Ozonförlust

Ozonutarmningen består av två relaterade händelser som observerats sedan slutet av 1970-talet: en stadig sänkning med cirka fyra procent av den totala mängden ozon i jordens atmosfär, och en mycket större vårminskning av stratosfäriskt ozon ( ozonskiktet ) runt jordens polarområden. Det senare fenomenet kallas ozonhålet. Utöver dessa stratosfäriska händelser finns det också händelser med utarmning av ozonnedbrytning i polar troposfär på våren.

De främsta orsakerna till ozonnedbrytningen och ozonhålet är tillverkade kemikalier, särskilt tillverkade köldmedier med halogenkolväten , lösningsmedel , drivmedel och skumblåsningsmedel ( klorfluorkolväten ( CFC), HCFC, haloner ), så kallade ozonnedbrytande ämnen ( ODS ). Dessa föreningar transporteras in i stratosfären genom turbulent blandning efter att ha emitterats från ytan, blandas mycket snabbare än molekylerna kan sedimentera. Väl i stratosfären frigör de atomer från halogengruppen genom fotodissociation , vilket katalyserar nedbrytningen av ozon (O ₃ ) till syre (O ₂ ). Båda typerna av ozonnedbrytning observerades öka när utsläppen av halokarboner ökade.

Ozonnedbrytning och ozonhålet har skapat världsomspännande oro över ökade cancerrisker och andra negativa effekter. Ozonskiktet förhindrar skadliga våglängder av ultraviolett (UVB) ljus från att passera genom jordens atmosfär . Dessa våglängder orsakar hudcancer , solbränna , permanent blindhet och grå starr , som förväntades öka dramatiskt till följd av att ozon tunnas ut, samt skada växter och djur. Dessa farhågor ledde till antagandet av Montrealprotokollet 1987 , som förbjuder produktion av CFC, haloner och andra ozonnedbrytande kemikalier. För närvarande, forskare planerar att utveckla nya köldmedier för att ersätta äldre.

Förbudet trädde i kraft 1989. Ozonnivåerna stabiliserades i mitten av 1990-talet och började återhämta sig på 2000-talet, eftersom förskjutningen av jetströmmen på södra halvklotet mot sydpolen har upphört och kanske till och med vänder. Återhämtningen förväntas fortsätta under nästa århundrade, och ozonhålet förväntas nå nivåerna före 1980 runt 2075. 2019 NASA att ozonhålet var det minsta sedan det först upptäcktes 1982.

Montrealprotokollet anses vara det mest framgångsrika internationella miljöavtalet hittills. Efter förbuden mot ozonnedbrytande kemikalier, räknar FN med att ozonskiktet under de nuvarande reglerna kommer att förnyas helt till 2045.

Ozoncykelöversikt

Ozoncykeln

Tre former (eller allotroper ) av syre är involverade i ozon-syrecykeln : syreatomer (O eller atomärt syre), syrgas ( O
₂ eller diatomiskt syre) och ozongas ( O
₃ eller triatomiskt syre). Ozon bildas i stratosfären när syrgasmolekyler fotodissocierar efter att ha absorberat UVC-fotoner. Detta omvandlar en enda O
₂ till två atomära syreradikaler . De atomära syreradikalerna kombineras sedan med separata O
₂ -molekyler för att skapa två O
₃ -molekyler. Dessa ozonmolekyler absorberar UVB-ljus, varefter ozon delas upp i en molekyl av O
₂ och en syreatom. Syreatomen förenas sedan med en syremolekyl för att regenerera ozon. Detta är en pågående process som avslutas när en syreatom rekombinerar med en ozonmolekyl för att göra två O
₂ -molekyler. Det är värt att notera att ozon är den enda atmosfäriska gasen som absorberar UVB-ljus.

O + O
₃ → 2 O
₂

Nivåer av ozon på olika höjder ( DU/km ) och blockering av olika band av ultraviolett strålning: I huvudsak blockeras all UVC av diatomiskt syre (100–200 nm) eller av ozon (triatomiskt syre) (200–280 nm) i atmosfären. Ozonskiktet blockerar då mest UVB. Samtidigt påverkas UVA knappast av ozon, och det mesta når marken. UVA utgör nästan allt UV-ljus som tränger igenom jordens atmosfär.

Den totala mängden ozon i stratosfären bestäms av en balans mellan fotokemisk produktion och rekombination.

Ozon kan förstöras av ett antal fria radikalkatalysatorer; de viktigaste är hydroxylradikalen (OH·), kväveoxidradikalen (NO·), klorradikalen (Cl·) och bromradikalen (Br·). Punkten är en notation för att indikera att varje art har en oparad elektron och därför är extremt reaktiv. Alla dessa har både naturliga och konstgjorda källor; för närvarande är det mesta av OH· och NO· i stratosfären naturligt, men mänsklig aktivitet har drastiskt ökat nivåerna av klor och brom. Dessa grundämnen finns i stabila organiska föreningar, särskilt klorfluorkolväten , som kan resa till stratosfären utan att förstöras i troposfären på grund av deras låga reaktivitet. Väl i stratosfären frigörs Cl- och Br-atomerna från moderföreningarna genom inverkan av ultraviolett ljus, t.ex.

CFCl
₃ + elektromagnetisk strålning → Cl· + · CFCl
₂

Global månatlig genomsnittlig total ozonmängd

Ozon är en mycket reaktiv molekyl som lätt reduceras till den mer stabila syreformen med hjälp av en katalysator. Cl- och Br-atomer förstör ozonmolekyler genom en mängd olika katalytiska cykler. I det enklaste exemplet på en sådan cykel, reagerar en kloratom med en ozonmolekyl ( O
₃ ), tar en syreatom för att bilda klormonoxid (ClO) och lämnar en syremolekyl ( O
₂ ). ClO kan reagera med en andra ozonmolekyl, frigöra kloratomen och ge två syremolekyler. Den kemiska förkortningen för dessa gasfasreaktioner är:

• 
  Cl· + O
  ₃ → ClO + O
  ₂ En kloratom tar bort en syreatom från en ozonmolekyl för att göra en ClO-molekyl
• 
  ClO + O
  ₃ → Cl· + 2 O
  ₂ Denna ClO kan också avlägsna en syreatom från en annan ozonmolekyl; kloret är fritt att upprepa denna tvåstegscykel

Den övergripande effekten är en minskning av mängden ozon, även om hastigheten för dessa processer kan minskas genom effekterna av nollcykler . Mer komplicerade mekanismer har också upptäckts som leder till ozonförstöring i den nedre stratosfären.

En enda kloratom skulle kontinuerligt förstöra ozon (alltså en katalysator) i upp till två år (tidsskalan för transport tillbaka ner till troposfären) förutom reaktioner som tar bort det från denna cykel genom att bilda reservoararter som väteklorid ( HCl ) och klornitrat ( CLONO2
₎ . Brom är ännu effektivare än klor när det gäller att förstöra ozon per atom, men det finns mycket mindre brom i atmosfären för närvarande. Både klor och brom bidrar väsentligt till den totala ozonnedbrytningen. Laboratoriestudier har också visat att fluor- och jodatomer deltar i analoga katalytiska cykler. Fluoratomer reagerar dock snabbt med vattenånga, metan och väte för att bilda starkt bunden fluorväte (HF) i jordens stratosfär, medan organiska molekyler som innehåller jod reagerar så snabbt i den lägre atmosfären att de inte når stratosfären i betydande mängder.

En enda kloratom kan reagera med i genomsnitt 100 000 ozonmolekyler innan den tas bort från den katalytiska cykeln. Detta faktum plus mängden klor som släpps ut i atmosfären årligen av klorfluorkolväten (CFC) och klorfluorkolväten (HCFC) visar på faran med CFC och HCFC för miljön.

Observationer om utarmning av ozonskiktet

Lägsta värde på ozon uppmätt av TOMS varje år i ozonhålet

Ozon-”hålet” mäts vanligtvis genom minskning av det totala kolumn-ozonet ovanför en punkt på jordens yta. Detta uttrycks normalt i Dobson - enheter ; förkortas "DU". Den mest framträdande minskningen av ozon har skett i den nedre stratosfären. Markerade minskningar av kolonnozon under den antarktiska våren och försommaren jämfört med början av 1970-talet och tidigare har observerats med hjälp av instrument som Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS).

