home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1994 March / Internet Info CD-ROM (Walnut Creek) (March 1994).iso / answers / sci / ozone-depletion / antarctic < prev    next >
Text File  |  1994-03-24  |  40KB  |  871 lines

  1. Newsgroups: sci.environment,sci.answers,news.answers
  2. Path: bloom-beacon.mit.edu!news.media.mit.edu!uhog.mit.edu!MathWorks.Com!zombie.ncsc.mil!paladin.american.edu!howland.reston.ans.net!agate!boulder!cnsnews!rintintin.Colorado.EDU!rparson
  3. From: rparson@rintintin.colorado.edu (Robert Parson)
  4. Subject: Ozone Depletion FAQ Part III: The Antarctic Ozone Hole
  5. Message-ID: <Cn7D5r.4ux@cnsnews.Colorado.EDU>
  6. Followup-To: sci.environment
  7. Summary: This is the third of four files dealing with stratospheric
  8.          ozone depletion. It describes the massive losses measured in
  9.          the Antarctic spring, and the smaller losses seen in the Arctic.
  10. Originator: rparson@rintintin.Colorado.EDU
  11. Keywords: ozone layer hole cfc stratosphere antarctic arctic ClO
  12. Sender: usenet@cnsnews.Colorado.EDU (Net News Administrator)
  13. Nntp-Posting-Host: rintintin.colorado.edu
  14. Reply-To: rparson@rintintin.colorado.edu
  15. Organization: University of Colorado, Boulder
  16. Date: Fri, 25 Mar 1994 04:15:27 GMT
  17. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  18. Lines: 850
  19. Xref: bloom-beacon.mit.edu sci.environment:18029 sci.answers:1010 news.answers:16822
  20.  
  21. Archive-name: ozone-depletion/antarctic
  22. Last-modified: 25 March 1994
  23. Version: 4.2
  24.  
  25.  
  26. These files are posted monthly, usually in the third week of the month.
  27. They may be obtained by anonymous ftp from rtfm.mit.edu (18.70.0.209)
  28. in the directory:
  29.  
  30.     /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion
  31.  
  32.  which contains the four files intro, stratcl, antarctic, and uv.
  33.  
  34.  They may also be obtained by sending the following message
  35.  to mail-server@rtfm.mit.edu:
  36.  
  37.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  38.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/stratcl
  39.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/antarctic
  40.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/uv
  41.  
  42.  Leave the subject line blank.
  43.  If you want to find out more about the mail server, send a
  44.  message to it containing the word "help".
  45.  
  46. ***********************************************************************
  47. * Copyright 1994 Robert Parson                                        *
  48. *                                                                     *
  49. * This file may be distributed, copied, and archived. All             *
  50. * copies must include this notice and the paragraph below entitled    *
  51. * "Caveat". Reproduction and distribution for personal profit is      *
  52. * not permitted. If this document is transmitted to other networks or *
  53. * stored on an electronic archive, I ask that you inform me. I also   *
  54. * request that you inform me before including any of this information *
  55. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  56. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  57. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  58. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  59. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  60. * to the original published source, not to this document.             *
  61. ***********************************************************************
  62.  
  63.  
  64.  This part deals specifically with springtime antarctic ozone
  65. depletion (and with the similar but smaller effects seen in the
  66. Arctic spring). More general questions about ozone and ozone
  67. depletion, including the definitions of many of the terms used
  68. here, are dealt with in parts I and II. Biological effects of the
  69. ozone hole are dealt with in part IV.
  70.  
  71.  
  72. | Caveat: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  73. | chemist at all - I am a physical chemist who talks to atmospheric
  74. | chemists. These files are an outgrowth of my own efforts to educate
  75. | myself over the past two years. I have discussed some of these
  76. | issues with specialists but I am solely responsible for everything
  77. | written here, including any errors. This document should not be
  78. | cited in publications off the net; rather, it should be used as a
  79. | pointer to the published literature.
  80.  
  81. *** Corrections and comments are welcomed.
  82.  
  83.  
  84. - Robert Parson
  85.   Associate Professor
  86.   Department of Chemistry and Biochemistry,
  87.   University of Colorado  (for which I do not speak)
  88.  
  89.   rparson@rintintin.colorado.edu 
  90.  
  91.  
  92. CONTENTS
  93.  
  94. 1.   What is the antarctic ozone hole?
  95.  
  96. 2.   How big is the hole, and is it getting bigger?
  97.  
  98. 3.   When did the hole first appear?
  99.  
  100. 4.   How far back do Antarctic ozone measurements go?
  101.  
  102. 5.   But I heard that Dobson saw an ozone hole in 1956-58...
  103.  
  104. 6.   Why is the hole in the antarctic?
  105.  
  106. 7.   What is the evidence for the present theory?
  107.  
  108. 8.   Will the ozone hole keep growing?
  109.  
  110. 9.   Why be concerned about an ozone hole over antarctica?
  111.      Nobody lives down there.
  112.  
  113. 10.  Is there an ozone hole in the arctic? if not, why not?
  114.  
  115. 11.  Can the hole be "plugged"?
  116.  
  117.  
  118. 1. What is the Antarctic ozone hole?
  119.  
  120.  For the past decade or so, ozone levels over Antarctica have fallen
  121. to abnormally low values between late August and late November. At
  122. the beginning of this period, ozone levels are already low, about
  123. 300 Dobson units (DU), but instead of slowly increasing as the
  124. light comes back in the spring, they drop to 150 DU and below. In
  125. the lower stratosphere, between 15 and 20 km, about 95% of the
  126. ozone is destroyed. Above 25 km the decreases are small and the net
  127. result is a thinning of the ozone layer by about 50%.  In the late
  128. spring ozone levels return to more normal values, as warm,
  129. ozone-rich air rushes in from lower latitudes. The precise duration
  130. varies considerably from year to year; in 1990 the hole lasted well
  131. into December. 
