home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Suzy B Software 2 / Suzy B Software CD-ROM 2 (1994).iso / nasa / ozonefaq / o3faq2.txt < prev    next >
Text File  |  1995-05-02  |  39KB  |  821 lines

  1. OZONE DEPLETION FAQ PART II: Chlorine and Bromine in the Stratosphere
  2.  
  3.  Copyright 1993 Robert Parson
  4.  
  5.  This part deals not with ozone depletion per se (that is covered
  6.  in Part I) but rather with the sources and sinks of chlorine and
  7.  bromine in the stratosphere. Special attention is devoted to the
  8.  evidence that most of the chlorine comes from the photolysis of
  9.  CFC's and related compounds.
  10.  
  11.  Caveat: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  12. chemist at all - I am a physical chemist studying gas-phase
  13. processes who talks to atmospheric chemists. These files are an
  14.  outgrowth of my own efforts to educate myself about this subject.
  15. I have discussed some of these issues with specialists but I am solely
  16. responsible for everything written here, including any errors. This
  17.  document should not be cited in publications off of the net; it
  18.  should instead be used as a pointer to the published literature.
  19.  
  20. Corrections and comments are welcomed.
  21.  
  22. - Robert Parson
  23.   Associate Professor
  24.   Department of Chemistry and Biochemistry,
  25.   University of Colorado  (for which I do not speak)
  26.  
  27.   parson_r@cubldr.colorado.edu
  28.   rparson@rintintin.colorado.edu
  29.  
  30.  
  31. CONTENTS
  32.  
  33. 1.  THE STRATOSPHERE
  34.  
  35. 1.1) What is the stratosphere?
  36. 1.2) How is the composition of air described?
  37. 1.3) How does the composition of air change with height?
  38.      (Or, "CFC's are heavier than air - so how can they get into
  39.       the stratosphere?")
  40.  
  41. 2.  CHLORINE IN THE STRATOSPHERE
  42.  
  43. 2.1) Where does the Chlorine in the stratosphere come from?
  44. 2.2) What is the evidence for anthropogenic sources?
  45. 2.3) What is the trend of stratospheric chlorine concentration?
  46. 2.4) In what molecules is stratospheric chlorine found?
  47. 2.5) What happens to organic chlorine compounds in stratosphere?
  48. 2.6) How is chlorine removed from the atmosphere?
  49. 2.7) What are the possible sources of the HCl in the
  50.      _stratosphere_?
  51. 2.8) What is the source of HCl in the troposphere?
  52. 2.9) How is chlorine distributed in the stratosphere?
  53. 2.10) Which source of stratospheric chlorine is supported by this
  54.       evidence?
  55. 2.11) How do we know that the CFC's in the stratosphere are being
  56.       photolyzed?
  57. 2.12) How do the CFCs produced in the Northern Hemisphere get to
  58.      the  Antarctic?
  59. 2.13) Isn't it true that volcanoes put much more chlorine into the
  60.      stratosphere than CFCs?
  61. 2.14) How much chlorine comes from rockets and Space Shuttle
  62.       launches?
  63.  
  64. 3.  BROMINE IN THE STRATOSPHERE
  65.  
  66. 3.1) Is bromine important to the ozone destruction process?
  67. 3.2) How does bromine affect ozone concentrations?
  68. 3.3) Where does the bromine come from?
  69.  
  70. 4.  REFERENCES
  71. =================================================================
  72.  
  73. 1.  THE STRATOSPHERE
  74.  
  75. 1.1) What is the stratosphere?
  76.  
  77. The stratosphere extends from about 15 km to 50 km (the precise
  78. altitude of the lower boundary, known as the tropopause, varies
  79. between ~10 and ~18 km, depending upon latitude and season.) In the
  80. stratosphere temperature _increases_ with altitude, due to the
  81. absorption of UV light by oxygen and ozone.  This creates a global
  82. "inversion layer", that is, a layer where temperature increase with
  83. altitude.  This means that the density of air decreases
  84. particularly rapidly with height, which impedes vertical motion
  85. into and within the stratosphere. The word "stratosphere" has the
  86. same root as the word "stratification" or layering.
  87.  
  88. The stratosphere is often compared to the "troposphere", which is
  89. the atmosphere below about 15 km.  The prefix "tropo" refers to
  90. change:  the troposphere is the part of the atmosphere in which
  91. weather occurs.  This results in relatively rapid mixing of
  92. tropospheric air.
  93.  
  94. 1.2) How is the composition of air described?
  95.      (What is a 'mixing ratio'?)
  96.  
  97. The density of the air in the atmosphere depends upon altitude, and
  98. in a complicated way because the temperature also varies with
  99. altitude.  It is therefore awkward to report concentrations of
  100. atmospheric species in units like g/cc or molecules/cc.  Instead,
  101. it is convenient to report the relative number of molecules - the
  102. number of molecules of a given component in a small volume,
  103. relative to the total number of molecules in that volume. Chemists
  104. usually call this a mole fraction, but atmospheric scientists have
  105. taken tocalling it a "mixing ratio".  Typical units for trace
  106. species are parts-per-billion by volume (ppbv); we will abbreviate
  107. this to ppb.  (The 'by volume' reflects "Avogadro's Law": for an
  108. ideal gas mixture, equal volumes contain equal numbers of
  109. molecules.)
  110.  
  111. 1.3) How does the composition of air change with height?
  112. (Or, "CFC's are heavier than air - so how can they get into the
  113. stratosphere?")
  114.  
