home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Suzy B Software 2 / Suzy B Software CD-ROM 2 (1994).iso / nasa / ozonefaq / o3faq1.txt < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1995-05-02  |  37.5 KB  |  796 lines

  1. OZONE DEPLETION FAQ Part I: Basic Questions about ozone.
  2.  
  3.  
  4.  Copyright 1993 Robert Parson.
  5.  
  6.  This is the first of four FAQ files dealing with stratospheric
  7.  ozone depletion. This part deals with basic scientific questions
  8.  about the ozone layer, and serves as an introduction to the
  9.  the remaining parts which are more specialized. Part II deals
  10.  deals with sources of stratospheric chlorine and bromine,
  11.  part III with the Antarctic Ozone Hole, and Part IV with
  12.  the properties and effects of ultraviolet radiation.
  13.  I emphasize physical and chemical mechanisms rather than
  14.  biological effects, although I make a few remarks about the latter.
  15.  For completeness, some questions have been included in more than
  16.  one part.
  17.  
  18. The overall approach I take is conservative. I concentrate on what
  19. is known and on most probable, rather than worst-case, scenarios.
  20. For  example, I have relatively little to say about
  21. the effects of UV radiation on plants - this does not mean that the
  22. effects are small, it  means that they are as yet not well
  23. quantified (and moreover, I am not well qualified to interpret the
  24. literature.)  Policy decisions must take into account not only the
  25. most probable scenario, but also a range of less probable ones,
  26. just as in warfare one needs to consider not only what the enemy
  27. will probably do, but also the worst that he could possibly do.
  28. There have been surprises, mostly unpleasant, in this field in the
  29. past, and there are sure to be more in the future.
  30.  
  31.  _Caveat_: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  32. chemist at all - I am a physical chemist studying gas-phase
  33. reactions who talks to atmospheric chemists. These files are an
  34. outgrowth of my own efforts to educate myself about this
  35. subject.  I have discussed some of these issues with specialists
  36. but I am solely responsible for everything written here, including
  37. any errors. This document should not be cited in publications off the
  38. net; rather, it should be used as a pointer to the published literature.
  39. Corrections and comments are welcomed.
  40.  
  41.  
  42. - Robert Parson
  43.   Associate Professor
  44.   Department of Chemistry and Biochemistry
  45.   University of Colorado (for which I do not speak)
  46.  
  47.   rparson@rintintin.colorado.edu
  48.   parson_r@cubldr.colorado.edu
  49.  
  50.  
  51. CONTENTS
  52.  
  53. 1.  THE STRATOSPHERE
  54.  
  55.  1.1) What is the stratosphere?
  56.  1.2) How is the composition of air described?
  57.  
  58. 2.  THE OZONE LAYER
  59.  
  60.  2.1) How is ozone created?
  61.  2.2) How much ozone is in the ozone layer,
  62.       and what is a "Dobson Unit"?
  63.  2.3) What is the concentration of ozone in the stratosphere?
  64.  2.4) How does the ozone layer work?
  65.  2.5) What sorts of natural variations does the ozone layer show?
  66.  2.6) What are CFC's?  [See Part II for more detail]
  67.  2.7) How do CFC's destroy ozone?
  68.  2.8) What about HCFC's and HFCs? Do they destroy ozone?
  69.  2.9) *IS* the ozone layer getting thinner (outside antarctica) ?
  70.  2.10) Is middle-latitude ozone loss due to CFC emissions?
  71.  2.11) Do Space Shuttle launches damage the ozone layer?
  72.  2.12) Will commercial supersonic aircraft damage the ozone layer?
  73.  2.13) What is being done about ozone depletion, and what can we
  74.        expect to see?
  75.  
  76. 3. REFERENCES
  77. _________________________________________________________________
  78.  
  79.  
  80. 1.  THE STRATOSPHERE
  81.  
  82. 1.1) What is the stratosphere?
  83.  
  84. The stratosphere extends from about 15 km to 50 km. In the
  85. stratosphere temperature _increases_ with altitude, due to the
  86. absorption of UV light by oxygen and ozone.  This creates a global
  87. "inversion layer": the density of air decreases particularly
  88. rapidly with height, which impedes vertical motion within the
  89. stratosphere.  The word "stratosphere" is related to the word
  90. "stratification" or layering.
  91.  
  92. The stratosphere is often compared to the "troposphere", which is
  93. the atmosphere below about 15 km.  The precise location of the
  94. boundary between these regions, called the tropopause, varies
  95. between ~10 and ~17 km, depending upon latitude and season. The
  96. prefix "tropo" refers to change:  the troposphere is the part of
  97. the atmosphere in which weather occurs.  This results in relatively
  98. rapid mixing of tropospheric air.
  99.  
  100. 1.2) How is the composition of air described?
  101.     (What is a 'mixing ratio'?)
  102.  
  103. The density of the air in the atmosphere depends upon altitude, and
  104. in a complicated way because the temperature also varies with
  105. altitude.  It is therefore awkward to report concentrations of
  106. atmospheric species in units like g/cc or molecules/cc.  Instead,
  107. it is convenient to report the relative number of molecules - the
  108. number of molecules of a given component in a small volume,
  109. relative to the total number of molecules in that volume. Chemists
  110. usually call this a mole fraction, but atmospheric scientists have
  111. taken to calling it a "mixing ratio".  Typical units for trace
  112. species are parts-per-billion by volume (ppbv); we will abbreviate
  113. this to ppb.  (The 'by volume' reflects "Avogadro's Law": for an
  114. ideal gas mixture, equal volumes contain equal numbers of
  115. molecules.)
