Sachez ce que c'est, quels sont les gaz qui impactent et quand la couche d'ozone doit se régénérer

Quelle est la couche d'ozone? C'est une question très importante pour quiconque se préoccupe de la santé de la planète Terre et, par conséquent, de la nôtre. Mais pour y répondre d'abord, vous devez comprendre comment fonctionnent certains processus de base dans l'atmosphère.

L’appauvrissement (ou la dégradation) de la couche d’ozone est l’un des principaux problèmes environnementaux associés à la chimie et à la pollution atmosphérique. Vous devez avoir entendu parler de ce sujet. La couche d'ozone, comme son nom l'indique, est une couche de l'atmosphère terrestre qui contient de fortes concentrations d'ozone (O3). La concentration la plus élevée se situe dans la stratosphère, à environ 20 à 25 km de la surface de la Terre. Le pic de ces concentrations se situe aux latitudes élevées (pôles) et le plus bas se produit dans les régions tropicales (bien que le taux de production d'O3 soit plus élevé sous les tropiques).

Comme cela a déjà été dit dans notre article "Ozone: méchant ou bonhomme?", Ce gaz peut être à la fois extrêmement important et indispensable à la vie sur Terre, ainsi qu'un polluant hautement toxique. Tout dépend de la couche atmosphérique dans laquelle il se trouve. Dans la troposphère, c'est un méchant. Dans la stratosphère, un bon gars. Dans ce dossier, nous allons parler de l'ozone stratosphérique, en soulignant ses fonctions, son importance, comment il a été dégradé et comment éviter que cela se produise.

Les fonctions

L'ozone stratosphérique (le bon gars) est responsable du filtrage du rayonnement solaire à certaines longueurs d'onde (absorbe tout le rayonnement ultraviolet B, appelé UV-B et une partie d'autres types de rayonnement) capable de provoquer certains types de cancer, en étant un le pire est le mélanome. Il a également pour fonction de maintenir la Terre au chaud, empêchant toute dissipation de la chaleur émise à la surface de la planète.

Quelle est la couche d'ozone?

La couche d'ozone, comme mentionné précédemment, est une couche qui concentre environ 90% des molécules d'O3. Cette couche est essentielle à la vie sur terre, car elle protège tous les êtres vivants en filtrant le rayonnement solaire ultraviolet de type B. L'ozone se comporte différemment selon l'altitude à laquelle il se trouve. En 1930, un physicien anglais du nom de Sydnei Chapman a décrit les processus de production et de dégradation de l'ozone stratosphérique en quatre étapes: la photolyse de l'oxygène; production d'ozone; consommation d'ozone I; consommation d'ozone II.

1. Photolyse à l'oxygène

Le rayonnement solaire atteint une molécule d'O2, séparant ses deux atomes. Autrement dit, cette première étape obtient deux atomes d'oxygène (O) libres en tant que produit.

2. Production d'ozone

Dans cette étape, chacun de l'oxygène libre (O) produit dans la photolyse réagit avec une molécule d'O2, obtenant des molécules d'ozone (O3) comme produit. Cette réaction se produit à l'aide d'un atome ou d'une molécule de catalyseur, une substance qui permet à la réaction de se produire plus rapidement, mais sans agir activement et sans se lier aux réactifs (O et O2) ou au produit (O3).

Les étapes 3 et 4 montrent comment l'ozone peut être dégradé de différentes manières:

3. Consommation d'ozone I

L'ozone formé lors de l'étape de production est alors à nouveau dégradé en molécules d'O et d'O2 par l'action du rayonnement solaire (en présence de longueurs d'onde allant de 400 nanomètres à 600 nanomètres).

4. Consommation d'ozone II

Une autre façon de dégrader l'ozone (O3) est de réagir avec des atomes d'oxygène libres (O). De cette manière, tous ces atomes d'oxygène se recombineront, générant deux molécules d'oxygène (O2) en tant que produit.