  115. In the earth's troposphere and stratosphere, most _stable_ chemical
  116. species are well-mixed - their mixing ratios are independent of
  117. altitude.  If a species' mixing ratio changes with altitude, some
  118. kind of physical or chemical transformation is taking place.
  119. That last statement may seem surprising - one might expect the
  120. heavier molecules to dominate at lower altitudes.  The mixing ratio
  121. of Krypton (mass 84), then, would decrease with altitude, while
  122. that of Helium (mass 4) would increase.  In reality, however,
  123. molecules do not segregate by weight in the troposphere or
  124. stratosphere.  The relative proportions of Helium, Nitrogen, and
  125. Krypton are unchanged up to about 80 km.
  126.  
  127. Why is this? Vertical transport in the troposphere takes place by
  128. convection and turbulent mixing.  In the stratosphere and in the
  129. next layer up, the "mesosphere", it takes place by "eddy diffusion"
  130. - the gradual mechanical mixing of gas by small scale motions.
  131. These mechanisms do not distinguish molecular masses.  Only at much
  132. higher altitudes do mean free paths become large enough that
  133. _molecular_ diffusion dominates and gravity is able to separate the
  134. different species.
  135.  
  136. Experimental measurements of the fluorocarbon CF4 verify this
  137. homogeneous mixing.  CF4 has an extremely long lifetime in the
  138. stratosphere - probably many thousands of years.  The mixing ratio
  139. of CF4 in the strat.  was found to be 0.056-0.060 ppb from 10-50
  140. km, with no overall trend.  [Zander et al. 1992]
  141.  
  142. Sometimes that part of the atmosphere in which the chemical
  143. composition of stable species does not change with altitude is
  144. called the "homosphere". The homosphere includes the troposphere,
  145. stratosphere, and the next layer up, the "mesosphere". The upper
  146. regions of the atmosphere are then referred to as the
  147. "heterosphere".
  148.  
  149. 2.  CHLORINE IN THE STRATOSPHERE
  150.  
  151. 2.1) Where does the Chlorine in the stratosphere come from?
  152.  
  153. ~80% from CFC's and related manmade organic chlorine compounds (eg.
  154. CCl4) ~15-20% from methyl chloride (CH3Cl), most of which (~3/4) is
  155. natural.  A few % from inorganic sources, including volcanic
  156. eruptions.  [WMO 1991] [Solomon] [AASE] [Rowland 1989,1991] [Wayne]
  157.  
  158. 2.2) What is the evidence for anthropogenic sources?
  159.  
  160.  The numbers above come from measurements of the altitude and time
  161. dependence of the natural and manmade chlorine- and
  162. fluorine-containing compounds in the troposphere and stratosphere.
  163. The mixing ratios of manmade compounds are almost independent
  164. of altitude in the troposphere and drop off rapidly in the
  165. stratosphere. The mixing ratios of inorganic chlorine compounds
  166. drop off rapidly in the troposphere, then _increase_ rapidly in the
  167. stratosphere, suggesting that they are being produced there by
  168. photolysis of the organic chlorine compounds.  At the bottom of the
  169. stratosphere nearly all of the chlorine is organic, at the top it
  170. is all inorganic, suggesting a quantitative conversion from one to
  171. the other. At the same time, the total amount of  fluorine in the
  172. stratosphere has been increasing. The details are presented in the
  173. next few sections.
  174.  
  175. 2.3) What is the trend of stratospheric chlorine concentration?
  176.  
  177. The total amount of chlorine in the stratosphere has increased by
  178. a factor of 2.5 since 1975 [Solomon] During this time period the
  179. known natural sources have shown no such increases.  On the other
  180. hand, emissions of CFC's and related manmade compounds have
  181. increased enormously. The major sink for the CFC's has been firmly
  182. established to be UV photolysis in the stratosphere. In 1989, the
  183. concentrations of the major CFC's in the troposphere were
  184. increasing at about 4% per year. [WMO 1991].
  185.  
  186. 2.4) In what molecules is stratospheric chlorine found?
  187.  
  188. Let us divide up the chlorine compounds in the stratosphere into
  189. "organic" (i.e.  carbon-containing) and "inorganic".  The major
  190. inorganic compound in both the troposphere and stratosphere is
  191. Hydrogen Chloride, (HCl); in the lower stratosphere there is a
  192. strong runner-up, Chlorine Nitrate (ClONO2). These are called
  193. "chlorine reservoirs" - they do not themselves react with ozone,
  194. but they generate a small proportion of chlorine-containing
  195. radicals which do.  The various chlorine-containing compounds are
  196. chemically active to varying extents, and a complex chemical
  197. equilibrium involving the concentrations of the various species and
  198. the local pressure and temperature results.
  199.  
  200. The major organic chlorine compounds that reach the stratosphere
  201. are:
  202.  
  203.  ChloroFluoroCarbons, CF2Cl2 (CFC-12), CFCl3 (CFC-11), CF2ClCFCl2
  204. (CFC-113);
  205.  HydroChloroFluoroCarbons such as CHClF2 (HCFC-22);
  206.  Carbon Tetrachloride, CCl4;
  207.  Methyl Chloroform, CH3CCl3
  208.  and Methyl Chloride, CH3Cl (also called Chloromethane).
  209.  
  210. Only the last has a large natural source; it is produced
  211. biologically in the oceans and chemically from biomass burning.
  212. The CFC's and CCl4 are nearly inert in the troposphere, and have
  213. lifetimes of 50-200+ years.  Their major "sink" is photolysis by UV
  214. radiation. [Rowland 1989, 1991] The hydrogen-containing halocarbons
  215. are more reactive, and are removed in the troposphere by reactions
  216. with OH radicals. This process is slow, however, and they live long
  217. enough (1-20 years) for a large fraction to reach the stratosphere.