  116.  
  117.  
  118.  2. THE OZONE LAYER
  119.  
  120.  2.1) How is ozone created?
  121.  
  122.  Ozone is formed naturally in the upper stratosphere by
  123. short-wavelength UV radiation. Wavelengths less than ~240
  124. nanometers  are absorbed by oxygen  molecules, which dissociate to
  125. give O atoms. The O atoms combine with other O2  molecules to form
  126. ozone:
  127.  
  128.  O2 + hv -> O + O  (lambda < 240 nm)
  129.  O + O2 -> O3
  130.  
  131.  2.2) How much ozone is in the ozone layer?
  132.       (What is a "Dobson Unit"?)
  133.  
  134.  A Dobson Unit (DU) is a convenient scale for measuring the total
  135. amount of ozone occupying a column overhead.  If the ozone layer
  136. over the US were compressed to 0 degrees Celsius and 1 atmosphere
  137. pressure, it would be about 3 mm thick. So, 0.01 mm thickness at 0
  138. C and 1 at is defined to be 1 DU; this makes the ozone layer over
  139. the US come out to ~300 DU. In other terms, 1 DU is about 2.7 x
  140. 10^16  molecules/cm^2.
  141.  
  142.  The unit is named after G.M.B. Dobson, who carried out pioneering
  143.  studies of atmospheric ozone between ~1920-1960. Dobson designed
  144. the standard instrument used to measure ozone from the ground. The
  145. Dobson spectrometer measures the ratio of solar UV radiation at
  146. four wavelengths, two of which are absorbed by ozone and two of
  147. which are not. These instruments are still in use in many places,
  148. although they are gradually being replaced by the more elaborate
  149. Brewer spectrometers. Today ozone is measured in many ways, from
  150. aircraft, balloons, satellites, and space shuttle missions, but the
  151. worldwide Dobson network is the only source of long-term data. A
  152. station at Arosa in Switzerland has been measuring ozone since the
  153. 1920's, and some other stations have records that go back nearly as
  154. long (although many were interrupted during World War II). Really
  155. global coverage began in 1956-57.
  156.  
  157.  2.3) What is the concentration of ozone in the stratosphere?
  158.  
  159.  In absolute terms: about 10^12 molecules/cm^3 at 15 km, rising to
  160. nearly 10^13 at 25 km, then falling to 10^11 at 45 km.
  161.  
  162.  In relative terms: ~0.5 parts per million at 15 km, rising to 8
  163. ppm at ~35 km, falling to ~3 ppm at 45 km.
  164.  
  165.  Even in the thickest part of the layer, ozone is a trace gas.
  166.  
  167.  
  168.  2.4) How does the ozone layer work?
  169.  
  170.  UV light with wavelengths between 240 and 320 nm is absorbed by
  171. ozone, giving an O atom and and O2 molecule. The O atom almost
  172. immediately encounters another O2 molecule, however (at all times,
  173. the concentration of O2 far exceeds that of O3), and recreates O3:
  174.  
  175.  O3 + hv -> O2 + O
  176.  O + O2 -> O3
  177.  
  178.  Thus _ozone absorbs UV radiation without itself being consumed_;
  179.  the net result is to convert UV light into heat. Indeed, this is
  180. what causes the temperature of the  stratosphere to increase with
  181. altitude. In a sense, not only is the ozone layer _in_ the
  182. stratosphere, the ozone layer is responsible for the existence of
  183. the stratosphere. Ozone _is_ removed if an O atom and an O3
  184. molecule meet:
  185.  
  186.  O + O3 -> 2 O2  ("recombination").
  187.  
  188.  This reaction is slow, however, and if it were the only mechanism
  189. for ozone loss, the ozone layer would be about three times as thick
  190. as it is. Certain trace species, such as the oxides of Nitrogen (NO
  191. and NO2), Hydrogen (H, OH, and HO2) and chlorine (Cl, ClO and ClO2)
  192. can catalyze the recombination.  The present ozone layer is a
  193. result of a competition between photolysis of  O2 and recombination
  194. of O and O3; increasing the recombination rate, by increasing the
  195. concentration of catalysts, results in a thinner ozone layer.
  196.  
  197.  Putting the pieces together, we have the set of reactions proposed
  198. in the 1930's by Sidney Chapman:
  199.  
  200.  
  201.  O2 + hv -> O + O  (lambda < 240 nm)    : creation of oxygen atoms
  202.  O + O2 -> O3                           : formation of ozone
  203.  O3 + hv -> O2 + O  (lambda < 320 nm)   : absorption of UV by ozone
  204.  O + O3 -> 2 O2                         : recombination .
  205.  
  206.  
  207.  Since the photolysis of O2 requires UV radiation while
  208. recombination does not, one might guess that ozone should increase
  209. during the day and decrease at night. This has led some people to
  210. suggest that the "antarctic ozone hole" is merely a result of the
  211. long antarctic winter nights. This inference is incorrect, because
  212. the recombination  reaction requires oxygen atoms which are also
  213. produced by photolysis. Throughout the stratosphere the
  214. concentration of O atoms is orders of magnitude smaller than the
  215. concentration of O3 molecules, so _both_ the production and the
  216. destruction of ozone by the above mechanisms shut down at night.
