home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Monster Media 1994 #2 / Monster Media No. 2 (Monster Media)(1994).ISO / freq_qa / ozone05.zip / OZONE05.TXT < prev   
Text File  |  1994-06-07  |  167KB  |  3,460 lines

  1. Archive-name: ozone-depletion/intro
  2. Last-modified: 23 May 1994
  3. Version: 4.3
  4.  
  5. These files are posted monthly, usually in the third week of the month.
  6. They may be obtained by anonymous ftp from rtfm.mit.edu in the directory:
  7.  
  8.     /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion
  9.  
  10.  which contains the four files intro, stratcl, antarctic, and uv.
  11.  
  12.  They may also be obtained by sending the following message
  13.  to mail-server@rtfm.mit.edu:
  14.  
  15.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  16.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/stratcl
  17.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/antarctic
  18.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/uv
  19.  
  20.  Leave the subject line blank.
  21.  If you want to find out more about the mail server, send a
  22.  message to it containing the word "help".
  23.  
  24. ***********************************************************************
  25. * Copyright 1994 Robert Parson                                        *
  26. *                                                                     *
  27. * This file may be distributed, copied, and archived. All copies      *
  28. * must include this notice and the paragraph below entitled "Caveat". *
  29. * Reproduction and distribution for profit is NOT permitted.          *
  30. * If this document is transmitted to other networks or stored         *
  31. * on an electronic archive, I ask that you inform me. I also request  *
  32. * that you inform me before including any of this information         *
  33. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  34. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  35. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  36. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  37. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  38. * to the original published source, not to this document.             *
  39. ***********************************************************************
  40.  
  41.  
  42. This is the first of four FAQ files dealing with stratospheric ozone 
  43. depletion. This part deals with basic scientific questions about the 
  44. ozone layer, and serves as an introduction to the remaining parts which 
  45. are more specialized. Part II deals with sources of stratospheric 
  46. chlorine and bromine, part III with the Antarctic Ozone Hole, and Part 
  47. IV with the properties and effects of ultraviolet radiation. The later
  48. parts are mostly independent of each other, but they all refer back.
  49. to Part I.  I emphasize physical and chemical mechanisms 
  50. rather than biological effects,  although I make a few remarks about
  51. the latter in part IV. I have little to say about legal and policy
  52. issues other than a very brief summary at the end of part I.
  53.  
  54. The overall approach I take is conservative. I concentrate on what
  55. is known and on most probable, rather than worst-case, scenarios.
  56. For  example, I have relatively little to say about the effects
  57. of UV radiation on terrestrial plants - this does not mean that the
  58. effects are small, it  means that they are as yet not well
  59. quantified (and moreover, I am not well qualified to interpret the
  60. literature.)  Policy decisions must take into account not only the
  61. most probable scenario, but also a range of less probable ones.
  62. There have been surprises, mostly unpleasant, in this field in the
  63. past, and there are sure to be more in the future.
  64.  
  65. | _Caveat_: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  66. | chemist at all - I am a physical chemist studying gas-phase
  67. | reactions who talks to atmospheric chemists. These files are an
  68. | outgrowth of my own efforts to educate myself about this subject
  69. | I have discussed some of these issues with specialists but I am
  70. | solely responsible for everything written here, including all errors.
  71. | This document should not be cited in publications off the net;
  72. | rather, it should be used as a pointer to the published literature.
  73.  
  74. *** Corrections and comments are welcomed. 
  75.  
  76. - Robert Parson
  77.   Associate Professor
  78.   Department of Chemistry and Biochemistry
  79.   University of Colorado (for which I do not speak)
  80.  
  81.   rparson@spot.colorado.edu
  82.   Robert.Parson@colorado.edu
  83.  
  84. CONTENTS
  85.  
  86. 1.  THE STRATOSPHERE
  87.  
  88.  1.1) What is the stratosphere?
  89.  1.2) How is the composition of air described?
  90.  1.3) How does the composition of the atmosphere change with altitude?
  91.      (Or, how can CFC's get up to the stratosphere when they are heavier 
  92.       than air?) 
  93.  
  94. 2.  THE OZONE LAYER
  95.                 
  96.  2.1) How is ozone created?
  97.  2.2) How much ozone is in the layer, and what is a "Dobson Unit"?
  98.  2.3) How is ozone distributed in the stratosphere?
  99.  2.4) How does the ozone layer work?
  100.  2.5) What sorts of natural variations does the ozone layer show? 
  101.  2.6) What are CFC's?  [See Part II for more detail]
  102.  2.7) How do CFC's destroy ozone? 
  103.  2.8) What about HCFC's and HFCs? Do they destroy ozone?
  104.  2.9) *IS* the ozone layer getting thinner (outside antarctica)? 
  105.  2.10) Is middle-latitude ozone loss due to CFC emissions?
  106.  2.11) If the ozone is lost, won't the UV light just penetrate 
  107.        deeper into the atmosphere and make more ozone?
  108.  2.12) Do Space Shuttle launches damage the ozone layer?
  109.  2.13) Will commercial supersonic aircraft damage the ozone layer?
  110.  2.14) What is being done about ozone depletion, and what can we  
  111.        expect to see?
  112.  
  113. 3. REFERENCES 
  114. _________________________________________________________________
  115.  
  116.  
  117. 1.  THE STRATOSPHERE
  118.  
  119. 1.1) What is the stratosphere?