  132.  
  133.  In some of the popular newsmedia, as well as many books, the
  134. term "ozone hole" is being used far too loosely.  It seems that
  135. any episode of ozone depletion, no matter how minor, now gets
  136. called an ozone hole (e.g. 'ozone hole over Hamburg - but only for
  137. one day'). This sloppy language trivializes the problem and blurs
  138. the important scientific distinction between the massive ozone
  139. losses in polar regions and the much smaller, but nonetheless
  140. significant, ozone losses in middle latitudes. It is akin to 
  141. using "gridlock" to describe a routine traffic jam.
  142.  
  143.  
  144. 2. How big is the hole, and is it getting bigger?
  145.  
  146.  During the years 1978-1987 the hole grew, both in depth (total ozone
  147. loss in a column) and in area. This growth was not monotonic but
  148. seemed to oscillate with a two-year period (perhaps connected with
  149. the "quasibiennial oscillation" of the stratospheric winds.) The
  150. hole shrank dramatically in 1988 but in 1989-1991 was as large as in
  151. 1987, and in 1992-93 was larger still. In 1987 and 1989-93 it 
  152. covered the entire Antarctic continent and
  153. part of the surrounding ocean. The exact size is determined
  154. primarily by meteorological conditions, such as the strength of
  155. the polar vortex in any given year. The boundary is fairly steep,
  156. with decreases of 100-150 DU taking place in 10 degrees of
  157. latitude, but fluctuates from day to day. On occasion, the
  158. nominal boundary of the hole has passed over the tip of S. America,
  159. (55 degrees S. Latitude). Australia and New Zealand are far outside 
  160. the hole, although they do experience ozone depletion, more than 
  161. is seen at comparable latitudes in the Northern hemisphere.  After 
  162. the 1987 hole broke up, December ozone levels over Australia and 
  163. New Zealand were 10% below normal. 
  164. [WMO 1991] [Atkinson et al.] [Roy et al.]. 
  165.  
  166.  
  167. 3. When did the hole first appear?
  168.  
  169.  It was first observed by ground-based measurements from Halley Bay
  170. on the Antarctic coast, during the years 1980-84. [Farman, Gardiner
  171. and Shanklin.] At about the same time, ozone decreases were seen at
  172. the Japanese antarctic station of Syowa; these were less dramatic than
  173. those seen at Halley (Syowa is about 1000 km further north) and did not
  174. receive as much attention.  It has since been confirmed
  175. by satellite measurements as well as ground-based measurements 
  176. elsewhere on the continent, on islands in the Antarctic ocean, and at 
  177. Ushaia, at the tip of Patagonia. With hindsight, one can see the hole
  178. beginning to appear in the data around 1976, but it grew much more
  179. rapidly in the 1980's. [Stolarski et al. 1992]
  180.  
  181.  
  182. 4. How far back do antarctic ozone measurements go?
  183.  
  184.  Ground-based measurements began in 1956, at Halley Bay. A few years
  185. later these were supplemented by measurements at the South Pole and
  186.  continent.  Satellite measurements began in the
  187. early 70's, but the first really comprehensive satellite data came
  188. in 1978, with the TOMS (total ozone mapping spectrometer) and SBUV
  189. (solar backscatter UV) instruments on Nimbus-7.  The TOMS, which
  190. finally broke down on May 7 1993, is the source for most of the
  191. pretty pictures that one sees in review articles and the
  192. popular press. Today there are several satellites monitoring ozone
  193. and other atmospheric gases; the Russian Meteor-3 carries a new
  194. TOMS, while instrument on NASA's UARS (Upper Atmosphere Research
  195. Satellite) simultaneously measure ozone, chlorine monoxide (ClO), 
  196. and stratospheric pressure and temperature.
  197.  
  198.  
  199. 5. But I heard that Dobson saw an ozone hole in 1956-58...
  200.  
  201.  This is a myth, arising from a misinterpretation of an out-of-
  202. context quotation from Dobson's paper. A glance at the original 
  203. suffices to refute it.
  204. In his historical account [Dobson], Dobson mentioned that
  205. when springtime ozone levels over Halley Bay were first measured,
  206. he was surprised to find that they were about 150 DU below
  207. corresponding levels (displaced by six months) in the Arctic.
  208. Springtime arctic ozone levels are very high, ~450 DU; in the
  209. Antarctic spring, however, Dobson's coworkers found ~320 DU, close
  210. to winter levels. This was the first observation of the _normal_,
  211. pre-1980 behavior of the Antarctic ozone layer: because of the
  212. tight polar vortex (see below) ozone levels remain low until late
  213. spring. In the Antarctic ozone hole, on the other hand, ozone
  214. levels _decrease_ from these already low values. What Dobson
  215. describes is essentially the _baseline_ from which the ozone hole
  216. is measured. [Dobson] [WMO 1989]
  217.  
  218.  For those interested, here is how springtime antarctic
  219.  ozone has developed from 1956 to 1991:
  220.  
  221. -------------------------------------------------------------
  222.    Halley Bay Antarctic Ozone Data
  223.  
  224.    Mean October ozone column thickness, Dobson Units 
  225.    
  226.    From J. D. Shanklin, personal communication, 1993. 
  227.    See also [Dobson], [Farman et al.], [Hamill and Toon],
  228.    [Solomon], and [WMO 1991], p. 4.6
  229.  
