Categoriearchief: ozon

Ozone hole very large in 2015

ozone1

Source:  WMO Antarctic Ozone Bulletin no. 4, 2015

2015 has the third largest ozone hole on record. One has to go back to 2006 and 2000 to find a larger ozone hole area for this time period. This is due to a very strong polar vortex above Antarctic with extreme low temperatures. Despite the optimism in the past that the ozone hole would be ‘closed’ in the foreseeable future,  recovery might be doubtful, even at a longer time scale.

 

 

De temperatuur in de lagere stratosfeer

Al eerder schreef ik op deze plek over de temperatuur in de lagere stratosfeer. In onderstaande figuur is het temperatuurverloop in de atmosfeer te zien met betrekking tot de hoogte. In de troposfeer, die tussen 8 km (polen) en 17 km (tropen) hoog reikt, speelt zich het weer af zoals we dat op aarde waarnemen.

atmo

Bron:  Wikipedia

Lees verder

Ozon

The science is not settled yet: het gat in de ozonlaag

 

ozon1Bron:  Antarctic Ozone Bulletin

Het dagelijkse weer speelt zich af in de troposfeer, het  onderste deel van de atmosfeer. Wolken en neerslag komen boven deze goed gemengde laag vrijwel niet voor. Boven de polen is de troposfeer ongeveer 7 km dik,  boven de evenaar ongeveer 15 km dik. In de stratosfeer tussen ongeveer 15 km en 30 km hooogte,  bevindt zich het grootste deel  (91%) van de atmosferische ozon. Dit is wat genoemd wordt de “ozonlaag”.   Die ozonlaag  is algemeen bekend geworden vanwege het feit dat in de jaren ’80 van de vorige eeuw  een “ gat in de ozonlaag” boven Antarctica werd geconstateerd.

ozon8Bron: Wikipedia

Ozon  (O3)  ontstaat  onder invloed van UV-straling uit gewone zuurstofmoleculen (O2).  Ozonmoleculen zijn relatief instabiel, en worden op den duur ook weer door UV-straling afgebroken tot  zuurstof. Dit alsmaar voortdurende fotochemisch proces wordt de ozon-zuurstofcyclus genoemd. Overigens is de hoeveelheid ozon in de ozonlaag niet groot:  2 tot 8 ppm (parts per million). Maar ondanks dit relatief geringe voorkomen is ozon letterlijk van levensbelang voor het leven op aarde.

ozon9Bron: Wikipedia

UV-straling komt in drie zogenaamde banden voor:  UV-a, UV-b en UV-c.   Deze banden worden onderscheiden  op grond van hun golflengte (zie bovenstaand plaatje). UV-c is verreweg het meest schadelijk voor het leven op aarde, vanwege het optreden van genetische beschadigingen en huidkanker, maar wordt gelukkig volledig weggefilterd door ozon. UV-b is ook schadelijk, en dit wordt vrijwel helemaal door ozon weggefilterd. Slecht een zeer kleine fractie bereikt de aarde.  UV-a wordt vrijwel niet wegggefilterd en bereikt bijna geheel de aarde. Gelukkig is deze vorm van UV-straling nauwelijks schadelijk.

Vanwege het feit dat in de tropen de hoeveelheid binnenkomend zonlicht/m2 het grootst is, en dus ook de hoeveelheid UV-straling, wordt hier de meeste ozon aangemaakt. De grootste concentraties van ozon vinden we echter niet  boven de tropen maar op hogere breedtes,  en niet in de zomer (wat logisch zou zijn), maar in de lente. Overigens zijn daar ook uitzonderingen op. Het gat in de Antarctische ozonlaag treedt in de zuidelijke lente (september/oktober) op, terwijl op het noordelijk halfrond op veel plaatsen  in de lente de hoogste waarden gemeten worden.