  120.  
  121. The stratosphere extends from about 15 km to 50 km. In the
  122. stratosphere temperature _increases_ with altitude, due to the
  123. absorption of UV light by oxygen and ozone.  This creates a global
  124. "inversion layer"  which impedes vertical motion into and within 
  125. the stratosphere - since warmer air lies above colder air, convection
  126. is inhibited.  The word "stratosphere" is related to the word
  127. "stratification" or layering.
  128.  
  129. The stratosphere is often compared to the "troposphere", which is
  130. the atmosphere below about 15 km.  The boundary - called the 
  131. "tropopause" - between these regions is quite sharp, but its
  132. precise location varies between ~10 and ~17 km, depending upon 
  133. latitude and season. The prefix "tropo" refers to change:  the 
  134. troposphere is the part of the atmosphere in which weather occurs.  
  135. This results in relatively rapid mixing of tropospheric air. 
  136. [Wayne] [Wallace and Hobbs]
  137.  
  138. Above the stratosphere lie the "mesosphere", ranging from ~50 to
  139. ~100 km, in which temperature decreases with altitude; the 
  140. "thermosphere", ~100-400 km, in which temperature increases
  141. with altitude again, and the "exosphere", beyond ~400 km, which
  142. fades into the background of interplanetary space. In the upper
  143. mesosphere and thermosphere electrons and ions are abundant, so
  144. these regions are also referred to as the "ionosphere". In technical
  145. literature the term "lower atmosphere" is synonymous with the
  146. troposphere, "middle atmosphere" refers to the stratosphere
  147. and mesosphere, while "upper atmosphere" is usually reserved for the
  148. thermosphere and exosphere. This usage is not universal, however,
  149. and one occasionally sees the term "upper atmosphere" used to
  150. describe everything above the troposphere (for example, in NASA's
  151. Upper Atmosphere Research Satellite, UARS.)
  152.  
  153. 1.2) How is the composition of air described? 
  154.     (What is a 'mixing ratio'?)
  155.  
  156. The density of the air in the atmosphere depends upon altitude, and
  157. in a complicated way because the temperature also varies with
  158. altitude.  It is therefore awkward to report concentrations of
  159. atmospheric species in units like g/cc or molecules/cc.  Instead,
  160. it is convenient to report the "mole fraction", the relative
  161. number of molecules of a given type in an air sample. Atmospheric
  162. scientists usually call a mole fraction a "mixing ratio". Typical
  163. units for mixing ratios are parts-per-million, billion, or
  164. trillion by volume, designated as "ppmv", "ppbv", and "pptv"
  165. respectively. (The expression "by volume" reflects Avogadro's Law - 
  166. for an ideal gas mixture, equal volumes contain equal numbers of 
  167. molecules - and serves to distinguish mixing ratios from "mass 
  168. fractions" which are given as parts-per-million by weight.)  Thus
  169. when it is said that the mixing ratio of hydrogen chloride at 3 km
  170. is 0.1 ppbv, it means that 1 out of every 10 billion molecules in
  171. an air sample collected at that altitude will be an HCl molecule.
  172. [Wayne] [Graedel and Crutzen]
  173.  
  174. 1.3) How does the composition of the atmosphere change with altitude?
  175.      (Or, how can CFC's get up to the stratosphere when they are
  176.         heavier than air?) 
  177.  
  178. In the earth's troposphere and stratosphere, most _stable_ chemical
  179. species are "well-mixed" - their mixing ratios are independent of
  180. altitude.  If a species' mixing ratio changes with altitude, some
  181. kind of physical or chemical transformation is taking place. That 
  182. last statement may seem surprising - one might expect the heavier 
  183. molecules to dominate at lower altitudes.  The mixing ratio of 
  184. Krypton (mass 84), then, would decrease with altitude, while that 
  185. of Helium (mass 4) would increase.  In reality, however, molecules 
  186. do not segregate by weight in the troposphere or stratosphere.  
  187. The relative proportions of Helium, Nitrogen, and Krypton are 
  188. unchanged up to about 100 km.  
  189.  
  190. Why is this? Vertical transport in the troposphere takes place by
  191. convection and turbulent mixing.  In the stratosphere and in the
  192. mesosphere, it takes place by "eddy diffusion" - the gradual mechanical 
  193. mixing of gas by motions on small scales. These mechanisms do not 
  194. distinguish molecular masses.  Only at much higher altitudes do mean 
  195. free paths become so large that _molecular_ diffusion dominates and 
  196. gravity is able to separate the different species, bringing hydrogen 
  197. and helium atoms to the top. 
  198. [Chamberlain and Hunten] [Wayne] [Wallace and Hobbs]
  199.  
  200. Experimental measurements of the fluorocarbon CF4 verify this
  201. homogeneous mixing.  CF4 has an extremely long lifetime in the
  202. stratosphere - probably many thousands of years.  The mixing ratio
  203. of CF4 in the stratosphere  was found to be 0.056-0.060 ppbv 
  204. from 10-50 km, with no overall trend.  [Zander et al. 1992]
  205.  
  206. An important trace gas that is *not* well-mixed is water vapor. The
  207. lower troposphere contains a great deal of water - as much as 30,000
  208. ppmv in humid tropical latitudes. High in the troposphere, however,
  209. the water condenses and falls to the earth as rain or snow, so that
  210. the stratosphere is extremely dry, typical mixing ratios being about
  211. 4 ppmv. Indeed, the transport of water vapor from troposphere to 
  212. stratosphere is even more inefficient than this would suggest, since 
  213. much of the small amount of water in the stratosphere is actually
  214. produced _in situ_ by the oxidation of methane.
