Chapitre 75 – L`oxygène – Partie 2
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PRODUCTEUR PLUS Les sols et l'agriculture, Gérard Millette Ph.D. Chapitre 75 NOURRIR LES PLANTES L’OXYGÈNE Partie 2 INTRODUCTION Quel pourcentage nos efforts représentent-ils dans les variations climatiques actuelles? On sait que ces variations ont commencé il y a environ 1 500 000 ans en Amérique du Nord, et 15 millions d’années en Afrique. Quelle importance avonsnous dans ces changements? Seul le temps le dira, mais nous serons alors absents. OXYGÈNE ESSENTIEL ET NOCIF Bien qu’essentiel à la respiration animale et végétale, un atome d’oxygène est rarement seul dans la nature. Il s’associe très rapidement à un autre atome d’oxygène pour former une molécule équilibrée et stable ((O=) + (O=) = (O=O) ou O2) (gaz + gaz = gaz). Figure 75.3 Le lien en covalence entre les 2 atomes favorise le magnétisme qui permet éventuellement à la molécule d’oxygène (O2) de s’ioniser (– O – O –). À ce moment-là, il y a un déséquilibre électronique entre les 7 ou 8 électrons qui oscillent sans arrêt et les 8 protons stables au centre de l’atome d’oxygène. Celui-ci devient alors très sensible aux rayons ultraviolets (UV) du soleil. Il accapare et relâche sans cesse un électron. Ceci crée un oxygène auquel il manque l’équivalent de 3 électrons, que l’on appelle oxonium ou ozone ((O) + (UV) = (O≡)). Heureusement, l’ozone est partiellement opaque à certains rayons UV nocifs du soleil. Il rend la vie possible sur la terre à la condition d’être présent sans être surabondant. L’ozone fait ainsi partie des gaz à effets de serre (GES). C’est pourquoi ce chapitre couvre les effets de l’ozone, du smog et des oxydes nitreux auxquels s’associe l’oxygène, qui sont tous des GES. L’OZONE ET SES EFFETS L’oxygène ordinaire occupe 21% de l’atmosphère immédiat qui enveloppe la terre. La teneur en ozone de cette couche varie entre 1 % et 1X10-6, c’est-à-dire 0,000001 % (un millionième de un pour cent). Cet ozone forme une coquille semi-transparente autour de la terre. Malgré son faible pourcentage, cette couche d’ozone absorbe une partie des UV des rayons solaires. Or, les rayons UV du soleil sont un germicide essentiel pour aseptiser l’atmosphère autour de la terre. Grâce au filtre de l’ozone, les UV du soleil atteignent la terre avec une dose acceptable de germicide, sans les longueurs d’ondes nocives. Avec le temps, une couche protectrice d’ozone s’est accumulée autour de la terre et forme une coquille d’environ 18 à 20 kilomètres d’épaisseur, qui enveloppe notre planète à partir d’une altitude d’environ 20 kilomètres. Il est donc important, pour discuter du phénomène d’ozone, de connaître la désignation des couches d’air qui encerclent la terre. Que de questionnements sur la couche d’ozone ! Et avec raison, car cette coquille d’ozone enveloppant notre planète atténue grandement l’intensité des rayons UV en provenance du soleil. Sans cette couche, toute vie sur terre serait impossible. 259 PRODUCTEUR PLUS Les sols et l'agriculture, Gérard Millette Ph.D. Chapitre 75 On a établi scientifiquement que l’espace astral qui entoure la terre jusqu’à 500 kilomètres de distance comprend 4 zones caractérisées par des propriétés et conditions spécifiques. Ces zones forment 4 coquilles superposées qui influencent le climat de la planète. Exosphère LA TROPOSPHÈRE Dans la troposphère, la température de l’air est à son maximum près de la surface de la terre parce que celle-ci bloque les rayons lumineux qui apportent de l’énergie. Comme tout corps inerte absorbant de l’énergie, la terre se réchauffe et rejette des rayons infrarouges de chaleur qui s’élèvent, parce que l’air chaud est plus léger que l’air froid. C’est la zone météo qui établit et maintient les zones climatiques sur la planète. Par contre, la chaleur se disperse en s’éloignant et la température diminue à mesure que l’altitude Thermosphère Figure 75.1 COUCHES ATMOSPHÉRIQUES À Épaisseur de la coquille à partir de la surface de la terre, en km. Nom 0 à 20 20 à 57 57 à 80 80 à 500 500 + Troposphère Stratosphère Mésosphère Thermosphère Exosphère Couche d’ozone Mésosphère Stratosphère Troposphère ZOOM SUR LA COVALENCE Cependant, l’oxygène agit aussi d’une