  218.  
  219. There are many other organic chlorine compounds, natural and
  220. manmade, but they are either produced in small quantities or have
  221. short tropospheric lifetimes, and they have no relevance for
  222. stratospheric ozone depletion. Vinyl chloride, for example, is
  223. produced  in much larger quantities than any of the CFC's, but it
  224. is quickly  destroyed in the troposphere [Brasseur and Solomon].
  225.  
  226. 2.5) What happens to organic chlorine compounds in the
  227. stratosphere?
  228.  
  229.  The organic chlorine compounds are dissociated by UV radiation
  230. having wavelengths near 230 nm. Since these wavelengths are also
  231. absorbed by oxygen and ozone, the organic compounds have to rise
  232. high in the stratosphere in order for this photolysis to take
  233. place. The initial (or, as chemists say, "nascent") products are a
  234. free chlorine atom and an organic radical, for example:
  235.  
  236.  CFCl3 + hv -> CFCl2 + Cl
  237.  
  238.  The chlorine atom can react with methane to give HCl and a methyl
  239. radical:
  240.  
  241.  Cl + CH4 -> HCl + CH3
  242.  
  243.  Alternatively, it can react with ozone and nitrogen oxides:
  244.  
  245.  Cl + O3 -> ClO + O2
  246.  ClO + NO2 -> ClONO2
  247.  
  248.  (There are other pathways, but these are the most important.)
  249.  
  250.  The other nascent product (CFCl2 in the above example) undergoes
  251. a complicated sequence of reactions that also eventually lead to
  252. HCl and ClONO2. Most of the inorganic chlorine in the stratosphere
  253. resides in one of these two "reservoirs". The immediate cause of
  254. the Antarctic ozone hole is an unusual sequence of reactions,
  255. catalyzed by polar stratospheric clouds, that "empty" these
  256. reservoirs and produce high concentrations of ozone-destroying
  257. Cl and ClO radicals. [Wayne] [Rowland 1989, 1991]
  258.  
  259. 2.6) How is chlorine removed from the atmosphere?
  260.  
  261. The major chlorine reservoir, HCl, is very soluble in water,
  262. and is quickly washed out of the troposphere; its lifetime there is
  263. estimated to be 1-7 days.  On the other hand, its stratospheric
  264. lifetime is about 2 years, with the principal sink being transport
  265. back down to the troposphere.
  266.  
  267. 2.7) What are the possible sources of the HCl in the
  268. _stratosphere_?
  269.  
  270. There are three possibilities:
  271.  
  272.  i.  It can drift up from the troposphere.
  273.  ii.  It can be produced in the stratosphere, as the end product of
  274.       photolysis of the organic chlorine compounds, as described
  275.       above.
  276.  3.  It can be injected into the stratosphere by a large volcanic
  277.      eruption.
  278.  
  279. These can be distinguished by measuring how the HCl mixing ratio
  280. varies with altitude.  In case (1), we expect to see a more-or-less
  281. uniform distribution through the stratosphere.  In case (2) we
  282. expect to see the HCl mixing ratio _increase_ strongly with
  283. altitude in the stratosphere, since there is more short-wavelength
  284. UV, and thus faster photolysis of the organic compounds, the higher
  285. you go.  In particular we ought to be able to correlate the
  286. concentrations of organic and inorganic chlorine compounds.  We can
  287. develop a simple model for this if we assume that photolysis
  288. instantaneously converts an organochlorine molecule into its final
  289. inorganic products. Such a picture would be correct if the chemical
  290. reactions following photolysis were very fast compared to vertical
  291. transport. (As we have  seen above this is only partially true:
  292. photolysis pops off a single Cl atom which reaches its final
  293. destination quickly, but the remaining Cl atoms are removed by a
  294. sequence of slower reactions. This turns out not to be such a
  295. serious problem, however, and we can compensate for it in part by
  296. measuring the reaction intermediates and including them in the
  297. chlorine budget.)  If we do assume that the chemistry is fast
  298. compared to vertical transport, then we ought to find that at any
  299. altitude the mixing ratios of Cl from all species should add up to
  300. aconstant, with the relative proportion of inorganic Cl increasing
  301. with altitude until eventually there is no organic chlorine left.
  302. In case (3) we expect to see irregular behavior: the HCl should be
  303. concentrated in the region of the volcanic plume immediately after
  304. the eruption, and then diffuse out to a more uniform distribution.
  305. We will deal with case (3) in more detail in another section, as a
  306. number of complications arise in connection with it.
  307.  
  308. 2.8) What is the source of HCl in the troposphere?
  309.  
  310. The principal source of HCl in the troposphere is acidification of
  311. salt spray - reaction of atmospheric sulfuric and nitric acids with
  312. chloride ions in aerosols.  At sea level, this leads to an HCl
  313. mixing ratio of 0.05 - 0.45 ppb, depending strongly upon location
  314. (e.g. smaller values over land.) As mentioned above, however,
  315. condensation of water vapor efficiently removes HCl from the upper
  316. troposphere; in-situ and spectroscopic measurements that the HCl
  317. mixing ratio is down below 0.1 ppb at elevations above 3 km,  and
  318. less than 0.04 ppb at 13.7 km.  [Vierkorn-Rudolf et al. ] [Harris
  319. et al.]
  320.  
  321. 2.9) How is chlorine distributed in the stratosphere?
  322.  