Mais alors, si de l'ozone est produit et dégradé, qu'est-ce qui maintient la couche d'ozone? Pour répondre à cette question, nous devons considérer deux facteurs importants: le taux de production / destruction des molécules (la vitesse à laquelle elles sont produites et détruites), et leur durée de vie moyenne (temps nécessaire pour réduire la concentration d'un certain composé à la moitié de concentration initiale).

Concernant la vitesse de production / destruction des molécules, il a été constaté que les étapes 1 et 4 sont plus lentes que les étapes 2 et 3 du procédé. Cependant, comme tout commence à l'étape de la photolyse de l'oxygène (étape 1), on peut dire que la concentration d'ozone à générer en dépend. Ceci explique alors pourquoi la concentration d'O3 diminue à des altitudes supérieures à 25 km et à des altitudes plus basses; à des altitudes supérieures à 25 km, la concentration d'O2 diminue. Dans les couches atmosphériques inférieures, des longueurs d'onde plus longues prévalent, qui ont moins d'énergie pour décomposer les molécules d'oxygène, réduisant ainsi leur taux de photolyse.

Malgré la grande découverte de ces étapes, si l'on ne considérait que ces processus de destruction, on obtiendrait des valeurs de concentration d'O3 deux fois plus élevées que celles observées dans la réalité. Cela ne se produit pas car, en plus des étapes démontrées, il existe également des cycles d'appauvrissement de la couche d'ozone non naturels, causés par des substances appauvrissant la couche d'ozone (ODD): des produits tels que le halon, le tétrachlorure de carbone (CTC), l'hydrochlorofluorocarbone (HCFC), chlorofluorocarbone (CFC) et bromure de méthyle (CH3Br). Lorsqu'ils sont libérés dans l'atmosphère, ils se déplacent vers la stratosphère, où ils sont décomposés par les rayons UV, libérant des atomes sans chlore, qui à leur tour rompent la liaison ozone, formant du monoxyde de chlore et de l'oxygène gazeux. Le monoxyde de chlore formé réagira à nouveau avec les atomes sans oxygène,formant plus d'atomes de chlore, qui réagiront avec l'oxygène et ainsi de suite. On estime que chaque atome de chlore peut décomposer environ 100 000 molécules d'ozone dans la stratosphère et a une durée de vie utile de 75 ans, mais il y a déjà eu suffisamment de rejets pour réagir pendant près de 100 ans avec l'ozone. En plus des réactions avec les oxydes d'hydrogène (HOx) et les oxydes d'azote (NOx) qui réagissent également avec l'O3 stratosphérique, le détruisant, contribuant à la dégradation de la couche d'ozone.En plus des réactions avec les oxydes d'hydrogène (HOx) et les oxydes d'azote (NOx) qui réagissent également avec l'O3 stratosphérique, le détruisant, contribuant à la dégradation de la couche d'ozone.En plus des réactions avec les oxydes d'hydrogène (HOx) et les oxydes d'azote (NOx) qui réagissent également avec l'O3 stratosphérique, le détruisant, contribuant à la dégradation de la couche d'ozone.

Le graphique ci-dessous montre l'historique de la consommation de SDO au Brésil:

Où se trouvent les substances qui appauvrissent la couche d'ozone et comment les éviter?

CFC

Les chlorofluorocarbures sont des composés synthétisés formés par le chlore, le fluor et le carbone, qui ont été largement appliqués dans plusieurs processus - les principaux sont énumérés ci-dessous:

• CFC-11: utilisé dans la fabrication de mousses de polyuréthane comme agent d'expansion, dans les aérosols et les médicaments comme propulseur, dans la réfrigération domestique, commerciale et industrielle comme fluide;
• CFC-12: appliqué dans tous les procédés dans lesquels le CFC-11 a été utilisé et également en mélange avec de l'oxyde d'éthylène, comme stérilisateur;
• CFC-113: utilisé dans les éléments de précision en électronique, comme solvants pour le nettoyage;
• CFC-114: utilisé dans les aérosols et les médicaments comme propulseur;
• CFC-115: utilisé comme fluide dans la réfrigération commerciale.

