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Utilité de la crème solaire

Science, climat et société

Utilité de la crème solaire

1 heure

10 points

Intérêt du sujet • Rêvons un peu : vous partez en vacances en Australie ! Vous prenez votre crème solaire d'indice 30 française. Mais suffira-t-elle à vous protéger contre les rayons qui traversent le « trou » dans la couche d'ozone ?

 

Selon un rapport de l'Australian Institute of Health and Welfare (AIHW) sur le cancer de la peau, l'incidence du mélanome a presque doublé entre 1982 (28 cas pour 100 000 personnes) et 2015 (51 cas pour 100 000 personnes). Les activités humaines ont brisé l'équilibre fragile de la couche d'ozone, continuellement formée et détruite dans l'atmosphère. Ainsi, au-dessus de l'Antarctique et de l'Océanie, un « trou » se forme durant le printemps austral dans la couche d'ozone.

Partie 1 • L'ozone et le rayonnement UV

Document 1Formation de la couche d'ozone

Dans la haute atmosphère, l'énergie portée par le rayonnement solaire (pour des longueurs d'ondes λ > 242 nm) est suffisante pour briser une partie des molécules de dioxygène O2 qui s'y trouvent. Des atomes d'oxygène sont ainsi libérés. Pour des raisons de stabilité, ceux-ci rechignent à rester isolés. Ainsi, à chaque fois qu'un atome d'oxygène se recombine avec une molécule de dioxygène, il se forme une molécule d'ozone stratosphérique O3.

Aujourd'hui, c'est essentiellement au-dessus des régions équatoriales que se forme l'ozone. Ces molécules sont ensuite transportées par les vents vers toutes les autres latitudes pour former ce que l'on appelle la couche d'ozone. En parallèle, l'ozone est naturellement détruit après absorption de lumière ultraviolette. La molécule d'ozone est alors dissociée en une molécule de dioxygène et un atome d'oxygène. Un atome d'oxygène peut également se lier à une molécule d'ozone pour former deux molécules de dioxygène.

D'après : www.futura-sciences.com

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Spectre d'absorption de l'ozone

Document 2Trous dans la couche d'ozone

Depuis environ 50 ans, l'homme a fabriqué industriellement des composés organiques halogénés, dont les chlorofluorocarbures (CFC) qui sont des molécules synthétiques très stables chimiquement et donc sans danger direct pour les êtres vivants. Pour cette raison, celles-ci ont été utilisées dans de nombreuses applications : réfrigérants (frigorifiques, climatiseurs), gaz propulseur dans les bombes aérosols, mousses synthétiques, solvants… et ont ainsi joué un rôle très bénéfique pour l'amélioration de notre mode de vie. Mais, du fait de leur très grande stabilité, ces gaz restent dans l'atmosphère pendant des décennies (50 à 100 ans), et ils sont progressivement transportés dans la stratosphère, où, soumis à l'influence du rayonnement ultraviolet solaire, ils sont dissociés et libèrent du chlore (Cl) qui ont alors la capacité de rentrer dans des cycles de réactions chimiques conduisant à la destruction de l'ozone.

Source : L'ozone stratosphérique dans Livret sur l'environnement 2020, Marie-Lise Chanin (Académie des sciences).

Ces cycles de réactions chimiques sont représentés dans le schéma ci-dessous. Les composés photosensibles chlorés (Cl, ClO) sont des catalyseurs et ne sont pas consommés. Ils peuvent ainsi détruire d'autres molécules d'ozone.

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D'après : www.education.meteofrance.fr

À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 1 et 2, répondre aux questions suivantes.

▶ 1. a) Représenter à l'aide d'un schéma le processus de la dissociation du dioxygène en haute atmosphère.

b) Écrire l'équation de la réaction menant à la formation de l'ozone dans la stratosphère et dire ce qui rend cette formation possible.

c) Donner les équations des réactions de la destruction naturelle de l'ozone stratosphérique.

▶ 2. Expliquer pourquoi on dit que la couche d'ozone stratosphérique a un rôle protecteur pour le vivant.

▶ 3. Démontrer, à l'aide des deux dernières équations du document 2, que les deux composés chlorés, Cl et ClO, jouent bien un rôle de catalyseur dans la destruction de l'ozone, c'est-à-dire qu'ils déclenchent et accélèrent la réaction mais ne réagissent pas avec la molécule de O3.