  323. Over the past 20 years an enormous effort has been devoted to
  324. identifying sources and sinks of stratospheric chlorine.  The
  325. concentrations of the major species have been measured as a
  326. function of altitude, by "in-situ" methods ( e.g.  collection
  327. filters carried on planes and balloons) and by spectroscopic
  328. observations from aircraft, balloons, satellites, and the Space
  329. Shuttle.  The basic trends have been clear since the early 1980's,
  330. and they confirm that photolysis of CFC's and related compounds is
  331. indeed the major source (scenario (2) above). The HCl distribution
  332. in the stratosphere differs markedly from that in the troposphere.
  333. The HCl mixing ratio _increases_ rapidly with altitude up to about
  334. 35 km, above which it increases more slowly, up to 55 km and
  335. beyond. This was noticed as early as 1976 [Farmer et al.] [Eyre and
  336. Roscoe] and has been confirmed repeatedly since.  The other
  337. important inorganic chlorine compound in the stratosphere, Chlorine
  338. Nitrate, ClONO2, also increases rapidly in the lower strat., then
  339. falls off at higher altitudes.  These results strongly suggest that
  340. the HCl in the stratosphere is being _produced_ there, not drifting
  341. up from below.
  342.  
  343. Let us now look at the organic compounds.  Again, there is an
  344. enormous body of data, all of which shows that the mixing ratios of
  345. the CFC's and CCl4 are _nearly independent of altitude_ in the
  346. troposphere, and _decrease rapidly with altitude_ in the
  347. stratosphere.  The mixing ratios of the more reactive hydrogenated
  348. compounds such as CH3CCl3 and CH3Cl drop off somewhat in the
  349. troposphere, but also show a much more rapid decrease in
  350. the stratosphere.  The drop-off in organic chlorine correlates
  351. nicely to the increase in inorganic chlorine, confirming the
  352. hypothesis that CFC's are being photolyzed as they rise high enough
  353. in the stratosphere to experience enough short-wavelength UV.  And,
  354. _at the bottom of the stratosphere almost all of the chlorine is
  355. organic_.  (This fact by itself is strong evidence that HCl
  356. diffusing up from  the troposphere is _not_ the major source of
  357. chlorine in the stratosphere.)
  358. [Fabian et al. ] [Zander et al. 1987] [Zander et al. 1992] [Penkett
  359. et al.]
  360.  
  361. For example, the following is extracted from Tables II and III of
  362. [Zander et al. 1992]; they refer to 30 degrees N Latitude in 1985.
  363. I have rearranged the tables and rounded some of the numbers, and
  364. the arithmetic in the second table is my own.
  365.  
  366.           Organic Chlorine, Mixing ratios in ppb
  367.  
  368. Alt.,  CH3Cl CCl4 CCl2F2 CCl3F CHClF2 CH3CCl3 C3F3Cl3  COFCl
  369. km
  370. 12.5  .580  .100  .310  .205  .066    0.096    0.021   0.004
  371. 15    .515  .085  .313  .190  .066    0.084    0.019   0.010
  372. 20    .350  .035  .300  .137  .061    0.047    0.013   0.035
  373. 30      -    -    .030   -    .042      -        -     0.029
  374. 40      -    -    -      -     -        -        -       -
  375.  
  376.      Inorganic Chlorine and Totals, Mixing ratios in ppb
  377.  
  378. Alt., HCl  ClONO2   ClO  HOCl ||   Total Cl, Total Cl,  Total Cl
  379.                                    Inorganic Organic
  380. km
  381. 12.5   -     -       -     -           -      2.63        2.63
  382. 15   .065    -       -     -         0.065    2.50        2.56
  383. 20   .566  .212      -     -         0.778    1.78        2.56
  384. 30   1.452 1.016    .107  .077       2.652    0.131       2.78
  385. 40   2.213 0.010    .234  .142       2.607      -         2.61
  386.  
  387.  
  388. (The complete tables give results every 2.5 km from 12.5 to 55km,
  389. and also contain a similar inventory of the fluorine compounds.
  390. Standard errors on total Cl were estimated to be 0.02-0.04 ppb.)
  391.  
  392. 2.10) Which source of stratospheric chlorine is supported by this
  393.       evidence?
  394.  
  395. We see that the _total_ Cl concentration is roughly constant at
  396. 2.5-2.7 ppb, suggesting that all but about 0.2 ppb has been
  397. accounted for.  There is nearly quantitative conversion of organic
  398. chlorine in the lower stratosphere to inorganic chlorine in the
  399. upper stratosphere.
  400.  
  401. Of course this approach - adding up mixing ratios at fixed altitude
  402. - is oversimplified.  Making it truly quantitative requires a lot
  403. of work, accounting for vertical and horizontal transport time
  404. scales and complex chemistry.  When all of these factors are built
  405. into atmospheric models, reasonably good agreement is achieved for
  406. the altitude dependence of the major chlorine compounds.  [McElroy
  407. and Salawich].
  408.  
  409. We conclude that most of the inorganic chlorine in the stratosphere
  410. is produced there, as the end product of photolysis of the organic
  411. chlorine compounds.
  412.  
  413. 2.11) How do we know that the CFC's in the stratosphere are being
  414. photolyzed?
  415.  
  416. The previous argument - CFC mixing ratios decrease with altitude,
  417. inorganic chlorine mixing ratios increase with altitude - certainly
  418. suggests that one is being transformed into the other. But there is
  419. direct evidence as well:
  420.  
  421. i.  Increasing concentrations of HF in the stratosphere - a factor
  422. of 4 between 1978 and 1989 [Zander et al. 1990] HF is the major
  423. reservoir for Fluorine in the stratosphere, just as HCl is the
  424. major chlorine reservoir.  The Fluorine budget, as a function of
  425. altitude, adds up in much the same way as the Chlorine budget.