Minskningar på upp till 70 procent i ozonkolonnen som observerades i den australa (södra halvklotet) våren över Antarktis och som först rapporterades 1985 (Farman et al.) fortsätter. Antarktis totala ozonkolonn i september och oktober har fortsatt att vara 40–50 procent lägre än värdena före ozonhål sedan 1990-talet. En gradvis trend mot "läkning" rapporterades 2016. 2017 meddelade NASA att ozonhålet var det svagaste sedan 1988 på grund av varma stratosfäriska förhållanden. Den förväntas återhämta sig runt 2070.

Det förlorade beloppet varierar mer från år till år i Arktis än i Antarktis. De största arktiska nedgångarna sker på vintern och våren och når upp till 30 procent när stratosfären är som kallast.

Reaktioner som äger rum på polära stratosfäriska moln (PSC) spelar en viktig roll för att öka ozonnedbrytningen. PSC bildas lättare i den extrema kylan i den arktiska och antarktiska stratosfären. Det är därför ozonhål först bildades, och är djupare, över Antarktis. Tidiga modeller misslyckades med att ta hänsyn till PSC och förutspådde en gradvis global utarmning, vilket är anledningen till att det plötsliga antarktiska ozonhålet var en sådan överraskning för många forskare.

Det är mer korrekt att tala om ozonnedbrytning på medelbreddgrader snarare än hål. Totalt ozon i kolonn sjönk under värdena före 1980 mellan 1980 och 1996 för medelbreddgrader. På de norra mellanbreddgraderna ökade den sedan från minimivärdet med cirka två procent från 1996 till 2009 i takt med att regleringar trädde i kraft och mängden klor i stratosfären minskade. På södra halvklotets mellanbreddgrader förblev det totala ozonet konstant under den tidsperioden. Det finns inga signifikanta trender i tropikerna, till stor del för att halogenhaltiga föreningar inte hunnit bryta ner och frigöra klor- och bromatomer på tropiska breddgrader.

Stora vulkanutbrott har visat sig ha betydande om än ojämna ozonnedbrytande effekter, vilket observerades med 1991 års utbrott av berget Pinatubo i Filippinerna.

Ozonnedbrytning förklarar också mycket av den observerade minskningen av stratosfäriska och övre troposfärstemperaturer. Källan till stratosfärens värme är absorptionen av UV-strålning av ozon, varför reducerat ozon leder till kylning. Viss stratosfärisk kylning förutsägs också från ökningar av växthusgaser som CO
₂ och CFC själva; den ozoninducerade kylningen verkar dock vara dominerande.

Förutsägelser om ozonnivåer är fortfarande svåra, men precisionen i modellernas förutsägelser av observerade värden och överensstämmelsen mellan olika modelleringstekniker har ökat stadigt. Världsmeteorologiska organisationens globala ozonforsknings- och övervakningsprojekt—Rapport nr 44 uttalar sig starkt för Montrealprotokollet, men noterar att en UNEP- bedömning från 1994 överskattade ozonförlusten för perioden 1994–1997.

Föreningar i atmosfären

CFC och relaterade föreningar i atmosfären

Klorfluorkolväten (CFC) och andra halogenerade ozonnedbrytande ämnen (ODS) är främst ansvariga för den konstgjorda kemiska ozonnedbrytningen. Den totala mängden effektiva halogener (klor och brom) i stratosfären kan beräknas och kallas motsvarande effektiv stratosfärisk klor (EESK).

CFC som köldmedier uppfanns av Thomas Midgley, Jr. på 1930-talet. De användes i luftkonditionerings- och kylaggregat, som aerosolspraydrivmedel före 1970-talet och i rengöringsprocesser av känslig elektronisk utrustning. De förekommer också som biprodukter av vissa kemiska processer. Inga betydande naturliga källor har någonsin identifierats för dessa föreningar - deras närvaro i atmosfären beror nästan helt på mänsklig tillverkning. Som nämnts ovan, när sådana ozonnedbrytande kemikalier når stratosfären, dissocieras de av ultraviolett ljus för att frigöra kloratomer. Kloratomerna fungerar som en katalysator , och var och en kan bryta ner tiotusentals ozonmolekyler innan de tas bort från stratosfären. Med tanke på livslängden hos CFC-molekyler mäts återhämtningstider i decennier. Det beräknas att en CFC-molekyl tar i genomsnitt cirka fem till sju år att gå från marknivån upp till den övre atmosfären, och den kan stanna där i ungefär ett sekel och förstöra upp till hundra tusen ozonmolekyler under den tiden.

1,1,1-Trichloro-2,2,2-trifluoroethane, även känd som CFC-113a, är en av fyra konstgjorda kemikalier som nyligen upptäckts i atmosfären av ett team vid University of East Anglia. CFC-113a är den enda kända CFC vars förekomst i atmosfären fortfarande växer. Dess källa förblir ett mysterium, men olaglig tillverkning misstänks av vissa. CFC-113a verkar ha ackumulerats oförminskat sedan 1960. Mellan 2012 och 2017 ökade koncentrationerna av gasen med 40 procent.

En studie av ett internationellt forskarlag publicerad i Nature fann att sedan 2013 har utsläpp som till övervägande del kommer från nordöstra Kina släppt ut stora mängder av den förbjudna kemikalien klorfluorkolväte-11 (CFC-11) i atmosfären. Forskare uppskattar att dessa CFC-11-utsläpp utan åtgärder kommer att fördröja återhämtningen av planetens ozonhål med ett decennium.

Datormodellering

Forskare har tillskrivit ozonnedbrytning till ökningen av konstgjorda ( antropogena ) halogenföreningar från CFC genom att kombinera observationsdata med datormodeller. Dessa komplexa kemitransportmodeller (t.ex. SLIMCAT , CLaMS —Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere) fungerar genom att kombinera mätningar av kemikalier och meteorologiska fält med kemiska reaktionshastighetskonstanter. De identifierar viktiga kemiska reaktioner och transportprocesser som för CFC- fotolysprodukter i kontakt med ozon.

Ozonhål och dess orsaker

Ozonhål i Nordamerika under 1984 (onormalt varmt, vilket minskar ozonnedbrytningen) och 1997 (onormalt kallt, vilket resulterade i ökad säsongsmässig utarmning). Källa: NASA

Det antarktiska ozonhålet är ett område i den antarktiska stratosfären där de senaste ozonnivåerna har sjunkit till så låga som 33 procent av deras värden före 1975. Ozonhålet uppstår under den antarktiska våren, från september till början av december, då starka västliga vindar börjar cirkulera runt kontinenten och skapar en atmosfärisk behållare. Inom denna polära virvel förstörs över 50 procent av det nedre stratosfäriska ozonet under den antarktiska våren.

Som förklarats ovan är den primära orsaken till ozonnedbrytning närvaron av klorhaltiga källgaser (främst CFC och relaterade halokolväten). I närvaro av UV-ljus dissocierar dessa gaser och frigör kloratomer, som sedan fortsätter att katalysera ozonförstöring. Den Cl-katalyserade ozonutarmningen kan ske i gasfasen, men den förstärks dramatiskt i närvaro av polära stratosfäriska moln (PSC).

Dessa polära stratosfäriska moln bildas under vintern, i extrem kyla. Polarvintrarna är mörka och består av tre månader utan solstrålning (solljus). Bristen på solljus bidrar till att temperaturen minskar och den polära virveln fångar och kyler luften. Temperaturen svävar runt eller under -80 °C. Dessa låga temperaturer bildar molnpartiklar. Det finns tre typer av PSC-moln – salpetersyratrihydratmoln, långsamt svalnande vatten-ismoln och snabbt svalkande vatten-ismoln (pärlemor) – ger ytor för kemiska reaktioner vars produkter under våren kommer att leda till ozonförstöring.

De fotokemiska processerna som är involverade är komplexa men väl förstådda. Den viktigaste observationen är att det mesta av klor i stratosfären vanligtvis finns i "reservoar"-föreningar, främst klornitrat ( ClONO
₂ ) samt stabila slutprodukter som HCl. Bildandet av slutprodukter tar i huvudsak bort Cl från ozonnedbrytningsprocessen. Den tidigare sekvesteraren Cl, som senare kan göras tillgänglig via absorption av ljus vid kortare våglängder än 400 nm. Under den antarktiska vintern och våren omvandlar reaktioner på ytan av de polära stratosfäriska molnpartiklarna dessa "reservoar"-föreningar till reaktiva fria radikaler (Cl och ClO). Denitrifikation är den process genom vilken molnen tar bort NO
₂ från stratosfären genom att omvandla den till salpetersyra i PSC-partiklar, som sedan går förlorade genom sedimentering. Detta förhindrar att nybildad ClO omvandlas tillbaka
_till ClONO2 .