façon ionique avec une multitude d’autres éléments qui ont des électrons à donner. Dans chaque cas, l’oxygène gagne simplement 2 électrons provenant de l’autre élément, pour atteindre la stabilité du gaz néon inerte (Ne) avec 10 électrons. C’est le cas avec de l’hydrogène (H+), du fer (Fe++) ou (Fe+++), du potassium (K+) et plusieurs autres éléments existant sur la terre. L’oxygène constitue ainsi des molécules d’eau ((O=) + (2H+) = (H2O)) (gaz + gaz = liquide) ou de la rouille avec le fer ((3O=) + (2Fe+++) = (Fe2O3)) (gaz + solide = rouille). la lecture du chapitre précédent, nous connaissons maintenant la structure atomique de l’oxygène, son importance dans la nature ainsi que ses actions et réactions dans le milieu végétal, animal et industriel. Les agissements de l’oxygène dans tous ces milieux diffèrent énormément de ceux du carbone. En effet, le carbone, avec son nombre atomique de 6, peut accepter 4 autres nouveaux électrons ou partager ses 4 électrons présents en covalence avec d’autres ions sur sa pelure externe (Figure 1). La Figure 2 montre que deux atomes d’oxygène, avec leur nombre atomique de 8, remplacent par covalence les 4 espaces électroniques libres sur un atome de carbone, pour produire le CO2. Figure 1 Figure 2 Carbone C ++++ - - e e e P e - e e - C Covalence avec oxygène O Légende : e P Électrons présents Électrons manquants Protons Pelure e e e e e e - - e O 260 P e + e - e e e P e C e e e e e - P e - - + e e e O = CO2 PRODUCTEUR PLUS Les sols et l'agriculture, Gérard Millette Ph.D. Chapitre 75 augmente. C’est pourquoi on trouve des glaciers et des neiges permanentes sur le sommet des hautes montagnes, même près de l’équateur. La température peut ainsi passer de 45°C à -75°C, de la surface de la terre à 15 km d’altitude. La troposphère est la couche atmosphérique où la vie est possible. LA STRATOSPHÈRE Celle-ci est la zone critique pour les effets de l’ozone sur le climat. La partie inférieure, située entre 20 et 38 km environ, contient un enrichissement en ions d’ozone. Ceci est dû aux réactions chimiques entre les divers ions présents, suite au bombardement par les rayons UV provenant du soleil. Les électrons libérés saturent les ions d’oxygène qui deviennent non ionisés. Donc, ils ne s’attirent plus les uns les autres. Exemple: Dans (O2 + UV = O + O non ionisé), cet oxygène (O) s’agglutine à l’oxygène O2 pour donner un ion d’ozone (O2 + O = O3). Ils luisent quand ils entrent dans la stratosphère et la troposphère, parce que la densité des atomes y est plus élevée. Ceux-ci s’ionisent et les charges électriques les font luire. Ce phénomène crée aussi des aurores boréales. Plus loin encore, l’exosphère représente l’espace "infini" où l’hydrogène et l’hélium dominent. L’EFFET OZONE L’ozone est le temporisateur qui permet la vie sur la terre. Il est opaque aux rayons UV. La coquille riche en ozone située entre 20 et 38 km environ joue un double rôle : elle est un miroir semi -transparent dans les deux sens. Figure 75.4 La concentration d’ozone peut être de 8 ppm dans cette couche. La température y est très basse à -75°C. Au-delà de 38 km, l’ozone diminue rapidement et la température de l’air peut atteindre 20°C à 57 km. MÉSOSPHÈRE, THERMOSPHÈRE, EXOSPHÈRE Dans l’atmosphère raréfiée et très diluée de la mésosphère, l’oxygène occupe encore 21 % de la masse gazeuse, mais c’est sa limite en altitude. La température baisse pour atteindre -93°C à 80 km. La zone suivante, la thermosphère, est aussi appelée ionosphère. La température augmente en altitude jusqu’à 1 227°C à la limite de 500 km. Cependant, un objet s’y réchaufferait très lentement à cause de la rareté des atomes présents. Il y a donc très peu de collisions entre eux, qui généreraient de l’énergie et de la chaleur. Donc, les météores qui tombent sur la terre ne brillent pas beaucoup en traversant cette zone. Si nous retrouvons des glaciers en altitude, comme au MontBlanc en France, c’est dû au fait que la chaleur qui s’élève de la terre se disperse en s’éloignant. La température diminue à mesure que l’altitude augmente, au point de se maintenir sous le point de congélation en plein mois de juillet la nuit et ce, à une altitude de 3 200 mètres. À 2 000 mètres en contrebas, la