OZONE ATMOSPHÉRIQUE
L'ozone de la stratosphère
La formation de l'ozone
Le mécanisme de la production de l'ozone stratosphérique a été élucidé dès 1930 par le géophysicien britannique Sydney Chapman. Pour fabriquer cette molécule constituée de trois atomes d'oxygène, il faut des atomes d'oxygène libres. Aux longueurs d'onde inférieures à 240 nm (énergie E du photon supérieure à 5 électronvolts [eV]), le rayonnement U.V. peut dissocier les molécules d'oxygène O2 de l'atmosphère (fig. 1a) :
(1) O2 + photon (E > 5eV) → O + O.
Peu de photons solaires ont autant d'énergie ; ils disparaissent avec chaque absorption. Au fur et à mesure que l'on s'enfonce dans l'atmosphère, ce flux de photons va donc diminuer, mais, comme le nombre de molécules O2 augmente, le taux de production d'atomes libres d'oxygène atteint son maximum à quelques dizaines de kilomètres d'altitude. À ce niveau peut se former l'ozone par collision entre l'atome libre O et la molécule O2 en présence d'une autre molécule (généralement N2 ou O2) notée M (fig. 1b) :
(2) O2 + O + M → O3 + M.
Trois molécules O2 se convertissent ainsi en deux molécules O3 à l'aide d'un photon U.V. solaire ayant l'énergie nécessaire pour dissocier une molécule O2. Le taux de production d'ozone dans la stratosphère dépend du flux de photons U.V. (qui varie entre zéro la nuit et des valeurs plus ou moins élevées selon la latitude, la saison et l'activité solaire) et de la température.
La destruction naturelle de l'ozone
L'abondance de l'ozone dépend des processus compétitifs de formation et de destruction, ainsi que du transport de l'ozone par la circulation de l'atmosphère. Ce transport joue un rôle important dans la distribution de l'ozone dont la concentration maximale est observée non pas au-dessus de la zone équatoriale (où le flux de photons U.V. est le plus fort), mais à des latitudes relativement élevées, vers la fin du printemps. La quantité totale d'ozone dépasse alors les 400 D.U., et les concentrations les 5 000 ppb.
On a longtemps cru, selon Chapman, que la destruction de l'ozone dépendait essentiellement de l'absorption de photons ayant des énergies supérieures à 1,1 eV :
(3) O3 + photon (E > 1,1 eV) → O2 + O,
cette dissociation étant suivie par la réaction (fig. 1c) :
(4) O3 + O → 2 O2.
Ainsi, avec un des photons abondants du rayonnement visible solaire, on convertit deux molécules d'ozone en trois molécules O2. La réaction (4) n'est cependant pas assez efficace pour expliquer la faible abondance de l'ozone dans la stratosphère. D'autres processus doivent intervenir. Vers 1970, Paul Crutzen et Harold Johnston ont mis en évidence le rôle important des oxydes d'azote (généralement notés NOx), essentiellement le monoxyde d'azote ou oxyde nitrique (NO) et le dioxyde d'azote (NO2). Ces oxydes agissent dans des cycles catalytiques de destruction. Chaque molécule NOx peut servir des milliers de fois dans ces cycles qui transforment deux molécules d'O3 en trois molécules O2 (fig. 1d) :
(5a) O3 + photon (E > 1,1 eV) → O2 + O,
(5b) O + NO2 → O2 + NO,
(5c) O3 + NO → O2 + NO2.
La molécule NO2 est restituée à la fin du cycle.
Protubérance solaire
E. Gibson/ MPI/ Getty Images
D'où viennent les oxydes d'azote ? L'atmosphère étant constituée à 99 p. 100 par un mélange de molécules d'azote (N2) et d'oxygène (O2), les oxydes d'azote sont produits chaque fois que la température est suffisamment élevée (combustion dans la troposphère ou dans des réacteurs d'avion, explosions nucléaires dans l'atmosphère). De plus, en fonction de l'activité solaire, les électrons énergétiques des aurores polaires, le rayonnement extrême U.V.[...]
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Écrit par
- Robert KANDEL : directeur de recherche honoraire du C.N.R.S., laboratoire de météorologie dynamique, École polytechnique, Palaiseau
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Formation et destruction de l'ozone stratosphérique
Encyclopædia Universalis France
Couche d'ozone
Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.
Protubérance solaire
E. Gibson/ MPI/ Getty Images
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