Solljusets roll i ozonnedbrytningen är anledningen till att den antarktiska ozonnedbrytningen är störst under våren. Under vintern, även om PSC är som mest rikligt, finns det inget ljus över stolpen som driver kemiska reaktioner. Under våren kommer dock solljus tillbaka och ger energi för att driva fotokemiska reaktioner och smälta de polära stratosfäriska molnen, vilket frigör avsevärd ClO, som driver hålmekanismen. Ytterligare uppvärmningstemperaturer mot slutet av våren bryter upp virveln runt mitten av december. När varm, ozon- och NO
₂ -rik luft strömmar in från lägre breddgrader, förstörs PSC:erna, den förbättrade ozonutarmningsprocessen stängs av och ozonhålet stängs.

Det mesta av ozonet som förstörs finns i den nedre stratosfären, till skillnad från den mycket mindre ozonutarmningen genom homogena gasfasreaktioner, som framför allt sker i den övre stratosfären.

Intresse för utarmning av ozonskiktet

Allmänna missuppfattningar och missförstånd av komplexa frågor som ozonnedbrytning är vanliga. Den begränsade vetenskapliga kunskapen hos allmänheten ledde till förvirring om global uppvärmning eller uppfattningen om global uppvärmning som en delmängd av "ozonhålet". I början avstod klassiska gröna icke-statliga organisationer från att använda CFC-utarmning för kampanjer, eftersom de antog att ämnet var för komplicerat. De blev aktiva långt senare, t.ex. i Greenpeaces stöd för ett CFC-fritt kylskåp tillverkat av det tidigare östtyska företaget VEB dkk Scharfenstein.

De metaforer som används i CFC-diskussionen (ozonsköld, ozonhål) är inte "exakta" i vetenskaplig mening. "Ozonhålet" är mer av en fördjupning , mindre "ett hål i vindrutan". Ozonet försvinner inte genom lagret och det sker inte heller någon enhetlig "uttunning" av ozonlagret. Men de fick bättre resonans hos icke-vetenskapsmän och deras oro. Ozonhålet sågs som ett "hett problem" och överhängande risk eftersom lekmän fruktade allvarliga personliga konsekvenser som hudcancer, grå starr, skador på växter och minskning av planktonpopulationer i havets fotografiska zon. Inte bara på politisk nivå, ozonreglering jämfört med klimatförändringar klarade sig mycket bättre i den allmänna opinionen. Amerikaner bytte frivilligt bort från aerosolsprayer innan lagstiftningen trädde i kraft, medan klimatförändringarna inte lyckades uppnå jämförbar oro och offentliga åtgärder. Den plötsliga identifieringen 1985 av att det fanns ett stort "hål" rapporterades allmänt i pressen. Den särskilt snabba ozonnedbrytningen i Antarktis hade tidigare avfärdats som ett mätfel. Vetenskaplig konsensus etablerades efter reglering.

Medan det antarktiska ozonhålet har en relativt liten effekt på globalt ozon, har hålet genererat ett stort intresse för allmänheten eftersom:

• Många har oroat sig för att ozonhål kan börja dyka upp över andra delar av världen, men hittills är den enda andra storskaliga utarmningen en mindre ozonfördjupning som observerats under den arktiska våren runt Nordpolen. Ozon på medelbreddgrader har minskat, men i mycket mindre utsträckning (en minskning med cirka 4–5 procent).
• Om stratosfärförhållandena blir svårare (svalare temperaturer, fler moln, mer aktivt klor) kan det globala ozonet minska i en högre takt. Standard om global uppvärmning förutspår att stratosfären kommer att svalna.
• När det antarktiska ozonhålet bryts upp varje år driver den ozonutarmade luften ut i närliggande regioner. Minskningar av ozonnivån på upp till 10 procent har rapporterats i Nya Zeeland under månaden efter upplösningen av det antarktiska ozonhålet, med ultraviolett B-strålning som ökat med mer än 15 procent sedan 1970-talet.

Effekter

Eftersom ozonskiktet absorberar UVB ultraviolett ljus från solen, ökar ozonlagrets utarmning ytans UVB-nivåer (allt annat lika), vilket kan leda till skador, inklusive en ökning av hudcancer . Detta var anledningen till Montrealprotokollet. Även om minskningar av stratosfäriskt ozon är väl knutna till CFC och ökningar av UVB på ytan, finns det inga direkta observationsbevis som kopplar ozonnedbrytning till högre förekomst av hudcancer och ögonskador hos människor. Detta beror delvis på att UVA , som också har varit inblandat i vissa former av hudcancer, inte absorberas av ozon, och att det är nästan omöjligt att kontrollera statistik för livsstilsförändringar över tid. Ozonnedbrytning kan också påverka vindmönster.

Ökad UV

Ozon är, även om det är en minoritetsbeståndsdel i jordens atmosfär, ansvarig för det mesta av absorptionen av UVB-strålning. Mängden UVB-strålning som tränger igenom ozonskiktet minskar exponentiellt med skiktets snedvägstjocklek och densitet. När ozonnivåerna i stratosfären minskar når högre nivåer av UVB jordens yta. UV-driven fenolbildning i trädringar har daterat början av ozonnedbrytningen på nordliga breddgrader till slutet av 1700-talet.

I oktober 2008 publicerade Ecuadorian Space Agency en rapport som heter HIPERION. Studien använde markinstrument i Ecuador och de senaste 28 årens data från 12 satelliter i flera länder, och fann att UV-strålningen som nådde ekvatoriella breddgrader var mycket större än förväntat, med UV-index som klättrade så högt som 24 i Quito ; WHO betraktar 11 som ett extremt index och en stor risk för hälsan . Rapporten drog slutsatsen att utarmade ozonnivåer runt planetens medelbreddgrader redan utgör en fara för stora befolkningar i dessa områden. Senare publicerade CONIDA, Peruanska rymdorganisationen, sin egen studie, som gav nästan samma resultat som den ecuadorianska studien.

Biologiska effekter

Den största allmänhetens oro angående ozonhålet har varit effekterna av ökad UV-strålning på ytan på människors hälsa. Hittills har ozonnedbrytningen på de flesta platser vanligtvis varit några få procent och, som nämnts ovan, finns inga direkta bevis på hälsoskador tillgängliga på de flesta breddgrader. Om de höga nivåerna av utarmning som ses i ozonhålet skulle vara vanliga över hela världen, skulle effekterna kunna bli betydligt mer dramatiska. Eftersom ozonhålet över Antarktis i vissa fall har vuxit sig så stort att det påverkar delar av Australien , Nya Zeeland , Chile , Argentina och Sydafrika , har miljöaktivister varit oroliga för att ökningen av yt-UV kan vara betydande. Överdriven ultraviolett strålning (UVR) har minskande effekter på hastigheten för fotosyntes och tillväxt av bentiska kiselalger (mikroalger som ökar vattenkvaliteten och är resistenta mot föroreningar) som finns i grunt sötvatten.

Ozonnedbrytning skulle förstärka alla effekter av UV på människors hälsa , både positiva (inklusive produktion av vitamin D) och negativa (inklusive solbränna, hudcancer och grå starr). Dessutom leder ökad yt-UV till ökat troposfäriskt ozon, vilket är en hälsorisk för människor.

Basal- och skivepitelcancer

De vanligaste formerna av hudcancer hos människor, basal- och skivepitelcancer , har varit starkt kopplade till UV-B-exponering. Mekanismen genom vilken UVB inducerar dessa cancerformer är välkänd - absorption av UV-B-strålning gör att pyrimidinbaserna i DNA-molekylen bildar dimerer , vilket resulterar i transkriptionsfel när DNA:t replikerar. Dessa cancerformer är relativt milda och sällan dödliga, även om behandlingen av skivepitelcancer ibland kräver omfattande rekonstruktionskirurgi. Genom att kombinera epidemiologiska data med resultat från djurstudier har forskare uppskattat att varje procents minskning av det långvariga stratosfäriska ozonet skulle öka förekomsten av dessa cancerformer med 2 %.

Malignt melanom

En annan form av hudcancer, malignt melanom , är mycket mindre vanlig men mycket farligare och är dödlig i cirka 15–20 procent av fallen som diagnostiseras. Sambandet mellan malignt melanom och exponering för ultraviolett ljus är ännu inte helt klarlagt, men det verkar som om både UV-B och UV-A är inblandade. På grund av denna osäkerhet är det svårt att uppskatta effekten av ozonnedbrytning på melanomincidensen. En studie visade att en 10-procentig ökning av UV-B-strålning var associerad med en 19-procentig ökning av melanom för män och 16 procent för kvinnor. En studie av människor i Punta Arenas , vid den södra spetsen av Chile , visade en 56-procentig ökning av melanom och en 46-procentig ökning av icke-melanom hudcancer under en period av sju år, tillsammans med minskat ozon och ökade UVB-nivåer.