On estime que ces composés sont environ 15 000 fois plus dommageables pour la couche d'ozone que le CO2 (dioxyde de carbone).

En 1985, la Convention de Vienne pour la protection de la couche d'ozone a été ratifiée dans 28 pays. Avec des promesses de coopération dans la recherche, la surveillance et la production de CFC, la convention présentait l'idée de faire face à un problème environnemental au niveau mondial avant que ses effets ne soient ressentis ou scientifiquement prouvés. Pour cette raison, la Convention de Vienne est considérée comme l'un des meilleurs exemples de l'application du principe de précaution dans les grandes négociations internationales.

En 1987, un groupe de 150 scientifiques de quatre pays s'est rendu en Antarctique et a confirmé que la concentration de monoxyde de chlore était environ cent fois plus élevée dans cette région que partout ailleurs sur la planète. Puis, le 16 septembre de la même année, le Protocole de Montréal a établi la nécessité d'une interdiction progressive des CFC et de leur remplacement par des gaz non nocifs pour la couche d'ozone. Grâce à ce protocole, le 16 septembre est considéré comme la Journée mondiale de la protection de la couche d'ozone.

La Convention de Vienne pour la protection de la couche d'ozone et le Protocole de Montréal ont été ratifiés au Brésil le 19 mars 1990, promulgués dans le pays le 6 juin de la même année, par le décret n ° 99.280.

Au Brésil, l'utilisation des CFC a été complètement arrêtée en 2010, comme le montre le graphique ci-dessous:

HCFC

Les hydrochlorofluorocarbures sont des substances artificielles importées au Brésil, initialement en petites quantités. Cependant, en raison de l'interdiction des CFC, l'utilisation est à la hausse. Les principales applications sont:

Secteur manufacturier

• HCFC-22: réfrigération de la climatisation et des mousses;
• HCFC-123: extincteurs;
• HCFC-141b: mousses, solvants et aérosols;
• HCFC-142b: mousses.

Secteur des services

• HCFC-22: réfrigération de climatisation;
• HCFC-123: machines frigorifiques ( refroidisseurs );
• HCFC-141b: nettoyage des circuits électriques;
• Mélanges HCFC: réfrigérateurs de climatisation.

Selon le ministère de l'Environnement (MMA), on estime que d'ici 2040, la consommation de HCFC sera éliminée au Brésil. Le graphique ci-dessous montre l'évolution de l'utilisation des HCFC:

Bromure de méthyle

C'est un composé organique halogéné qui, sous pression, est un gaz liquéfié, et peut avoir une origine naturelle ou synthétique. Le bromure de méthyle est extrêmement toxique et mortel pour les êtres vivants. Il était largement utilisé dans l'agriculture et dans la protection des marchandises entreposées et pour la désinfection des dépôts et des moulins.

Le Brésil a congelé ses importations de bromure de méthyle depuis le milieu des années 90. En 2005, le pays a réduit ses importations de 30%.

Le tableau ci-dessous présente le calendrier prévu par le Brésil pour l'élimination de l'utilisation du bromure de méthyle:

Selon la MMA, l'utilisation du bromure de méthyle n'est autorisée que pour les traitements de quarantaine et avant expédition réservés aux importations et exportations.

Ci-dessous, le graphique montre l'historique de la consommation de bromure de méthyle au Brésil:

Halons

La substance halon est produite artificiellement et importée par le Brésil. Il est composé de brome, de chlore ou de fluor et de carbone. Cette substance était largement utilisée dans les extincteurs pour tous les types d'incendie. Selon le Protocole de Montréal, en 2002, l'importation de halon se référant à la moyenne de l'importation brésilienne entre 1995 et 1997 serait autorisée, diminuant de 50% en 2005 et, en 2010, l'importation serait totalement interdite. Cependant, la résolution Conama n ° 267 du 14 décembre 2000 est allée plus loin, interdisant l'importation de nouveaux halons à partir de 2001, étant autorisée à importer uniquement des halons régénérés, car ils ne font pas partie du calendrier d'élimination du protocole.