  217. In fact, the thickness  of the ozone layer varies very little from
  218. day to night.
  219.  
  220.  (The special catalytic cycles that operate in the antarctic ozone
  221.  hole do not require O atoms; however, they still require light to
  222.  operate because they also include photolytic steps).
  223.  
  224.  
  225.  2.5) What sorts of natural variations does the ozone layer show?
  226.  
  227.  There are substantial variations from place to place, and from
  228. season to season. There are smaller variations on time scales of
  229. years and more.
  230.  
  231.  a. Regional and Seasonal Variation
  232.  
  233.  Since solar radiation makes ozone, one expects to see the
  234. thickness of the ozone layer depend upon the season. This is so,
  235. although the details do not depend simply upon the amount of solar
  236. radiation received at a given latitude and season - one must also
  237. take into account the dynamics of the atmosphere. (Remember that
  238. both production and destruction of ozone require solar radiation.)
  239.  
  240.  The ozone layer is thinnest in the tropics, about 260 DU, almost
  241. independent of season. Away from the tropics seasonal variations
  242. become important, but in no case (outside the Antarctic ozone hole)
  243. does the layer become appreciably thinner than in the tropics. For
  244. example:
  245.  
  246.         Location                         Column thickness, Dobson
  247. Units
  248.  
  249.                                         Jan     Apr     Jul     Oct
  250.  
  251.  Huancayo, Peru (12 degrees S) :        255     255     260     260
  252.  Aspendale, Aus. (38 degrees S):        300     280     335     360
  253.  Arosa, Switz.  (47 degrees N):         335     375     320     280
  254.  St. Petersburg, FSU (60 degrees N):    360     425     345     300
  255.  
  256.  These are monthly averages. Interannual standard deviations amount
  257. to ~5 DU for Huancayo, 25 DU for St. Petersburg. [Rowland 1991].
  258.  Notice that the highest ozone levels are found in the _spring_,
  259.  not, as one might guess, in summer, and the lowest in the fall,
  260. not winter. Most of the ozone is created over the tropics, and then
  261. flows to higher latitudes.
  262.  
  263.  b. Year-to-year variations.
  264.  
  265.  
  266.  Since ozone is created by solar UV radiation, one expects to see
  267. some correlation with the 11-year solar sunspot cycle. Higher
  268. sunspot activity corresponds to more solar UV and hence more rapid
  269. ozone production. This correlation has been verified, although
  270. its effect is small, about 2% from peak to trough.
  271. [Stolarski et al.]
  272.  
  273.  Another natural cycle is connected with the "quasibiennial
  274.  oscillation", in which tropical winds in the lower stratosphere
  275. switch from easterly to westerly every 26 months. This leads to
  276. variations of the order of 3% at a given latitude, although the
  277. effect tends to cancel when one averages over the entire globe.
  278.  
  279.  Episodes of unusual solar activity ("solar proton events") can
  280. also affect ozone levels, as can major volcanic eruptions such as
  281. Agung in 1963, El Chichon in 1982, and Pinatubo in 1991. (The
  282. principal mechanism for this is _not_ injection of chlorine into
  283. the stratosphere, as discussed in  Part II, but rather the
  284. injection of sulfate aerosols which change the radiation balance in
  285. the stratosphere by scattering light, and which also convert
  286. inactive chlorine compounds to active, ozone-destroying forms.)
  287. These are all small effects, however, (a few % at most), and
  288. persist for short periods, 1-2 years or less.
  289.  
  290.  
  291.  2.6) What are CFC's?
  292.  
  293.  CFC's - chlorofluorocarbons - are a class of volatile organic
  294.  compounds that have been used for refrigeration, aerosol
  295. propellants, foam blowing, and as solvents in the electronic
  296. industry. They are chemically very unreactive, and hence safe to
  297. work with. In fact, they are so inert that the natural reagents
  298. that remove most atmospheric pollutants do not react with them, so
  299. after many years they drift up to the stratosphere where short-wave
  300. UV light dissociates them. CFC's were invented in the 1920's, but
  301. only came into large-scale production after 1950. Since that year,
  302. the total amount of chlorine in the stratosphere has increased by
  303. a factor of 4. [Solomon] The most important CFC's for ozone
  304. depletion are:
  305.  
  306.   CF2Cl2 (CFC-12),
  307.   CFCl3 (CFC-11), and
  308.   CF2ClCFCl2 (CFC-113).
  309.  
  310.  In discussing ozone depletion, "CFC" is occasionally used to refer
  311. to a somewhat broader class of organic chlorine-containing
  312. compounds that have similar properties - unreactive in the
  313. troposphere, but readily  photolyzed in the stratosphere. These
  314. include:
  315.  
  316.  HydroChloroFluoroCarbons such as CHClF2 (HCFC-22),
  317.  Carbon Tetrachloride, CCl4,
  318.  Methyl Chloroform, CH3CCl3,
  319.  and Methyl Chloride, CH3Cl.
  320.  
  321.  (The more careful publications always use phrases like "CFC's and
  322. related organochlorine compounds", but this gets tedious.)