Kortikal grå starr

Epidemiologiska studier tyder på ett samband mellan ögonbarkstarr och UV-B-exponering, med hjälp av grova uppskattningar av exponeringen och olika tekniker för bedömning av grå starr. En detaljerad bedömning av okulär exponering för UV-B utfördes i en studie på Chesapeake Bay Watermen, där ökningar i genomsnittlig årlig okulär exponering var förknippad med ökad risk för kortikal opacitet. I denna mycket exponerade grupp av övervägande vita män var bevisen som kopplade kortikala opaciteter till exponering för solljus de starkaste hittills. Baserat på dessa resultat förutspås ozonnedbrytning orsaka hundratusentals ytterligare grå starr år 2050.

Ökat troposfäriskt ozon

Ökad yt-UV leder till ökat troposfäriskt ozon. Marknära ozon anses allmänt vara en hälsorisk, eftersom ozon är giftigt på grund av dess starka oxiderande egenskaper. Riskerna är särskilt höga för små barn, äldre och personer med astma eller andra andningssvårigheter. Vid denna tidpunkt produceras ozon på marknivå huvudsakligen genom inverkan av UV-strålning på förbränningsgaser från fordonsavgaser.

Ökad produktion av vitamin D

D-vitamin produceras i huden av ultraviolett ljus. Högre UVB-exponering höjer alltså humant D-vitamin hos de som har brist på det. Ny forskning (främst sedan Montrealprotokollet) visar att många människor har mindre än optimala D-vitaminnivåer. I synnerhet i USA:s befolkning hittades den lägsta fjärdedelen av vitamin D (<17,8 ng/ml) med hjälp av information från National Health and Nutrition Examination Survey för att vara associerad med en ökning av dödligheten av alla orsaker i den allmänna befolkningen. Medan blodnivån av D-vitamin över 100 ng/ml verkar höja blodkalciumet överdrivet och vara associerat med högre dödlighet, har kroppen mekanismer som förhindrar solljus från att producera D-vitamin som överstiger kroppens behov.

Effekter på djur

En rapport från november 2011 av forskare vid Institute of Zoology i London fann att valar utanför Kaliforniens kust har visat en kraftig ökning av solskador, och dessa forskare "fruktar att det är det tunna ozonskiktet som är skyldiga". Studien fotograferade och tog hudbiopsier från över 150 valar i Kaliforniens golf och fann "utbredda bevis på epidermal skada som vanligtvis förknippas med akut och svår solbränna", med celler som bildas när DNA skadas av UV-strålning. Resultaten tyder på att "stigande UV-nivåer som ett resultat av ozonnedbrytning är skyldiga till de observerade hudskadorna, på samma sätt som mänskliga hudcancerfrekvenser har ökat under de senaste decennierna." Förutom valar drabbas även många andra djur som hundar, katter, får och terrestra ekosystem av de negativa effekterna av ökad UV-B-strålning.

Effekter på grödor

En ökning av UV-strålningen skulle förväntas påverka grödor. Ett nummer av ekonomiskt viktiga arter av växter, såsom ris , är beroende av cyanobakterier som bor på deras rötter för att behålla kväve . Cyanobakterier är känsliga för UV-strålning och skulle påverkas av dess ökning. "Trots mekanismer för att minska eller reparera effekterna av ökad ultraviolett strålning har växter en begränsad förmåga att anpassa sig till ökade nivåer av UVB, därför kan växttillväxt direkt påverkas av UVB-strålning."

Effekter på växtlivet

Under åren har det arktiska ozonskiktet utarmats kraftigt. Som en konsekvens påverkas arter som lever ovanför snötäcket eller i områden där snö har smält rikligt på grund av heta temperaturer negativt på grund av UV-strålning som når marken. Utarmning av ozonskiktet och tillåtande av överskott av UVB-strålning skulle initialt antas öka skadorna på växternas DNA. Rapporter har funnit att när växter exponeras för UVB-strålning som liknar stratosfärisk ozonutarmning, var det ingen signifikant förändring i växthöjd eller bladmassa, men visade ett svar i skottbiomassa och bladarea med en liten minskning. UVB-strålning har dock visat sig minska kvantutbytet av fotosystem II. UVB-skador uppstår endast under extrem exponering, och de flesta växter har också UVB-absorberande flavonoider som gör att de kan acklimatisera sig till den närvarande strålningen. Växter upplever olika nivåer av UV-strålning under dagen. Det är känt att de kan förändra nivåerna och typerna av UV-solskyddsmedel (dvs. flavonoider), som de innehåller, under hela dagen. Detta gör att de kan öka sitt skydd mot UV-strålning. Växter som har påverkats av strålning under hela utvecklingen är mer påverkade av oförmågan att fånga upp ljus med en större bladarea än att fotosyntetiska system äventyras. Skador från UVB-strålning är mer sannolikt betydande på artinteraktioner än på växterna själva.

En annan betydande inverkan av ozonnedbrytning på växtlivet är den stress som växter upplever när de utsätts för UV-strålning. Detta kan orsaka en minskad växttillväxt och en ökning av oxidativ stress, på grund av produktionen av kväveoxid och väteperoxid. Minskad växttillväxt kommer att få viktiga konsekvenser på lång sikt. Det beräknas att växternas produktivitet skulle minska med 6 % och det kommer att ske en minskning av mängden kol, växter skulle fånga upp/avskilja från miljön.

Dessutom, om växter utsätts för höga nivåer av UV-strålning, kan det framkalla produktion av skadliga flyktiga organiska föreningar, som isoprener. Utsläpp av isoprener till luften från växter kan allvarligt påverka miljön genom att öka luftföroreningarna och öka mängden kol i atmosfären, vilket i slutändan bidrar till klimatförändringarna.

Allmän ordning

NASA prognoser av stratosfäriska ozonkoncentrationer om klorfluorkolväten inte hade förbjudits

Den fullständiga omfattningen av de skador som CFC har orsakat ozonskiktet är inte känd och kommer inte att vara känd på decennier; markanta minskningar av kolonnozon har dock redan observerats. Montreal- och Wienkonventionerna installerades långt innan en vetenskaplig konsensus etablerades eller viktiga osäkerheter inom vetenskapsområdet hölls på att lösas. Ozonfallet förstods jämförbart väl av lekmän eftersom t.ex. ozonsköld eller ozonhål var användbara "lättförståeliga överbryggande metaforer". Amerikaner bytte frivilligt bort från aerosolsprayer, vilket resulterade i en försäljningsförlust på 50 procent redan innan lagstiftningen trädde i kraft.

Efter att en rapport från 1976 från United States National Academy of Sciences drog slutsatsen att trovärdiga vetenskapliga bevis stödde hypotesen om ozonnedbrytning, har ett fåtal länder, inklusive USA, Kanada, Sverige, Danmark och Norge, försökt att eliminera användningen av CFC i aerosolspray. burkar. På den tiden betraktades detta allmänt som ett första steg mot en mer omfattande regleringspolitik, men framstegen i denna riktning avtog under efterföljande år, på grund av en kombination av politiska faktorer (fortsatt motstånd från halokolindustrin och en allmän förändring i attityd till miljön reglering under de första två åren av Reagan-administrationen) och vetenskaplig utveckling (efterföljande National Academy-bedömningar som indikerade att de första uppskattningarna av omfattningen av ozonnedbrytningen hade varit alltför stora). Ett kritiskt DuPont-tillverkningspatent för Freon skulle löpa ut 1979 . USA förbjöd användningen av CFC i aerosolburkar 1978. Europeiska gemenskapen avvisade förslag om att förbjuda CFC i aerosolsprayer, och i USA fortsatte CFC att användas som köldmedier och för rengöring av kretskort. Den globala CFC-produktionen sjönk kraftigt efter USA:s aerosolförbud, men hade 1986 återgått nästan till 1976 års nivå. 1993 DuPont Canada sin CFC-anläggning.

