Destruction de la couche d’ozone stratosphérique

Principe :

La couche d'ozone stratosphérique est une concentration relativement élevée de molécules d'ozone (\(\text{O}_3\)) située principalement entre 15 et 35 km d'altitude. Son rôle est vital pour la biosphère.

Rôle protecteur :

• Absorption du rayonnement UV-B et UV-C : L'ozone stratosphérique absorbe efficacement la majorité du rayonnement ultraviolet (UV) nocif du soleil, en particulier les UV-C (100-280 nm, totalement absorbés) et une grande partie des UV-B (280-315 nm). Les UV-A (315-400 nm) sont moins absorbés.
• Protection de l'ADN et des organismes vivants : Les UV-B sont mutagènes et peuvent endommager l'ADN des cellules vivantes, causant des cancers de la peau (mélanomes), des cataractes, un affaiblissement du système immunitaire chez l'homme et l'animal. Ils affectent également la croissance des plantes (réduction de la photosynthèse) et le phytoplancton marin, base de la chaîne alimentaire aquatique.

Conséquences de l'appauvrissement :

• Augmentation de l'incidence des cancers de la peau et des cataractes.
• Affaiblissement du système immunitaire.
• Dommages aux écosystèmes terrestres (réduction de la productivité agricole et forestière) et aquatiques (perturbation des chaînes alimentaires).
• Dégradation de certains matériaux (plastiques, peintures).

Principe :

Une Substance Appauvrissant la Couche d'Ozone (SAO) est un composé chimique qui, une fois libéré dans l'atmosphère, atteint la stratosphère et participe à la destruction des molécules d'ozone, conduisant à un amincissement de la couche d'ozone.

Exemples de familles et de molécules SAO :

• Chlorofluorocarbures (CFC) :
  • Exemple : Dichlorodifluorométhane (\(\text{CCl}_2\text{F}_2\), aussi connu sous le nom de CFC-12 ou Fréon-12).
  • Sources principales (avant régulation) : Réfrigérants (réfrigérateurs, climatiseurs), propulseurs dans les aérosols, agents gonflants pour les mousses plastiques, solvants de nettoyage.
• Halons (contenant du brome) :
  • Exemple : Bromochlorodifluorométhane (\(\text{CBrClF}_2\), aussi connu sous le nom de Halon-1211).
  • Sources principales (avant régulation) : Agents extincteurs d'incendie, en particulier pour les équipements électroniques et dans l'aviation.
• Autres familles : Hydrochlorofluorocarbures (HCFC - moins destructeurs mais SAO quand même), tétrachlorure de carbone (\(\text{CCl}_4\)), bromure de méthyle (\(\text{CH}_3\text{Br}\)).

Principe :

Le cycle de Chapman décrit un ensemble de quatre réactions photochimiques qui expliquent la formation et la destruction naturelle de l'ozone dans la stratosphère, maintenant un équilibre dynamique de la concentration d'ozone en l'absence de polluants.

Réactions clés du cycle de Chapman :

1. Formation d'oxygène atomique (photolyse de \(\text{O}_2\)) :

Le dioxygène absorbe les UV-C et se dissocie en deux atomes d'oxygène.

2. Formation d'ozone :

Un atome d'oxygène réagit avec une molécule de dioxygène en présence d'une troisième molécule \(M\) (ex: \(\text{N}_2\) ou \(\text{O}_2\)) qui stabilise la nouvelle molécule d'ozone en absorbant l'excès d'énergie.

3. Destruction de l'ozone (photolyse de \(\text{O}_3\)) :

L'ozone absorbe les UV-B (et une partie des UV-C), ce qui le dissocie en une molécule de dioxygène et un atome d'oxygène (pouvant être à l'état excité \(\text{O}({}^1\text{D})\) ou fondamental \(\text{O}\)). C'est cette réaction qui assure la protection contre les UV-B.

4. Destruction de l'ozone par réaction avec l'oxygène atomique :

Un atome d'oxygène réagit avec une molécule d'ozone pour former deux molécules de dioxygène. Cette réaction est plus lente mais contribue à l'équilibre.