  230.     1956      321                    1975      308
  231.     1957      330                    1976      283
  232.     1958      314                    1977      251   
  233.     1959      311                    1978      284
  234.     1960      301                    1979      261
  235.     1961      317                    1980      227
  236.     1962      332                    1981      237  
  237.     1963      309                    1982      234
  238.     1964      318                    1983      210
  239.     1965      281                    1984      201
  240.     1966      316                    1985      196
  241.     1967      323                    1986      248
  242.     1968      301                    1987      163
  243.     1969      282                    1988      232 
  244.     1970      282                    1989      164
  245.     1971      299                    1990      179
  246.     1972      304                    1991      155
  247.     1973      289                    1992      142
  248.     1974      274                    1993      117   
  249.  
  250.  
  251. 6. Why is the hole in the Antarctic?
  252.  
  253.  This was a mystery when the hole was first observed, but 
  254. it is now well understood. I shall limit myself to a 
  255. brief survey of the present theory, and refer the reader to two
  256. excellent nontechnical articles [Toon and Turco] [Hamill and Toon]
  257. for a more comprehensive discussion. Briefly, the unusual 
  258. physics and chemistry of the Antarctic stratosphere allows the 
  259. inactive chlorine "reservoir" compounds to be converted into ozone-
  260. destroying chlorine radicals. While there is no more chlorine over
  261. antarctica than anywhere else, in the antarctic spring most of
  262. the chlorine is in a form that can destroy ozone. 
  263.  
  264. The story takes place in six acts, some of them occurring
  265. simultaneously on parallel stages:
  266.  
  267. i. The Polar Vortex
  268.  
  269.  As the air in the antarctic stratosphere cools and descends during
  270. the winter, the Coriolis effect sets up a strong westerly
  271. circulation around the pole. When the sun returns in the spring the
  272. winds weaken, but the vortex remains stable until November. The air
  273. over antarctica is largely isolated from the rest of the
  274. atmosphere, forming a gigantic reaction vessel. The vortex is not
  275. circular, it has an oblong shape with the long axis extending out
  276. over Patagonia. 
  277.  
  278. (For further information about the dynamics of the polar vortex see
  279. [Schoeberl and Hartmann], [Tuck 1989], [AASE], [Randel], [Plumb],
  280. and [Waugh]). There is currently some controversy over just how isolated
  281. the air in the vortex is. According to Tuck, the vortex is better 
  282. thought of as a flow reactor than as a containment vessel; ozone-rich 
  283. air enters the vortex from above while ozone-poor and ClO-rich air is 
  284. stripped off the sides. Recent tracer measurements lend some support 
  285. to this view, but the issue is unresolved. See [Randel] and [Plumb].)
  286.  
  287. ii. Polar Stratospheric Clouds ("PSC")
  288.  
  289.  The Polar vortex is extremely cold; temperatures in the lower
  290. stratosphere drop below -80 C. Under these conditions large numbers
  291. of clouds appear in the stratosphere. These clouds are composed
  292. largely of nitric acid and water, probably in the form of crystals
  293. of nitric acid trihydrate ("NAT"), HNO3.3(H2O). Stratospheric
  294. clouds also form from ordinary water ice (so-called "Type II PSC"),
  295. but these are much less common; the stratosphere is very dry and
  296. water-ice clouds only form at the lowest temperatures.
  297.  
  298. iii. Reactions Catalyzed by Stratospheric Clouds
  299.  
  300.  Most of the chlorine in the stratosphere ends up in one of the
  301. reservoir compounds, Chlorine Nitrate (ClONO2) or Hydrogen Chloride
  302. (HCl). Laboratory experiments have shown, however, that these
  303. compounds, ordinarily inert in the stratosphere, do react on the
  304. surfaces of polar stratospheric cloud particles. HCl dissolves into
  305. the particles as they grow, and when a ClONO2 molecule becomes
  306. adsorbed the following reactions take place:
  307.  
  308.  ClONO2 + HCl -> Cl2 + HNO3
  309.  
  310.  ClONO2 + H2O -> HOCl + HNO3
  311.  
  312. The Nitric acid, HNO3, stays in the cloud particle.
  313.  
  314. In addition, stratospheric clouds catalyze the removal of Nitrogen
  315. Oxides ("NOx"), through the reactions:
  316.  
  317.  N2O5 + H2O -> 2 HNO3
  318.  
  319.  N2O5 + HCl -> ClNO2 + HNO3
  320.  
  321. Since N2O5 is in (gas-phase) equilibrium  with NO2:
  322.  
  323.  2 N2O5 <-> 4 NO2 + O2
  324.  
  325. this has the effect of removing NO2 from the gas phase and
  326. sequestering it in the clouds in the form of nitric acid, a process
  327. called "denoxification" (removal of "NOx").
  328.  
  329. iv. Sedimentation and Denitrification 
  330.  
  331.  The clouds may eventually grow big enough so that they settle out
  332. of the stratosphere, carrying the nitric acid with them
  333. ("denitrification"). Denitrification enhances denoxification.
  334. If, on the other hand, the cloud decomposes while in the
  335. stratosphere, nitrogen oxides are returned to the gas phase.
  336. Presumably this should be called "renoxification", but
  337. I have not heard anyone use this term :-).
  338.  
  339. v. Photolysis of active chlorine compounds
  340.  
  341.  The Cl2 and HOCl produced by the heterogeneous reactions are
  342. easily photolyzed, even in the antarctic winter when there is
  343. little UV present. The sun is always very low in the polar winter,
  344. so the light takes a long path through the atmosphere and the
  345. short-wave UV is selectively absorbed.  Molecular chlorine,
  346. however, absorbs _visible_  and near-UV light:
  347.  
  348.      Cl2 + hv -> 2 Cl
  349.  
