Cycle de Chapman

La production naturelle d’ozone dans la stratosphère résulte de la réaction de la recombinaison d'un atome d'oxygène O avec une molécule O2 en présence d'un troisième corps M qui stabilise la réaction.
Réaction 1
O+O_2+M -->O_3+M+deltaQ                          M=O_2 ou N_2
Cette réaction (R1) est très rapide et ne nécessite que quelques fractions de secondes. Elle entraîne également une libération de chaleur ΔQ = 24 kcal pour chaque mole d’ozone formée, qui correspond à l’énergie de liaison O-O2 dans la molécule O3. Ce processus explique le gradient positif de température observé dans la stratosphère. L’atome d’oxygène nécessaire résulte de la photodissociation de l’oxygène moléculaire au dessus de 20 km d’altitude par des longueurs d’onde solaires comprises entre 180 et 200 nm.

Réaction 2
O_2+hv-->O+O

L’ozone absorbe à son tour les longueurs d’onde comprises entre 200 et 290 nm pour redonner de l’oxygène moléculaire et de l’oxygène atomique dans un état excité.

Réaction 3
O_3+hv-->O_2+O^1D

Le terme puits est représenté par la réaction :

Réaction 4
O_3+O^3P-->O_2+O_2
Ainsi s’établit un équilibre O2/O/O3. Cette théorie qui explique l’équilibre entre la formation et la destruction de l’ozone à partir des seuls composés oxygénés est appelée « cycle de Chapman ».
L’examen des réactions ci-dessus montre que la production photochimique d’ozone dépend de l’intensité du rayonnement solaire. Ainsi, la production est plus importante à l’équateur qu’aux pôles. L’ozone est donc produit dans la stratosphère tropicale vers 40-50 km d’altitude mais sa concentration est maximale autour de 20 km des moyennes et hautes latitudes. C’est le fait de la circulation de Brewer-Dobson comme le montre la figure ci-dessous.

Distribution de l'ozone dans la stratosphère avec indication de la circulation de Brewer-Dobson


 

Définition

photodissociation : dissociation d'une molécule sous l'action d'un rayonnement lumineux

Définition

puits : terme désignant l'ensemble des processus conduisant à la perte où à la destruction

Définition

Dobson : unité de la colonne d'ozone, totale ou uniquement troposphérique ou stratosphérique