Principe :

Les CFC sont très stables dans la troposphère mais, une fois transportés dans la stratosphère, ils sont photolysés par les UV-C, libérant des atomes de chlore (\(\text{Cl}\cdot\)). Ces atomes de chlore agissent comme catalyseurs dans la destruction de l'ozone, c'est-à-dire qu'ils accélèrent la réaction de destruction sans être consommés eux-mêmes, pouvant ainsi détruire de nombreuses molécules d'ozone.

Réactions du Cycle Catalytique I du Chlore :

1. Initiation : Photolyse d'un CFC (ex: \(\text{CCl}_2\text{F}_2\)) par les UV-C :

Libération d'un radical chlore.

2. Cycle catalytique :

Dans la réaction (R1), l'atome de chlore réagit avec l'ozone pour former du monoxyde de chlore (\(\text{ClO}\cdot\)) et du dioxygène. Dans la réaction (R2), le \(\text{ClO}\cdot\) réagit avec un atome d'oxygène (provenant de la photolyse de \(\text{O}_2\) ou \(\text{O}_3\)) pour régénérer l'atome de chlore \(\text{Cl}\cdot\) et former une autre molécule de dioxygène. L'atome de chlore est ainsi disponible pour recommencer le cycle.

3. Réaction nette du cycle :

En additionnant (R1) et (R2) et en simplifiant les espèces qui apparaissent des deux côtés (\(\text{Cl}\cdot\) et \(\text{ClO}\cdot\)), on obtient la réaction nette :

Cette réaction nette montre que le cycle aboutit à la destruction d'une molécule d'ozone et d'un atome d'oxygène, produisant deux molécules de dioxygène, sans consommation nette de chlore.

Principe :

Le Potentiel de Destruction de l'Ozone (PDO) est un indice qui quantifie l'efficacité d'une substance chimique à détruire l'ozone stratosphérique, par rapport à une substance de référence, généralement le CFC-11 (\(\text{CCl}_3\text{F}\)), dont le PDO est fixé à 1.

Explication qualitative du PDO élevé des CFC :

Les CFC, comme le CFC-12 (\(\text{CCl}_2\text{F}_2\)), ont un PDO élevé en raison de plusieurs facteurs combinés :

• Stabilité dans la troposphère : Les CFC sont chimiquement inertes dans la basse atmosphère. Ils ne sont pas dégradés par les processus naturels (pluie, oxydation) et ont donc une longue durée de vie atmosphérique (plusieurs décennies à plus d'un siècle). Cela leur laisse amplement le temps d'atteindre la stratosphère par diffusion lente.
• Libération d'atomes de chlore (ou de brome) : Une fois dans la stratosphère, ils sont décomposés par le rayonnement UV-C intense, libérant des atomes de chlore (ou de brome pour les halons).
• Efficacité catalytique : Chaque atome de chlore (ou de brome, qui est encore plus efficace) peut catalyser la destruction de dizaines à centaines de milliers de molécules d'ozone avant d'être finalement désactivé ou de redescendre dans la troposphère. C'est l'aspect catalytique qui est crucial : une petite quantité de SAO peut avoir un impact disproportionné.
• Nombre d'atomes halogénés : Les molécules contenant plusieurs atomes de chlore (ou de brome) peuvent potentiellement libérer plusieurs de ces atomes destructeurs.

Pour le CFC-12 (\(\text{CCl}_2\text{F}_2\)), sa longue durée de vie (environ 100 ans) et la libération de deux atomes de chlore par molécule contribuent à son PDO élevé (proche de 1, selon les estimations).

Définition et Objectifs :

Le Protocole de Montréal relatif à des substances qui appauvrissent la couche d'ozone est un accord environnemental international signé le 16 septembre 1987, entré en vigueur le 1er janvier 1989. Son objectif principal est de protéger la couche d'ozone stratosphérique en éliminant progressivement la production et la consommation mondiales des SAO.