  426. There are some discrepancies in the lower stratosphere; model
  427. calculations predict _less_ HF than is actually observed.  [Zander
  428. et al. 1992].
  429.  
  430. ii.  Observation of reaction intermediates such as COF2 and COFCl.
  431.  These are formed when the photolysis products react with oxygen.
  432.  
  433. 2.12) How do the CFCs produced in the Northern Hemisphere get to
  434. the Antarctic?
  435.  
  436. Vertical transport into and within the stratosphere is slow.  It
  437. takes more than 5 years for a CFC molecule released at sea level to
  438. rise high enough in the stratosphere to be photolyzed.  North-South
  439. transport, on the other hand, is faster - there is a bottleneck in
  440. the tropics (it can take a year or two to get across the equator)
  441. but there is still plenty of time.  CFC's are distributed uniformly
  442. as a function of latitude [Singh et al.].
  443.  
  444. 2.13) Isn't it true that volcanoes put much more chlorine into the
  445. stratosphere than CFCs?
  446.  
  447. Short Reply: No. They account for at most a few percent of the
  448. chlorine in the stratosphere.
  449.  
  450. Long reply:  This is one of the most persistent myths in this
  451. subject. As is so often the case, there is a grain of truth at the
  452. root of the myth.  Volcanic gases are rich in Hydrogen
  453. Chloride, HCl. As we have discussed, this gas is very soluble in
  454. water and is removed from the troposphere on a time scale of 1-7
  455. days, so we can dismiss quietly simmering volcanoes as a
  456. stratospheric source, just as we can neglect sea salt acidification
  457. and other natural sources of HCl. Remember, the mixing ratio of HCl
  458. _decreases_ with altitude in the troposphere, and _increases_ with
  459. altitude in the stratosphere.  This rules out all processes in
  460. which HCl slowly drifts upward from the troposphere. It does not,
  461. however, rule out a _major_ volcanic eruption, which could in
  462. principle inject HCl directly into the stratosphere.
  463.  
  464. What is a "major" eruption? There is a sort of "Richter scale" for
  465. volcanic eruptions, the so-called "Volcanic explosivity index" or
  466. VEI.  Like the Richter scale it is logarithmic; an eruption with a
  467. VEI of 5 is ten times bigger than one with a VEI of 4. To give a
  468. sense of magnitude, I list below the VEI for some familiar recent
  469. and historic eruptions:
  470.  
  471. Eruption           VEI             Stratospheric Aerosol,
  472.                                    Megatons (Mt)
  473.  
  474. Kilauea             0-1            -
  475. Erebus, 1976-84     1-2            -
  476. Augustine, 1976     4              0.6
  477. St Helen's, 1980    5 (barely)     0.55
  478. El Chichon, 1982    5              12.
  479. Pinatubo, 1991      5-6            20 - 30
  480. Krakatau, 1883      6              50 (est.)
  481. Tambora, 1815       7              80-200 (est.)
  482.  
  483. Roughly speaking, an eruption with VEI>3 can penetrate the
  484. stratosphere. An eruption with VEI>5 can send a plume up to 25km,
  485. in the middle of the ozone layer. Such eruptions occur about once
  486. a decade. Since the VEI is not designed specifically to measure a
  487. volcano's impact on the stratosphere, I have also listed the total
  488. mass of stratospheric aerosols (mostly sulfates) produced by the
  489. eruption. Weak, passively degassing volcanoes such as Kilauea and
  490. Erebus are far too weak to penetrate the stratosphere, but large
  491. eruptions like El Chichon and Pinatubo need to be considered in
  492. detail.
  493.  
  494. [Smithsonian] [Symonds et al.] [Sigurdsson] [Pinatubo] [WMO 1988]
  495.  
  496. Before 1982, there were no direct measurements of the amount of HCl
  497. that an explosive eruption put into the stratosphere.  There were,
  498. however, estimates of the _total_ chlorine production from an
  499. eruption, based upon such geophysical techniques as analysis of
  500. glass inclusions trapped in volcanic rocks.  There was much debate
  501. about how much of the emitted chlorine reached the stratosphere;
  502. estimates ranged from < 0.03 Mt/year [Cadle] to 0.1-1.0 Mt/year
  503. [Symonds et al.].  During the 1980's emissions of CFC's and related
  504. compounds contributed >1.2 Mt of chlorine per year to the
  505. atmosphere. [Prather et al.] This results in an annual flux of >0.3
  506. Mt/yr of chlorine into the stratosphere. The _highest_ estimates
  507. ofvolcanic emissions - upper limits calculated by assuming that
  508. _all_ of the HCl from a major eruption reached _and stayed_ in the
  509. stratosphere - were thus of the same order of magnitude as human
  510. sources.  (There is no support whatsoever for the claim -
  511. occasionally heard in the popular media - that a _single_ volcanic
  512. eruption produces ~500 times as much chlorine as a year's worth of
  513. CFC production. This wildly inaccurate number is the result of an
  514. editorial mistake in a scientific encyclopedia).
  515.  
  516. It is very difficult to reconcile these upper limits with the
  517. altitude and time-dependence of stratospheric HCl. The volcanic
  518. contribution to the upper stratosphere should come in sudden bursts
  519. following major eruptions, and it should initially be largest in
  520. the vicinity of the volcanic plume. Since vertical transport in the
  521. stratosphere is slow, one would expect to see the altitude profile
  522. change abruptly after a major eruption, whereas it has maintained
  523. more-or-less the same shape since it was first measured in 1975.
