Le cycle de Chapman et le chlore

1. L'étape (1) produit $2\mathrm{O}$ ; chacun consomme un $\mathrm{O}{}_2$ à l'étape (2). Bilan : $$3\mathrm{O}{}_2⟶2\mathrm{O}{}_3.$$ Trois molécules de dioxygène donnent deux molécules d'ozone : le nombre d'atomes d'oxygène, $6$, est bien conservé.

2. L'étape (3) fournit un $\mathrm{O}{}_2$ et un $\mathrm{O}$ ; l'atome $\mathrm{O}$ détruit ensuite un second $\mathrm{O}{}_3$. Bilan : $$2\mathrm{O}{}_3⟶3\mathrm{O}{}_2,$$ exactement l'inverse du précédent. Formation et destruction s'équilibrent : l'ozone est en régime stationnaire, sa quantité restant à peu près constante alors que les molécules individuelles sont sans cesse renouvelées.

3. En additionnant (a) et (b), $\mathrm{ClO}$ apparaît puis disparaît : $$\mathrm{O}{}_3+\mathrm{O}⟶2\mathrm{O}{}_2.$$ Le chlore n'apparaît pas dans le bilan : consommé en (a), il est régénéré en (b).

4. Parce qu'il ressort intact du cycle, il peut le recommencer indéfiniment. Une espèce qui accélère une transformation sans être consommée est un catalyseur. C'est ce qui rend les CFC si dangereux : leur effet n'est pas proportionnel à leur quantité, il est amplifié par la répétition du cycle. Un atome de chlore détruit typiquement des dizaines de milliers de molécules d'ozone avant d'être piégé sous une forme stable, comme $\mathrm{HCl}$ ou $\mathrm{ClONO}{}_2$, puis redescendu dans la troposphère.

5. Aux étapes (1) et (3), l'énergie qui casse la liaison est apportée par un photon ultraviolet, qui est du même coup absorbé. Chaque dissociation retire donc un ultraviolet du rayonnement solaire qui traverse la stratosphère. La protection ne vient pas de l'ozone « en tant que matière », mais du fonctionnement permanent du cycle : c'est un bouclier dynamique, entretenu par l'énergie solaire elle-même.