est établi au sujet des causes et des effets de ce phénomène. Il reste encore des incertitudes concernant certains points de détail (comme la nature exacte des réactions chimiques dans l'hémisphère nord), mais, de l'avis de la plupart des spécialistes, l'appauvrissement de la couche d'ozone s'explique surtout par l'accroissement des concentrations de chlore et de brome dans les couches supérieures de l'atmosphère, à cause des rejets de SACO. Des nouvelles évaluations scientifiques sont prévues tous les quatre ans. La dernière date de 1998, et celle de 2002 est en cours.
La couche d'ozone
Le terme de « couche d'ozone » est attribué au domaine de la stratosphère où la concentration en ozone est maximale, soit entre 20 et 30 km d'altitude. C'est dans cette couche que se produit parfois un « trou d'ozone ».
Cette couche n'est pas uniforme. il s'agit plutôt d'un domaine où le nombre de molécules d'ozone présentes par unité de volume est plus important qu'ailleurs.
Le schéma ci-dessus explicite cette notion : Si on imagine un mince tube d'atmosphère de 50 km de hauteur, les molécules d'ozone, représentées en rouge, atteignent une concentration maximum vers 25 km d'altitude (cas A).
la notion de « trou d'ozone » est illustrée par le cas B. Une situation de « trou d'ozone » correspond à une décroissance de la teneur en ozone stratosphérique, vers 25 km d'altitude, par rapport à la situation moyenne décrite dans le cas A. Il en résulte évidemment que le nombre total de molécules présentes dans le tube B est inférieur au nombre total de molécules dans le tube A, si bien que, dans le cas B, l'absorption des rayonnements UV par l'ozone stratosphérique est moins importante.
la destructions de la couche d'ozone
Un autre sujet d'inquiétude : Le mécanisme de formation de l'ozone et son rôle dans l'absorption des rayons UV ont été évoqués dans le premier paragraphe. La destruction par les chloro-fluoro-carbures (CFC) de la couche d'ozone apparaît .
historique
C'est en 1985 qu'un appauvrissement assez important de la concentration en ozone a été mesuré au-dessus de l'Antarctique. On a pu établir que le phénomène dure depuis la fin des années 1970. Il est essentiellement localisé à ce continent et se produit périodiquement. À chaque printemps austral, c'est environ 70 % de l'ozone qui disparaît au-dessus du pôle sud. Les populations australes sont les plus directement menacées. Mais le brassage de l'atmosphère fait progressivement diminuer le taux d'ozone sur l'ensemble du globe. La chaîne alimentaire marine est également affectée du fait de l'exposition du phytoplancton (son premier maillon) à un rayonnement UV de plus en plus intense.
le cycle de chapman
L'appauvrissement de la couche d'ozone est l'érosion de la couche d'ozone stratosphérique qui protège la vie sur la Terre. C'est ce qui se produit lorsque l'équilibre naturel entre la production et la destruction de l'ozone stratosphérique bascule du côté de la destruction. L'activité humaine, surtout celle associée aux produits chimiques artificiels connus sous le nom de substances appauvrissant la couche d'ozone (SACO), représente le principal facteur d'altération de cet équilibre naturel. Des phénomènes naturels, par exemple des éruptions volcaniques, peuvent aussi causer des pertes temporaires d'ozone.
L'altération de la couche d'ozone est en grande partie le résultat de l'activité humaine. Les chlorofluorocarbures, que l'on appelle communément CFC, sont la principale cause de l'appauvrissement de la couche d'ozone. Il s'agit d'un groupe de produits chimiques synthétiques qui, jusqu'à récemment, étaient utilisés couramment dans les climatiseurs, les réfrigérateurs, les mousses, les solvants et d'autres produits. Les CFC sont des produits chimiques très stables qui ne se décomposent pas dans la basse atmosphère. Lorsqu'ils sont rejetés dans l'air, ils s'élèvent dans la stratosphère où, sous l'influence des rayons ultraviolets, ils sont dissociés. Cette décomposition libère du chlore qui détruit l'ozone. Un seul atome de chlore peut détruire plus de 100 000 molécules d'ozone. Cette destruction se poursuit jusqu'à ce que le chlore se combine au hasard avec une autre molécule pour former une substance stable et durable, ce qui l'empêche de continuer à réagir avec l'ozone.
Le mécanisme admis met en cause les CFC, composés utilisés comme fluides réfrigérants (fréons) et comme propulseurs dans les bombes aérosols. Essayons de résumer les principales étapes.