  350.      Cl + O3 -> ClO + O2
  351.  
  352. The effect is to produce large amounts of ClO. This ClO would
  353. ordinarily be captured by NO2 and returned to the ClONO2 reservoir,
  354. but "denoxification" and "denitrification" prevent this by removing
  355. NO2.
  356.  
  357. vi. The chlorine peroxide mechanism
  358.  
  359.  As discussed in Part I, Cl and ClO can form a catalytic cycle that
  360. efficiently destroys ozone. This cycle uses free oxygen atoms, 
  361. however, which are only abundant in the upper stratosphere, whereas
  362. the ozone hole forms in the lower stratosphere. Instead, the
  363. principal mechanism involves chlorine peroxide, ClOOCl (often
  364. referred to as the "ClO dimer"):
  365.  
  366.      ClO + ClO -> ClOOCl
  367.      ClOOCl + hv -> Cl + ClO2
  368.      ClO2 -> Cl + O2
  369.      2 Cl + 2 O3 -> 2 ClO + 2 O2
  370.     -------------------------------
  371.     Net: 2 O3 -> 3 O2
  372.  
  373.  At polar stratospheric temperatures this sequence is extremely fast
  374. and in process. The second step,
  375. photolysis of chlorine peroxide, requires UV light which only
  376. becomes abundant in the lower stratosphere in the spring. Thus one
  377. has a long buildup of ClO and ClOOCl during the winter, followed by
  378. massive ozone destruction in the spring. This mechanism is believed
  379. to be responsible for about 70% of the antarctic ozone loss.
  380.  
  381. Another mechanism that has been identified involves chlorine and
  382. bromine:
  383.  
  384.      ClO + BrO -> Br + Cl + O2
  385.      Br + O3 -> BrO + O2
  386.      Cl + O3 -> ClO + O2
  387.      -----------------------
  388.     Net: 2 O3 -> 3 O2
  389.  
  390.  This is believed to be responsible for ~25% of the antarctic
  391. ozone depletion. Additional mechanisms have been suggested, but
  392. they seem to be less important. [WMO 1991]
  393.  
  394. (For further information on the "perturbed chemistry" of the
  395. antarctic stratosphere, see [Solomon], [McElroy and Salawich],
  396. and [WMO 1989, 1991]).
  397.  
  398.  
  399. 7. What is the evidence for the present theory?
  400.  
  401. The evidence is overwhelming - the results from a single 1987 
  402. expedition (albeit a crucial one) fill two entire issues of the
  403. Journal of Geophysical Research. What follows is a very sketchy
  404. summary; for more information the reader is directed to [Solomon]
  405. and to [Anderson et al.].
  406.  
  407.  The theory described above (which is often called the
  408. "PSC theory") was developed during the years 1985-87. At the same
  409. time, others proposed completely different mechanisms, making no
  410. use of chlorine chemistry. The two most prominent alternative
  411. explanations were one that postulated large increases in nitrogen
  412. oxides arising from enhanced solar activity, and one that
  413. postulated an upwelling of ozone-poor air from the troposphere into
  414. the cold stratospheric vortex.  Each hypothesis made definite
  415. predictions, and a program of measurements was carried out to test
  416. these. The solar activity hypothesis predicted enhanced NOx, whereas 
  417. the measurements show unusually _low_ NOx ("denoxification), in 
  418. accordance with the PSC hypothesis.  The "upwelling" hypothesis
  419. predicted upward air motion in the lower stratosphere, which is
  420. inconsistent with measurements of atmospheric tracers such as
  421. N2O which show that the motion is primarily downwards.
  422.  
  423.  Positive evidence for the PSC theory comes from ground-based and 
  424. airborne observations of the various chlorine-containing compounds. 
  425. These show that the reservoir species HCl and ClONO2 are extensively 
  426. depleted in the antarctic winter and spring, while the concentration 
  427. of the active, ozone-depleting species ClO is strongly enhanced. 
  428. Measurements also show enormously enhanced concentrations of the 
  429. molecule OClO. This is formed by a side-reaction in the BrO/ClO 
  430. mechanism described above.
  431.  
  432.  Further evidence comes from laboratory studies. The gas-phase
  433. reactions have been reproduced in the laboratory, and shown to
  434. proceed at the rates required in order for them to be important in
  435. the polar stratosphere. [Molina et al. 1990] [Sander et al.] 
  436. [Trolier et al.] [Anderson et al.]. The production of active
  437. chlorine from reservoir chlorine on ice and sulfuric acid surfaces
  438. has also been demonstrated in the laboratory [Tolbert et al.
  439. 1987,1988] [Molina et al. 1987]. (Recently evidence for these
  440. reactions has been found in the arctic stratosphere as well: air
  441. parcels that had passed through regions where the temperature 
  442. was low enough to form PSC's were found to have anomalously 
  443. low concentrations of HCl and anomalously high concentrations 
  444. of ClO [AASE].)
  445.  
  446.  The "smoking gun", however, is usually considered to be the
  447. simultaneous in-situ measurements of a variety of trace gases from 
  448. an ER-2 stratospheric aircraft (a converted U2 spy plane) in 
  449. August-October 1987. [Tuck et al.] These measurements demonstrated a 
  450. striking "anticorrelation" between local ozone concentrations and ClO 
  451. concentrations. Upon entering the "hole", ClO concentrations 
  452. suddenly jump by a factor of 20 or more, while ozone concentrations 
  453. drop by more than 50%. Even the local fluctuations in the 
  454. concentrations of the two species are anticorrelated. [Anderson et al.] 
  455.  
  456.  In summary, the PSC theory explains the following observations:
  457.  