Den amerikanska regeringens attityd började förändras igen 1983, när William Ruckelshaus ersatte Anne M. Burford som administratör för United States Environmental Protection Agency . Under Ruckelshaus och hans efterträdare, Lee Thomas, drev EPA för en internationell strategi för halocarbon-regleringar. 1985 undertecknade tjugo nationer, inklusive de flesta av de stora CFC-producenterna, Wienkonventionen för skydd av ozonskiktet, som fastställde ett ramverk för att förhandla fram internationella regler om ozonnedbrytande ämnen. Samma år tillkännagavs upptäckten av det antarktiska ozonhålet, vilket orsakade en återupplivning i allmänhetens uppmärksamhet kring frågan. 1987 undertecknade representanter från 43 nationer Montrealprotokollet . Samtidigt ändrade halokarbonindustrin sin position och började stödja ett protokoll för att begränsa produktionen av CFC. Denna förändring var dock ojämn då DuPont agerade snabbare än sina europeiska motsvarigheter. DuPont kan ha fruktat domstolsåtgärder relaterade till ökad hudcancer, särskilt som EPA hade publicerat en studie 1986 som hävdade att ytterligare 40 miljoner fall och 800 000 dödsfall i cancer var att vänta i USA under de kommande 88 åren. EU ändrade sin position också efter att Tyskland gav upp sitt försvar av CFC-industrin och började stödja åtgärder mot reglering. Regering och industri i Frankrike och Storbritannien försökte försvara sin CFC-producerande industri även efter att Montrealprotokollet hade undertecknats.

I Montreal kom deltagarna överens om att frysa produktionen av CFC på 1986 års nivåer och att minska produktionen med 50 procent till 1999. Efter en rad vetenskapliga expeditioner till Antarktis producerade övertygande bevis för att ozonhålet verkligen orsakades av klor och brom från konstgjorda organohalogener , stärktes Montrealprotokollet vid ett möte 1990 i London. Deltagarna kom överens om att fasa ut CFC och haloner helt (bortsett från en mycket liten mängd markerad för vissa "nödvändiga" användningsområden, såsom astmainhalatorer ) senast 2000 i länder som inte omfattas av artikel 5 och senast 2010 i artikel 5 (mindre utvecklade) undertecknare. Vid ett möte 1992 i Köpenhamn flyttades utfasningsdatumet upp till 1996. Vid samma möte lades metylbromid (MeBr), ett gasningsmedel som främst används inom jordbruksproduktionen, till listan över kontrollerade ämnen. För alla ämnen som kontrolleras enligt protokollet försenades utfasningsscheman för mindre utvecklade länder (”artikel 5.1”), och utfasningen i dessa länder stöddes av överföringar av expertis, teknik och pengar från icke-artikel 5.1. Parter till protokollet. Dessutom skulle undantag från de överenskomna tidsplanerna kunna ansökas under processen för undantag för essentiell användning (EUE) för andra ämnen än metylbromid och under processen för undantag från kritisk användning (CUE) för metylbromid.

Det civila samhället, inklusive särskilt icke-statliga organisationer, spelade en avgörande roll i alla stadier av policyutvecklingen fram till Wienkonferensen, Montrealprotokollet och vid bedömningen av efterlevnaden efteråt. De stora företagen hävdade att det inte fanns några alternativ till HFC. Ett ozonsäkert kolvätekylmedium utvecklades vid ett tekniskt institut i Hamburg i Tyskland, bestående av en blandning av kolvätegaserna propan och butan , och kom 1992 till den icke-statliga organisationen (NGO) Greenpeaces kännedom. Greenpeace kallade det "Greenfreeze". Den icke-statliga organisationen arbetade sedan framgångsrikt först med ett litet och kämpande företag för att marknadsföra en apparat med början i Europa, sedan Asien och senare Latinamerika, och fick ett UNEP-pris 1997. 1995 hade Tyskland redan gjort CFC-kylskåp olagliga. Sedan 2004 har företag som Coca-Cola, Carlsberg och IKEA bildat en koalition för att främja de ozonsäkra Greenfreeze-enheterna. Produktionen spred sig till företag som Electrolux, Bosch och LG, och försäljningen nådde cirka 300 miljoner kylskåp år 2008. I Latinamerika började ett inhemskt argentinskt företag produktion av Greenfreeze 2003, medan jätten Bosch i Brasilien började ett år senare. År 2013 användes det av cirka 700 miljoner kylskåp, vilket utgör cirka 40 procent av marknaden. I USA har förändringen dock gått mycket långsammare. I viss mån ersattes CFC med de mindre skadliga klorfluorkolvätena ( HCFC ), även om farhågor kvarstår när det gäller HCFC. I vissa tillämpningar användes fluorkolväten ( HFC ) för att ersätta CFC. HFC, som inte innehåller klor eller brom, bidrar inte alls till ozonnedbrytning även om de är potenta växthusgaser. Den mest kända av dessa föreningar är förmodligen HFC-134a ( R-134a ), som i USA till stor del har ersatt CFC-12 ( R-12 ) i luftkonditioneringsapparater för bilar. I laboratorieanalyser (en tidigare "nödvändig" användning) kan de ozonnedbrytande ämnena ersättas med olika andra lösningsmedel. Kemikalieföretag som Du Pont, vars representanter till och med nedvärderade Greenfreeze som "den där tyska tekniken", manövrerade EPA för att blockera tekniken i USA fram till 2011. Ben & Jerry's från Unilever och General Electric, sporrade av Greenpeace, hade uttryckt formellt intresse 2008 som figurerade i EPA:s slutgiltiga godkännande.

EU omarbetade sin ozonförordning 2009. Lagen förbjuder ozonnedbrytande ämnen med målet att skydda ozonskiktet. Listan över ODS som omfattas av förordningen är densamma som under Montrealprotokollet, med några tillägg.

På senare tid har policyexperter förespråkat insatser för att koppla ozonskyddsinsatser till klimatskyddsinsatser. Många ODS är också växthusgaser, några tusen gånger mer kraftfulla medel för strålkraft än koldioxid på kort och medellång sikt. Politiken för att skydda ozonskiktet har således haft fördelar för att mildra klimatförändringarna . Faktum är att minskningen av strålkraften på grund av ODS troligen maskerade den verkliga nivån av klimatförändringseffekter av andra växthusgaser, och var ansvarig för "bromsningen" av den globala uppvärmningen från mitten av 90-talet. Policybeslut på en arena påverkar kostnaderna och effektiviteten för miljöförbättringar på den andra.

ODS-krav inom marinindustrin

IMO har ändrat MARPOL bilaga VI regel 12 angående ozonnedbrytande ämnen . Från och med den 1 juli 2010 bör alla fartyg där MARPOL Annex VI är tillämplig ha en lista över utrustning som använder ozonnedbrytande ämnen. Listan ska innehålla namn på ODS, typ och plats för utrustning, kvantitet i kg och datum. Alla förändringar sedan det datumet bör registreras i en ODS Record-bok ombord som registrerar alla avsedda eller oavsiktliga utsläpp till atmosfären. Dessutom bör ny ODS-tillförsel eller landning till landanläggningar också registreras.

Utsikter för ozonnedbrytning

Ozonnivåerna stabiliserades på 1990-talet efter Montrealprotokollet och har börjat återhämta sig. De beräknas nå nivåer före 1980 före 2075.

Ozonnedbrytande gastrender

Sedan antagandet och förstärkningen av Montrealprotokollet har lett till minskningar av utsläppen av CFC, har koncentrationerna i atmosfären av de mest betydande föreningarna minskat. Dessa ämnen avlägsnas gradvis från atmosfären; sedan den nådde toppen 1994 hade den effektiva ekvivalenta klorhalten (EECl) i atmosfären sjunkit med cirka 10 procent till 2008. Minskningen av ozonnedbrytande kemikalier har också väsentligt påverkats av en minskning av brominnehållande kemikalier . Data tyder på att det finns betydande naturliga källor för CH3Br
₎ atmosfärisk metylbromid ( . Utfasningen av CFC innebär att dikväveoxid ( N
₂ O ), som inte omfattas av Montrealprotokollet, har blivit det ozonnedbrytande ämnet som mest emitteras och förväntas förbli så under hela 2000-talet.

Enligt IPCC:s sjätte utvärderingsrapport upplevde de globala ozonnivåerna i stratosfären en snabb nedgång på 1970- och 1980-talen och har sedan dess ökat, men har inte nått förindustriella nivåer. Även om betydande variationer förväntas från år till år, inklusive i polarområden där utarmningen är störst, förväntas ozonskiktet fortsätta att återhämta sig under kommande decennier på grund av minskande koncentrationer av ozonnedbrytande ämnen, förutsatt att Montrealprotokollet följs fullt ut.