  323.  
  324. Only methyl chloride has a large natural source; it is produced
  325. biologically in the oceans and chemically from biomass burning.
  326. The CFC's and CCl4 are nearly inert in the troposphere, and have
  327. lifetimes of 50-200+ years.  Their major "sink" is photolysis by UV
  328. radiation. [Rowland 1989, 1991] The hydrogen-containing halocarbons
  329. are more reactive, and are removed in the troposphere by reactions
  330. with OH radicals. This process is slow, however, and they live long
  331. enough (1-20 years) for a large fraction to reach the stratosphere.
  332.  
  333.  
  334.  Most of Part II is devoted to stratospheric chlorine chemistry;
  335. look there for more detail.
  336.  
  337.  2.7) How do CFC's destroy ozone?
  338.  
  339.  CFC's themselves do not destroy ozone; certain of their decay
  340. products do.  After CFC's are photolyzed, most of the chlorine
  341. eventually ends up as Hydrogen Chloride, HCl, or Chlorine Nitrate,
  342. ClONO2. These are called "reservoir species" - they do not
  343. themselves react with ozone. However, they do decompose to some
  344. extent, giving, among other things, a small amount of atomic
  345. chlorine, Cl, and Chlorine Monoxide, ClO, which can catalyze the
  346.  destruction of ozone by a number of mechanisms. The simplest of
  347. these cycles is:
  348.  
  349.   Cl + O3 -> ClO + O2
  350.  
  351.   ClO + O -> Cl + O2
  352.  
  353.  Net effect: O3 + O -> 2 O2
  354.  
  355.  Note that the Cl atom is a _catalyst_ - it is not consumed by the
  356.  reaction. Each Cl atom introduced into the stratosphere can
  357. destroy tens of thousands of ozone molecules before it is removed.
  358. The process is even more dramatic for Bromine - it has no stable
  359. "reservoirs", so the Br atom is always available to destroy ozone.
  360. Each Br atom can destroy _millions_ of ozone molecules before it is
  361. removed. On the other hand, chlorine and bromine concentrations  in
  362. the stratosphere are very small in absolute terms. The mixing ratio
  363. of chlorine from all sources in the stratosphere is about 3 parts
  364. per billion, (most of which is in the form of CFC's that have not
  365. yet fully decomposed)  whereas ozone mixing ratios are measured in
  366. parts per million.  Bromine concentrations are about 100 times
  367. smaller still. (See Part II.)
  368.  
  369.  The complete chemistry is very complicated - more than 100
  370. distinct species are involved. The rate of ozone destruction at any
  371. given time and place depends strongly upon how much Cl is present
  372. as Cl or ClO,  and  thus upon the rate at which Cl is released from
  373. its reservoirs.  This makes quantitative _predictions_ of future
  374. ozone depletion difficult.
  375.  [Rowland 1989, 1991] [Wayne]
  376.  
  377.  2.8) What about HCFC's and HFC's? Do they destroy ozone?
  378.  
  379.  HCFC's (hydrochlorofluorocarbons) differ from CFC's in that only
  380.  some, rather than all, of the hydrogen in the parent hydrocarbon
  381. has been replaced by chlorine or fluorine. The most familiar
  382. example is CHClF2, known as "HCFC-22", used as a refrigerant. The
  383. hydrogen atom makes the molecule susceptible to attack by the
  384. hydroxyl (OH) radical, so a large fraction of the HCFC's are
  385. destroyed before they reach the stratosphere. Molecule for
  386. molecule, then, HCFC's destroy much less ozone than CFC's, and they
  387. were suggested as CFC substitutes as long ago as 1976.
  388.  The impact of a compound on stratospheric ozone is usually
  389. measured by its "ozone depletion potential", defined as the
  390. steady-state limit of the amount of ozone destroyed by the
  391. halocarbon, relative to the amount destroyed by CFC-12. HCFC's
  392. generally have ozone depletion potentials around 0.01-0.1, so that
  393. in the long time limit a typical HCFC will have destroyed 1-10% as
  394. much ozone as CFC-12. This measure can sometimes be misleading,
  395. however. Since the HCFC's are more reactive in the troposphere,
  396. fewer of them reach the stratosphere. However, they are also more
  397. reactive in the stratosphere, so they release their chlorine more
  398. quickly. Just as short-lived radioisotopes are, other things being
  399. equal, more intensely radioactive than long-lived ones, HCFC's
  400. deplete ozone more quickly than CFC's. The short-term effects are
  401. therefore larger than one would predict from the ozone depletion
  402. potential alone, and the long-term effects correspondingly smaller.
  403. This must be taken into account when substituting HCFC's for CFC's.
  404. [Solomon and Albritton]
  405.  
  406.  HFC's, hydrofluorocarbons, contain no chlorine at all, and hence
  407. have an ozone depletion potential of zero. The most familiar
  408. example is CF3CH2F, known as HFC-134a, which is being used in some
  409. automobile air conditioners and refrigerators. HFC-134a is more
  410. expensive and more difficult to work with than CFC's, and while it
  411. has no effect on stratospheric ozone it is a greenhouse gas (though
  412. less so than the CFC's). Some engineers have argued that
  413. propane-butane mixtures make better refrigerants than HFC's.
  414.  