Partie 2 • UV et santé

Document 3UV, ADN et crèmes solaires

a. Spectre d'absorption de l'ADN pur

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L'énergie du rayonnement UV absorbée par la molécule d'ADN entraîne la formation de liaisons entre deux bases thymines adjacentes, ce qui déforme la molécule et provoque l'apparition de mutations. Celles-ci s'accumulent dans les cellules de la peau et rendent leur multiplication anarchique, conduisant à l'apparition de tumeurs cancéreuses.

b. Crèmes solaires et protection contre les UV-B

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Les crèmes solaires constituent un filtre protecteur au niveau de la peau qui réfléchit une grande partie des UV. La quantité d'UV traversant ce filtre dépend de l'indice de protection (IP) de la crème solaire. L'indice de protection indique de quel facteur se prolonge l'exposition possible au soleil avant l'apparition d'un « coup de soleil ». Un IP 20 permet une exposition 20 fois plus longue au soleil qu'une peau non protégée. Un IP 20 filtre 19/20 = 95 % des UV-B. Un IP 30 augmente la quantité des UV-B filtrés de 2 %, un IP 50 de 3 % comparé à une crème solaire avec un IP 20.

D'après : www.clairenature.com

De plus, la sensibilité de la peau aux UV dépend de la présence plus ou moins importante de mélanine (pigment brun). Ce pigment produit par les cellules cutanées est capable d'absorber les UV et d'empêcher leur action sur l'ADN. Plus la peau est foncée, plus la mélanine est présente et moins les UV peuvent modifier l'ADN des cellules cutanées.

Document 4Couche d'ozone en Australie

La couche d'ozone est particulièrement amincie au-dessus de l'Australie, comme le montre la carte suivante. L'index UV détermine la quantité d'UV parvenant jusqu'au sol : plus il est élevé, plus cette quantité d'UV est importante.

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D'après : Australian Bureau of Meteorology.

À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 3 et 4, répondre aux questions suivantes.

▶ 4. a) D'après le document 3 a., quelles sont les radiations absorbées par l'ADN ?

b) Quelles sont les conséquences possibles sur la santé humaine de l'exposition aux UV ?

c) Pourquoi le danger est-il si important en Australie ?

▶ 5. Comment les crèmes solaires agissent-elles ?

▶ 6. Démontrer qu'il est indispensable d'utiliser une crème solaire d'indice de protection élevé en Australie.

 

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Tableau de 4 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Document 1 Formation de la couche d'ozone; Le document explique le mécanisme de la formation de l'ozone, la raison de sa présence dans l'atmosphère et le spectre d'absorption de ce gaz.Déduisez de ce texte les transformations chimiques menant à la formation de l'ozone et constatez, sur le graphique, les longueurs d'onde des rayons absorbés par ce gaz.; Ligne 2 : Document 2 « Trou » dans la couche ozone; Le texte explique le rôle joué par les CFC dans la destruction de la couche d'ozone.Notez bien les équations des réactions dans le schéma qui montrent le mécanisme de la destruction du O3.; Ligne 3 : Document 3 UV, ADN et crèmes solaires; Le graphique a. montre les radiations absorbées par l'ADN. Le texte énonce les conséquences du rayonnement UV sur l'ADN et les cellules de la peau.Le graphique b. présente le pourcentage d'UV-B filtrés par les crèmes solaires en fonction de leur indice.; Ligne 4 : Document 4 Couche d'ozone en Australie; La carte présente les index UV moyens sur le sol australien.Reliez index UV et épaisseur de la couche d'ozone.;

Répondre aux questions

Coups de pouce

 1. a) Il ne s'agit pas d'une équation de réaction, il faut schématiser !

c) Soyez vigilants : l'ozone ne disparaît pas seulement par dissociation.

 4. Notez les longueurs d'onde dont l'absorbance est la plus importante.

 5. Recherchez la façon dont les crèmes solaires nous protègent des effets des UV.

Aide à la résolution de la question 6

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Partie 1 • L'ozone et le rayonnement UV

▶ 1. a) Schéma de la dissociation de la molécule de O2 par les rayonnements UV solaires :

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b) Un atome d'oxygène se combine avec une molécule de dioxygène pour former l'ozone d'après l'équation de la réaction suivante :

O + O2 → O3

Cette transformation est possible car l'atome d'oxygène est instable et ne peut rester longtemps à l'état libre. Il se recombine alors avec un autre composé.

mot clé

Le document dit pourquoi l'oxygène « rechigne » à rester isolé.

c) L'ozone stratosphérique se décompose en captant les rayonnements UV du Soleil, d'après l'équation de la réaction suivante :

O3 → O2 + O

Puis l'atome d'oxygène ainsi formé se recombine avec une autre molécule d'ozone, d'après l'équation de la réaction suivante :

O + O3 → O2 + O2

▶ 2. Le rayonnement solaire est responsable de la décomposition des molécules d'ozone présentes dans la stratosphère. Le spectre d'absorption du document 1 indique que la molécule d'ozone absorbe 100 % des rayons de longueurs d'onde allant de 100 nm à 400 nm correspondant aux rayons ultraviolets. Ces rayons sont dangereux pour les organismes vivants. C'est la raison pour laquelle la couche d'ozone est dite protectrice du vivant sur Terre.