Det antarktiska ozonhålet förväntas fortsätta i årtionden. Ozonkoncentrationerna i den nedre stratosfären över Antarktis ökade med 5–10 procent till 2020 och kommer att återgå till nivåerna före 1980 cirka 2060–2075. Detta är 10–25 år senare än vad som förutspåtts i tidigare bedömningar, på grund av reviderade uppskattningar av atmosfäriska koncentrationer av ozonnedbrytande ämnen, inklusive en större förväntad framtida användning i utvecklingsländer. En annan faktor som kan förlänga nedbrytningen av ozonskiktet är neddragningen av kväveoxider ovanför stratosfären på grund av förändrade vindmönster. En gradvis trend mot "läkning" rapporterades 2016. Under 2019 var ozonhålet som minst under de senaste trettio åren, på grund av att den varmare polära stratosfären försvagade polarvirveln.

Forskningshistoria

Se även: Ozon–syrecykel

De grundläggande fysiska och kemiska processerna som leder till bildandet av ett ozonskikt i jordens stratosfär upptäcktes av Sydney Chapman 1930. Kortvågig UV-strålning delar upp en syremolekyl ( O
₂ ) i två syreatomer (O) som sedan kombineras med andra syremolekyler för att bilda ozon. Ozon avlägsnas när en syreatom och en ozonmolekyl "rekombinerar" för att bilda två syremolekyler, dvs O + O
₃ → 2 O
₂ . På 1950-talet presenterade David Bates och Marcel Nicolet bevis för att olika fria radikaler, särskilt hydroxyl (OH) och kväveoxid (NO), kunde katalysera denna rekombinationsreaktion, vilket minskade den totala mängden ozon. Dessa fria radikaler var kända för att finnas i stratosfären och betraktades därför som en del av den naturliga balansen – man uppskattade att i frånvaro av dem skulle ozonskiktet vara ungefär dubbelt så tjockt som det är för närvarande.

1970 påpekade Paul Crutzen att utsläpp av dikväveoxid ( N
₂ O ), en stabil, långlivad gas som produceras av jordbakterier, från jordens yta kan påverka mängden kväveoxid (NO) i stratosfären. Crutzen visade att lustgas lever tillräckligt länge för att nå stratosfären, där den omvandlas till NO. Crutzen noterade då att ökad användning av konstgödsel kan ha lett till en ökning av lustgasutsläppen över den naturliga bakgrunden, vilket i sin tur skulle resultera i en ökning av mängden NO i stratosfären. Sålunda kan mänsklig aktivitet påverka det stratosfäriska ozonskiktet. Året därpå föreslog Crutzen och (oberoende) Harold Johnston att NO-utsläpp från överljudspassagerarflygplan , som skulle flyga i den nedre stratosfären, också kunde tömma ozonskiktet. En senare analys 1995 av David W. Fahey, en atmosfärsforskare vid National Oceanic and Atmospheric Administration , fann dock att minskningen av ozon skulle vara från 1–2 procent om en flotta på 500 överljudspassagerarflygplan användes. Detta, uttryckte Fahey, skulle inte vara en showstopper för avancerad överljudsutveckling av passagerarflygplan.

Rowland-Molinas hypotes

1974 föreslog Frank Sherwood Rowland , kemiprofessor vid University of California i Irvine, och hans postdoktorale associate Mario J. Molina att långlivade organiska halogenföreningar, såsom CFC, kunde bete sig på ett liknande sätt som Crutzen hade föreslagit för lustgas. . James Lovelock hade nyligen upptäckt, under en kryssning i södra Atlanten 1971, att nästan alla CFC-föreningar som tillverkats sedan deras uppfinning 1930 fortfarande fanns i atmosfären. Molina och Rowland drog slutsatsen att, liksom N
₂ O , skulle CFC:erna nå stratosfären där de skulle dissocieras av UV-ljus och frigöra kloratomer. Ett år tidigare hade Richard Stolarski och Ralph Cicerone vid University of Michigan visat att Cl är ännu effektivare än NO för att katalysera förstörelsen av ozon. Liknande slutsatser drogs av Michael McElroy och Steven Wofsy vid Harvard University . Ingendera gruppen hade dock insett att CFC var en potentiellt stor källa till stratosfäriskt klor – i stället hade de undersökt de möjliga effekterna av HCl-utsläpp från rymdfärjan, som är mycket mindre.

Rowland-Molina-hypotesen ifrågasattes starkt av företrädare för aerosol- och halokarbonindustrin. Styrelseordföranden för DuPont citerades för att säga att teorin om ozonnedbrytning är "en science fiction-berättelse ... en massa skräp ... totalt nonsens". Robert Abplanalp , VD för Precision Valve Corporation (och uppfinnare av den första praktiska sprayburkventilen), skrev till kanslern för UC Irvine för att klaga på Rowlands offentliga uttalanden. Inte desto mindre bekräftades inom tre år de flesta av de grundläggande antagandena som gjorts av Rowland och Molina genom laboratoriemätningar och genom direkt observation i stratosfären. Koncentrationerna av källgaserna (CFC och relaterade föreningar) och klorreservoararterna (HCl och ClONO
₂ ) mättes i hela stratosfären och visade att CFC verkligen var den största källan till stratosfäriskt klor, och att nästan alla CFC släppte ut skulle så småningom nå stratosfären. Ännu mer övertygande var mätningen, av James G. Anderson och medarbetare, av klormonoxid (ClO) i stratosfären. ClO produceras genom reaktionen av Cl med ozon - dess observation visade alltså att Cl-radikaler inte bara fanns i stratosfären utan också faktiskt var involverade i att förstöra ozon. McElroy och Wofsy utökade Rowlands och Molinas arbete genom att visa att bromatomer var ännu effektivare katalysatorer för ozonförlust än kloratomer och hävdade att de bromerade organiska föreningarna som kallas haloner , som ofta används i brandsläckare, var en potentiellt stor källa till stratosfär. brom. 1976 United States National Academy of Sciences en rapport som drog slutsatsen att hypotesen om ozonnedbrytning stöddes starkt av vetenskapliga bevis. Som ett svar förbjöd USA, Kanada och Norge användningen av CFC i aerosolsprayburkar 1978. Tidiga uppskattningar var att om CFC-produktionen fortsatte på 1977 års nivåer skulle det totala atmosfäriska ozonet efter ett sekel eller så nå ett stabilt tillstånd, 15 till 18 procent under normala nivåer. År 1984, när bättre bevis på hastigheten på kritiska reaktioner fanns tillgängliga, ändrades denna uppskattning till 5 till 9 procent steady-state utarmning.

Crutzen, Molina och Rowland tilldelades 1995 Nobelpriset i kemi för sitt arbete med stratosfäriskt ozon.

Antarktis ozonhål

Upptäckten av det antarktiska "ozonhålet" av brittiska Antarctic Survey -forskarna Farman , Gardiner och Shanklin (rapporterade först i en tidning i Nature i maj 1985) kom som en chock för forskarsamhället, eftersom den observerade minskningen av polärt ozon var mycket större än någon hade räknat med. Satellitmätningar ( TOMS ombord på Nimbus 7 ) som visar massiv utarmning av ozon runt sydpolen blev tillgängliga samtidigt. Dessa avvisades dock initialt som orimliga av datakvalitetskontrollalgoritmer (de filtrerades bort som fel eftersom värdena var oväntat låga); ozonhålet upptäcktes endast i satellitdata när rådata bearbetades efter bevis på ozonnedbrytning vid observationer på plats . När programvaran kördes om utan flaggorna sågs ozonhålet så långt tillbaka som 1976.

Susan Solomon , en atmosfärisk kemist vid National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), föreslog att kemiska reaktioner på polära stratosfäriska moln (PSC) i den kalla antarktiska stratosfären orsakade en massiv, men lokaliserad och säsongsbetonad, ökning av mängden klor i aktiva, ozonförstörande former. De polära stratosfäriska molnen i Antarktis bildas bara när det är mycket låga temperaturer, så låga som -80 °C, och tidiga vårförhållanden. Under sådana förhållanden iskristaller en lämplig yta för omvandling av oreaktiva klorföreningar till reaktiva klorföreningar, som lätt kan tömma ozon.

Dessutom är den polära virveln som bildas över Antarktis mycket tät och reaktionen som sker på ytan av molnkristallerna är mycket annorlunda än när den sker i atmosfären. Dessa förhållanden har lett till ozonhålbildning i Antarktis. Denna hypotes bekräftades på ett avgörande sätt, först genom laboratoriemätningar och därefter genom direkta mätningar, från marken och från flygplan på hög höjd , av mycket höga koncentrationer av klormonoxid (ClO) i den antarktiska stratosfären.