  415.  2.9) *IS* the ozone layer getting thinner (outside antarctica) ?
  416.  
  417.  So it seems, although so far the effects are small. After
  418. carefully  accounting for all of the known natural variations, a
  419. net decrease of about 3% per decade for the period 1978-1991
  420. remains.  This is a global average over latitudes from 66 degrees
  421. S to 66 degrees N (i.e. the arctic and antarctic are _excluded_ in
  422. calculating the average). The depletion increases with latitude,
  423. being somewhat larger in the Southern Hemisphere. There is no
  424. significant depletion in the tropics; over the US, Europe, and
  425. Australia 4%/decade is typical. The depletion is larger in the
  426. winter months, smaller  in the summer. [Stolarski et al.]
  427.  
  428.  The following table, extracted from a much more detailed one in
  429. [Herman et al.], illustrates the seasonal and regional trends in
  430.  percent per decade for the period 1979-1990:
  431.  
  432.  Latitude        Jan     Apr     Jul     Oct            Example
  433.  
  434.   65 N          -3.0    -6.6    -3.8    -5.6      Iceland
  435.   55 N          -4.6    -6.7    -3.1    -4.4      Moscow, FSU
  436.   45 N          -7.0    -6.8    -2.4    -3.1      Minneapolis, USA
  437.   35 N          -7.3    -4.7    -1.9    -1.6      Tokyo
  438.   25 N          -4.2    -2.9    -1.0    -0.8      Miami, FL, USA
  439.    5 N          -0.1    +1.0    -0.1    +1.3      Somalia
  440.  
  441.    5 S          +0.2    +1.0    -0.2    +1.3      New Guinea
  442.   25 S          -2.1    -1.6    -1.6    -1.1      Pretoria, S.A.
  443.   35 S          -3.6    -3.2    -4.5    -2.6      Buenos Aires
  444.   45 S          -4.8    -4.2    -7.7    -4.4      New Zealand
  445.   55 S          -6.1    -5.6    -9.8    -9.7      Tierra del Fuego
  446.   65 S          -6.0    -8.6    -13.1   -19.5     Palmer Peninsula
  447.  
  448.  
  449.  Since 1991 these trends have accelerated. Satellite and
  450. ground-based measurements now show a remarkable decline for 1992
  451. and early 1993, a full 4% below the average value for the
  452.  preceding twelve years and 2-3% below the lowest values observed
  453. in the earlier period. At 60 degrees North the spring ozone levels
  454. were 14% below normal, and there is evidence that this depletion is
  455. persistig into the summer months. This decline overwhelms the
  456. effect of the solar cycle; 1991 was a solar maximum, while the 1992
  457. results are already  below those for the 1986 solar minimum.
  458.  Sulfate aerosols from the July 1991 eruption of Mt. Pinatubo may
  459. be the cause of this latest spike; these aerosols can convert
  460.  inactive "reservoir" chlorine into active ozone-destroying forms,
  461.  and can also interfere with the production and transport of ozone
  462. by changing the solar radiation balance in the stratosphere.
  463. Another cause may be the unusually strong arctic polar vortex in
  464. 1992-93, which made the arctic stratosphere more like the antarctic
  465. than is usually the case. [Gleason et al.] [Waters et al.]
  466.  
  467.  
  468.  2.10) Is middle-latitude ozone loss due to CFC emissions?
  469.  
  470.  That's the majority opinion, although not everyone agrees. The
  471.  present effects are too small to allow a watertight case to be
  472. made (as _has_ been made for the far larger, but localized,
  473. depletions in the Antarctic Ozone hole; see Part III.). Other
  474. possible causes are being investigated. To quote from [WMO 1991],
  475. p. 4.1:
  476.  
  477.  "The primary cause of the _Antarctic ozone hole_ is firmly
  478. established to be halogen chemistry....There is not a full
  479. accounting of the observed downward trend in _global ozone_.
  480. Plausible mechanisms include heterogeneous chemistry on sulfate
  481. aerosols [which convert reservoir chlorine to active chlorine -
  482. R.P.] and the transport of chemically perturbed polar air to middle
  483. latitudes.  Although other mechanisms cannot be ruled out, those
  484. involving the catalytic destruction of ozone by chlorine and
  485. bromine appear to be largely responsible for the ozone loss and are
  486. the only ones for which direct evidence exists."
  487.  
  488.  The recent UARS measurements of ozone and ClO in the Northern
  489. Hemisphere find a correlation between enhanced ClO and depleted
  490. ozone, which further supports this hypothesis. [Waters et al.]
  491.  
  492.  One must remember that there is a natural 10-20 year time lag
  493. between CFC emissions and ozone depletion. Ozone depletion today is
  494. (probably) due to CFC emissions in the '60's and '70's. Present
  495. controls on CFC emissions are designed to avoid possibly large
  496. amounts of ozone depletion 30 years from now, not to remediate the
  497. small degree of depletion that has taken place up to now.
  498.  
  499.  2.11) Do Space Shuttle launches damage the ozone layer?
  500.  