  215.  
  216. Sometimes that part of the atmosphere in which the chemical
  217. composition of stable species does not change with altitude is
  218. called the "homosphere". The homosphere includes the troposphere,
  219. stratosphere, and mesosphere. The upper regions of the atmosphere 
  220. - the "thermosphere" and the "exosphere" - are then referred to as 
  221. the "heterosphere". [Wayne] [Wallace and Hobbs]
  222.  
  223.  
  224. 2. THE OZONE LAYER
  225.  
  226. 2.1) How is ozone created?
  227.  
  228. Ozone is formed naturally in the upper stratosphere by short
  229. wavelength ultraviolet radiation. Wavelengths less than ~240
  230. nanometers are absorbed by oxygen molecules (O2), which dissociate to
  231. give O atoms. The O atoms combine with other oxygen molecules to 
  232. make ozone: 
  233.  
  234.  O2 + hv -> O + O  (wavelength < 240 nm)
  235.  O + O2 -> O3
  236.  
  237. 2.2) How much ozone is in the layer, and what is a "Dobson Unit" ?
  238.  
  239. A Dobson Unit (DU) is a convenient scale for measuring the total
  240. amount of ozone occupying a column overhead.  If the ozone layer
  241. over the US were compressed to 0 degrees Celsius and 1 atmosphere
  242. pressure, it would be about 3 mm thick. So, 0.01 mm thickness at 
  243. 0 C and 1 at is defined to be 1 DU; this makes the ozone layer over
  244. the US come out to ~300 DU. In absolute terms, 1 DU is about 
  245. 2.7 x 10^16 molecules/cm^2. 
  246.  
  247. In all, there are about 3 billion metric tons, or 3x10^15 grams,
  248. of ozone in the earth's atmosphere; about 90% of this is in the 
  249. stratosphere.
  250.  
  251. The unit is named after G.M.B. Dobson, who carried out pioneering 
  252. studies of atmospheric ozone between ~1920-1960. Dobson designed
  253. the standard instrument used to measure ozone from the ground. The
  254. Dobson spectrometer measures the intensity solar UV radiation at
  255. four wavelengths, two of which are absorbed by ozone and two of
  256. which are not. These instruments are still in use in many places,
  257. although they are gradually being replaced by the more elaborate
  258. Brewer spectrometers. Today ozone is measured in many ways, from
  259. aircraft, balloons, satellites, and space shuttle missions, but the
  260. worldwide Dobson network is the only source of long-term data. A
  261. station at Arosa in Switzerland has been measuring ozone since the
  262. 1920's, and some other stations have records that go back nearly as
  263. long (although many were interrupted during World War II). The 
  264. present worldwide network went into operation in 1956-57.
  265.  
  266. 2.3) How is ozone distributed in the stratosphere?
  267.  
  268. In absolute terms: about 10^12 molecules/cm^3 at 15 km, rising to
  269. nearly 10^13 at 25 km, then falling to 10^11 at 45 km.
  270.  
  271. In relative terms: ~0.5 parts per million by volume (ppmv) at 15 km, 
  272. rising to ~8 ppmv at ~35 km, falling to ~3 ppmv at 45 km.
  273.  
  274. Even in the thickest part of the layer, ozone is a trace gas.
  275.  
  276. 2.4) How does the ozone layer work?
  277.  
  278. UV light with wavelengths between 240 and 320 nm is absorbed by
  279. ozone, which then falls apart to give an O atom and an O2 molecule. 
  280. The O atom soon encounters another O2 molecule, however (at all times,
  281. the concentration of O2 far exceeds that of O3), and recreates O3:
  282.  
  283.  O3 + hv -> O2 + O
  284.  O + O2 -> O3
  285.  
  286. Thus _ozone absorbs UV radiation without itself being consumed_; 
  287. the net result is to convert UV light into heat. Indeed, this is
  288. what causes the temperature of the  stratosphere to increase with
  289. altitude, giving rise to the inversion layer that traps molecules in
  290. the troposphere. The ozone layer isn't just _in_ the stratosphere; the 
  291. ozone layer is responsible for the _existence_ of the stratosphere.        
  292.  
  293. Ozone _is_ destroyed if an O atom and an O3 molecule meet:
  294.  
  295.  O + O3 -> 2 O2  ("recombination").
  296.  
  297. This reaction is slow, however, and if it were the only mechanism 
  298. for ozone loss, the ozone layer would be about twice as thick
  299. as it is. Certain trace species, such as the oxides of Nitrogen (NO
  300. and NO2), Hydrogen (H, OH, and HO2) and chlorine (Cl, ClO and ClO2)
  301. can catalyze the recombination.  The present ozone layer is a
  302. result of a competition between photolysis and recombination;
  303. increasing the recombination rate, by increasing the
  304. concentration of catalysts, results in a thinner ozone layer.
  305.  
  306. Putting the pieces together, we have the set of reactions proposed
  307. in the 1930's by Sidney Chapman:
  308.  
  309.  O2 + hv -> O + O  (wavelength < 240 nm)  : creation of oxygen atoms
  310.  O + O2 -> O3                             : formation of ozone
  311.  O3 + hv -> O2 + O (wavelength < 320 nm)  : absorption of UV by ozone
  312.  O + O3 -> 2 O2                           : recombination .
  313.   