  524. One would also not expect a strong correlation between HCl and
  525. organochlorine compounds if volcanic injection were contributing
  526. ~50% of the total HCl.  If half the HCl has an inorganic origin,
  527. where is all that _organic_ chlorine going?
  528.  
  529. The issue has now been largely resolved by _direct_ measurements of
  530. the stratospheric HCl produced by El Chichon, the most important
  531. eruption of the 1980's, and Pinatubo, the largest since 1912. It
  532. was found that El Chichon injected *0.04* Mt of HCl [Mankin
  533. andCoffey].  The much bigger eruption of Pinatubo produced less
  534. [Mankin, Coffey and Goldman], - in fact the authors were not sure
  535. that they had measured _any_ significant increase. Analysis of
  536.  ice cores leads to similar conclusions for historic eruptions
  537. [Delmas]. The ice cores show significantly enhanced levels of
  538. sulfur following  major historic eruptions, but no enhancement in
  539. chlorine, showing that the chlorine produced in the eruption did
  540. not survive long enough to be transported to polar regions. It is
  541. clear, then, that even though major eruptions produce large amounts
  542. of chlorine in the form of HCl, most of that HCl either never
  543. enters the stratosphere, or is very rapidly removed from it.
  544.  
  545.  Recent model calculations [Pinto et al.] [Tabazadeh and Turco]
  546. have clarified the physics involved.  A volcanic plume contains
  547.  approximately 1000 times as much water vapor as HCl. As the plume
  548. rises and cools the water condenses, capturing the HCl as it does
  549. so and returning it to the earth in the extensive rain showers that
  550. typically follow major eruptions. HCl can also be removed if it
  551. adsorbed on ice or ash particles. Model calculations show that more
  552. than 99% of the HCl is removed by these processes, in good
  553. agreement with observations.
  554.  
  555.  In summary:
  556.  
  557.  *Older indirect estimates of the contribution of volcanic
  558. eruptions to stratospheric chlorine gave results that ranged from
  559. much less than anthropogenic to somewhat larger than anthropogenic.
  560.  
  561.  It is very difficult to reconcile the larger estimates with the
  562. altitude distribution of inorganic chlorine in the stratosphere, or
  563. its steady increase over the past 20 years.  Nevertheless, there
  564. was an important scientific question here that needed to be
  565. resolved by _direct_ measurements in the stratosphere. These
  566.  measurements have been carried out, and they show that the
  567. volcanic contribution is small.
  568.  
  569.  *Claims that volcanoes produce more stratospheric chlorine than
  570. human activity arise from the careless use of old scientific
  571. estimates that have subsequently been refuted by observation.
  572.  
  573.  *Claims that a single recent eruption injected ~500 times a year's
  574. CFC production into the stratosphere have no scientific basis
  575. whatsoever.
  576.  
  577.  To conclude, we need to say something about Mt. Erebus.  In an
  578. article in _21st Century_ (July/August 1989), Rogelio Maduro
  579. claimed that this Antarctic volcano has been erupting constantly
  580. for the last 100 years, emitting more than 1000 tons of chlorine
  581. per day. This claim was repeated in Dixy Lee Ray's _Trashing the
  582. Planet_. "21st Century" is published by Lyndon LaRouche's political
  583. associates, although LaRouche himself usually keeps a low profile
  584. in the magazine.  Mt. Erebus has in fact been simmering quietly for
  585. over a century but the 1000 tons/day of HCl only applies to an
  586. especially active period between 1976 and 1983.  By late 1984
  587.  emissions had dropped by an order of magnitude, and have remained
  588. at low levels since; HCl emissions _at the crater rim_ were 107
  589. tons/day (0.04 Mt/year) in 1986.  [Kyle et al.]. (According to a
  590. recent report in _Science_, 11 June 1993, Kyle says that emissions
  591. are now down to 0.015 Mt/year.) Since this is a passively degassing
  592. volcano (VEI=1-2 in the active period), very little of this HCl
  593. reaches the stratosphere. The Erebus plume never rises more than
  594. 0.5 km above the volcano, and in fact the gas usually just oozes
  595. over the crater rim. Indeed, one purpose of the measurements of
  596. Kyle et al. was to explain high Cl concentrations in Antarctic
  597. snow. The only places where I have ever seen Erebus described as a
  598. source of stratospheric chlorine is in LaRouchian publications and
  599. in articles and books that, incredibly, consider such documents to
  600. be reliable sources.
  601.  
  602.  
  603. 2.14) How much chlorine comes from rockets and Space Shuttle
  604. launches?
  605.  
  606.  Very little. In the early 1970's, when very little was known about
  607. the role of chlorine radicals in ozone depletion, it was suggested
  608. that HCl from solid rocket motors might have a significant effect
  609. upon the ozone layer -  if not globally, perhaps in the immediate
  610. vicinity of the launch. It was immediately shown that the effect
  611. was negligible, and this has been repeatedly demonstrated since.
  612. Each shuttle launch produces about  68 metric tons of chlorine as
  613. HCl; a full year's worth of shuttle and solid-  rocket launches
  614. produces about 725 tons. This is negligible compared to chlorine
  615. emissions in the form of CFC's and related compounds (1.2 million
  616. tons/yr in the 1980's, of which ~0.3 Mt reach the stratosphere each
  617. year).  [Prather et al.] [WMO 1991]
  618.  
  619. 3.  BROMINE
  620.  
  621. 3.1) Is bromine important to the ozone destruction process?
  622.  