  501.  No. In the early 1970's, when very little was known about the role
  502.  of chlorine radicals in ozone depletion, it was suggested that HCl
  503. from solid rocket motors might have a significant effect upon the
  504. ozone layer -  if not globally, perhaps in the immediate vicinity
  505. of the launch. It was quickly shown that the effect was negligible,
  506. and this has been repeatedly demonstrated since. Each shuttle
  507. launch produces about 68 metric tons of chlorine as HCl; a full
  508. year's worth of shuttle and solid-  rocket launches produces about
  509. 725 tons. This is negligible compared to chlorine emissions in
  510.  the form of CFC's and related compounds (1.2 million  tons/yr in
  511. the 1980's, of which ~0.3 Mt reach the stratosphere each year).
  512. [Prather et al.] [WMO 1991] [Johnston 1992]
  513.  
  514.  2.12) Will commercial supersonic aircraft damage the ozone layer?
  515.  
  516.  Short answer:  Probably not. This problem is very complicated, and
  517. a definite answer will not be available for several years, but
  518. model calculations indicate that a fleet of high-speed civil
  519. transports would deplete the ozone layer by <1%. [WMO 1991]
  520.  
  521. Long answer (this is a tough one):
  522.  
  523. Supersonic aircraft fly in the stratosphere. Since vertical
  524. transport in the stratosphere is slow, the exhaust gases from a
  525. supersonic jet can stay there for two years or more. The most
  526. important exhaust gases are the nitrogen oxides, NO and NO2,
  527. collectively referred to as "NOx". NOx is produced from ordinary
  528. nitrogen and oxygen by electrical discharges (e.g. lightning) and
  529. by high-temperature combustion (e.g automobile and aircraft
  530. engines). The relationship between NOx and ozone is complicated. In
  531. the troposphere, NOx _makes_ ozone, a phenomenon well known to
  532. residents of Los Angeles and other cities beset by photochemical
  533. smog. At high altitudes in the troposphere, essentially the same
  534. reactions produce ozone as a byproduct of the oxidation of methane;
  535. for this reason ordinary subsonic aircraft actually increase the
  536. thickness of the ozone layer by a very small amount.
  537.  
  538.  Things are very different in the stratosphere. Here the principal
  539. source of NOx is nitrous oxide, N2O ("laughing gas"). Most of the
  540. N2O in the atmosphere comes from bacteriological decomposition of
  541. organic matter - reduction of nitrate ions or oxidation of ammonium
  542. ions. (The direct anthropogenic contribution is small, although
  543. changes in land use and fertilizers may influence the rate of
  544. biological production.) N2O, unlike NOx, is very unreactive - it
  545. has an atmospheric lifetime of more than 150 years - so it rises to
  546. the stratosphere, where most of it is converted to nitrogen and
  547. oxygen by UV photolysis.  A small fraction of the N2O in the
  548. stratosphere reacts instead with oxygen atoms (to be precise, with
  549. the electronically excited singlet-D oxygen atoms), and this is the
  550. major natural source of NOx in the stratosphere. About 1.2 megatons
  551. are produced each year by this mechanism.  This source strength
  552. would be matched by 500 of the SST's designed by Boeing in the late
  553. 1960's, each spending 5 hours per day in the stratosphere. (Boeing
  554. was intending to sell 800 of these aircraft.) The Concorde, a
  555. slower plane, produces less than 40% as much NOx and flies at a
  556. lower altitude; since the Concorde fleet is small, its contribution
  557. to stratospheric NOx is not significant. Before sending large
  558. fleets of high-speed aircraft into the stratosphere, however, one
  559. should certainly consider the possible effects of increasing the
  560. rate of production of an important stratospheric trace gas by as
  561. much as a factor of two. [CIC 1975]
  562.  
  563. (Aside: subsonic aircraft do sometimes enter the stratosphere;
  564. however they stay very low and do not appreciably affect its
  565. chemistry.)
  566.  
  567. In 1970-71, Paul Crutzen and Hal Johnston independently discovered
  568. that NOx could be an efficient catalyst for the destruction of
  569. stratospheric ozone:
  570.  
  571.        NO + O3  -> NO2 + O2
  572.        NO2 + O -> NO + O2
  573. -------------------------------
  574.  net:  O3 + O -> 2 O2
  575.  
  576.  Previously, it had been thought that the radicals H, OH, and HO2
  577. (referred to collectively as "HOx") were the principal catalysts
  578. for ozone loss; thus, investigations of the impact of aircraft
  579. exhaust on stratospheric ozone had focussed on emissions of water
  580. vapor, a possible source of these radicals. (The importance of
  581. chlorine radicals, Cl, ClO, and ClO2, referred to as - you guessed
  582. it - "ClOx", was only discovered two years later.) It had been
  583. shown - correctly, as it turns out - that water vapor injection was
  584. unimportant for determining the ozone balance. The discovery of the
  585. NOx cycle threw the question open again.
  586.  