  314. Since the photolysis of O2 requires UV radiation while
  315. recombination does not, one might guess that ozone should increase
  316. during the day and decrease at night. This has led some people to
  317. suggest that the "antarctic ozone hole" is merely a result of the
  318. long antarctic winter nights. This inference is incorrect, because
  319. the recombination reaction requires oxygen atoms which are also
  320. produced by photolysis. Throughout the stratosphere the concentration 
  321. of O atoms is orders of magnitude smaller than the concentration of 
  322. O3 molecules, so both the production and the destruction of ozone by 
  323. the above mechanisms shut down at night. In fact, the thickness of the 
  324. ozone layer varies very little from day to night, and above 70 km 
  325. ozone concentrations actually _increase_ at night. 
  326.  
  327. (The unusual catalytic cycles that operate in the antarctic ozone 
  328. hole do not require O atoms; however, they still require light to
  329. operate because they also include photolytic steps. See Part III.)
  330.  
  331. 2.5) What sorts of natural variations does the ozone layer show?
  332.  
  333. There are substantial variations from place to place, and from
  334. season to season. There are smaller variations on time scales of
  335. years and more. [Wayne] [Rowland 1991]
  336.  
  337.  a. Regional and Seasonal Variation
  338.  
  339. Since solar radiation makes ozone, one expects to see the
  340. thickness of the ozone layer vary during the year. This is so,
  341. although the details do not depend simply upon the amount of solar
  342. radiation received at a given latitude and season - one must also
  343. take atmospheric motions into account. (Remember that
  344. both production and destruction of ozone require solar radiation.)
  345.  
  346. The ozone layer is thinnest in the tropics, about 260 DU, almost
  347. independent of season. Away from the tropics seasonal variations
  348. become important, but in no case (outside the Antarctic ozone hole)
  349. does the layer become appreciably thinner than in the tropics. For
  350. example:
  351.  
  352.     Location                          Column thickness, Dobson Units
  353.  
  354.                                         Jan     Apr     Jul     Oct
  355.  
  356.  Huancayo, Peru (12 degrees S) :        255     255     260     260
  357.  Aspendale, Australia (38 deg. S):      300     280     335     360
  358.  Arosa, Switzerland  (47 deg. N):       335     375     320     280
  359.  St. Petersburg, Russia (60 deg. N):    360     425     345     300
  360.  
  361. These are monthly averages. Interannual standard deviations amount
  362. to ~5 DU for Huancayo, 25 DU for St. Petersburg. [Rowland 1991]. 
  363. Notice that the highest ozone levels are found in the _spring_, 
  364. not, as one might guess, in summer, and the lowest in the fall,
  365. not winter. Indeed, at high latitudes in the Northern Hemisphere
  366. there is more ozone in January than in July! Most of the ozone is 
  367. created over the tropics, and then is carried to higher latitudes 
  368. by prevailing winds (the general circulation of the stratosphere.)
  369. [Dobson] [Garcia] [Salby and Garcia] [Brasseur and Solomon]
  370.  
  371. The antarctic ozone hole, discussed in detail in Part III, falls
  372. *far outside* this range of natural variation. Mean October ozone
  373. at Halley Bay on the Antarctic coast was 117 DU in 1993, down 
  374. from 321 DU in 1956.
  375.  
  376. b. Year-to-year variations.
  377.  
  378. Since ozone is created by solar UV radiation, one expects to see
  379. some correlation with the 11-year solar sunspot cycle. Higher
  380. sunspot activity corresponds to more solar UV and hence more rapid
  381. ozone production. This correlation has been verified, although
  382. its effect is small, about 2% from peak to trough averaged over the
  383. earth, about 4% in polar regions. [Stolarski et al.]
  384.  
  385. Another natural cycle is connected with the "quasibiennial 
  386. oscillation", in which tropical winds in the lower stratosphere
  387. switch from easterly to westerly every 26 months. This leads to
  388. variations of the order of 3% at a given latitude, although the
  389. effect tends to cancel when one averages over the entire globe.
  390.  
  391. Episodes of unusual solar activity ("solar proton events") can
  392. also affect ozone levels, as can major volcanic eruptions such as
  393. Agung in 1963, El Chichon in 1982, and Pinatubo in 1991. (The
  394. principal mechanism for this is _not_ injection of chlorine into
  395. the stratosphere, as discussed in  Part II, but rather the
  396. injection of sulfate aerosols which change the radiation balance
  397. in the stratosphere by scattering light, and which convert
  398. inactive chlorine compounds to active, ozone-destroying forms.)
  399. These are all small effects, however, (a few % at most in a global
  400. average), and persist for short periods, 3 years or less.
  401.  
  402. 2.6) What are CFC's?
  403.  
  404. CFC's - ChloroFluoroCarbons - are a class of volatile organic compounds 
  405. that have been used as refrigerants, aerosol propellants, foam blowing 
  406. agents, and as solvents in the electronic industry. They are chemically 
  407. very unreactive, and hence safe to work with. In fact, they are so inert 
  408. that the natural reagents that remove most atmospheric pollutants do not 
  409. react with them, so after many years they drift up to the stratosphere 
  410. where short-wave UV light dissociates them. CFC's were invented in 1928, 
  411. but only came into large-scale production after ~1950. Since that year,
  412. the total amount of chlorine in the stratosphere has increased by
  413. a factor of 4. [Solomon]
  414.  