Alternativa hypoteser, som hade tillskrivit ozonhålet variationer i solens UV-strålning eller till förändringar i atmosfäriska cirkulationsmönster, testades också och visade sig vara ohållbara.

Samtidigt ledde analys av ozonmätningar från det världsomspännande nätverket av markbaserade Dobson-spektrofotometrar till att en internationell panel drog slutsatsen att ozonskiktet faktiskt höll på att utarmas, på alla breddgrader utanför tropikerna. Dessa trender bekräftades av satellitmätningar. Som en konsekvens kom de stora halokolproducerande nationerna överens om att fasa ut produktionen av CFC, haloner och relaterade föreningar, en process som slutfördes 1996.

Sedan 1981 har FN:s miljöprogram , under överinseende av Världsmeteorologiska organisationen, sponsrat en serie tekniska rapporter om den vetenskapliga bedömningen av ozonnedbrytning, baserad på satellitmätningar. 2007 års rapport visade att hålet i ozonskiktet höll på att återhämta sig och det minsta det varit på ungefär ett decennium. Rapporten från 2010 fann: "Under det senaste decenniet har det globala ozon och ozon i de arktiska och antarktiska områdena inte längre minskat men ökar ännu inte. Ozonskiktet utanför polarområdena förväntas återhämta sig till nivåerna före 1980 någon gång före mitten av detta århundrade. Däremot förväntas vårens ozonhål över Antarktis återhämta sig mycket senare." 2012 NOAA och NASA "Varmare lufttemperaturer högt över Antarktis ledde till säsongens näst minsta ozonhål på 20 år med i genomsnitt 17,9 miljoner kvadratkilometer. Hålet nådde sin maximala storlek för säsongen den 22 september och sträckte sig till 21,2 miljoner kvadratkilometer. kilometer." En gradvis trend mot "läkning" rapporterades 2016 och sedan 2017. Det rapporteras att återhämtningssignalen är tydlig även i mättnadshöjderna för ozonförlust.

Hålet i jordens ozonskikt över sydpolen har påverkat atmosfärens cirkulation på södra halvklotet ända fram till ekvatorn. Ozonhålet har påverkat atmosfärens cirkulation ända till tropikerna och ökat nederbörd på låga, subtropiska breddgrader på södra halvklotet.

Arktiskt ozon "minihål"

Den 3 mars 2005 publicerade tidskriften Nature en artikel som kopplade 2004 års ovanligt stora arktiska ozonhål till solvindsaktivitet.

Den 15 mars 2011 observerades en rekordstor förlust av ozonskiktet, där ungefär hälften av det ozon som fanns över Arktis hade förstörts. Förändringen tillskrevs allt kallare vintrar i den arktiska stratosfären på en höjd av cirka 20 km (12 mi), en förändring associerad med global uppvärmning i ett förhållande som fortfarande är under utredning. Den 25 mars hade ozonförlusten blivit den största jämfört med den som observerats under alla tidigare vintrar med möjligheten att det skulle bli ett ozonhål. Detta skulle kräva att mängden ozon sjunker under 200 Dobson-enheter, från de 250 som registrerats över centrala Sibirien. Det förutspås att gallringslagret skulle påverka delar av Skandinavien och Östeuropa den 30–31 mars.

Den 2 oktober 2011 publicerades en studie i tidskriften Nature , som sa att mellan december 2010 och mars 2011 förstördes upp till 80 procent av ozonet i atmosfären på cirka 20 kilometer (12 mi) över ytan. Nivån av ozonnedbrytning var tillräckligt allvarlig för att forskare sa att den skulle kunna jämföras med ozonhålet som bildas över Antarktis varje vinter. Enligt studien, "för första gången inträffade tillräcklig förlust för att rimligen kunna beskrivas som ett arktiskt ozonhål." Studien analyserade data från Aura- och CALIPSO -satelliterna och fastställde att den större ozonförlusten än normalt berodde på en ovanligt lång period av kallt väder i Arktis, cirka 30 dagar mer än normalt, vilket möjliggjorde mer ozonförstörande klorföreningar som ska skapas. Enligt Lamont Poole, en medförfattare till studien, var moln- och aerosolpartiklar på vilka klorföreningarna finns "rikliga i Arktis fram till mitten av mars 2011 - mycket senare än vanligt - med genomsnittliga mängder på vissa höjder som liknar de observerade i Antarktis och dramatiskt större än de nästan nollvärden som sågs i mars under de flesta arktiska vintrar".

2013 analyserade forskare data och fann att händelsen i Arktis 2010–11 inte nådde ozonnedbrytningsnivåerna för att klassificeras som ett verkligt hål. Ett hål i ozonet klassas i allmänhet som 220 Dobson-enheter eller lägre; det arktiska hålet närmade sig inte den låga nivån. Det har sedan dess klassificerats som ett "minihål".

Efter ozonnedbrytningen 1997 och 2011 uppmättes en 90-procentig minskning av ozon med väderballonger över Arktis i mars 2020, då de normalt registrerade 3,5 miljondelar ozon, jämfört med endast omkring 0,3 miljondelar slutligen, p.g.a. kalla temperaturer som någonsin registrerats sedan 1979, och en stark polär virvel som gjorde att kemikalier, inklusive klor och brom, kunde gnaga bort.

Ett sällsynt hål, resultatet av ovanligt låga temperaturer i atmosfären ovanför Nordpolen, studerades 2020.

Tibet ozonhål

Eftersom vintrar som är kallare är mer påverkade, finns det ibland ett ozonhål över Tibet. 2006 upptäcktes ett 2,5 miljoner kvadratkilometer stort ozonhål över Tibet. Också igen 2011 dök ett ozonhål upp över bergsområden i Tibet , Xinjiang , Qinghai och Hindu Kush , tillsammans med ett aldrig tidigare skådat hål över Arktis, även om det i Tibet är mycket mindre intensivt än de över Arktis eller Antarktis.

Potentiell utarmning av stormmoln

Forskning 2012 visade att samma process som producerar ozonhålet över Antarktis inträffar över sommarens stormmoln i USA, och därmed kan förstöra ozon även där.

Ozonhål över tropikerna

Fysikern Qing-Bin Lu, vid University of Waterloo, påstod sig ha upptäckt ett stort ozonhål under hela säsongen i den nedre stratosfären över tropikerna i juli 2022. Andra forskare inom området motbevisade dock detta påstående och hävdade att forskningen var full av "allvarliga fel och ogrundade påståenden". Enligt Dr Paul Young, en huvudförfattare till 2022 WMO/UNEP Scientific Assessment of Ozone Depletion, "Författarens identifiering av ett "tropiskt ozonhål" beror på att han tittar på procentuella förändringar i ozon, snarare än absoluta förändringar, med sistnämnda är mycket mer relevant för att skada UV som når ytan." Specifikt definierar Lus arbete "ozonhål" som "ett område med O3-förlust i procent större än 25 %, med avseende på det ostörda O3-värdet när det inte fanns några signifikanta CFC i stratosfären (~ på 1960-talet)" istället för det allmänna definition av 220 Dobson-enheter eller lägre. Dr Marta Abalos Alvarez har lagt till "Ozonnedbrytning i tropikerna är inget nytt och beror främst på accelerationen av Brewer-Dobsons cirkulation."

Ozonnedbrytning och global uppvärmning

Huvudartikel: Ozonnedbrytning och global uppvärmning

Robert Watson hade bland annat en roll i den vetenskapliga bedömningen och i regleringen av ozonnedbrytning och global uppvärmning . Före 1980-talet hade EU, NASA, NAS, UNEP, WMO och den brittiska regeringen avvikande vetenskapliga rapporter och Watson spelade en roll i processen för enhetliga bedömningar. Baserat på erfarenheterna av ozonfallet började IPCC arbeta med en enhetlig rapportering och vetenskaplig bedömning för att nå enighet om att tillhandahålla IPCC:s sammanfattning för politiska beslutsfattare .