  587. Beginning in 1972, the U.S. National Academies of Science and
  588. Engineering and the Department of Transportation sponsored an
  589. intensive program of stratospheric research. [CIC 1975] It soon
  590. became clear that the relationship between NOx emissions and the
  591. ozone layer was very complicated.  The stratospheric lifetime of
  592. NOx is comparable to the timescale for transport from North to
  593. South, so its concentration depends strongly upon latitude.  Much
  594. of the NOx is injected near the tropopause, a region where
  595. quantitative modelling is very difficult, and the results of
  596. calculations depend sensitively upon how troposphere-stratosphere
  597. exchange is treated. Stratospheric NOx chemistry is _extremely_
  598. complicated, much worse than chlorine chemistry. Among other
  599. things, NO2 reacts rapidly with ClO, forming the inactive chlorine
  600. reservoir ClONO2 - so while on the one hand increasing NOx leads
  601. directly to increasing ozone loss, on the other it suppresses the
  602. action of the chlorine catalyst. And on top of all of this, the
  603. SST's always spend part of their time in the troposphere, where NOx
  604. emissions cause ozone increases. Estimates of long-term ozone
  605. changes due to large-scale NOx emissions varied markedly from year
  606. to year, going from -10% in 1974, to +2% (i.e. a net ozone _gain_)
  607. in 1979, to -8% in 1982. (In contrast, while the estimates of the
  608. effects of CFC emissions on ozone also varied a great deal in these
  609. early years, they always gave a net loss of ozone.) [Wayne]
  610.  
  611. The discovery of the Antarctic ozone hole added a new piece to the
  612. puzzle. As described in Part III, the ozone hole is caused by
  613. heterogeneous chemistry on the surfaces of stratospheric cloud
  614. particles. While these clouds are only found in polar regions,
  615. similar chemical reactions take place on sulfate aerosols which are
  616. found throughout the lower stratosphere. The most important of the
  617. aerosol reactions is the conversion of N2O5 to nitric acid:
  618.  
  619.  N2O5 + H2O -> 2 HNO3 (catalyzed by aerosol surfaces)
  620.  
  621. N2O5 is in equilibrium with NOx, so removal of N2O5 by this
  622. reaction lowers the NOx concentration.  The result is that in the
  623. lower stratosphere the NOx catalytic cycle contributes much less to
  624. overall ozone loss than the HOx and ClOx cycles. Ironically, the
  625. same processes that makes chlorine-catalyzed ozone depletion so
  626. much more important than was believed 10 years ago, also make
  627. NOx-catalyzed ozone loss less important.
  628.  
  629. In the meantime, there has been a great deal of progress in
  630. developing jet engines that will produce much less NOx - up to a
  631. factor of 10 - than the old Boeing SST. The most recent model
  632. calculations indicate that a fleet of the new "high-speed civil
  633. transports" would deplete the ozone layer by less than 1%. Caution
  634. is still required, since the experiment has not been done - we have
  635. not yet tried adding large amounts of NOx to the stratosphere. The
  636. forecasts, however, are good. [WMO 1991, Ch. 10]
  637.  
  638. ..........................................
  639. _Aside_: One sometimes hears that the US government killed the SST
  640. project in 1971 because of concerns raised by Johnston's work on
  641. NOx. This is not true. The US House of Representatives had already
  642. voted to cut off Federal funding for the SST when Johnston began
  643. his calculations. The debate then centered around economics and the
  644.  
  645. effects of noise, especially sonic booms, although there were some
  646. vague remarks about "pollution" and references to the possible
  647. effects of water vapor on ozone, remarks that do not seem to have
  648. been regarded seriously. (This is the sense I get from reading
  649. Johnston's reminiscences [Johnston 1992] and old issues of _Time_
  650. and _Newsweek_.) About 6 weeks after both houses voted to cancel
  651. the SST, its supporters succeeded in reviving the project in the
  652. House. In the meantime, Johnston had sent a preliminary report to
  653. several professional colleagues and submitted a paper to _Science_.
  654. A preprint of Johnston's report leaked to a small California
  655. newspaper which published a highly sensationalized account. The
  656. story hit the press a few days before the Senate voted, 58-37, not
  657. to revive the SST. (The previous Senate vote had been 51-46 to
  658. cancel the project. The reason for the larger majority in the
  659. second vote was probably the statement by Boeing's chairman that at
  660. least $500 million more would be needed.)
  661. ............................
  662.  
  663.  
  664.  2.13) What is being done about ozone depletion?
  665.  
  666.  The 1988 Montreal Protocol specified that CFC emissions should be
  667. reduced by 50% by the year 2000 (they had been _increasing_ by 3%
  668. per year.)  This agreement was amended in London in 1990, to state
  669. that production of CFC's, CCl4, and halons should cease entirely by
  670. the year 2000.  Restrictions have also been applied to other Cl
  671. sources such as methylchloroform. (The details of the protocols are
  672. complicated, involving different schedules for different compounds,
  673. delays for developing nations, etc.) The phase-out schedule was
  674. accelerated by four years by the 1992 Copenhagen agreements. A
  675. great deal of effort has also been devoted to recovering and
  676. recycling CFC's that are currently being used in closed-cycle
  677. systems.
  678.  Model calculations predict that ozone levels, averaged over the
  679. year and over the Northern hemisphere, will fall to about 4% below
  680. 1980 levels in the first decade of the 21st century if the
  681. protocols are obeyed. Very little depletion is expected in the
  682. tropics, so correspondingly larger losses - more than 6% - are
  683. expected at middle and high latitudes. These models have
  684. systematically _underestimated_ ozone depletion in the past, so
  685. somewhat larger losses may be expected. In fact, 4% global
  686. year-averaged ozone depletion was already measured in 1993 [Gleason
  687. et al.] although this may be a transient caused by Mt. Pinatubo's
  688. eruption in July 1991. After 2010 the ozone layer will slowly
  689. recover over a period of 20 years or so, although the form of the
  690. recovery is strongly model-dependent. [WMO 1991]
  691.  