  458. 1. The ozone hole occupies the region of the polar vortex where
  459.    temperatures are below -80 C and where polar stratospheric clouds
  460.    are abundant. 
  461.  
  462. 2. The ozone hole is confined to the lower stratosphere.
  463.  
  464. 3. The ozone hole appears when sunlight illuminates the vortex, and
  465.    disappears soon after temperatures rise past -80 C, destroying PSC's.
  466.  
  467. 4. The hole is associated with extremely low concentrations of NOx.
  468.  
  469. 5. The hole is associated with very low concentrations of the chlorine
  470.    "reservoirs", HCl and ClONO2, and very high concentrations of active
  471.    chlorine compounds, ClO, and byproducts such as OClO.
  472.  
  473. 6. Inside the hole, the concentrations of ClO and ozone are precisely
  474.     anticorrelated, high ClO being accompanied by low ozone.
  475.  
  476. 7. Laboratory experiments demonstrate that chlorine reservoir compounds
  477.    do react to give active chlorine on the surfaces of ice particles.
  478.  
  479. 8. Airborne measurements in the arctic stratosphere show that air 
  480.    which has passed through regions containing PSC's is low in 
  481.    reservoir chlorine and high in active chlorine.
  482.  
  483. The antarctic ozone hole, once a complete mystery, is now 
  484. one of the best understood aspects of the entire subject; it is 
  485. much better understood than the small but steadily growing ozone
  486. depletion at mid latitudes, for example.
  487.  
  488.  
  489. 8. Will the ozone hole keep growing?
  490.  
  491.  To answer this, we need to consider separately the lateral
  492. dimensions (the "area" of the hole), the vertical dimension (its
  493. "depth") and the temporal dimension (how long the hole lasts.)
  494.  
  495. a.) Lateral Extent
  496.  
  497.  Let us define the "hole" to be the
  498. region where the total ozone column is less than 200 DU,
  499. i.e. where total ozone has fallen to less than 2/3 of normal
  500. springtime antarctic values. Defined thus, the hole is always
  501. confined to the south polar vortex, south of ~55 degrees. At
  502. present it does not fill the whole vortex, only the central core
  503. where stratospheric temperatures are less than ~-80 C. Typically
  504. this region is south of ~65 degrees, although there is a great deal
  505. of variation - in some years the center of the vortex is displaced
  506. well away from the pole, and the nominal boundary of the hole has
  507. on a few occasions passed over the tip of Chile. As stratospheric
  508. chlorine continues to rise, the hole might "fill out" the vortex;
  509. this could as much as double its area. [Schoeberl and Hartmann]. So
  510. far this does not seem to be happening. The 1992 hole was 15-25%
  511. larger than previous years, and the 1993 hole appears to be almost
  512. as large. This increase is probably due to the
  513. stratospheric sulfate aerosols from the July 1991 eruption of Mt.
  514. Pinatubo, which behave in some respects like polar stratospheric
  515. clouds. [Solomon et al. 1993] These aerosols settle out of the
  516. stratosphere after 2-3 years, so the increases seen in 1992 are
  517. expected to be temporary. In any case, it cannot grow beyond 
  518. ~55 degrees without a major change in the antarctic wind patterns
  519. that  would allow the vortex to grow. Such a change could
  520. conceivably accompany global warming: the greenhouse effect warms
  521. the earth's surface, but _cools_ the stratosphere. There is no
  522. reason to expect the hole to expand out over Australia, S. Africa,
  523. etc., although these regions could experience further ozone
  524. depletion after the hole breaks up and the ozone-poor air drifts
  525. north.
  526.  
  527. b. Vertical Depth
  528.  
  529.  The hole is confined to the lower stratosphere, where the 
  530. clouds are abundant. In this region the ozone is essentially
  531. gone. The upper stratosphere is much less affected, however, so
  532. that overall column depletion comes to ~50%. As stratospheric
  533. chlorine concentrations continue to increase over the next 10
  534. years or so, some penetration to higher altitudes may take place,
  535. but large increases in depth are not expected.  (Once again,
  536. aerosols from Mt. Pinatubo have allowed the 1992 and 1993 holes
  537. to extend over a larger altitude range than usual, both higher 
  538. and lower, but this is probably a temporary effect.)
  539.  
  540. c. Duration of the hole
  541.  
  542.  Here we might see major effects. The hole is destroyed in late
  543. d warm, ozone-rich
  544. air rushes in. If the stratosphere cools, the vortex becomes more
  545. stable and lasts longer. As mentioned above, the greenhouse effect
  546. actually cools the stratosphere. There is a more direct cooling
  547. mechanism, however - remember that the absorption of solar UV by
  548. ozone is the major source of heat in the stratosphere, and is the
  549. reason that the temperature of the stratosphere increases with
  550. altitude. Depletion of the ozone layer therefore cools the
  551. stratosphere, and in this sense the hole is self-stabilizing. In
  552. future years we might see more long-lived holes like that in 1990,
  553. which survived into early December.
  554.  
  555.  (The relationship between ozone depletion and climate change is
  556.  complicated, and best dealt with in a separate FAQ, preferably 
  557.  written by someone other than myself :-) )
  558.  
  559.  
  560. 9. Why be concerned about an ozone hole over antarctica?
  561.    Nobody lives down there.
  562.  
  563.  First of all, even though the ozone hole is confined to the
  564. antarctic, its effects are not. After the hole breaks up in the
  565. spring, ozone-poor air drifts north and mixes with the air there,
  566. resulting in a transient decrease at middle and high latitudes.