Een belangrijke rol in de verdeling van ozon over de aarde speelt de zogenaamde Brewer-Dobson-circulatie, een luchtstroom die in de lagere stratosfeer van de tropen richting polen waait en ozon transporteert naar hogere breedten.  Vanwege de lagere temperaturen op hogere breedten kan ozon zich daar veel langer handhaven dan boven de tropen. Gedurende de zomer valt de Brewer-Dobson-circulatie vrijwel geheel stil  (A.J.Haklander, The Brewer-Dobson circulation: interannual variability and climate change, 2008, TU Eindhoven). Dat verklaart waarom de ozonwaarden op het noordelijk halfrond  in de herfst de laagste waarden bereiken.

ozon10Bron:  Wikipedia

Sinds de jaren ’80 vormt zich in de stratosfeer jaarlijks een ozongat boven Antarctica. Dit gat ontstaat meestal in september en is , volgens de algemene redenering, een gevolg van de zogenaamde katalytische chemische afbraak van ozon, hoofdzakelijk onder invloed van chloorfluorkoolstoffen (CFK’s). Deze CFK’s zijn vanaf de jaren ’90 van de 19e eeuw door de mens in de atmosfeer gebracht en de uitstoot ervan is sinds het Montreal Protocol (1987) drastisch beperkt.

ozon5Bron:  Bescherming ozonlaag: 20 jaar effectief beleid – een welkome waarheid

De verwachting is dat de jaarlijkse afbraak van ozon boven de Zuidpool nog vele decennia doorgaan, aangezien de ozonafbrekende stoffen niet meteen uit de stratosfeer verwijderd zijn.

CFK’s worden bovenin de stratosfeer (grotendeels boven de 25 km hoogte) afgebroken door dezelfde UV-straling als die waartegen de ozonlaag ons beschermt. Het is echter zo dat meer dan 90% van de atmosferische massa (en dus ook van CFK’s) zich beneden dit niveau bevindt. De totale hoeveelheid CFK’s die in de atmosfeer is beland zal dus maar mondjesmaat op grote hoogte worden afgebroken. De afbraak van CFK’s wordt versterkt door dezelfde  circulatie die ozon naar hogere breedten transporteert, de Brewer-Dobson-circulatie. Deze circulatie pompt de CFK’s langzaam maar zeker rond: in de tropen omhoog van de troposfeer naar de stratosfeer,  op gematigde breedten poolwaarts en op hogere breedten weer terug naar de troposfeer. Dezelfde circulatie  pompt ozonarme lucht in de tropen omhoog waarin weer nieuwe ozon gevormd wordt en transporteert het dan naar hogere breedten.

ozon11Bron:  KNMI

Het “gat” is feitelijk een verdunning van de hoeveelheid ozon tot ongeveer 40% van de waarden die aan de begin van de Antarctische winter gemeten worden. De oorzaak van deze sterke verdunning boven Antarctica is de volgende: aan het eind van de winter zakt de temperatuur van de lagere stratosfeer vaak tot extreme waarden: lager dan -85 graden Celcius is geen uitzondering. Daardoor ontstaan zelfs in de zeer droge stratosfeer wolken, Polaire Stratosfeerwolken , die een rol spelen bij de afbraak van ozon.

ozon3Bron:  Antarctic Ozone Bulletin

De zon , die dan na de poolnacht weer tevoorschijn komt,  doet met zijn UV-straling de rest. Die lagere ozonwaarden vormen overigens een positieve terugkoppeling: minder ozon betekent minder opwarming van de stratosfeer en dus lagere temperaturen. Gevolg is dat de temperatuur van de lagere stratosfeer de afgelopen decennia zo’n 10 graden lager is dan in de jaren ’60 van de vorige eeuw. In het Arctisch gebied zijn de temperaturen in de lagere stratosfeer gemiddeld hoger dan boven Antarctica, waardoor verdunning van de ozonlaag daar veel minder sterk is.

Het ”gat” in de ozonlaag is voor het eerst gemeten in 1983 en  tot 1992  steeds verder toegenomen.  De jaren daarna is het niet verder verdiept, maar ook nauwelijks minder diep geworden. In 2006 waren de ozonwaarden (in Dobson)  extreem laag, wat zich de afgelopen paar jaar weer enigszins hersteld heeft.  De vraag hoe bijzonder  het “gat”  in de ozonlaag is, is moeilijk te beantwoorden. We meten pas vanaf 1979 ( satellieten) en hebben derhalve geen zicht op de situatie vóór 1979. Kennis omtrent eventuele natuurlijke fluctuaties in de hoeveelheid ozon ontbreekt nagenoeg geheel.

