Le cycle de Chapman

Le cycle commence par la photodissociation du dioxygène (O2) sous l'action du rayonnement ultraviolet solaire de très courte longueur d'onde (principalement les UV-C, inférieurs à environ 242 nm). L'énergie des photons est suffisante pour rompre la liaison entre les deux atomes d'oxygène, produisant deux atomes d'oxygène dans leur état fondamental. Cette étape constitue la principale source d'oxygène atomique dans la haute stratosphère.

Les atomes d'oxygène ainsi produits sont extrêmement réactifs. Lorsqu'ils rencontrent une molécule de dioxygène, ils peuvent former une molécule d'ozone (O3). Cette réaction nécessite toutefois la présence d'un troisième corps, généralement une molécule d'azote (N2) ou de dioxygène (O2), qui absorbe l'excès d'énergie libéré lors de la réaction et stabilise la nouvelle molécule d'ozone. Sans ce troisième corps, l'ozone nouvellement formé se redissocierait immédiatement.

L'ozone absorbe ensuite efficacement les rayonnements ultraviolets de moyenne longueur d'onde (UV-B et une partie des UV-C), ce qui entraîne sa photodissociation. Cette réaction produit une molécule de dioxygène et un atome d'oxygène. Ce processus est essentiel car il convertit l'énergie du rayonnement ultraviolet en énergie thermique, réchauffant ainsi la stratosphère et protégeant les organismes vivants des rayonnements les plus énergétiques.

L'atome d'oxygène formé peut alors réagir avec une autre molécule d'ozone selon une réaction de recombinaison conduisant à deux molécules de dioxygène. Cette réaction constitue l'un des principaux mécanismes de destruction naturelle de l'ozone dans le modèle de Chapman.

L'ensemble du cycle établit ainsi un équilibre dynamique entre production et destruction de l'ozone. Tant que les vitesses de ces différentes réactions restent comparables, la concentration d'ozone demeure relativement stable. Cet équilibre dépend fortement de l'intensité du rayonnement solaire, de l'altitude, de la température et de la densité de l'air. Le cycle est particulièrement efficace dans la stratosphère parce que la densité atmosphérique y est suffisamment élevée pour permettre les collisions moléculaires nécessaires tout en laissant pénétrer une quantité importante de rayonnement ultraviolet.

Le modèle original de Chapman prédit toutefois des concentrations d'ozone supérieures à celles observées. Cette différence s'explique par l'existence de cycles catalytiques impliquant des radicaux libres, découverts plusieurs décennies après la publication du modèle. Les espèces chimiques contenant de l'hydrogène, de l'azote, du chlore ou du brome peuvent détruire un très grand nombre de molécules d'ozone sans être elles-mêmes consommées, ce qui réduit la concentration réelle d'ozone par rapport aux prévisions du modèle initial. Malgré cette limitation, le cycle de Chapman reste le cadre conceptuel fondamental de la photochimie de l'ozone et constitue la première approximation utilisée pour comprendre la structure chimique de la stratosphère.