  623. Br is present in much smaller quantities than Cl, but it is
  624. much more destructive on a per-atom basis.  There is a large
  625. natural source; manmade compounds contribute about 40% of the
  626. total.
  627.  
  628. 3.2) How does bromine affect ozone concentrations?
  629.  
  630. Bromine concentrations in the stratosphere are ~150 times smaller
  631. than chlorine concentrations.  However, atom-for-atom Br is 10-100
  632. times as effective as Cl in destroying ozone.  (The reason for this
  633. is that there is no stable 'reservoir' for Br in the stratosphere
  634. - HBr and BrONO2 are very easily photolyzed so that nearly all of
  635. the Br is in a form that can react with ozone.  Contrariwise, F is
  636. innocuous in the stratosphere because its reservoir, HF, is
  637. extremely stable.) So, while Br is less important than Cl, it must
  638. still be taken into account.  Interestingly, the principal
  639. pathway by which Br destroys ozone also involves Cl:
  640.  
  641.      BrO + ClO -> Br + Cl + O2
  642.      Br + O3 -> BrO + O2
  643.      Cl + O3 -> ClO + O2
  644.    ----------------------------------
  645.    Net:    2 O3 -> 3 O2
  646.  
  647. [Wayne p. 164] [Solomon]
  648.  
  649. so reducing stratospheric chlorine concentrations will, as a
  650. side-effect, slow down the bromine pathways as well.
  651.  
  652. 3.3) Where does the bromine come from?
  653.  
  654. The largest source of stratospheric Bromine is methyl bromide,
  655. CH3Br.  Much of this is natural (as with CH3Cl), but 30 - 60% is
  656. manmade. [Khalil et al.] It is widely used as a fumigant.
  657. Another important source is the family of "halons".  Like
  658. CFC's these compounds have long atmospheric lifetimes (72 years for
  659. CF3Br) and very little is lost in the troposphere.  [Wayne p. 167].
  660. At the bottom of the stratosphere the total Br mixing ratio is ~20
  661. ppt, of which ~8 ppt is manmade.  [AASE] Uncertainties in these
  662. numbers are relatively larger than for Cl, because the absolute
  663. quantities are so much smaller, and we should expect to see them
  664. change.
  665.  
  666. 4.  REFERENCES FOR PART II
  667.  
  668. A remark on references: they are neither representative nor
  669. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  670. problems. For the most part I have limited myself to papers that
  671. are (1) widely available (if possible, _Science_ or _Nature_ rather
  672. than archival sources such as _J. Geophys. Res._) and (2) directly
  673. related to the "frequently asked questions".  (In this part, I have
  674. had to refer to archival journals more often than I would have
  675. liked, since in many cases that is the only place where the
  676. question is addressed in satisfactory detail.) Readers who want to
  677. see "who did what" should consult the review articles listed below,
  678. or, if they can get them, the extensively documented WMO reports.
  679.  
  680. General Reading:
  681.  
  682. [Graedel and Crutzen] T. E. Graedel and P. J. Crutzen,
  683.  _Atmospheric Change: an Earth System Perspective_, Freeman, 1993.
  684.  
  685. [Rowland 1989] F. S. Rowland, "Chlorofluorocarbons and the
  686. depletion of stratospheric ozone", _Am. Sci._ _77_, 36, 1989.
  687.  
  688. --------------------------------
  689. Books and Review Articles:
  690.  
  691. [Brasseur and Solomon] G. Brasseur and S. Solomon, _Aeronomy of the
  692. Middle Atmosphere_, 2nd Edition, D. Reidel, 1986.
  693.  
  694. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich, "Changing
  695. Composition of the Global Stratosphere", _Science_ _243, 763, 1989.
  696.  
  697. [Rowland 1991] F. S. Rowland, "Stratospheric Ozone Depletion",
  698. _Ann. Rev. Phys. Chem._ _42_, 731, 1991.
  699.  
  700. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative
  701. understanding of Antarctic ozone depletion",
  702.  _Nature_ _347_, 347, 1990.
  703.  
  704. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_,
  705.         2nd.  Ed., Oxford, 1991.
  706.  
  707. [WMO 1988] World Meteorological Organization,
  708. _Report of the International Ozone Trends Panel_, Report # 18
  709.  
  710. [WMO 1991] World Meteorological Organization,
  711. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991_, Report # 25
  712. -----------------------------
  713.  
  714. More specialized articles:
  715.  
  716. [AASE] End of Mission Statement, second airborne arctic
  717. stratospheric expedition, NASA 30 April 1992.
  718.  
  719. [Cadle] R. Cadle, "Volcanic emissions of halides and sulfur
  720. compounds to the troposphere and stratosphere", J. Geophys. Res.
  721. _80_, 1651, 1975]
  722.  
  723. [Delmas] R. J. Delmas, "Environmental Information from Ice Cores",
  724. _Reviews of Geophysics_ _30_, 1, 1992.
  725.  
  726. [Eyre and Roscoe] J. Eyre and H. Roscoe, "Radiometric measurement
  727. of stratospheric HCl", _Nature_ _266_, 243, 1977.
  728.  
  729. [Fabian et al. 1979] P. Fabian, R. Borchers, K.H. Weiler, U.
  730. Schmidt, A. Volz, D.H. Erhalt, W. Seiler, and F. Mueller,
  731. "Simultaneously measured vertical profile of H2, CH4, CO, N2O,
  732. CFCl3, and CF2Cl2 in the mid-latitude stratosphere and
  733. troposphere", J. Geophys. Res.  _84_, 3149, 1979.
  734.  