• Objectifs initiaux et amendements : Initialement, il visait à réduire la production de certains CFC. Il a ensuite été renforcé par plusieurs amendements (Londres 1990, Copenhague 1992, Vienne 1995, Montréal 1997, Pékin 1999, Kigali 2016) pour inclure d'autres SAO (halons, HCFC, etc.) et accélérer les calendriers d'élimination. L'amendement de Kigali cible également les hydrofluorocarbures (HFC), puissants gaz à effet de serre souvent utilisés comme substituts aux SAO.

Impact et Succès :

• Réduction drastique des SAO : Le Protocole est considéré comme l'un des accords environnementaux internationaux les plus réussis. Il a conduit à une diminution de plus de 98% de la consommation mondiale des SAO contrôlées.
• Début de rétablissement de la couche d'ozone : Grâce à ces réductions, les concentrations stratosphériques de chlore et de brome diminuent lentement. Les modèles scientifiques indiquent que la couche d'ozone est en voie de guérison et pourrait se reconstituer aux niveaux d'avant 1980 vers le milieu du 21e siècle pour les latitudes moyennes, et un peu plus tard pour les régions polaires. Le trou d'ozone antarctique montre des signes de stabilisation et de réduction progressive, bien que des variations interannuelles importantes subsistent.
• Bénéfices climatiques : De nombreuses SAO étant également de puissants gaz à effet de serre, leur élimination a eu un co-bénéfice significatif pour l'atténuation du changement climatique, évitant une quantité substantielle de réchauffement supplémentaire.

Principe :

Bien que le chlore et le brome soient les principaux catalyseurs anthropiques de la destruction de l'ozone, d'autres espèces radicalaires, d'origine naturelle et anthropique, participent également à des cycles catalytiques de destruction de l'ozone dans la stratosphère. Ces cycles impliquent souvent des espèces \(\text{X}\) et \(\text{XO}\), où \(\text{X}\) peut être \(\text{NO}\), \(\text{OH}\), \(\text{Cl}\), ou \(\text{Br}\).

Exemples d'autres familles et cycles :

• Oxydes d'azote (\(\text{NO}_{\text{x}}\)) :
  • Source : D'origine naturelle (oxydation du \(\text{N}_2\text{O}\) issu de la dénitrification bactérienne des sols) et anthropique (émissions des avions supersoniques volant dans la stratosphère, bien que leur contribution soit moins importante que celle des SAO chlorées/bromées).
  • Cycle catalytique du \(\text{NO}_{\text{x}}\) :
    \[\begin{aligned} \text{NO} + \text{O}_3 &\rightarrow \text{NO}_2 + \text{O}_2 \\ \text{NO}_2 + \text{O} &\rightarrow \text{NO} + \text{O}_2 \end{aligned}\]

    Réaction nette : \(\text{O}_3 + \text{O} \rightarrow 2 \text{O}_2\). (Similaire au cycle du chlore)

• Radicaux hydroxyles (\(\text{HO}_{\text{x}}\)) :
  • Source : Principalement issus de l'oxydation de la vapeur d'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)) et du méthane (\(\text{CH}_4\)) par des atomes d'oxygène excités \(\text{O}({}^1\text{D})\).
  • Exemple de cycle catalytique \(\text{HO}_{\text{x}}\) :
    \[\begin{aligned} \cdot\text{OH} + \text{O}_3 &\rightarrow \text{HO}_2\cdot + \text{O}_2 \\ \text{HO}_2\cdot + \text{O} &\rightarrow \cdot\text{OH} + \text{O}_2 \end{aligned}\]

    Réaction nette : \(\text{O}_3 + \text{O} \rightarrow 2 \text{O}_2\).

• Brome (\(\text{Br}\cdot\)) :
  • Source : Principalement des halons et du bromure de méthyle (naturel et anthropique).
  • Efficacité : Les atomes de brome sont encore plus efficaces que ceux de chlore pour détruire l'ozone (PDO plus élevés par atome). Le cycle est similaire à celui du chlore.