NASA-data hjælper ozonhullers rejse til genopretning

Den 16. september, 1987, Politikere og videnskabsmænd fra hele verden samledes i International Civil Aviation Organisation's hovedkvarter i Montreal, forbereder sig på at tage fat på dagens mest presserende emne:Nedbrydning af Jordens beskyttende ozonlag.

To år før, forskere fra British Antarctic Survey havde forbløffet verden med det første papir, der demonstrerede, at atmosfæriske ozonniveauer over Antarktis faldt med en forbløffende hastighed i løbet af foråret på den sydlige halvkugle. Kort efter den britiske avis, NASA viste billeder fra dets Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS), der ikke kun bekræftede de faldende ozonniveauer, men viste også, at omfanget var bredere, end nogen var klar over. "Ozonhullet, "som den alvorligt udtømte region blev døbt, var på størrelse med hele det antarktiske kontinent.

Nogle videnskabsmænd havde siden 1970'erne advaret om, at kemikalier kaldet chlorfluorcarboner (CFC'er) udgjorde en trussel mod ozonlaget, men ingen vidste med sikkerhed, hvad der fik ozonhullet til at udvikle sig. Opdagelsen tilskyndede diskussionen:Hvordan kunne verden reparere ozonlaget, før det var for sent?

Ozon – et kemikalie lavet af tre iltatomer – findes for det meste i et lag omkring 8-30 miles over Jordens overflade, i stratosfæren. Det absorberer skadelig ultraviolet (UV) stråling fra solen, afskærmning af planter, dyr og mennesker fra skader lige fra afgrødedød til hudkræft.

"Hvis der ikke var noget ozonlag, Solen ville sterilisere Jordens overflade, sagde Paul Newman, chefforsker for geovidenskab ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Den 16. september 1987, Newman var en ung atmosfærisk videnskabsmand ved Goddard, analyserer data, der kommer tilbage fra Antarctic Airborne Ozone Expedition (AAOE) - hvor en anden NASA-forsker, Susan Strahan, stod sammen med sine kolleger og kiggede på en opslagstavle i Punta Arenas, Chile. Strahan analyserede atmosfæriske kemiske data fra den slanke, langvinget ER-2-fly, der flyver ind i den antarktiske polarhvirvel for at måle ozon og kemikalier, der kunne reagere med det.

Dagens data ville give det berømte "rygende pistol plot":Dataene viser, at som et kemikalie kaldet klormonoxid steg i den antarktiske stratosfære, ozon faldet. Klormonoxid var kendt for at være til stede i atmosfæren, men var tidligere kun blevet observeret ved lavere koncentrationer end AAOE-holdet målte - disse niveauer kom fra et komplekst sæt kemiske reaktioner, der fandt sted i Antarktis efter nedbrydningen af ​​CFC'er ved UV-stråling i stratosfæren. Dataene modbeviste andre teorier og gav videnskabsmænd bevis på, at CFC'er forårsagede ozonhullet.

Strahan og hendes kollegers data ville først blive offentliggjort senere, men ved udgangen af ​​den dag i 1987, Syvogtyve nationer blev enige om Montreal-protokollen om stoffer, der nedbryder ozonlaget:"Måske den mest succesrige internationale aftale til dato, " sagde den tidligere FN-generalsekretær Kofi Annan i 2003. Montreal-protokollen skabte en tidsplan for kontrol af produktion og forbrug af CFC'er. I løbet af de næste par år, videnskaben om ozonnedbrydning var mere fast etableret, fabrikanter introducerede erstatningskemikalier, der var sikrere for miljøet, og Montreal-protokollen blev styrket flere gange for at stoppe omfattende produktion og brug af CFC'er og relaterede molekyler.

Den lange rejse mod bedring var begyndt.

I dag, Newman og Strahan er førende inden for atmosfærisk videnskab og sidder begge hos NASA Goddard:Newman som chefforsker for geovidenskab og medformand for Scientific Assessment Panel (SAP) til Montreal-protokollen, Strahan som hovedforsker for Universities Space Research Association. Og i dag, de holder begge øje med Jordens atmosfære, fortsætter NASA's langvarige forsknings- og overvågningsindsats om stratosfærisk ozon (som går tilbage til 1970'erne) ind i fremtiden.

CFC'er:Fare i store højder

CFC'er var ikke altid skurken i denne historie. Opfundet til brug som kølemidler i 1920'erne, CFC'er repræsenterede et teknologisk gennembrud:De var alsidige, men endnu vigtigere, de var hverken giftige eller brandfarlige. Ældre kølekemikalier var dødelige, hvis de blev lækket; CFC'er skadede ikke menneskers sundhed eller reagerede med andre kemikalier i den lavere atmosfære.

Problemet er, at mens CFC'er er inaktive ved overfladen, historien ændrer sig i stratosfæren.

"CFC'er udsendes ved overfladen. Vi laver et køleskab, og forbindelsen siver ud, " sagde Strahan. "Emissionerne starter i troposfæren (det atmosfæriske lag tættest på Jordens overflade) og arbejder sig op til stratosfæren."