  567. This has been seen as far north as Australia [WMO 1991][Roy et al.]
  568. [Atkinson et al.] On a time scale of months short-wave UV
  569. regenerates the ozone, but it is believed that this "dilution" may
  570. be a major cause of the much smaller _global_ ozone depletion, ~3%
  571. per decade, that has been observed. Moreover, the air from the
  572. ozone hole is also rich in ClO and can destroy more ozone as it
  573. mixes with ozone-rich air. Even during the spring, the air in 
  574. the vortex is not _completely_ isolated, although there is some
  575. controversy over the extent to which the ozone hole acts as
  576. a "chemical processor" for the earth's atmosphere.
  577. ([Tuck 1989] [Schoeberl and Hartmann] [AASE] [Randel] [Waugh].)
  578.  
  579.  From a broader standpoint, the ozone hole is a distant early
  580. warning message. Because of its unusual meteorological properties
  581. the antarctic stratosphere is especially sensitive to chemical
  582. perturbations; the natural mechanisms by which chlorine is
  583. sequestered in reservoirs fail when total stratospheric chlorine
  584. reaches about 2 parts per billion. This suggests that allowing
  585. CFC emissions to increase by 3% per year, as was occurring during
  586. the 1980's, is unwise, to say the least. The emission reduction 
  587. schedules negotiated under the Montreal Protocol (as revised in
  588. 1990 and 1992) lead to a projected maximum of ~4 ppb total strat.
  589. chlorine in the first decade of the 21st century, followed by a
  590. gradual decrease. Letting emissions increase at 3%/year would have
  591. led to >16 ppb total stratospheric chlorine by 2040, and even a
  592. freeze at 1980 rates would have led to >10 ppb. [Prather et al.].
  593.  
  594.  
  595. 10. Is there an ozone hole in the arctic? if not, why not?
  596.  
  597.  There is no _massive_ ozone loss in the arctic, although there _is_
  598. unusually large springtime ozone depletion, so the word "hole" is
  599. not appropriate. I like the expression "arctic ozone dimple" but
  600. this is not canonical :-). The arctic polar vortex is much weaker
  601. than the antarctic, arctic temperatures are several degrees higher,
  602. and polar stratospheric clouds are much less common (and they tend
  603. to break up earlier in the spring.) Thus even though wintertime ClO
  604. gets very high, as high as antarctic ClO in 1991-2, it does not
  605. remain high through the spring, when it counts. [AASE] (Recent UARS
  606. measurements, however, indicate that in 1993 arctic stratosphere
  607. temperatures stayed low enough to retain PSC's until late February,
  608. and ClO remained high into March. Large ozone depletions, ~10-20%,
  609. have now (spring 1993) been reported for high latitudes in the
  610. Northern Hemisphere; these still do not qualify as an "ozone hole"
  611. but they do seem to indicate that the same physics and chemistry
  612. are operating, albeit with much less efficiency. [Waters et al.]
  613. [Gleason et al.])
  614.  
  615.  If "global warming" does indeed take place during the first
  616. few decades of the next century, we may see a dramatic change in
  617. arctic ozone. The greenhouse effect warms the surface of the
  618. earth, but at the same time _cools_ the stratosphere. Since there
  619. is much less air in the stratosphere,  2-3 degrees of surface
  620. warming corresponds to a much larger decrease in stratospheric
  621. temperatures, as much as 10 degrees. This could lead to a true
  622. ozone hole in the arctic, although it would still probably be
  623. smaller and weaker than the antarctic hole. [Austin et al.]
  624.  
  625. The 27 August issue of _Science_ magazine contains 8 papers devoted
  626. to arctic ozone depletion in the winter of 1991-92. [AASE]
  627.  
  628.  
  629. 11. Can the hole be "plugged"?
  630.  
  631. The present ozone hole, while serious, is not in itself 
  632. catastrophic. UV radiation is always low in polar regions since the
  633. sun takes a long path through the atmosphere and hence through the
  634. ozone layer. There may be serious consequences for marine life in
  635. the antarctic ocean, which is adapted to the normally low UV
  636. levels. When the hole breaks up in summer, there may be temporary
  637. increases in UV-b at high latitudes of the southern hemisphere as
  638. air that is poor in ozone and rich in "active", ozone-destroying
  639. forms of chlorine mixes with the air outside. 
  640.  
  641.  Nevertheless it looks like we are stuck with the hole for the
  642. next 50 years at least, and we don't know what new surprises the
  643. atmosphere has in store for us. Thus, some atmospheric scientists
  644. have been exploring the possibility of "fixing" the hole by
  645. technological means. All such schemes proposed so far are highly
  646. controversial, and there are no plans to carry any of them out
  647. until the chemistry and dynamics of the stratosphere are much
  648. better understood than they are at present. 
  649.  
  650.  It should be made clear at the beginning that there is no
  651. point in trying to replace the ozone directly. The amounts are far
  652. too large to be transported to the stratosphere, and the antarctic
  653. mechanisms are so fiendishly efficient that they will easily
  654. destroy added ozone (recall that where the catalytic cycles
  655. operate, ~95% of the ozone is gone, in spite of the fact that the
  656. sun is generating it all the time.) It is far better to try to
  657. remove the halogen catalysts.  One suggestion made a few years ago
  658. was to release sodium metal into the stratosphere, in hopes that it
  659. would form sodium chloride crystals which would settle out. The
  660. problem is that the microcrystals remain suspended as long as they
  661. are small, and can play the same role as clouds and aerosols in
  662. converting reservoir chlorine to active chlorine. 
  663.  
  664.  A second suggestion is to destroy the CFC's while they are
  665. still in the troposphere, by photolyzing them with high-powered
  666. infrared lasers installed on mountainsides. (CFC's and similar
  667. molecules can absorb as many as 30 infrared photons
  668. from a single laser pulse, a phenomonon known as infrared
  669. multiphoton dissociation). The chlorine atoms released would
  670. quickly be converted to HCl and rained out. The power requirements
  671. of such a project are daunting, however, and it appears that much
  672. of the laser radiation would be shifted out of the desired
  673. frequency range by stimulated raman scattering. [Stix]
  674.  
