Appauvrissement de la couche d'ozone (Chimie)

Qu'est-ce que l'appauvrissement de la couche d'ozone ?

Chaque printemps, la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique s'amincit considérablement. Cet amincissement est appelé appauvrissement de la couche d'ozone et est causé par la décomposition rapide des particules d'ozone dans la stratosphère. Bien que la couche d'ozone fluctue naturellement en taille et en épaisseur, l'activité humaine est responsable de son déclin substantiel au cours du vingtième siècle.

Comment l'ozone est-il créé et détruit ?

Lorsqu'une molécule d'oxygène est touchée par la lumière UV, elle se divise en deux molécules par un processus appelé fission homolytique.

Ces molécules sont toutes deux des radicaux libres.

L'un de ces radicaux libres réagit ensuite avec une autre molécule d'oxygène, formant de l'ozone,. Les équations sont données ci-dessous :

Fig. 2 - Équations montrant la formation de l'ozone

L'ozone peut également être détruit naturellement par la lumière UV. La réaction ci-dessus s'inverse, décomposant l'ozone en une molécule d'oxygène et un radical libre d'oxygène :

Fig. 3 - Équation montrant la décomposition de l'ozone

La couche d'ozone présente un équilibre naturel, ce qui signifie que les particules d'ozone sont continuellement créées et détruites à des taux égaux. Cependant, l'activité humaine perturbe l'équilibre, épuisant les niveaux d'ozone stratosphérique plus rapidement qu'ils ne peuvent être remplacés.

Comment les CFC provoquent-ils l'appauvrissement de la couche d'ozone ?

Un exemple de CFC est le trichlorofluorométhane, :

Fig. 4 - Trichlorofluorométhane. Remarque qu'il contient trois atomes de chlore et un atome de fluor.

L'ingénieur américain Thomas Midgley a introduit les CFC dans les années 1930. Ils sont rapidement devenus populaires en tant que composants de réfrigérateurs, aérosols et solvants pour le nettoyage à sec, et ont été loués pour leur faible toxicité, leur inflammabilité et leur réactivité. Lorsque nous avons commencé à utiliser de plus en plus de CFC dans une large gamme de produits, ils se sont inévitablement échappés dans l'environnement et les niveaux atmosphériques de CFC ont augmenté. Cela a posé un problème. En raison de leur manque de réactivité, les CFC peuvent voyager dans l'atmosphère pendant des années sans se décomposer et finir par atteindre la stratosphère. Là, ils sont divisés par la lumière UV pour former desradicaux libres de chlore , également par fission homolytique.

Comment les radicaux chlorés provoquent-ils l'appauvrissement de la couche d'ozone ?

Comme tous les radicaux, les radicaux libres de chlore sont extrêmement réactifs. Ils réagissent avec les particules d'ozone dans la stratosphère, les décomposant en molécules d'oxygène. Les équations sont présentées ci-dessous :

Fig. 5 - Équations montrant la décomposition de l'ozone par les radicaux libres de chlore.

Cette réaction régénère le radical libre du chlore pour que le processus puisse continuer. C'est un exemple de réaction en chaîne.

Comment l'activité humaine cause-t-elle l'appauvrissement de la couche d'ozone ?

Tout au long du vingtième siècle, l'homme a utilisé et jeté de nombreux réfrigérateurs, aérosols et autres produits contenant des CFC. La concentration de CFC dans la couche d'ozone s'en est trouvée accrue, ce qui a entraîné un taux élevé de production de radicaux chlorés. Ces radicaux ont rapidement détruit l'ozone de la couche d'ozone, jusqu'à ce que le taux d'appauvrissement devienne trop élevé pour que l'équilibre naturel s'établisse. Les niveaux de particules d'ozone ont diminué, en particulier au-dessus du pôle sud, formant des zones de couverture mince qui étaient inefficaces pour arrêter les rayons UV nocifs atteignant la surface de la Terre. Ce rayonnement UV représente un grand risque pour la santé des humains et de la planète Terre. Par exemple, les rayons UV peuvent :

• Provoquer des dommages et des mutations de l'ADN, entraînant des cancers mortels.
• Provoquer des cataractes et des brûlures de la peau chez l'homme et d'autres animaux.
• Endommager le phytoplancton.
• Entraver la photosynthèse des plantes.

Alternatives aux CFC

Un accord mondial appelé Protocole de Montréal a interdit les CFC dans de nombreux pays au milieu des années 1990, et des alternatives ont depuis été développées. Il s'agit notamment des hydrochlorofluorocarbures (HCFC) et des hydrofluorocarbures (HFC).

Fig. 6 - Exemple d'un HCFC, à gauche, et d'un HFC, à droite

Les HCFC sont moins stables que les CFC et libèrent donc leurs atomes de chlore plus bas dans l'atmosphère, où la proportion de particules d'ozone à décomposer est plus faible. Cependant, une proportion importante de HCFC parvient tout de même jusqu'à la stratosphère. Les HFC peuvent donc constituer une meilleure alternative. Ils ne contiennent que des atomes de fluor, d'hydrogène et de carbone, et ne contiennent pas de chlore susceptible de se transformer en radicaux libres. Cependant, ce sont de puissants gaz à effet de serre, et ils sont donc nocifs pour la Terre d'une autre manière tout aussi inquiétante - en contribuant au changement climatique.