Gammel is og sne giver spor af præindustrielt ozon

Brug af sjældne iltmolekyler fanget i luftbobler i gammel is og sne, Amerikanske og franske videnskabsmænd har besvaret et langvarigt spørgsmål:Hvor meget er "dårlige" ozonniveauer steget siden starten af ​​den industrielle revolution?

"Vi har været i stand til at spore, hvor meget ozon der var i den gamle atmosfære, " sagde Rice University geokemiker Laurence Yeung, hovedforfatteren af ​​en undersøgelse offentliggjort online i dag i Natur . "Dette er ikke blevet gjort før, og det er bemærkelsesværdigt, at vi overhovedet kan gøre det."

Forskere brugte de nye data i kombination med state-of-the-art atmosfæriske kemiske modeller til at fastslå, at ozonniveauer i den lavere atmosfære, eller troposfæren, er steget med en øvre grænse på 40% siden 1850.

"Disse resultater viser, at nutidens bedste modeller simulerer gamle troposfæriske ozonniveauer godt, " sagde Yeung. "Det styrker vores tillid til deres evne til at forudsige, hvordan troposfæriske ozonniveauer vil ændre sig i fremtiden."

Det Rice-ledede forskerhold omfatter efterforskere fra University of Rochester i New York, det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS) Institut for miljøgeovidenskab ved Université Grenoble Alpes (UGA), CNRS's Grenoble Images Speech Signal and Control Laboratory ved UGA og det franske Climate and Environmental Sciences Laboratory for både CNRS og den franske kommission for alternative energier og atomenergi (CEA) ved Université Versailles-St Quentin.

"Disse målinger begrænser mængden af ​​opvarmning forårsaget af menneskeskabt ozon, " sagde Yeung. F.eks. han sagde, at den seneste rapport fra Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) anslog, at ozon i Jordens lavere atmosfære i dag bidrager med 0,4 watt pr. kvadratmeter strålingspåvirkning til planetens klima, men fejlmarginen for den forudsigelse var 50 %, eller 0,2 watt pr. kvadratmeter.

"Det er en rigtig stor fejlbjælke, "Yeung sagde. "At have bedre præindustrielle ozonvurderinger kan reducere disse usikkerheder betydeligt.

"Det er som at gætte, hvor tung din kuffert er, når der er et gebyr for tasker over 50 pund, " sagde han. "Med de gamle fejlbjælker, du ville sige, 'Jeg tror, ​​min taske vejer mellem 20 og 60 pund.' Det er ikke godt nok, hvis man ikke har råd til at betale bøden«.

Ozon er et molekyle, der indeholder tre oxygenatomer. Produceret i kemiske reaktioner, der involverer sollys, det er meget reaktivt, dels på grund af dets tendens til at opgive et af dets atomer for at danne et mere stabilt iltmolekyle. Størstedelen af ​​Jordens ozon findes i stratosfæren, som er mere end fem miles over planetens overflade. Stratosfærisk ozon kaldes undertiden "god" ozon, fordi den blokerer det meste af solens ultraviolette stråling, og er således afgørende for livet på Jorden.

Resten af ​​Jordens ozon ligger i troposfæren, tættere på overfladen. Her, ozons reaktivitet kan være skadelig for planter, dyr og mennesker. Det er derfor troposfærisk ozon nogle gange kaldes "dårlig" ozon. For eksempel, ozon er en primær bestanddel af smog i byer, som dannes nær jordoverfladen i solbeskinnede reaktioner mellem ilt og forurenende stoffer fra motorkøretøjers udstødning. Miljøstyrelsen anser eksponering for ozonniveauer på over 70 ppm i otte timer eller længere for at være usund.

"Tingen med ozon er, at forskere kun har studeret det i detaljer i et par årtier, " sagde Yeung, en assisterende professor i Jorden, miljø- og planetvidenskab. "Vi vidste ikke, hvorfor ozon var så rigeligt i luftforurening, før i 1970'erne. Det var, da vi begyndte at erkende, hvordan luftforurening ændrede atmosfærisk kemi. Biler kørte ozon op i jorden."

Mens de tidligste målinger af troposfærisk ozon dateres til slutningen af ​​det 19. århundrede, Yeung sagde, at disse data er i konflikt med de bedste estimater fra nutidens avancerede atmosfæriske kemiske modeller.