  692.  I have no results at hand for the southern hemisphere; if current
  693.  trends continue ozone depletion will be more serious there. The
  694.  antarctic ozone hole is expected to last until 2050 or so. This
  695.  does not take into account the possibility of global warming,
  696.  which by cooling the stratosphere could make ozone depletion more
  697.  serious both at mid latitudes and in polar regions.
  698.  
  699.  Some scientists are investigating ways to replenish stratospheric
  700. ozone, either by removing CFC's from the troposphere or by tying
  701. the chlorine up in inactive compounds. This is discussed in Part
  702. III.
  703. ___________________________
  704.  
  705. 3.  REFERENCES FOR PART I
  706.  
  707. A remark on references: they are neither representative nor
  708. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  709. problems. For the most part I have limited myself to papers that
  710. are (1) widely available (if possible, _Science_ or _Nature_ rather
  711. than archival journals such as _J. Geophys. Res._) and (2) directly
  712. related to the "frequently asked questions". Readers who want to
  713. see "who did what" should consult the review articles listed below,
  714. or, if they can get them, the WMO reports which are extensively
  715. documented.
  716.  
  717.  
  718. Introductory Reading:
  719.  
  720. [Graedel and Crutzen] T. E. Graedel and P. J. Crutzen,
  721. _Atmospheric Change: an Earth System Perspective_, Freeman, NY
  722. 1993.
  723.  
  724. [Rowland 1989] F. S. Rowland, "Chlorofluorocarbons and the
  725. depletion of stratospheric ozone", _American Scientist_ _77_, 36,
  726. 1989.
  727.  
  728. [Zurer] P. S. Zurer, "Ozone Depletion's Recurring Surprises
  729. Challenge Atmospheric Scientists", _Chemical and Engineering News_,
  730. 24 May 1993,  pp. 9-18.
  731.  
  732. ----------------------------
  733. Books and Review Articles:
  734.  
  735. [Brasseur and Solomon] G. Brasseur and S. Solomon, _Aeronomy of the
  736. Middle Atmosphere_, 2nd. Edition, D. Reidel, 1986
  737.  
  738. [CIC 1975] Climate Impact Committee, National Research Council,
  739. _Environmental Impact of Stratospheric Flight_, National Academy of
  740. Sciences, 1975.
  741.  
  742. [Johnston 1992] H. S. Johnston, "Atmospheric Ozone",
  743. _Annu. Rev. Phys. Chem._ _43_, 1, 1992.
  744.  
  745. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich,
  746. "Changing Composition of the Global Stratosphere",
  747. _Science_ _243, 763, 1989.
  748.  
  749. [Rowland 1991] F. S. Rowland, "Stratospheric Ozone Depletion",
  750. _Ann. Rev. Phys. Chem._ _42_, 731, 1991.
  751.  
  752. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative
  753. understanding of Antarctic ozone depletion", _Nature_ _347_, 347,
  754. 1990.
  755.  
  756. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 2nd.  Ed., Oxford,
  757. 1991.
  758.  
  759. [WMO 1988] World Meteorological Organization,
  760. _Report of the International Ozone Trends Panel_,
  761.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #18.
  762.  
  763. [WMO 1991] World Meteorological Organization,
  764. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991_
  765.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #25.
  766.  
  767. -----------------------------------
  768. More Specialized:
  769.  
  770. [Gleason et al.] J. Gleason, P. Bhatia, J. Herman, R. McPeters, P.
  771. Newman, R. Stolarski, L. Flynn, G. Labow, D. Larko, C. Seftor, C.
  772. Wellemeyer, W. Komhyr, A. Miller, and W. Planet, "Record Low Global
  773. Ozone in 1992", _Science_ _260_, 523, 1993.
  774.  
  775. [Herman et al.] J. R. Herman, R. McPeters, and D. Larko,
  776.  "Ozone depletion at northern and southern latitudes derived
  777.  from January 1979 to December 1991 TOMS data",
  778.  J. Geophys. Res. _98_, 12783, 1993.
  779.  
  780. [Prather et al. ] M. J. Prather, M.M. Garcia, A.R. Douglass, C.H.
  781. Jackman, M.K.W. Ko, and N.D. Sze, "The Space Shuttle's impact on
  782. the stratosphere", J. Geophys. Res. _95_, 18583, 1990.
  783.  
  784. [Solomon and Albritton] S. Solomon and D.L. Albritton,
  785. "Time-dependent ozone depletion potentials for short- and long-term
  786. forecasts", _Nature_ _357_, 33, 1992.
  787.  
  788. [Stolarski et al.]  R. Stolarski, R. Bojkov, L. Bishop, C. Zerefos,
  789.  J. Staehelin, and J. Zawodny, "Measured Trends in Stratospheric
  790. Ozone",  Science _256_, 342 (17 April 1992)
  791.  
  792. [Waters et al.] J. Waters, L. Froidevaux, W. Read, G. Manney, L.
  793. Elson, D. Flower, R. Jarnot, and R. Harwood, "Stratospheric ClO and
  794. ozone from the Microwave Limb Sounder on the Upper Atmosphere
  795. Research Satellite", _Nature_ _362_, 597, 1993.
  796.