  415. The most important CFC's for ozone depletion are:
  416.  
  417.   CF2Cl2 (CFC-12),
  418.   CFCl3 (CFC-11), and
  419.   CF2ClCFCl2 (CFC-113).
  420.  
  421. In discussing ozone depletion, "CFC" is occasionally used to 
  422. refer to a somewhat broader class of chlorine-containing organic
  423. compounds that have similar properties - unreactive in the
  424. troposphere, but readily  photolyzed in the stratosphere. These
  425. include:
  426.  
  427.  HydroChloroFluoroCarbons such as CHClF2 (HCFC-22),
  428.  Carbon Tetrachloride, CCl4,
  429.  Methyl Chloroform, CH3CCl3,
  430.  and Methyl Chloride, CH3Cl.
  431.  
  432. (The more careful publications always use phrases like "CFC's and
  433. related compounds", but this gets tedious.)
  434.  
  435. Only methyl chloride has a large natural source; it is produced 
  436. biologically in the oceans and chemically from biomass burning. 
  437. The CFC's and CCl4 are nearly inert in the troposphere, and have
  438. lifetimes of 50-200+ years.  Their major "sink" is photolysis by UV
  439. radiation. [Rowland 1989, 1991] The hydrogen-containing halocarbons
  440. are more reactive, and are removed in the troposphere by reactions
  441. with OH radicals. This process is slow, however, and they live long
  442. enough (1-20 years) for a large fraction to reach the stratosphere.
  443.  
  444. Most of Part II is devoted to stratospheric chlorine chemistry;
  445. look there for more detail.
  446.  
  447. 2.7) How do CFC's destroy ozone?
  448.  
  449. CFC's themselves do not destroy ozone; certain of their decay products 
  450. do.  After CFC's are photolyzed, most of the chlorine eventually ends 
  451. up as Hydrogen Chloride, HCl, or Chlorine Nitrate, ClONO2. These are 
  452. called "reservoir species" - they do not themselves react with ozone. 
  453. However, they do decompose to some extent, giving, among other things, 
  454. a small amount of atomic chlorine, Cl, and Chlorine Monoxide, ClO, 
  455. which can catalyze the destruction of ozone by a number of mechanisms. 
  456. The simplest is:
  457.  
  458.   Cl + O3 -> ClO + O2  
  459.  
  460.   ClO + O -> Cl + O2 
  461.  
  462.  Net effect: O3 + O -> 2 O2  
  463.  
  464. Note that the Cl atom is a _catalyst_ - it is not consumed by the 
  465. reaction. Each Cl atom introduced into the stratosphere can
  466. destroy thousands of ozone molecules before it is removed.
  467. The process is even more dramatic for Bromine - it has no stable
  468. "reservoirs", so the Br atom is always available to destroy ozone.
  469. On a per-atom basis, Br is 10-100 times as destructive as Cl.
  470. On the other hand, chlorine and bromine concentrations in
  471. the stratosphere are very small in absolute terms. The mixing ratio
  472. of chlorine from all sources in the stratosphere is about 3 parts
  473. per billion, (most of which is in the form of CFC's that have not
  474. yet fully decomposed) whereas ozone mixing ratios are measured in
  475. parts per million.  Bromine concentrations are about 100 times
  476. smaller still. (See Part II.)
  477.  
  478. The complete chemistry is very complicated - more than 100
  479. distinct species are involved. The rate of ozone destruction at any 
  480. given time and place depends strongly upon how much Cl is present
  481. as Cl or ClO, and thus upon the rate at which Cl is released from
  482. its reservoirs.  This makes quantitative _predictions_ of future
  483. ozone depletion difficult. [Rowland 1989, 1991] [Wayne]
  484.  
  485. 2.8) What about HCFC's and HFC's? Do they destroy ozone?
  486.  
  487. HCFC's (hydrochlorofluorocarbons) differ from CFC's in that only
  488. some, rather than all, of the hydrogen in the parent hydrocarbon
  489. has been replaced by chlorine or fluorine. The most familiar
  490. example is CHClF2, known as "HCFC-22", used as a refrigerant and 
  491. in many home air conditioners (auto air conditioners use CFC-12). 
  492. The hydrogen atom makes the molecule susceptible to attack by the
  493. hydroxyl (OH) radical, so a large fraction of the HCFC's are
  494. destroyed before they reach the stratosphere. Molecule for
  495. molecule, then, HCFC's destroy much less ozone than CFC's, and 
  496. they were suggested as CFC substitutes as long ago as 1976. 
  497.  
  498. The impact of a compound on stratospheric ozone is usually
  499. measured by its "ozone depletion potential", defined as the
  500. steady-state limit of the amount of ozone destroyed by the
  501. halocarbon, relative to the amount destroyed by CFC-12. HCFC's
  502. generally have ozone depletion potentials around 0.01-0.1, so that
  503. during its lifetime a typical HCFC will have destroyed 1-10% as
  504. much ozone as the same amount of CFC-12. This measure can sometimes 
  505. be misleading, however. Since the HCFC's are more reactive in the 
  506. troposphere, fewer of them reach the stratosphere. However, they are
  507. also more reactive in the stratosphere, so they release chlorine 
  508. more quickly. Just as short-lived radioisotopes are more intensely 
  509. radioactive than long-lived ones, those HCFC's that do reach the
  510. stratosphere deplete ozone more quickly than CFC's. The short-term 
  511. effects are therefore larger than one would predict from the ozone 
  512. depletion potential alone, and the long-term effects correspondingly 
  513. smaller. This must be taken into account when substituting HCFC's 
  514. for CFC's. [Solomon and Albritton]
  515.  