"De fleste af disse ældre data er fra stivelsespapirtests, hvor papiret ændrer farver efter at have reageret med ozon, " sagde han. "Testene er ikke de mest pålidelige - farveændringen afhænger af relativ luftfugtighed, for eksempel - men de foreslår, alligevel, at jordnær ozon kunne være steget op til 300 % i løbet af det seneste århundrede. I modsætning, nutidens bedste computermodeller tyder på en mere moderat stigning på 25-50%. Det er en kæmpe forskel.

"Der er bare ingen andre data derude, så det er svært at vide, hvad der er rigtigt, eller hvis begge er rigtige, og de specifikke målinger ikke er et godt benchmark for hele troposfæren, " sagde Yeung. "Samfundet har kæmpet med dette spørgsmål i lang tid. Vi ønskede at finde nye data, der kunne gøre fremskridt med dette uløste problem."

At finde nye data, imidlertid, er ikke ligetil. "Ozon er for reaktivt, af sig selv, skal bevares i is eller sne, " sagde han. "Så, vi leder efter ozons kølvand, de spor den efterlader i iltmolekyler.

"Når solen skinner, ozon- og iltmolekyler bliver konstant lavet og nedbrudt i atmosfæren af ​​den samme kemi, "Yeung sagde. "Vores arbejde i løbet af de sidste mange år har fundet et naturligt forekommende 'mærke' for den kemi:antallet af sjældne isotoper, der er klumpet sammen."

Yeungs laboratorium har specialiseret sig i både at måle og forklare forekomsten af ​​disse sammenklumpede isotoper i atmosfæren. De er molekyler, der har det sædvanlige antal atomer - to for molekylært oxygen - men de har sjældne isotoper af disse atomer substitueret i stedet for de almindelige. For eksempel, mere end 99,5 % af alle iltatomer i naturen har otte protoner og otte neutroner, for et samlet atommassetal på 16. Kun to af hver 1, 000 oxygenatomer er den tungere isotop oxygen-18, som indeholder yderligere to neutroner. Et par af disse oxygen-18 atomer kaldes en isotopklump.

Langt de fleste oxygenmolekyler i enhver luftprøve vil indeholde to oxygen-16'er. Nogle få sjældne undtagelser vil indeholde et af de sjældne oxygen-18 atomer, og endnu sjældnere vil parrene af oxygen-18'ere være.

Yeungs laboratorium er et af de få i verden, der kan måle præcis, hvor mange af disse oxygen-18-par, der er i en given luftprøve. Han sagde, at disse isotopklumper i molekylært ilt varierer i overflod afhængigt af, hvor ozon og iltkemi forekommer. Fordi den nedre stratosfære er meget kold, oddsene for, at der dannes et oxygen-18 par fra ozon/ilt kemi, stiger lidt og forudsigeligt sammenlignet med den samme reaktion i troposfæren. I troposfæren, hvor det er varmere, ozon/ilt kemi giver lidt færre oxygen-18 par.

Med begyndelsen af ​​industrialiseringen og afbrændingen af ​​fossile brændstoffer omkring 1850, mennesker begyndte at tilføje mere ozon til den lavere atmosfære. Yeung og kolleger begrundede, at denne stigning i andelen af ​​troposfærisk ozon burde have efterladt et genkendeligt spor - et fald i antallet af oxygen-18 par i troposfæren.

Ved at bruge iskerner og firn (komprimeret sne, der endnu ikke har dannet is) fra Antarktis og Grønland, forskerne konstruerede en registrering af oxygen-18 par i molekylær oxygen fra præindustriel tid til i dag. Beviserne bekræftede både stigningen i troposfærisk ozon og størrelsen af ​​stigningen, som var blevet forudsagt af nyere atmosfæriske modeller.

"Vi begrænser stigningen til mindre end 40%, og den mest omfattende kemiske model forudsiger lige omkring 30 %, " sagde Yeung.

"Et af de mest spændende aspekter var, hvor godt iskernerekorden matchede modelforudsigelser, " sagde han. "Dette var et tilfælde, hvor vi lavede en måling, og selvstændigt, en model producerede noget, der var i meget tæt overensstemmelse med de eksperimentelle beviser. Jeg tror, ​​det viser, hvor langt atmosfæriske og klimaforskere er kommet i at kunne præcist forudsige, hvordan mennesker ændrer Jordens atmosfære - især dens kemi."