à noter

Le spectre d'absorption de la molécule d'ozone permet de comprendre pourquoi la couche d'ozone nous protège des UV.

▶ 3.

Le conseil de méthode

Recopiez les deux dernières équations des réactions du schéma du document 2 sur un brouillon, l'une en dessous de l'autre. En les regardant ensemble, vous remarquerez des composés identiques des deux côtés de ces équations. Rappelez-vous aussi qu'il faut en déduire une seule équation de réaction et que les catalyseurs ne doivent pas y figurer.

Les deux dernières équations des réactions du document 2 nous donnent le mécanisme de la destruction de la molécule de O3 par les CFC. Pour obtenir l'équation de la réaction, on doit additionner ces deux équations.

+O3+ClClO+O2O+ClOCl+O2O3+O+ClO+ClClO+Cl+2O2

D'où, en simplifiant : O3 + O → 2 O2

Nous remarquons que les deux catalyseurs, Cl et ClO, peuvent être simplifiés des deux côtés de l'équation finale pour donner l'équation qui décrit la destruction de l'ozone (donnée aussi dans la réponse à la question 1. c). La disparition de ces deux molécules du bilan final montre bien le rôle d'un catalyseur. En effet, ces molécules interviennent dans la transformation de O3 mais ne jouent pas le rôle de réactifs dans cette transformation.

Partie 2 • UV et santé

▶ 4. a) D'après le spectre d'absorption de l'ADN, les radiations absorbées par cette molécule ont des longueurs d'ondes comprises uniquement entre 220 et 300 nanomètres, avec un maximum pour les radiations de 260 nm. La molécule d'ADN absorbe donc une partie des UV.

b) Lorsqu'elle est exposée aux rayons UV, la molécule d'ADN absorbe leur énergie. D'après le texte du document 3, cette énergie entraîne la formation de liaisons entre deux bases thymines adjacentes, ce qui déforme la molécule d'ADN et provoque des mutations qui sont des modifications du matériel génétique. L'accumulation de mutations rend les cellules touchées anormales et leur multiplication anarchique. Elles prolifèrent alors et peuvent conduire à l'apparition de cancers de la peau.

c) D'après le document 4, l'index UV est particulièrement fort (index haut à extrême) ce qui veut dire que les UV sont peu filtrés par la couche d'ozone amincie. Dans cette région du globe, les êtres humains sont plus exposés aux UV : leurs cellules cutanées en reçoivent plus et leur ADN est plus endommagé. Par conséquent, le fort index UV entraîne un fort taux de cancers de la peau.

▶ 5. Les crèmes solaires filtrent les UV. Elles les empêchent ainsi de pénétrer dans la peau et d'endommager l'ADN des cellules cutanées. Elles arrêtent d'autant plus les UV que leur indice de protection est élevé et réduisent donc les risques de développer des cancers de la peau.

▶ 6. Nous cherchons à démontrer qu'il est indispensable d'utiliser une crème solaire d'indice de protection élevé en Australie.

La particularité de l'Australie et surtout de la partie nord du pays est d'être fortement exposée aux UV solaires, qui sont peu filtrés par la couche d'ozone amincie dans cette partie du globe.

De plus, nous savons qu'une forte exposition aux UV entraîne des mutations des cellules cutanées qui peuvent devenir cancéreuses. C'est pour cela que le taux de cancers de la peau est élevé en Australie.

Les crèmes solaires permettent de filtrer les UV au niveau de la peau. Ainsi, les UV ne pénètrent pas dans les cellules cutanées et ne peuvent pas entraîner de dommages au niveau de leur ADN.

à noter

Vos réponses ne doivent pas obligatoirement se limiter à l'analyse des documents présentés dans le sujet. Pensez à réinvestir vos connaissances et votre culture générale pour les enrichir.

D'après le document 3 b., l'indice de protection solaire de la crème doit être élevé et supérieur à 15 pour permettre de filtrer la quasi-totalité des UV, avec plus de 93 % d'UV filtrés. Lorsqu'on a une peau claire très sensible aux UV, l'indice doit être supérieur pour arrêter encore plus d'UV.

L'utilisation de crème solaire d'indice élevé permet de protéger sa peau des UV et réduit donc les risques de cancers, notamment dans une zone très exposée comme l'Australie. Cependant, il faut veiller à renouveler souvent sa protection et suivre d'autres conseils, tels que ne pas s'exposer aux heures les plus chaudes durant lesquelles il y a plus d'UV et se couvrir avec un chapeau et des vêtements.

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