ozon12Bron:  Antarctic Ozone Bulletin

Onze landgenoot Paul Crutzen bestudeerde in de jaren ’60  en ’70 van de vorige eeuw de invloed van stikstofoxiden op de ozonlaag.  Crutzen vond dat NO van belang is om het gedrag van ozon in de stratosfeer te verklaren. NO,  gevormd uit lachgas (N2O), gaat een katalytische reactie met ozon aan, waarbij ozon wordt omgezet in zuurstof (O2). De door Crutzen berekende evenwichtsconcentratie van ozon komt goed overeen met ozonwaarnemingen. Door deze ontdekking was de weg vrij voor een speurtocht naar andere stoffen die eenzelfde afbrekende werking op ozon hebben. Mario J. Molina en Frank Sherwood Rowland ontdekten in 1974 dat dit inderdaad het geval is voor CFK’s, waaruit zich via fotolyse chloorradicalen kunnen losmaken. CFK’s zijn vanaf het eind van de 19e eeuw ontwikkeld, eerst ten behoeve van brandbestrijding, later als drijfgas en koelmiddel. Die chloorradicalen spelen op hun beurt een rol in de afbraak van ozon.

De ontdekkingen van Crutzen, Molina en Sherwood  leidden voor hen tot het verkrijgen van de Nobelprijs voor de chemie in 1995. In die periode stond het voor de meeste wetenschappers vast dat CFK’s de grote boosdoeners waren.  Vandaar ook dat enkele jaren eerder zonder al teveel tegenwerking in het Montreal Protocol de productie en verwerking van CFK’s aan banden werden gelegd. Men was er van overtuigd dat dit op middellange termijn ervoor zou zorgen dat het “gat”  in de ozonlaag gedicht zou worden. Het KNMI  bracht in 1997 een persbericht naar buiten dat het begin van het herstel van de  ozonlaag in zicht was. Men schreef toen:  “ Naar verwachting zal de afname van ozonafbrekende stoffen nog in deze eeuw leiden tot een begin van het herstel van de ozonlaag.”

ozon7
Bron:  KNMI

We weten nu dat dat veel te optimistisch was. Van een herstel is nog geen sprake, en tot nu toe wisselen de jaren met een sterke afname stuivertje met jaren dat de afname minder groot is.

ozon6Bron:  KNMI

We constateren dat het zogenaamde gat in de ozonlaag , dat elk Antarctisch voorjaar ontstaat, er nog steeds is. In oktober 2006 was het gat zelfs dieper dan ooit sinds de metingen in 1979. Onderstaande grafiek is afkomstig van de site van TEMIS  (Tropospheric Emission Monitoring Internet Service ), waar de data van de satellietinstrumenten SCIAMACHY en OMI sinds 2000 worden verwerkt.

ozon13
Het KNMI en vele andere instituten en wetenschappers zijn wellicht jarenlang te optimistisch geweest over de effecten van het Montreal Protocol om de productie van CFK’s  terug te dringen. In een persbericht van 16 september 2005 schreef het KNMI nog :  “ Het gat in de ozonlaag boven de Zuidpool, dat zich jaarlijks in lente vormt, wordt waarschijnlijk vanaf ongeveer 2010 kleiner. Onderzoekers verwachten dat de ozonlaag niet eerder dan halverwege deze eeuw geheel zal zijn hersteld. …. De omvang van het ozongat dit jaar en de hoeveelheid ozon die dit jaar is afgebroken zijn vergelijkbaar met  die in de recordjaren 2000 en 2003.  Het ozongat van dit jaar wijst dus allesbehalve op een herstel van de ozonlaag.  Het ozongat werd ontdekt in i985, dit jaar precies 20 jaar geleden. Recent onderzoek laat zien dat buiten de polaire gebieden de dikte van de ozonlaag de laatste jaren weer geleidelijk toeneemt.   Boven de Zuidpool zal echter naar verwachting, zoals gezegd, het herstel van de ozonlaag niet eerder beginnen dan rond 2010. ”

De vorming en afbraak van ozon is een ingewikkeld proces, waarover de vorige keer al een en ander is geschreven. Bij de afbraak van ozon spelen zogenaamde vrije  radicalen een belangrijke rol als katalysator, waarbij CL (chloor) tot nu toe een zeer belangrijke rol speelt. Chloor komt , zoals bekend, door CFK’s in de atmosfeer, verbindingen waarvan de productie door het Montreal Protocol aan banden is gelegd.  Men gaat er van uit dat een enkel chlooratoom  in staat is om  gedurende 2 jaar ozon af te breken. Die 2 jaar is de geschatte tijd dat een chlooratoom in de stratosfeer verblijft voordat hij weer terugkeert naar de troposfeer . In die 2 jaar kan een enkel chlooratoom met wel 100.000 ozonmoleculen reageren, met als gevolg een afname in de hoeveelheid ozon.