Når først CFC'er diffunderer over beskyttelsen af ​​ozonlaget, UV-stråling bryder dem ad, frigivelse af meget reaktive kloratomer. I starten disse reagerer med andre kemikalier for at danne saltsyre og klornitrat - kaldet "reservoirgasser, " sagde Strahan, fordi de typisk opbevarer klor i stabile molekyler.

Men polarområderne understøtter kemiske reaktioner, som ikke kunne ske andre steder på Jorden. Polarvintrenes intense kulde tillader dannelsen af ​​tynde skyer, trods lav atmosfærisk fugtighed. Og de polare hvirvelvinde omkranser den antarktiske region, at fange kemikalierne inden for dets grænser. Saltsyre og klornitrat reagerer på overfladerne af disse tynde skypartikler for at frigøre det reaktive klor igen, og når solen vender tilbage om foråret, UV-strålingen igangsætter de katalytiske klor-ozon-reaktioner, der ødelægger ozonlaget. Et kloratom kan ødelægge tusindvis af ozonmolekyler - og med millioner af tons CFC'er pumpet ind i atmosfæren fra 1920'erne til begyndelsen af ​​1990'erne, det antarktiske polarområde bar hovedparten af ​​skaderne.

"Hvis vi ikke havde gjort noget, hvis Montreal-protokollen ikke var blevet underskrevet, på dette tidspunkt ville tingene have været ganske katastrofale, " sagde Newman. "Ozonniveauerne ville være langt nede; UV-niveauet ville være langt højere. På grund af øget UV-stråling på overfladen, vi ville have haft globale afgrødetab, folk ville solbrænde hurtigere, og hudkræft ville tage op. Fødevarepriserne ville skyde op; verdens fattige mennesker ville have lidt meget."

Første skridt til genopretning

I dag, 33 år senere, ozonhullet viser sine første tegn på bedring. Strahan og hendes kollega Anne Douglass offentliggjorde en af ​​de første undersøgelser i 2018, der bekræftede, at atmosfæriske klorniveauer falder i takt med reduceret ozonnedbrydning over Antarktis - et bevis på, at Montreal-protokollen virker.

Disse første håbefulde tegn repræsenterer en global succeshistorie:Politikere, videnskabsmænd og virksomheder over hele verden gik sammen for at finde en løsning på et presserende problem. Meget af de data, der bemyndigede disse beslutninger, kom fra NASA-videnskabsmænd og -instrumenter. Løbende jord- og rumbaseret overvågning af ozon og andre sporgasser, af NASA og andre institutioner, vil hjælpe med at informere udviklingen af ​​miljøpolitikker designet til at sikre, at niveauerne fortsætter med at udvikle sig i en positiv retning, selv midt i andre ændringer, såsom Jordens opvarmende klima.

"Hvis du ikke ved, hvor meget ozon der er deroppe, du ved ikke om det bliver bedre eller værre " sagde Strahan. "Hvis det ændrer sig, var det naturlig variabilitet eller var det forårsaget af mennesker? Det er virkelig vigtigt at have en lang dataregistrering af ozon og andre gasser, der er direkte relateret til dets kemi."

I dag, NASA overvåger ozon fra rummet ved hjælp af Microwave Limb Sounder (MLS) og Ozon Monitoring Instrument ombord på sit Aura-rumfartøj, og MLS måler også sporgasser, der indeholder klor. Strahan og Douglass' undersøgelse fra 2018 brugte MLS-målinger af saltsyre, en form som klor tager efter at have ødelagt ozon, at beregne total stratosfærisk uorganisk klor over Antarktis. Uorganiske klorforbindelser som saltsyre har ingen kulstofmolekyler, som giver forskerne mulighed for at skelne mellem dem og klor, der stadig er bundet op i CFC'er.

Derudover Stratosfærisk aerosol- og gaseksperiment III måler ozon og sporgasser fra sit udsigtspunkt ombord på den internationale rumstation, og NASA-NOAA Ozone Mapping Profiler Suite ombord på Suomi-NPP-satellitten måler både den samlede ozon- og ozonprofiler. Disse instrumenter havde forløbere på tidligere NASA-satellitter, og de – sammen med rummet, luft- og jordmålinger fra partnerorganisationer som National Oceanic and Atmospheric Administration og globale partnere – vil hjælpe videnskabsmænd med at holde styr på ozonhullets genopretning.

"Når det kommer til et tydeligt tegn, er ozonhullet ved at forsvinde, der kan stadig gå et par årtier, før vi kan slå op og sige, at det er mindre hvert eneste år, end det var i begyndelsen af ​​2000'erne, " sagde Strahan. "De fleste år siden da, det har været lidt mindre, men indimellem får vi et rigtig koldt år og et stort hul igen. Vi kommer til at have den slags variation fremadrettet, men når vi når 2040 eller deromkring, der vil være så meget mindre klor, at hullerne bliver mindre selv i kolde år. Det bliver længe, ujævn vej, men vi er på vej i den rigtige retning. Vi skal bare være tålmodige og fortsætte det gode arbejde."