La couche d'ozone, couche protectrice

La couche d'ozone est une sphère de gaz, l'ozone, qui entoure notre planète. Il s'agit d'une couche présente dans la stratosphère dont le but est de nous protéger des rayons nocifs du soleil, notamment les rayons UV-C.

Située entre 20 km et 40 km d'altitude, la couche présente une épaisseur de quelques millimètres, variant entre les saisons et selon la situation de la Terre (couche mince aux pôles par exemple).

L'ozone se forme grâce à une réaction chimique entre le dioxygène présent sur Terre et les rayons du soleil. Les atomes de dioxygène (O2) se combinent aux atomes de d'oxygène (O) résultants de la cassure du dioxygène par les rayons solaires. Cette réaction suit l'équation suivante : O2 + O = O3

L'oxygène est le troisième élément chimique le plus abondant de l'univers (après l'hydrogène et l'hélium). Sur Terre, il est présent combiné à divers éléments, sous forme d'oxydes minéraux ou au sein de fonctions chimiques des composés organiques (alcool, cétone, acide carboxylique...). Il est présent dans l'air sous forme de dioxygène, dans l'eau combiné avec l'hydrogène et les composés biologiques. Il est vital pour la plupart des organismes vivants sur terre.

En dehors de son rôle biologique, il est également important au développement de la civilisation humaine car est nécessaire à la réalisation de feu.

Attention à ne pas confondre oxygène et dioxygène. En effet, dans le langage courant nous parlons de l'oxygène que nous respirons, mais chimiquement il s'agit de dioxygène (2 atomes d'oxygène). Par exemple, l'oxygène est un constituant de l'eau (H2O, un seul atome d'oxygène), mais du dioxygène existe également dissous dans l'eau (ce qui permet la respiration des organismes aquatiques).

A quoi sert la couche d'ozone ?
La couche d'ozone nous protège des rayons nocifs du Soleil, qui peuvent nous brûler la peau. Par exemple, une zone au Mexique où la couche d'ozone s'était dissipée était soumise à des rayons UV violents. Les personnes qui restaient quelques minutes au Soleil subissaient des brûlures profondes.
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L'ozone

L'ozone tire son nom de l'Allemand Ozon qui est lui même dérivé du Grec ozô signifiant exhaler une odeur. Egalement connu sous le nom de trioxygène, il se présente sous une forme triatomique formées de trois atomes d'oxygène faisant alors de l'ozone une variété allotropique de l'oxygène bien qu'elle soit nettement moins stable que le dioxygène puisque l'ozone tend de façon naturelle à se décomposer.

L'allotropie est la faculté de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes. Une forme allotropique peuvent avoir des propriétés physique, comme la couleur et la dureté, et une réactivité chimique différentes même si elles sont composées d'atomes identique Les transformations d'une forme allotropique à l'autre peuvent être induites par des changements de pression et de température ou même par une réaction chimique. Certaines formes ne sont stables que sous certaines conditions définies de température et de pression

Lorsque l'ozone se liquéfie à 161,3 K, il se présente sous la forme d'un liquide bleu foncé mais prend la forme d'un solide pourpre dès 80,7 K. Lorsqu'il se trouve à température ambiance, le trioxygène prend la forme d'un gaz bleu pâle à l'odeur très caractéristique. L'instabilité de cette substance se manifeste très largement lorsqu'elle se trouve dans un état condensé. En effet, une tendance à l'explosion se présentera lorsque la concentration en ozone est suffisamment significative. De plus, l'ozone se décompose en dioxygène, de formule O2, à une vitesse variant selon de nombreux paramètres comme la température, l'humidité de l'air, la présence éventuelle de catalyseurs tels que l'hydrogène ou encore un contact ou non avec une surface solide. Alors que le dioxygène reste inodore pour le nez humain, l'ozone peut être détecté par l'Homme dès que sa concentration dépasse les 0,01 ppm. Son odeur est très caractéristique et rappelle beaucoup l'eau de Javel. Il faut néanmoins être prudent car ce gaz peut être toxique lorsqu'il est respiré en grandes quantités et provoque la toux. Bien que l'ozone soit présent de façon naturelle dans l'atmosphère terrestre, formant par ailleurs une couche entre 13 et 40 km d'altitude dans la stratosphère, permettant alors d'intercepter près de 97% des rayons UV du Soleil, l'ozone reste un gaz très polluant pour les basses couches de l'atmosphère comme la troposphère. Lorsqu'il est présent dans cette couche, il va agresser le système respiratoire de la faune et peut même provoquer des brûlures chez la partie la plus sensible de la flore. En effet, l'ozone est un oxydant qui va agir sur les cellules vivantes et provoquer une corrosion accélérée des polymères. On appelle ce phénomène le craquelage d'élastomères par l'ozone.

L'ozone est une substance chimique qui possède une demi-vie relativement courte et cela est encore plus marquant lorsque la réaction se produit dans l'eau où il se décomposera en radicaux -OH. Cependant, et comme cela a pu être dit précédemment, différents facteurs peuvent influencer la vitesse de décomposition de l'ozone.