température peut grimper facilement à 30 degrés. Figure 75.2 Rayons chauds infrarouges Rayons solaires Ozone (Stratosphère) Troposphère 261 PRODUCTEUR PLUS Les sols et l'agriculture, Gérard Millette Ph.D. Chapitre 75 La coquille d’ozone diminue l’intensité trop élevée des rayons UV provenant du soleil et permet à des êtres de vivre sur la terre. Par contre, cette même couche bloque les rayons infrarouges de chaleur provenant de la terre et retourne une partie de ces rayons vers la planète, comme l’indique la Figure 75.2. Sans cette réflexion, la terre aurait une température moyenne de -18°C et serait inhabitable. À la surface de la terre, l’ozone est un polluant. Dans la stratosphère, il est un protecteur. Le lien est faible entre les variations de l’ozone et les changements climatiques. La concentration d’ozone dans la stratosphère a diminué de 3 à 6 % de 1979 à 1998. Ceci a augmenté les dangers de développer des cancers de la peau et des cataractes. On rapportait en avril 2000 une baisse de 60 % de l’ozone stratosphérique à 18 km d’altitude au-dessus de l’Arctique pendant l’hiver, même si le chlore avait diminué dans la stratosphère. L’équilibre s’est rétabli en 6 mois. LE SMOG Ce mot vient de la combinaison de deux mots anglais : (smoke) fumée et (fog) brouillard ou vapeur d’eau. Les rayons lumineux du soleil causent une réaction photochimique chez les gaz provenant de la combustion. Le smog a été observé la première fois à Londres durant l’hiver 1900. Il était dû à la combustion du bois pour chauffer en hiver. Maintenant, les véhicules avec moteur à combustion interne et les industries qui rejettent des gaz à haute température pendant toute l’année en sont majoritairement responsables. On a identifié plusieurs gaz dans le smog, surtout de l’azote (45, 46), le principal composant de l’atmosphère à 78 %. Ce gaz se combine rapidement avec de l’oxygène pour former des oxydes nitreux tels le NO, et le NO2. Ce sont des GES qui peuvent persister pendant 100 ans. Les microorganismes actifs dans les sols rejettent aussi de l’azote dans l’atmosphère, qui réagit avec l’oxygène. Bref, le smog contient des poussières nocives pour les poumons, de la vapeur d’eau et de l’ozone qui réduisent l’intensité des rayons UV du soleil et protègent la chaleur de la terre. OXYDES D’AZOTE L’oxygène que relâche la photosynthèse dans l’atmosphère réagit rapidement avec l’azote dans l’atmosphère de la façon suivante : N2 +O2 (azote + oxygène) = 2NO + 2O = 2NO2 (oxyde nitreux), donc O2 + UV = O + O=. L’oxygène ionisé (avec charges électroniques) réagit avec l’oxygène de l’atmosphère pour être transformé en ozone, un GES qui est en même temps un écran contre les UV. La participation de l’azote dans ces réactions assure leur permanence. Le NO de l’atmosphère provient surtout des bactéries qui décomposent la matière organique du sol. Par exemple, les forêts produisent de l’oxygène par la photosynthèse, mais la litière sous les arbres relâche l’azote nécessaire aux réactions décrites précédemment. Donc, la forêt n’apporte pas d’enrichissement de l’atmosphère en oxygène. Les terres cultivées, avec les rendements élevés que nous obtenons maintenant pour nourrir une population qui augmente, relâchent plus d’azote que la végétation forestière. Que faire? Diminuer la production de nourriture? Réduire les populations d’êtres vivants qui augmentent la production de CO2 , de méthane (CH4), de CFC ? En novembre 2006 aux États Unis, on a autorisé l’utilisation du bromure de méthyle qui a été interdit en 2004 par entente internationale. C’est le pesticide le plus efficace pour maintenir des niveaux élevés de production de tomates et de fraises en Californie et en Floride. D’autre part, les explosions volcaniques lancent des millions de tonnes de poussières et de GES dans l’atmosphère. On rapportait en 2006 que la couche d’ozone est en voie de guérison. Est-ce dû aux humains ou à des combinaisons heureuses de phénomènes météorologiques, géologiques, astronomiques ou autres ? Figure 75.5 Le smog urbain, phénomène peu nouveau, est un mélange de fumée et de brouillard. Ce sont les rayons lumineux du soleil qui causent une réaction photochimique avec les gaz provenant de la combustion. 262