  516. HFC's, hydrofluorocarbons, contain no chlorine at all, and hence
  517. have an ozone depletion potential of zero. (In 1993 there were
  518. tentative reports that the fluorocarbon radicals produced by 
  519. photolysis of HFC's could catalyze ozone loss, but this has now
  520. been shown to be negligible [Ravishankara et al.]) A familiar
  521. example is CF3CH2F, known as HFC-134a, which is being used in some
  522. automobile air conditioners and refrigerators. HFC-134a is more
  523. expensive and more difficult to work with than CFC's, and while it
  524. has no effect on stratospheric ozone it is a greenhouse gas (though
  525. somewhat less potent than the CFC's). Some engineers have argued 
  526. that non-CFC fluids, such as propane-isobutane mixtures, are better 
  527. substitutes for CFC-12 in auto air conditioners than HFC-134a. 
  528.  
  529. 2.9) *IS* the ozone layer getting thinner (outside antarctica) ?
  530.  
  531. So it seems, although so far the effects are small. After
  532. carefully accounting for all of the known natural variations, a
  533. net decrease of about 3% per decade for the period 1978-1991
  534. remains.  This is a global average over latitudes from 66 degrees
  535. S to 66 degrees N (i.e. the arctic and antarctic are excluded in
  536. calculating the average). The depletion increases with latitude,
  537. being somewhat larger in the Southern Hemisphere. There is no
  538. significant depletion in the tropics; over the US, Europe, and
  539. Australia 4%/decade is typical. The depletion is larger in the
  540. winter months, smaller  in the summer. [Stolarski et al.] 
  541.  
  542. The following table, extracted from a much more detailed one in
  543. [Herman et al.], illustrates the seasonal and regional trends in
  544. _percent per decade_ for the period 1979-1990:
  545.  
  546.  Latitude      Jan     Apr     Jul     Oct      Example
  547.  
  548.   65 N        -3.0    -6.6    -3.8    -5.6      Iceland
  549.   55 N        -4.6    -6.7    -3.1    -4.4      Moscow, Russia
  550.   45 N        -7.0    -6.8    -2.4    -3.1      Minneapolis, USA
  551.   35 N        -7.3    -4.7    -1.9    -1.6      Tokyo
  552.   25 N        -4.2    -2.9    -1.0    -0.8      Miami, FL, USA
  553.    5 N        -0.1    +1.0    -0.1    +1.3      Somalia
  554.    
  555.    5 S        +0.2    +1.0    -0.2    +1.3      New Guinea
  556.   25 S        -2.1    -1.6    -1.6    -1.1      Pretoria, S. Africa
  557.   35 S        -3.6    -3.2    -4.5    -2.6      Buenos Aires 
  558.   45 S        -4.8    -4.2    -7.7    -4.4      New Zealand
  559.   55 S        -6.1    -5.6    -9.8    -9.7      Tierra del Fuego
  560.   65 S        -6.0    -8.6   -13.1   -19.5      Palmer Peninsula 
  561.  
  562. (These are longitudinally averaged satellite data, not individual
  563. measurements at the places listed in the right-hand column. There
  564. are longitudinal trends as well.)
  565.  
  566. After 1991 these trends accelerated. Satellite and
  567. ground-based measurements show a remarkable decline for 1992
  568. and early 1993, a full 4% below the average value for the 
  569. preceding twelve years and 2-3% below the _lowest_ values observed
  570. in the earlier period. In Canada the spring ozone levels were 11-17% 
  571. below normal [Kerr et al.]. This decline overwhelms the
  572. effect of the solar cycle; 1991 was a solar maximum, while the 
  573. 1992 results are already below those for the 1986 solar minimum.
  574. Sulfate aerosols from the July 1991 eruption of Mt. Pinatubo may
  575. be the cause of this latest spike; these aerosols can convert 
  576. inactive "reservoir" chlorine into active ozone-destroying forms,
  577. and can also interfere with the production and transport of ozone
  578. by changing the solar radiation balance in the stratosphere.
  579. [Brasseur and Granier] [Hofmann and Solomon] [Hofmann et al. 1994]
  580. Another cause may be the unusually strong arctic polar vortex in
  581. 1992-93, which made the arctic stratosphere more like the antarctic
  582. than is usually the case. [Gleason et al.] [Waters et al.] 
  583. Most likely all of these mechanisms are working in concert.
  584. In any event, the rapid ozone loss after 1991 appears to have been
  585. a transient phenomenon, superimposed upon the much slower downward 
  586. trend identified for 1970-1991.
  587.  
  588. 2.10) Is the middle-latitude ozone loss due to CFC emissions?
  589.  
  590. That's the majority opinion, although not everyone agrees. The
  591. present trends are too small to allow a watertight case to be made
  592. (as _has_ been made for the far larger, but localized, depletion 
  593. in the Antarctic Ozone hole; see Part III.). Other possible causes
  594. are being investigated. To quote from [WMO 1991], p. 4.1:
  595.  