La demi-vie correspond au temps mis par une substance afin de perdre la moitié de son activité pharmacologique ou physiologique.

La température correspond au facteur ayant le plus d'influence sur la demi-vie de l'ozone. Il peut également être intéressant de noter que l'ozone est moins soluble dans l'eau, en plus d'être moins stable, lorsque la température augmente.

Lorsqu'il est dissous dans l'eau, l'ozone va se décomposer de façon partielle en radicaux -OH. Ainsi, si le pH de l'eau vient à augmenter, alors la décomposition de l'ozone va s'accélérer et la formation des radicaux -OH augmentera.

L'ozone, lorsqu'il est dissous dans l'eau, va réagir avec une très grande variété de matière comme des composés organiques ou encore des virus et bactérie par un phénomène que l'on appelle oxydation. En effet, l'ozone va se décomposer en dioxygène. Il peut être intéressant de noter que l'ozone se décompose de façon plus rapide dans de l'eau de ville que dans de l'eau distillée.

L'ozone sous forme gazeux présente, de façon théorique, une demi-vie plus longue que l'ozone dissous dans l'eau. Cependant, dans la pratique, l'ozone va provoquer l'oxydation des éléments se trouvant autour de lui que ce soit des métaux, des murs ou même des cellules réduisant de ce fait sa demi-vie à quelques secondes.

Voici un tableau qui récapitule la durée de demi-vie de l'ozone selon les conditions :

Dans l'airDans l'eau à pH 7
Température (°C)Demi-vieTempérature (°C)Demi-vie
2501,5 seconde
1201 heure et 30 minutes358 minutes
203 jours3012 minutes
-258 jours2515 minutes
-3518 jours2020 minutes
- 503 mois1230 minutes

Des trous dans la stratosphère de la Terre

Où se trouve la couche d'ozone ?
Voici une carte qui représente le trou présent dans la couche d'ozone au dessus de l'Antarctique.

Les couleurs sombres marquent le déficit en ozone. Des scientifiques de la NASA et de l'Administration nationale des études océaniques et atmosphériques (NOAA) ont constaté que le trou de la couche d'ozone dans la région polaire de l'hémisphère Sud a établi cette année un nouveau record de superficie et de profondeur. La couche d'ozone protège la vie sur terre car elle bloque les rayons ultraviolets nocifs du soleil. Le trou, qui est le signe d'une grave diminution de la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique, est principalement causé par la présence de composés fabriqués par l'homme qui émettent du chlore et des gaz de brome dans la stratosphère. « Du 21 au 30 septembre, la superficie moyenne du trou de la couche d'ozone était la plus vaste que l'on ait jamais observée, soit 27,5 millions de kilomètres carrés », affirme Paul Newman, spécialiste de la science atmosphérique au Centre Goddard des vols spatiaux de la NASA, dans le Maryland. Selon un communiqué de presse conjoint de la NASA et de la NOAA daté du 19 octobre, lorsque les conditions météorologiques de la stratosphère sont normales, le trou de la couche d'ozone doit en principe mesurer de 23 à 24 millions de kilomètres carrés, soit environ la superficie de l'Amérique du Nord. L'instrument de surveillance de l'ozone, placé sur le satellite Aura de la NASA, mesure la quantité totale d'ozone, du niveau du sol jusqu'à la couche supérieure de l'atmosphère, au-dessus de l'ensemble du continent antarctique. Le 8 octobre, cet instrument a enregistré une valeur basse de 85 unités Dobson au-dessus de la région est de la calotte glaciaire de l'Antarctique. Les unités Dobson mesurent la quantité d'ozone dans l'atmosphère au-dessus d'un point fixe. L'instrument de surveillance de l'ozone a été mis au point par l'Agence des Pays-Bas pour les programmes aérospatiaux de Delft, aux Pays-Bas, et par l'Institut météorologique d'Helsinki, en Finlande. Les scientifiques du Laboratoire de recherche des systèmes de la terre de la NOAA, au Colorado, se servent de ballons-sondes pour mesure l'ozone directement au-dessus du pôle Sud.

Destruction de la couche d'ozone stratosphérique

Le 9 octobre 2006, la mesure de l'ozone avait fortement diminué, chutant de 300 unités Dobson à la mi-juillet à 93 unités Dobson, et presque toute l'ozone de la couche comprise entre 12,8 km et 21 km au-dessus de la surface de la terre avait été détruite. Dans cette couche cruciale, les instruments ont relevé une valeur record de 1,2 unité Dobson seulement, ce qui représente une chute vertigineuse par rapport aux 125 unités relevées en juillet-août dans des zones non affectées par l'appauvrissement de la couche d'ozone. « Ces chiffres signifient que l'ozone est quasiment inexistante dans cette couche de l'atmosphère », affirme David Hofmann, directeur de la Division de la surveillance mondiale du Laboratoire de recherche des systèmes de la terre de la NOAA. « La couche appauvrie en ozone est inhabituellement épaisse cette année. Il semble donc que le trou de la couche d'ozone atteindra des dimensions record en 2006. » Les observations d'Aura révèlent de très fortes concentrations de produits chlorés destructeurs d'ozone dans la basse stratosphère (environ 20 kilomètres d'altitude). Ces mesures élevées de chlore couvraient la totalité de l'Antarctique de la mi-septembre à la fin de ce mois et elles s'accompagnaient de très faibles mesures d'ozone.