Det finns olika områden av koppling mellan ozonnedbrytning och vetenskap om global uppvärmning:

Strålningskraft från olika växthusgaser och andra källor

• Samma CO
  ₂ -strålningskraft som orsakar global uppvärmning förväntas kyla stratosfären. Denna kylning förväntas i sin tur ge en relativ ökning av ozon ( O
  ₃ ) utarmning i polarområdet och frekvensen av ozonhål.
• Omvänt representerar ozonnedbrytning en strålningskraft från klimatsystemet. Det finns två motsatta effekter: Reducerat ozon får stratosfären att absorbera mindre solstrålning, vilket kyler ner stratosfären samtidigt som troposfären värms upp; den resulterande kallare stratosfären avger mindre långvågig strålning nedåt, vilket kyler troposfären. Överlag dominerar kylningen; IPCC drar slutsatsen att " observerade stratosfäriska O
  ₃ -förluster under de senaste två decennierna har orsakat en negativ forcering av yt-troposfärsystemet " på cirka -0,15 ± 0,10 watt per kvadratmeter (W/m ² ).
• En av de starkaste förutsägelserna om växthuseffekten är att stratosfären kommer att svalna. Även om denna nedkylning har observerats är det inte trivialt att separera effekterna av förändringar i koncentrationen av växthusgaser och ozonnedbrytning eftersom båda leder till nedkylning. Detta kan dock göras genom numerisk stratosfärisk modellering. Resultat från National Oceanic and Atmospheric Administrations Geophysical Fluid Dynamics Laboratory visar att över 20 km (12 mi) dominerar växthusgaserna kylningen.
• Som nämnts under "Offentlig politik" är ozonnedbrytande kemikalier också ofta växthusgaser. Ökningen av koncentrationerna av dessa kemikalier har producerat 0,34 ± 0,03 W/m ² strålningspåverkan, motsvarande cirka 14 procent av den totala strålningspåverkan från ökningar av koncentrationerna av välblandade växthusgaser.
• Långsiktig modellering av processen, dess mätning, studier, design av teorier och testning tar årtionden att dokumentera, få bred acceptans och till slut bli det dominerande paradigmet. Flera teorier om förstörelsen av ozon antogs under 1980-talet, publicerades i slutet av 1990-talet och undersöks för närvarande. Dr Drew Schindell och Dr Paul Newman, NASA Goddard, föreslog en teori i slutet av 1990-talet, med hjälp av beräkningsmetoder för att modellera ozonförstöring, som stod för 78 procent av ozonförstörelsen. Ytterligare förfining av den modellen stod för 89 procent av det ozon som förstördes, men tryckte tillbaka den beräknade återhämtningen av ozonhålet från 75 år till 150 år. (En viktig del av den modellen är avsaknaden av stratosfärisk flygning på grund av utarmning av fossila bränslen.)

2019 rapporterade NASA att det inte fanns något signifikant samband mellan storleken på ozonhålet och klimatförändringen.

Missuppfattningar

CFC vikt

Eftersom CFC-molekyler är tyngre än luft (kväve eller syre), är det vanligt att CFC-molekylerna inte kan nå stratosfären i betydande mängder. Atmosfäriska gaser sorteras dock inte efter vikt; vindkrafterna kan helt blanda gaserna i atmosfären. Lättare CFC är jämnt fördelade i turbosfären och når den övre atmosfären, även om vissa av de tyngre CFC inte är jämnt fördelade.

Andel konstgjort klor

Källor till stratosfäriskt klor

En annan missuppfattning är att "det är allmänt accepterat att naturliga källor till troposfäriskt klor är fyra till fem gånger större än konstgjorda." Även om detta uttalande är strikt sant, troposfäriskt klor irrelevant; det är stratosfäriskt klor som påverkar ozonnedbrytningen. Klor från havssprej är lösligt och tvättas därför av nederbörd innan det når stratosfären. CFC är däremot olösliga och långlivade, vilket gör att de kan nå stratosfären. I den lägre atmosfären finns det mycket mer klor från CFC och relaterade haloalkaner än vad det finns i HCl från saltspray, och i stratosfären är halokarboner dominerande. Endast metylklorid, som är en av dessa halokarboner, har en huvudsakligen naturlig källa, och den är ansvarig för cirka 20 procent av klor i stratosfären; de återstående 80 procenten kommer från konstgjorda källor.

Mycket våldsamma vulkanutbrott kan injicera HCl i stratosfären, men forskare har visat att bidraget inte är signifikant jämfört med det från CFC. Ett liknande felaktigt påstående är att lösliga halogenföreningar från vulkanplymen av Mount Erebus på Ross Island, Antarktis är en stor bidragande orsak till det antarktiska ozonhålet.

vulkanen Erebus -vulkanens roll i Antarktis ozonutarmning förmodligen var underskattad. Baserat på från NCEP/NCAR under de senaste 35 åren och genom att använda NOAA HYSPLIT -banamodellen visade forskare att Erebus vulkangasutsläpp (inklusive väteklorid (HCl)) kan nå den antarktiska stratosfären via cykloner på hög latitud och sedan polär virvel . Beroende på Erebus vulkanaktivitet varierar den extra årliga HCl-massan som kommer in i stratosfären från Erebus från 1,0 till 14,3 kt.

Första observationen

GMB Dobson nämnde att när vårens ozonnivåer i Antarktis över Halley Bay först mättes 1956, blev han förvånad över att finna att de var ~320 DU, eller cirka 150 DU under vårens arktiska nivåer på ~450 DU. Dessa var vid den tiden de enda kända antarktiska ozonvärdena som fanns tillgängliga. Vad Dobson beskriver är i huvudsak baslinjen från vilken ozonhålet mäts: faktiska ozonhålsvärden ligger i intervallet 150–100 DU.

Skillnaden mellan Arktis och Antarktis som Dobson noterade var i första hand en fråga om timing: under den arktiska våren steg ozonnivåerna jämnt och nådde sin topp i april, medan de i Antarktis höll sig ungefär konstant under tidig vår och steg abrupt i november när polarvirveln gick sönder.

Beteendet som ses i det antarktiska ozonhålet är helt annorlunda. Istället för att hålla sig konstant sjunker ozonnivåerna tidigt på våren plötsligt från sina redan låga vintervärden, med så mycket som 50 procent, och normala värden nås inte igen förrän i december.

Placering av hål

Vissa tyckte att ozonhålet borde ligga ovanför källorna till CFC. Men CFC är väl blandade globalt i troposfären och stratosfären . Orsaken till uppkomsten av ozonhålet ovanför Antarktis är inte för att det finns fler CFC koncentrerade utan för att de låga temperaturerna hjälper till att bilda polära stratosfäriska moln. Faktum är att det finns fynd av betydande och lokaliserade "ozonhål" ovanför andra delar av jorden, som ovanför Centralasien.

Världs ozondagen

1994 röstade FN:s generalförsamling för att utse den 16 september till den internationella dagen för bevarandet av ozonskiktet, eller "World Ozone Day". Utnämningen till minne av undertecknandet av Montrealprotokollet det datumet 1987.

Se även

• Klimatförändringar i Arktis
• Avsnitt 608

externa länkar

• "WMO/UNEP vetenskapliga bedömningar av ozonnedbrytning (senaste rapporten 2022)" . Chemical Sciences Laboratory, National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

Vidare läsning

• Andersen, SO och KM Sarma. (2002). Skydda ozonskiktet: Förenta nationernas historia, Earthscan Press. London.
•   Benedick, Richard Elliot; Världsnaturfonden (USA); Institutet för studier av diplomati. Georgetown University. (1998). Ozon Diplomacy: New Directions in Safeguarding the Planet (2nd ed.). Harvard University Press. ISBN 978-0-674-65003-9 . Hämtad 28 maj 2016 . (Ambassadör Benedick var USA:s chefsförhandlare vid mötena som resulterade i Montrealprotokollet.)
• Chasek, Pamela S., David L. Downie och Janet Welsh Brown (2013). Global Environmental Politics , 6:e upplagan, Boulder: Westview Press.
•   Gareau, Brian (2013). Från försiktighet till vinst: Samtida utmaningar för miljöskydd i Montrealprotokollet . Yale University Press. ISBN 978-0-300-17526-4 . Arkiverad från originalet 2013-03-30.
•   Grundmann, Reiner (2001). Transnationell miljöpolitik: Rekonstruktion av ozon . Psykologipress. ISBN 978-0-415-22423-9 . Hämtad 28 maj 2016 .
• Haas, P. (1992). Förbud mot klorfluorkolväten: epistemiska ansträngningar för att skydda stratosfäriskt ozon . International Organization, 46(1), 187–224.
• Parson, Edward (2004). Skydda ozonskiktet: vetenskap och strategi . Oxford: Oxford University Press.

externa länkar

• Ozonskikt vid Curlie
• NOAA/ESRL Ozonnedbrytning
• NOAA Ozon Depleting Gas Index
• MACC stratosfärisk ozontjänst levererar kartor, datauppsättningar och valideringsrapporter om ozonlagrets tidigare och nuvarande tillstånd.
• Green Cooling Initiative om alternativa naturliga kylmedelstekniker
• "Ozone Hole: How We Saved the Planet" hade premiär 10 april 2019 PBS