  596.  "The primary cause of the _Antarctic ozone hole_ is firmly
  597. established to be halogen chemistry....There is not a full
  598. accounting of the observed downward trend in _global ozone_.
  599. Plausible mechanisms include heterogeneous chemistry on sulfate
  600. aerosols [which convert reservoir chlorine to active chlorine -
  601. R.P.] and the transport of chemically perturbed polar air to middle
  602. latitudes.  Although other mechanisms cannot be ruled out, those
  603. involving the catalytic destruction of ozone by chlorine and
  604. bromine appear to be largely responsible for the ozone loss and 
  605. _are the only ones for which direct evidence exists_."
  606.  
  607.  (emphases mine - RP)
  608.  
  609.  The recent UARS measurements of ozone and ClO in the Northern
  610. Hemisphere find a correlation between enhanced ClO and depleted
  611. ozone, which further supports this hypothesis. [Waters et al.]
  612. A legal analogy might be useful here - the connection between
  613. _antarctic_ ozone depletion and CFC emissions has been proved beyond
  614. a reasonable doubt, while at _middle latitudes_ there is only 
  615. probable cause for such a connection.
  616.  
  617. One must remember that there is a natural 10-20 year time lag
  618. between CFC emissions and ozone depletion. Ozone depletion today is
  619. (probably) due to CFC emissions in the '60's and '70's. Present
  620. controls on CFC emissions are designed to avoid possibly large
  621. amounts of ozone depletion 30 years from now, not to remediate the
  622. depletion that has taken place up to now.
  623.  
  624. 2.11) If the ozone is lost, won't the UV light just penetrate 
  625.       deeper into the atmosphere and make more ozone?
  626.  
  627.  This does happen to some extent - it's called "self-healing" - and
  628. has the effect of moving ozone from the upper to the lower
  629. stratosphere. Recall that ozone is _created_ by UV with wavelengths 
  630. less than 240 nm, but functions by _absorbing_ UV with wavelengths
  631. greater than 240 nm. The peak of the ozone absorption band is at
  632. ~250 nm, and the cross-section falls off at shorter wavelengths.
  633. The O2 and O3 absorption bands do overlap, though, and UV radiation 
  634. between 200 and 240 nm has a good chance of being absorbed by
  635. _either_ O2 or O3. (Below 200 nm the O2 absorption cross-section 
  636. increases dramatically, and O3 absorption is insignificant in 
  637. comparison.) Since there is some overlap, a decrease in ozone does 
  638. lead to a small increase in absorption by O2. This is a weak feedback, 
  639. however, and it does not compensate for the ozone destroyed. Negative 
  640. feedback need not imply stability, just as positive feedback need not 
  641. imply instability.
  642.  
  643. Numerical calculations of ozone depletion take the "self-healing" 
  644. phenomenon into account, by letting the perturbed ozone layer come
  645. into equilibrium with the exciting radiation.
  646.  
  647. 2.12) Do Space Shuttle launches damage the ozone layer?
  648.  
  649. No. In the early 1970's, when very little was known about the role
  650. of chlorine radicals in ozone depletion, it was suggested that HCl
  651. from solid-fueled rocket motors might have a significant effect upon 
  652. the ozone layer - if not globally, perhaps in the immediate vicinity
  653. of the launch. It was quickly shown that the effect was negligible,
  654. and this has been repeatedly demonstrated since. Each shuttle
  655. launch produces about 68 metric tons of chlorine as HCl; a full
  656. year's worth of shuttle and solid-fueled rocket launches produces 
  657. about 725 tons. This is negligible compared to chlorine emissions in
  658. the form of CFC's and related compounds (1.2 million tons/yr in
  659. the 1980's, of which ~300,000 tons reach the stratosphere each 
  660. year. It is also negligible in comparison to natural sources, which 
  661. produce about 75,000 tons per year. [Prather et al.] [WMO 1991].
  662.  
  663. See also the sci.space FAQ, Part 10, "Controversial Questions",
  664. available by anonymous ftp from rtfm.mit.edu in the directory
  665. pub/usenet/news.answers/space/controversy.
  666.  
  667. 2.13) Will commercial supersonic aircraft damage the ozone layer?
  668.  
  669. Short answer:  Probably not. This problem is very complicated,
  670. and a definite answer will not be available for several years, 
  671. but present model calculations indicate that a fleet of high-speed 
  672. civil transports would deplete the ozone layer by < 1%. [WMO 1991]
  673.  
  674. Long answer (this is a tough one):
  675.  
  676. Supersonic aircraft fly in the stratosphere. Since vertical transport 
  677. in the stratosphere is slow, the exhaust gases from a supersonic jet 
  678. can stay there for two years or more. The most important exhaust gases 
  679. are the nitrogen oxides, NO and NO2, collectively referred to as "NOx". 
  680. NOx is produced from ordinary nitrogen and oxygen by electrical 
  681. discharges (e.g. lightning) and by high-temperature combustion (e.g. in 
  682. automobile and aircraft engines). 
  683.  
  684. The relationship between NOx and ozone is complicated. In the 
  685. troposphere, NOx _makes_ ozone, a phenomenon well known to residents 
  686. of Los Angeles and other cities beset by photochemical smog. At high 
  687. altitudes in the troposphere, similar chemical reactions produce ozone 
  688. as a byproduct of the oxidation of methane; for this reason ordinary 
  689. subsonic aircraft actually increase the thickness of the ozone layer 
  690. by a very small amount.  
