Les gaz atmosphériques bloquent les UV <290 nm
La colonne de gaz absorbants se trouvant sur le trajet du rayonnement entrant comprend de l’azote et de l’oxygène atomiques et moléculaires et leurs produits. Ces gaz bloquent l’intégralité du rayonnement ultraviolet de courte longueur d’onde. L’oxygène moléculaire situé dans la stratosphère (10 à 48 km) absorbe le rayonnement ultraviolet de courte longueur d’onde (de l’état fondamental jusqu’à 252,4 nm ainsi que de très fortes bandes entre 50 et 100 nm et entre 140 et 175 nm) et le photodissocie. L’oxygène atomique ainsi produit engendre une production d’ozone, lequel absorbe fortement le rayonnement de longueur d’onde plus importante dans les bandes de Hartley et Huggins entre 200 et 360 nm (figure 1), et possède quelques faibles bandes d’absorption supplémentaires dans le visible (bandes de Chappius entre 450 et 750 nm) et l’infrarouge.
Figure 1 : Facteur de transmission de la couche d’ozone.L’absorption dans le fond continu de Herzberg de l’oxygène moléculaire qui s’y trouve en abondance bloque la majeure partie du rayonnement ultraviolet jusqu’à environ 250 nm. La diffusion de Rayleigh provoquée par les molécules atmosphériques (figure 2) et la forte absorption de l’ozone de 200 à 290 nm établissent la limite du rayonnement ultraviolet terrestre aux alentours de 290 nm. L’absorption de l’ozone est cependant variable puisque la quantité d’ozone présente dans la partie supérieure de l'atmosphère dépend de manière complexe des configurations de la formation et de la circulation atmosphériques, ainsi que des substances chimiques catalytiques persistantes qui détruisent l’ozone.
Figure 2 : Diffusion de Rayleigh ; impact sur le facteur de transmission. La variation du niveau d’ozone entraîne celle de la limite d’absorption
Le niveau d’ozone est quantifié comme correspondant à la longueur de parcours du gaz aux conditions normales de température et de pression (CNTP), ou mesuré en unités Dobson (DU pour Dobson unit), cette unité étant égale à un centième de millimètre d’ozone aux CNTP. Les niveaux d’ozone typiques, qui varient de 2,4 mm (CNTP) ou 240 DU à l’équateur, augmentent avec la latitude pour atteindre 4,5 mm au Pôle Nord. La variation saisonnière la plus élevée se situe aux pôles. Avant que l’on ne fasse état du trou dans la couche d’ozone, on savait que le niveau d’ozone au Pôle Nord chutait à environ 2,6 mm (CNTP) en octobre. L’ozone a déjà atteint en Antarctique des niveaux aussi faibles que 1,1 mm (CNTP), une chute imputée à la destruction chimique de l’ozone. Les spectres ASTM standard utilisent pour leurs calculs un niveau d’ozone de 3,4 mm, ce chiffre étant considéré comme la valeur moyenne probable du niveau d’ozone aux États-Unis.
L’ozone constituant le principal absorbant du rayonnement solaire dans la région 250-300 nm, selon la forte pente représentée à la figure 3, la destruction de l’ozone entraîne une augmentation des niveaux d’UVB. Nous évoquons dans notre section sur la photochimie et la photobiologie certaines des implications de ce phénomène. Fort ironiquement, l’ozone troposphérique, une substance polluante présente dans les régions fortement industrialisées ou peuplées, semble ici réduire le rayonnement UV. La figure 4 montre les modifications subies par le rayonnement ultraviolet terrestre calculé à 50° de latitude en raison de la destruction de la couche d’ozone. Ce chiffre est basé sur des données issues du Vol. I du Petit Manuel des UVB (UVB Hanbook) de Gerstl et al. du Laboratoire national de Los Alamos.
Figure 3 : Facteur de transmission des UV dans la couche d’ozone normale et détruite.
Figure 4 : Eclairement UV et destruction de l’ozone.