Températures basses

La température de la stratosphère antarctique fait fluctuer l'ampleur du trou de la couche d'ozone d'année en année. Les températures plus basses que la moyenne produisent des trous plus larges et plus profonds que des températures plus chaudes. Les centres nationaux de prévision environnementale de la NOAA ont analysé les observations des températures stratosphériques relevées par les satellites et les ballons-sondes, et à la fin du mois de septembre 2006, les températures de la basse stratosphère au bord de l'Antarctique étaient inférieures d'environ 12,7 degrés Celsius à la moyenne, entraînant une augmentation de la superficie du trou qui est passée de 3,1 kilomètres carrés à 3,8 kilomètres carrés. La stratosphère de l'Antarctique se réchauffe avec le retour de la lumière solaire à la fin de l'hiver polaire et grâce à de vastes systèmes météorologiques (ondulations à l'échelle planétaire) qui se forment dans la troposphère et remontent dans la stratosphère. Lors de l'hiver et du printemps 2006 dans l'Antarctique, ces ondulations météorologiques planétaires ont été relativement faibles, entraînant des températures plus froides que la moyenne dans la stratosphère. « Le trou de la couche d'ozone vient d'atteindre des dimensions record », dit Craig Long des centres nationaux de prévision environnementale. Tandis que le soleil se lève plus haut dans le ciel de l'hémisphère Sud, aux mois d'octobre et de novembre, ce trou inhabituellement large et persistant peut laisser passer beaucoup plus d'ultraviolets que d'habitude jusqu'à la surface de la terre dans l'hémisphère Sud.

Quelle est l'épaisseur de la couche d'ozone ?
Du fait des mouvements d'air et des rayons du Soleil, la couche d'ozone est beaucoup plus mince aux pôles, surtout quand ceux-ci sont plongés dans le noir durant l'hiver.

Les causes de la destruction

Les causes de la destruction de la couche d'ozone sont multiples. Certaines réactions chimiques sont responsables de sa dégradation. C'est le cas par exemple de composés chlorés qui réagissent avec les rayons solaires et empêchent alors la formation d'ozone.

Les gaz les plus dangereux pour la couche d'ozone sont les chlorofluorocarbures, des gaz qui ont été fortement utilisés à parti des années 1950. Présents dans les aérosols, les réfrigérants ou encore les mousses et solvants, leur utilisation en masse à énormément participé au perçage de la couche d'ozone. Même si leur production a été interdite et leur utilisation également, à cause du brassage des vents dans l’atmosphère, leurs effets se feront encore sentir dans plus de 50 ans.

Attention tout de même, la destruction de la couche d'ozone n'a pas pour seule conséquence l'activité humaine. Des phénomènes naturels peuvent aussi participer à sa destruction. C'est le cas par exemple des tâches solaires et des rayonnements du Soleil qui consomment la couche d'ozone.
Les éruptions volcaniques avec les gaz qui s'en échappent participent aussi à sa destruction.

Quel est l'impact de l'Homme sur la couche d'ozone ?
Les gaz propulseurs contenus dans les aérosols jusque dans les années 1990 ont grandement été responsables du trou créé dans la couche d'ozone. C'est notamment le cas des chlorofluorocarbures.

Les conséquences de la disparition de l'ozone

Les rayons ultraviolets en provenance du Soleil sont absorbés par la couche d'ozone. Si cette dernière disparaissait, nous perdrions cette protection indispensable. Les rayons en provenance du Soleil sont puissant et provoquent des mutations génétiques allant de la destruction de la peau à des cancers graves, en passant par des défaillances générales du système immunitaire. Dans les milieux aquatiques, les UV empêchent la reproduction des cellules et créent un trouble important, notamment au pôles.

Les mesures pour la protéger

En 1987, 24 pays et la communauté européenne se réunirent à Montréal pour discuter de la disparition de la couche d'ozone. Avec le Protocole de Montréal, entré en vigueur en 1989, avait pour but de diminuer de moitié la production des substances nocives pour la couche d'ozone sous dix ans pour enfin les faire disparaître complètement.

De son côté, l'Union Européenne à quant à elle complètement interdit les chlorofluorocarbures dès 1990.

20 plus tard, en 2007, 190 pays se réunissent à nouveau à Montréal pour constater les effets de la mise en place du Protocole. Il s'en conclut que c'est une réussite et que la production de gaz chlorés est très limitée et va finir de disparaître sous peu. Selon les scientifiques, on devrait pouvoir récupérer l'état de la couche d'ozone d'ici 2065 comme elle était en 1980 avant son endommagement. Le seul problème reste du coté des pays en voie de développement qui peinent à se séparer de ces gaz.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.