  675.  A more serious possibility is being explored by one of the
  676. discoverers of chlorine-catalyzed ozone depletion, Ralph Cicerone,
  677. together with Scott Elliot and Richard Turco [Cicerone et al.
  678. 1991,1992]. They considered the effects of dumping ~50,000 tons of
  679. ethane or propane, several hundred planeloads, into the antarctic
  680. stratosphere every spring. The hydrocarbons would react rapidly
  681. with the Cl-containing radicals to give back the reservoir HCl. The
  682. hydrocarbons themselves are fairly reactive and would decompose by
  683. the end of a year, so the treatment would have to be repeated
  684. annually. The chlorine would not actually be removed from the
  685. stratosphere, but it would be bound up in an inert form - in other
  686. words, the catalyst would be "poisoned". There are
  687. no plans to carry this or any other scheme out in the near future;
  688. to quote from Cicerone et al. (1991), "Before any actual injection
  689. experiment is undertaken there are many scientific, technical,
  690. legal and ethical questions to be faced, not the least of which is
  691. the issue of unintended side effects."
  692.  
  693.  
  694. REFERII
  695.  
  696. A remark on references: they are neither representative nor
  697. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  698. problems. For the most part I have limited myself to papers that
  699. are (1) widely available (if possible, _Science_ or _Nature_ rather
  700. than archival sources such as _J. Geophys. Res._) and (2) directly
  701. related to the "frequently asked questions". This gives very short
  702. shrift to much important work; for example, I say very little about
  703. stratospheric NOx, even though a detailed accounting of chemistry
  704. and transport of the nitrogen oxides is one of the major goals
  705. of current research. Readers who want to see "who did what" should
  706. consult the review articles listed below, or, if they can get them,
  707. the extensively documented WMO reports.
  708.  
  709.  
  710. Introductory Reading:
  711.  
  712. [Graedel and Crutzen] T. Graedel and P. Crutzen, _Atmospheric
  713.  Change: an Earth System Perspective_, Freeman, 1993.
  714.  
  715. [Hamill and Toon] P. Hamill and O. Toon, "Polar stratospheric
  716. clouds and the ozone hole", _Physics Today_ December 1991.
  717.  
  718. [Stolarski] Richard Stolarski, "The Antarctic Ozone Hole", _Sci.
  719. American_ 1 Jan. 1988. (this article is now seriously out of date,
  720. but it is still a good place to start).
  721.  
  722. [Toon and Turco] O. Toon and R. Turco, "Polar Stratospheric Clouds
  723. and Ozone Depletion", _Sci. Am._ June 1991
  724.  
  725. [Zurer] P. S. Zurer, "Ozone Depletion's Recurring Surprises
  726. Challenge Atmospheric Scientists", _Chemical and Engineering News_,
  727. 24 May 1993, pp. 9-18.
  728.  
  729. -----------------------------------------
  730. Books and Review Articles:
  731.  
  732. [Anderson, Toohey and Brune] J.G. Anderson, D. W. Toohey, and W. H.
  733. Brune,  "Free Radicals within the Antarctic vortex: the role of
  734. CFC's in Antarctic Ozone Loss", _Science_ _251_, 39 (4 Jan. 1991).
  735.  
  736. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich, "Changing
  737. Composition of the Global Stratosphere", _Science_ _243, 763, 1989.
  738.  
  739. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative
  740. understanding of Antarctic ozone depletion", 
  741. _Nature_ _347_, 347, 1990.
  742.  
  743. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 2nd.  Ed., 
  744. Oxford, 1991, Ch. 4.
  745.  
  746. [WMO 1989] World Meteorological Organization Global Ozone Research
  747. and Monitoring Project - Report #20, "Scientific Assessment of
  748. Stratospheric Ozone: 1989".
  749.  
  750. [WMO 1991] World Meteorological Organization Global Ozone Research
  751. and Monitoring Project - Report #25, "Scientific Assessment of
  752. Ozone Depletion: 1991".
  753.  
  754. -------------------------
  755. More Specialized:
  756.  
  757. [AASE] Papers resulting from the Second Airborne Arctic Stratosphere 
  758.  Expedition, published in _Science_ _261_, 1128-1157, 27 Aug. 1993.
  759.  
  760. [Atkinson et al.] R. J. Atkinson, W. A. Matthews, P. A. Newman,
  761.  and R. A. Plumb, "Evidence of the mid-latitude impact of Antarctic
  762.  ozone depletion", _Nature_ _340_, 290, 1989. 
  763.  
  764. [Austin et al.] J. Austin, N. Butchart, and K. P. Shine,
  765. "Possibility of an Arctic ozone hole in a doubled-CO2 climate",
  766. _Nature_ _360_, 221, 1992.
  767.  
  768. [Cicerone et al. 1991] R. Cicerone, S. Elliot, and R. Turco,
  769. "Reduced Antarctic Ozone Depletions in a Model with Hydrocarbon
  770. Injections", _Science_ _254_, 1191, 1991.
  771.  
  772. [Cicerone et al. 1992] R. Cicerone, S. Elliot, and R. Turco,
  773. "Global Environmental Engineering", _Nature_ _356_, 472, 1992.
  774.  
  775. [Dobson] G. M. B. Dobson, "Forty Years' research on atmospheric
  776. ozone at Oxford", _Applied Optics_, _7_, 387, 1968.
  777.  