- Dans la stratosphère, à environ 30 km d'altitude, les molécules de CFC se brisent sous l'effet des rayons UV, libérant ainsi des atomes de chlore.
- Très réactifs, ceux-ci détruisent l'ozone pour former de l'oxygène et un composé nommé monoxyde de chlore.
- Soumis au rayonnement UV, le monoxyde de chlore se brise à son tour. Il libère de l'oxygène et, de nouveau, des atomes de chlore.
- Ces atomes de chlore participent de nouveau à la destruction de nouvelles molécules d'ozone.
Ce qu'il importe de noter, c'est que les atomes de chlore, responsables de la destruction de l'ozone interviennent comme un catalyseur. En chimie, on désigne par ce terme des espèces qui déclenchent une réaction et qui sont régénérés par celle-ci. Ainsi, une faible quantité de chlore va participer au cycle de destruction de l'ozone, et cela pendant une durée très grande qu'il est bien difficile d'évaluer. C'est également pour cette raison que même en stoppant définitivement l'émanation de CFC dans l'atmosphère, le cycle de destruction de l'ozone se poursuivra pendant encore longtemps.
Deux endroits distincts existent où l'on peut trouver des concentrations en ozone dans l'atmosphère. Il est aussi essentiel d'indiquer que l'ozone « du haut » et l'ozone « du bas » ne communiquent pas entre eux. Ils ont chacun leur cycles, avec des mécanismes de formation et d'élimination qui sont propres. De l'ozone formé près du sol n'ira jamais se mélanger à de l'ozone formé en altitude, et vice versa :
- Dans la haute atmosphère, tant la formation que l'élimination sont principalement le résultat du rayonnement ultraviolet qui agit sur l'oxygène pour créer l'ozone, et sur l'ozone pour créer de l'oxygène. Divers éléments chimiques (dont les CFC justement) peuvent déplacer la concentration d'équilibre en ozone dans un sens ou dans un autre.
- Dans la basse atmosphère, la formation nécessite des « précurseurs », souvent des polluants locaux (hydrocarbures, oxydes d'azote), qui réagissent sous l'effet du soleil (il faut donc aussi un peu d'énergie sous forme de rayonnement) pour produire cet ozone. Son élimination est ensuite purement chimique (l'ozone est un oxydant plus puissant que l'oxygène et finit par oxyder « quelque chose » en perdant un atome, à la suite de quoi il redevient du simple oxygène ou se combine totalement en oxyde).
Ce phénomène de destruction de l'ozone empêche la couche d'ozone de remplir ses fonctions essentiels au développement de la vie sur Terre :
la fonction de la couche d'ozone
L'atmosphère et la couche d'ozone jouent le rôle d'un bouclier protecteur contre les radiations les plus dangereuses émises par le soleil. Non seulement elles stoppent la presque totalité des UVC mais en plus, elles filtrent aussi les UVA et les UVB.
La couche d'ozone permet donc imperméabilité face au rayonnement et maintient une température favorisant le développement de la vie(voir effet de serre).
le rayonnement utraviolet :
Toutes les caractéristiques physiques des rayons UV sont similaires à celles de la lumière visible, sauf que ces rayons ne permettent pas de voir des objets. La lumière qui assure cette fonction est désignée sous le nom de lumière visible et se compose des couleurs de l'arc-en-ciel. D'ailleurs, le spectre des ultraviolets commence là où se termine le spectre violet de l'arc-en-ciel.
En termes scientifiques, les rayons UV consistent en des rayonnements électromagnétiques, tout comme la lumière visible, les signaux radar et de radiodiffusion (voir la figure 1). Les rayonnements électromagnétiques sont transmis sous la forme d'ondes. Les ondes peuvent être décrites par leur longueur d'onde ou leur fréquence et leur intensité (force ou amplitude de l'onde). La longueur d'onde consiste en la longueur d'un cycle complet d'une onde. En ce qui concerne les rayons UV du spectre, la longueur d'onde est mesurée en nanomètres (nm), 1 nm équivalant à un millionième de millimètre.
Les différentes longueurs d'onde des rayonnements électromagnétiques causent divers types d'effets sur les personnes. Par exemple, les rayons gamma sont utilisés dans le traitement des cancers pour éliminer les cellules cancéreuses, tandis que la lumière infrarouge sert à se garder au chaud.