  735. [Fabian et al. 1981] P. Fabian, R. Borchers, S.A. Penkett, and
  736. N.J.D. Prosser, "Halocarbons in the Stratosphere", _Nature_ _294_,
  737. 733, 1981.
  738.  
  739. [Farmer et al.] C.B. Farmer, O.F. Raper, and R.H. Norton,
  740. "Spectroscopic detection and vertical distribution of HCl in the
  741. troposphere and stratosphere", Geophys. Res. Lett. _3_, 13, 1975.
  742.  
  743. [Harris et al.] G.W. Harris, D. Klemp, and T. Zenker,
  744. "An Upper Limit on the HCl near-surface mixing ratio over the
  745. Atlantic", J. Atmos. Chem. _15_, 327, 1992.
  746.  
  747. [Johnston] D. Johnston, "Volcanic contribution of chlorine to the
  748.  stratosphere: more significant to ozone than previously
  749. estimated?" _Science_ _209_, 491, 1980.
  750.  
  751. [Khalil et al.] M.A.K. Khalil, R. Rasmussen, and R. Gunawardena,
  752. "Atmospheric Methyl Bromide: Trends and Global Mass Balance"
  753.  J. Geophys. Res. _98_, 2887, 1993.
  754.  
  755. [Kyle et al.] P.R. Kyle, K. Meeker, and D. Finnegan,
  756. "Emission rates of sulfur dioxide, trace gases, and metals from
  757.  Mount Erebus, Antarctica", _Geophys. Res. Lett._ _17_, 2125, 1990.
  758.  
  759. [Mankin and Coffey] W. Mankin and M. Coffey, "Increased
  760. stratospheric hydrogen chloride in the El Chichon cloud",_Science_
  761. _226_, 170, 1983.
  762.  
  763. [Mankin, Coffey and Goldman] W. Mankin, M. Coffey and A. Goldman,
  764. "Airborne observations of SO2, HCL, and O3 in the stratospheric
  765. plume of the Pinatubo volcano in July 1991", Geophys. Res. Lett.
  766. _19_, 179, 1992.
  767.  
  768. [Penkett et al.] S.A. Penkett, R.G. Derwent, P. Fabian, R.
  769. Borchers, and U. Schmidt, "Methyl Chloride in the Stratosphere",
  770. _Nature_ _283_, 58, 1980.
  771.  
  772. [Pinatubo] Special Mt. Pinatubo issue, Geophys. Res. Lett. _19_,
  773. #2, 1992.
  774.  
  775. [Pinto et al.] J. Pinto, R. Turco, and O. Toon, "Self-limiting
  776. physical and chemical effects in volcanic eruption clouds",
  777.  J. Geophys. Res. _94_, 11165, 1989.
  778.  
  779. [Prather et al. ] M. J. Prather, M.M. Garcia, A.R. Douglass, C.H.
  780. Jackman, M.K.W. Ko, and N.D. Sze, "The Space Shuttle's impact on
  781. the stratosphere", J. Geophys. Res. _95_, 18583, 1990.
  782.  
  783. [Singh et al.] H. Singh, L. Salas, H. Shigeishi, and E. Scribner,
  784. "Atmospheric Halocarbons, hydrocarbons, and sulfur hexafluoride
  785. global distributions, sources, and sinks", _Science_ _203_, 899,
  786. 1974.
  787.  
  788. [Sigurdsson] H. Sigurdsson, "Evidence of volcanic loading of the
  789.  atmosphere and climate response",  _Palaeogeography,
  790. Palaeoclimatology, Palaeoecology_ _89_, 277 (1989).
  791.  
  792. [Smithsonian] Smithsonian Report, _Global Volcanism:1975-85_, p 14.
  793.  
  794. [Symonds et al.] R. B. Symonds, W. I. Rose, and M. H. Reed,
  795. "Contribution of Cl and F-bearing gases to the atmosphere by
  796. volcanoes", _Nature_ _334_, 415 1988.
  797.  
  798. [Tabazadeh and Turco] A. Tabazadeh and R. P. Turco, _Stratospheric
  799. Chlorine Injection by Volcanic Eruptions: HCl Scavenging and
  800. Implications for Ozone_, _Science_ _260_, 1082, 1993.
  801.  
  802. [Vierkorn-Rudolf et al.] B. Vierkorn-Rudolf. K. Bachmann, B.
  803. Schwartz, and F.X. Meixner, "Vertical Profile of Hydrogen Chloride
  804. in the Troposphere", J. Atmos. Chem.  _2_, 47, 1984.
  805.  
  806. [Zander et al. 1987] R. Zander, C. P. Rinsland, C. B. Farmer, and
  807. R. H. Norton, "Infrared Spectroscopic measurements of halogenated
  808. source gases in the stratosphere with the ATMOS instrument", J.
  809. Geophys. Res. _92_, 9836, 1987.
  810.  
  811. [Zander et al. 1990] R. Zander, M.R. Gunson, J.C. Foster, C.P.
  812. Rinsland, and J. Namkung, "Stratospheric ClONO2, HCl, and HF
  813. concentration profiles derived from ATMOS/Spacelab 3 observations
  814. - an update", J. Geophys. Res.  _95_, 20519, 1990.
  815.  
  816. [Zander et al. 1992] R. Zander. M. R. Gunson, C. B. Farmer, C. P.
  817. Rinsland, F. W. Irion, and E. Mahieu, "The 1985 chlorine and
  818. fluorine inventories in the stratosphere based on ATMOS
  819. observations at 30 degrees North latitude",  J. Atmos. Chem. _15_,
  820. 171, 1992.
  821.