  778. [Farman et al.] J. C. Farman, B. G. Gardiner, and J. D. Shanklin,
  779. "Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOx/NOx
  780. interaction", _Nature_ _315_, 207, 1985.
  781.  
  782. [Frederick and Alberts] J. Frederick and A. Alberts, "Prolonged
  783.  enhancement in surface ultraviolet radiation during the Antarctic
  784.  spring of 1990", _Geophys. Res. Lett._ _18_, 1869, 1991.
  785.  
  786. [Gleason et al.] J. Gleason, P. Bhatia, J. Herman, R. McPeters, P.
  787. Newman, R. Stolarski, L. Flynn, G. Labow, D. Larko, C. Seftor, C.
  788. Wellemeyer, W. Komhyr, A. Miller, and W. Planet, "Record Low Global
  789. Ozone in 1992", _Science_ _260_, 523, 1993.
  790.  
  791. [Molina et al. 1987] M. J. Molina, T.-L. Tso, L. T. Molina, and
  792. F.C.-Y. Yang, "Antarctic stratospheric chemistry of chlorine
  793. nitrate, hydrogen chloride, and ice: Release of active chlorine",
  794. _Science_ _238_, 1253, 1987.
  795.  
  796. [Molina et al. 1990] M. Molina, A. Colussi, L. Molina, R.
  797. Schindler, and T.-L. Tso, "Quantum yield of chlorine atom formation
  798. in the photodissociation of chlorine peroxide (ClOOCl) at 308 nm",
  799. _Chem. Phys. Lett._ _173_, 310, 1990.
  800.  
  801. [Plumb] A. Plumb, "Mixing and Matching", 
  802. _Nature_ _365_, 489-90, 1993. (News and Views)
  803.  
  804. [Prather et al.] M.J. Prather, M.B. McElroy, and S.C. Wofsy, 
  805. "Reductions in ozone at high concentrations of stratospheric
  806.  halogens", _Nature_ _312_, 227, 1984.
  807.  
  808. [Randel] W. Randel, "Ideas flow on Antarctic vortex", 
  809. _Nature_ _364_, 105, 1993 (News and Views)
  810.  
  811. [Roy et al.] C. Roy, H. Gies, and G. Elliott, "Ozone Depletion",
  812.  _Nature_ _347_, 235, 1990. (Scientific Correspondence)
  813.  
  814. [Sander et al.] S.P. Sander, R.J. Friedl, and Y.K. Yung, "Role of
  815. the ClO dimer in polar stratospheric chemistry: rate of formation
  816. and implications for ozone loss", _Science_ _245_, 1095, 1989.
  817.  
  818. [Schoeberl and Hartmann] M. Schoeberl and D. Hartmann, "The
  819. dynamics of the stratospheric polar vortex and its relation to
  820. springtime ozone depletions", _Science_ _251_, 46, 1991.
  821.  
  822. [Solomon et al. 1993] S. Solomon, R. Sanders, R. Garcia, and J.
  823. Keys, "Increased chlorine dioxide over Antarctica caused by
  824. volcanic aerosols from Mt. Pinatubo", _Nature_ _363_, 245, 1993.
  825.  
  826. [Stix] T. H. Stix, "Removal of Chlorofluorocarbons from the 
  827.  earth's atmosphere", _J. Appl. Physics_ _60_, 5622, 1989.
  828.  
  829. [Stolarski et al. 1992]  R. Stolarski, R. Bojkov, L. Bishop, C.
  830. Zerefos, J. Staehelin, and J. Zawodny, "Measured Trends in
  831. Stratospheric Ozone",  Science _256_, 342 (17 April 1992)
  832.  
  833. [Tolbert et al. 1987] M.A. Tolbert, M.J. Rossi, R. Malhotra, and
  834. D.M. Golden, "Reaction of chlorine nitrate with hydrogen chloride
  835. and water at Antarctic stratospheric temperatures", _Science_
  836. _238_, 1258, 1987.
  837.  
  838. [Tolbert et al. 1988] M.A. Tolbert, M.J. Rossi, and D.M. Golden,
  839. "Antarctic ozone depletion chemistry: reactions of N2O5 with H2O
  840. and HCl on ice surfaces", _Science_ _240_, 1018, 1988.
  841.  
  842. [Trolier et al.] M. Trolier, R.L. Mauldin III, and A. Ravishankara,
  843. "Rate coefficient for the termolecular channel of the self-reaction
  844. of ClO", _J. Phys. Chem._ _94_, 4896, 1990. 
  845.  
  846. [Tuck 1989] A. F. Tuck, "Synoptic and Chemical Evolution of the 
  847. Antarctic Vortex in late winter and early spring, 1987: An ozone
  848. processor", J. Geophys. Res. _94_, 11687, 1989.
  849.  
  850. [Tuck et al.] A. F. Tuck, R. T. Watson, E. P. Condon, and J. J.
  851. Margitan, "The planning and execution of ER-2 and DC-8 aircraft
  852. flights over Antarctica, August and September, 1987"
  853. J. Geophys. Res. _94_, 11182, 1989.
  854.  
  855. [Waters et al.] J. Waters, L. Froidevaux, W. Read, G. Manney, L.
  856. Elson, D. Flower, R. Jarnot, and R. Harwood, "Stratospheric ClO and
  857. ozone from the Microwave Limb Sounder on the Upper Atmosphere
  858. Research Satellite", _Nature_ _362_, 597, 1993.
  859.  
  860. [Waugh] D. W. Waugh, "Subtropical stratospheric mixing linked to 
  861. disturbances in the polar vortices", _Nature_ _365_, 535, 1993.
  862.  
  863.  
  864.  
  865.  
  866.  
  867.  
  868.  
  869.  
  870.  
  871.