Les rayons UV ont une longueur d'onde plus courte (fréquence plus élevée) que celle de la lumière visible, mais plus grande (fréquence plus basse) que celle des rayons X. Ils se divisent en trois catégories de longueurs d'onde :
Quelles sont les principales sources de rayons ultraviolets ?
La lumière du soleil constitue la principale source de rayons UV. Les sources artificielles de rayons UV (créées par l'humain) comprennent plusieurs types de lampes UV, le soudage à l'arc et les lampes à vapeur de mercure.
S'agit-il du même ozone ? Absolument ! Simplement dans la haute atmosphère l'homme ne le respire pas, percevant donc uniquement son effet positif. Dans la basse atmosphère, il ne change pas de fonction (intercepte les UV) mais devient nocif pour l'homme.
son rôle essentielle
Une expérience concrète avec des graines de soja a permis de mettre en évidence l'impact des UV sur la végétation. La coche d'ozone lorsqu'elle est amincie absorbe moins de rayonnement ultraviolet. Ceux-ci sont donc plus nombreux à atteindre la Terre donc son écosystème. L'expérience avec des graines de soja exposé ) un rayonnement ultraviolet permet de modéliser à plus petite échelle l'impact des ultraviolets sur la végétation.
Voir le compte-rendu de notre expérience.
Protocole :
Des graines de soja évoluent dans même milieu favorable à la croissance : oxygène, sels minéraux et lumière sont accessibles. Après que ces plantes aient atteint dix centimètres de hauteur, deux échantillon sont prélevés :
- Un échantillon témoin qui conservera les mêmes critères de développement qu'auparavant.
- Un échantillon expérimental qui sera exposé à un rayonnement ultraviolet de 320 nanomètre, les autres paramètre restant inchangés.
La Terre est un système complexe. On a pu penser un temps qu'une petite variation d'un des paramètres qui influence le climat conduirait à une petite conséquence. Cette idée ne tient plus. Les teneurs en gaz à effet de serre ou en ozone sont très faibles. Pourtant, leur modification risque bien de conduire à des effets catastrophiques à l'échéance de quelques petites décennies. Au terme de ce rapide tour d'horizon, la conclusion s'impose. Se montrer pessimiste aujourd'hui ne relève pas de l'idéologie mais de travaux scientifiques reconnus.
Interpretation :
L'échantillon témoin a effectué une croissance continue sans signe de dégénérescence. L'échantillon expérimental, a réagi au rayonnement (phénomène visible à partir du sixième jours) :
- D'abord par un ralentissement de la croissance.
- Puis par l'apparition de feuilles puis de tiges brûlées.
Conclusion :
Le rayonnement ultraviolet de 320nm a un effet nocif sur la graine soja : une exposition prolongée entraîne la décomposition de la plante. Ainsi, la destruction de la couche d'ozone pourrait(si l'on se réfère uniquement à l'expérience) avoir un impact sur la végétation.
Critique :
L'expérience effectuée a tenté de s'approcher le plus possible de la réalité (avec les moyens mis en jeu). Néanmoins plusieurs paramètres ont pu influencer et donc modifier l'expérience :
- La lampe à ultraviolet pouvait exposer un rayonnement ultraviolet direct que si la distance entre la lampe et le soja faisait moins de 5cm : cette distance très réduite par rapport à la réalité a pu être un facteur d'influence.
- L'échantillon expérimental a été choisi en fonction de la lampe : moins de graines de soja ont donc pu être exposées. Cette disproportion par rapport à l'échantillon témoin peut fausser la comparaison.
- Le déplacement des graines de soja pour différencier les deux échantillons a pu affaiblir l'échantillon expérimental et donc accélérer l'effet du rayonnement.
Danger pour la nature
La croissance et la photosynthèse de certaines espèces végétales sont freinées par les rayonnements UV-B. Parmi les espèces les plus sensibles il y a des céréales importantes comme le riz, le maïs et le tournesol. Les bois et forêts sont eux aussi sensibles aux UV-B. Cette vulnérabilité peut causer des dommages importants à l'agriculture et à la sylviculture.
En outre, les effets des UV-B peuvent se faire sentir jusqu'à 20 m en dessous de la surface de l'eau claire où ils endommagent les formes de vie microscopiques comme le plancton, les larves de poisson, les crevettes, les crabes et les algues marines. Le phytoplancton est à la base de la chaîne alimentaire, ce qui fait qu'une dégradation du plancton provoque une perte de biomasse pour la consommation humaine.
Antoine Henry-Bonniot