Francis Pope e.a. van  NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California,  hebben in een publicatie in 2007 echter een bom gelegd onder de tot dan toe veronderstelde afbraakreacties van ozon (Pope, F.D., Hansen, J.C., Bayes, K.D., Friedl, R.R. and Sander, S.P. 2007. Ultraviolet absorption spectrum of chlorine peroxide, ClOOCl. Journal of Physical Chemistry A 111: 4322-4332).  Ze  beschrijven nieuwe manieren waarop de fotolyse van chloorperoxide kan worden gemeten. Fotolyse is een scheikundige ontledingsreactie onder invloed van zonlicht. Deze ontleding van de stof chloorperoxide is een belangrijke stap in de vernietiging van ozon. Uit de publicatie  blijkt dat deze ontleding onder invloed van licht een factor zes kleiner is dan tot op heden werd aangenomen. De auteurs  vragen zich dan ook af in hoeverre het huidige ozonafbraakmodel compleet is.

ozon14
Ook Markus Rex van het Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Potsdam stelt in 2007 in het blad Nature: ” If the measurements are correct we can basically no longer say we understand how ozone holes come into being.” What effect the results have on projections of the speed or extent of ozone depletion remains unclear. The rapid photolysis of Cl2O2 is a key reaction in the chemical model of ozone destruction developed 20 years ago. If the rate is substantially lower than previously thought, then it would not be possible to create enough aggressive chlorine radicals to explain the observed ozone losses at high latitudes “. Ook John Crowley  (Max Planckinstituut in Mainz) is kritisch in dezelfde Nature, als hij zegt:  ” Our understanding of chloride chemistry has really been blown apart.” . Neil Harris van de Europese Ozon Onderzoeks Eenheid schrijft: ” Until recently everything looked like it fitted nicely, but that now it’s like a plank has been pulled out of a bridge.”.  (Schiermeier, Q. 2007. Chemists poke holes in ozone theory. Nature 449: 382-383.).

In onderstaande grafiek is de afhankelijkheid van de fotolyse van ClOOCl  van het frequentiespectrum goed te zien: fotolyse vind vooral plaats bij golflengtes tussen 310 en 400 nm. De verticale as betreft de mate van fotolyse op 20 km hoogte en een hoek van zonne-instraling van 86°  (net boven de horizon). Opvallend is dat vanaf 1990 de diverse publicaties steeds op een lagere fotolyseniveau uitkomen dan tot dan toe werd aangenomen.

ozon15

Toch zijn er ook twijfels over de opmerkelijke vondsten van Pope e.a.  Zo schrijft de UK Workshop for an Initiative under the Stratospheric Processes and Their Role in Climate (SPARC) Project of the World Climate Research Programme  in 2008 dat er vooralsnog geen redenen zijn om te veronderstellen dat er grote hiaten aanwezig zijn in de huidige modellering van de afbraak van ozon: “ All these observations together provide tight constraints on potential “missing chemistry.” It seems to be unlikely that any major chemical mechanism could remain undetected so far. If any relevant unknown chemistry plays a role for the ozone loss mechanism, it can only be a minor modification of the known mechanisms, like adding an alternate breakdown mechanism for ClOOCl that has an overall effect very similar to the currently assumed rapid photolysis. Observational constraints for even such a minor modification of the chemical system are tight and it appears to be very difficult to reconcile cross sections of ClOOCl much smaller than current JPL recommendations with atmospheric observations. “

Ook  een publicatie van Chen e.a. (UV Absorption Cross Sections of ClOOCl Are Consistent with Ozone Degradation Models, 2009, Science : Vol. 324. no. 5928, pp. 781 – 784) komt op andere waarden dan Pope en  twijfelt zelfs aan de juistheid van Popes waarnemingen.

Of er al of niet essentiële zaken ontbreken in de huidige ozonmodellen zal snel blijken. Als er binnen nu en enkele jaren geen wezenlijke verbeteringen optreden in het ozongehalte van de stratosfeer zal de wereldgemeenschap van atmosfeerchemici op zoek moeten naar aanvullende mechanismen, of misschien zelfs naar radicaal andere verklaringen. We wachten af.