Le halon-1211 et le halon-1301 sont principalement utilisés dans l'élimination des incendies marins, dans la navigation aérienne, sur les navires pétroliers et les plates-formes d'extraction de pétrole, dans les collections culturelles et artistiques et dans les centrales électriques et nucléaires, en plus de l'utilisation de militaire. Dans ces cas, l'utilisation est autorisée en raison de son efficacité à éteindre les incendies sans laisser de résidus et sans endommager les systèmes.

D'après le graphique ci-dessous, le Brésil a déjà éliminé la consommation de halons.

Chlore

Le chlore est émis dans l'atmosphère de manière anthropique (via l'activité humaine), principalement à travers l'utilisation de CFC (chlorofluorocarbures), que nous avons déjà vu plus haut. Ce sont des composés synthétiques gazeux, largement utilisés dans la fabrication de sprays et dans les anciens réfrigérateurs et congélateurs.

Oxydes d'azote

Certaines sources naturelles d'émission sont des transformations microbiennes et des décharges électriques dans l'atmosphère (rayons). Ils sont également générés par des sources anthropiques. Le principal est la combustion de combustibles fossiles à des températures élevées. Pour cette raison, l'émission de ces gaz se produit dans la troposphère, qui est la couche de l'atmosphère où nous vivons, mais ils sont facilement transportés vers la stratosphère par le mécanisme de convection, et peuvent alors atteindre la couche d'ozone, la dégradant.

L'une des méthodes pour éviter les émissions de NO et de NO2 est l'utilisation de catalyseurs. Les catalyseurs des industries et des automobiles ont pour fonction d'accélérer les réactions chimiques qui transforment les polluants en produits moins nocifs pour la santé humaine et l'environnement, avant qu'ils ne soient rejetés dans l'atmosphère.

Oxydes d'hydrogène

La principale source de HOx dans la stratosphère est la formation d'OH à partir de la photolyse de l'ozone, qui produit des atomes d'oxygène excités, qui réagissent avec les vapeurs d'eau.

Trou de couche d'ozone

Image: NASA

En 1985, on a constaté qu'il y avait une réduction significative d'environ 50% de l'ozone stratosphérique entre septembre et novembre, ce qui correspond à la période printanière dans l'hémisphère sud. La responsabilité a été attribuée à l'action du chlore des CFC. Plusieurs études ont indiqué que le processus avait lieu depuis 1979.

Le seul trou dans la couche d'ozone est situé au-dessus de l'Antarctique - partout ailleurs, ce qui s'est passé est la diminution lente et progressive de la couche d'ozone.

Cependant, il existe une forte tendance actuelle à l'inversion des dommages causés à la couche d'ozone, en raison des mesures adoptées dans le Protocole de Montréal, comme en témoigne le Programme des Nations Unies pour le développement (PNUD). On s'attend à ce que, d'ici 2050, la couche soit rétablie aux niveaux d'avant 1980.

Curiosité: pourquoi seulement au pôle Sud?

L'explication du trou ne se produisant qu'au-dessus de l'Antarctique peut être donnée par les conditions spéciales du pôle Sud, telles que les basses températures et les systèmes de circulation atmosphérique isolés.

En raison des courants de convection, les masses d'air circulent sans interruption, mais en Antarctique en raison du fait que son hiver est extrêmement rude, la circulation de l'air ne se produit pas, produisant des cercles de convection restreints à la zone, appelés vortex polaire ou vortex.

Voir également cette courte vidéo réalisée par l'Institut national de recherche spatiale (Inpe) sur la dégradation de la couche d'ozone par les CFC:

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