  691.  
  692. Things are very different in the stratosphere. Here the principal
  693. source of NOx is nitrous oxide, N2O ("laughing gas"). Most of the
  694. N2O in the atmosphere comes from bacteriological decomposition of
  695. organic matter - reduction of nitrate ions or oxidation of ammonium
  696. ions. (It was once assumed that anthropogenic sources were negligible
  697. in comparison, but this is now known to be false. The total 
  698. anthropogenic contribution is now estimated at 8 Tg (teragrams)/yr,
  699. compared to a natural source of 18 Tg/yr. [Khalil and Rasmussen].)
  700. N2O, unlike NOx, is very unreactive - it has an atmospheric lifetime 
  701. of more than 150 years - so it reaches the stratosphere, where most of
  702. it is converted to nitrogen and oxygen by UV photolysis.  However, a 
  703. small fraction of the N2O that reaches the stratosphere reacts instead 
  704. with oxygen atoms (to be precise, with the very rare electronically
  705. excited singlet-D oxygen atoms), and this is the major natural source 
  706. of NOx in the stratosphere. About 1.2 million tons are produced each 
  707. year in this way.  This source strength would be matched by 500 of the 
  708. SST's designed by Boeing in the late 1960's, each spending 5 hours per 
  709. day in the stratosphere. (Boeing was intending to sell 800 of these 
  710. aircraft.) The Concorde, a slower plane, produces less than half as
  711. much NOx and flies at a lower altitude; since the Concorde fleet is
  712. small, its contribution to stratospheric NOx is not significant. Before 
  713. sending large fleets of high-speed aircraft into the stratosphere, 
  714. however, one should certainly consider the possible effects of 
  715. increasing the rate of production of an important stratospheric trace 
  716. gas by as much as a factor of two. [CIC 1975]
  717.  
  718. In 1969, Paul Crutzen discovered that NOx could be an efficient 
  719. catalyst for the destruction of stratospheric ozone:
  720.       
  721.        NO + O3  -> NO2 + O2
  722.        NO2 + O -> NO + O2
  723. -------------------------------
  724.  net:  O3 + O -> 2 O2
  725.  
  726. This sequence was rediscovered two years later by H. S. Johnston, who
  727. made the connection to SST emissions.  Until then it had been thought 
  728. that the radicals H, OH, and HO2 (referred to collectively as "HOx")
  729. were the principal catalysts for ozone loss; thus, investigations of
  730. the impact of aircraft exhaust on stratospheric ozone had focussed on 
  731. emissions of water vapor, a possible source for these radicals. (The 
  732. importance of chlorine radicals, Cl, ClO, and ClO2, referred to as - 
  733. you guessed it - "ClOx", was not discovered until 1973.) It had been
  734. argued - correctly, as it turns out - that water vapor injection was
  735. unimportant for determining the ozone balance.  The discovery of 
  736. the NOx cycle threw the question open again.
  737.  
  738. Beginning in 1972, the U.S. National Academies of Science and
  739. Engineering and the Department of Transportation sponsored an
  740. intensive program of stratospheric research. [CIC 1975] It soon
  741. became clear that the relationship between NOx emissions and the
  742. ozone layer was very complicated.  The stratospheric lifetime of
  743. NOx is comparable to the timescale for transport from North to
  744. South, so its concentration depends strongly upon latitude.  Much
  745. of the NOx is injected near the tropopause, a region where
  746. quantitative modelling is very difficult, and the results of
  747. calculations depend sensitively upon how troposphere-stratosphere
  748. exchange is treated. Stratospheric NOx chemistry is _extremely_
  749. complicated, much worse than chlorine chemistry. Among other
  750. things, NO2 reacts rapidly with ClO, forming the inactive chlorine
  751. reservoir ClONO2 - so while on the one hand increasing NOx leads
  752. directly to ozone loss, on the other it suppresses the action
  753. of the more potent chlorine catalyst. And on top of all of this, the
  754. SST's always spend part of their time in the troposphere, where NOx
  755. emissions cause ozone increases. Estimates of long-term ozone
  756. changes due to large-scale NOx emissions varied markedly from year
  757. to year, going from -10% in 1974, to +2% (i.e. a net ozone _gain_)
  758. in 1979, to -8% in 1982. (In contrast, while the estimates of the
  759. effects of CFC emissions on ozone also varied a great deal in these
  760. early years, they always gave a net loss of ozone.) [Wayne]
  761.  
  762. The discovery of the Antarctic ozone hole added a new piece to the
  763. puzzle. As described in Part III, the ozone hole is caused by
  764. heterogeneous chemistry on the surfaces of stratospheric cloud
  765. particles. While these clouds are only found in polar regions,
  766. similar chemical reactions take place on sulfate aerosols which are
  767. found throughout the lower stratosphere. The most important of the
  768. aerosol reactions is the conversion of N2O5 to nitric acid:
  769.  
  770.  N2O5 + H2O -> 2 HNO3 (catalyzed by aerosol surfaces)
  771.  
  772. N2O5 is in equilibrium with NOx, so removal of N2O5 by this
  773. reaction lowers the NOx concentration.  The result is that in the
  774. lower stratosphere the NOx catalytic cycle contributes much less to
  775. overall ozone loss than the HOx and ClOx cycles. Ironically, the
  776. same processes that makes chlorine-catalyzed ozone depletion so
  777. much more important than was believed 10 years ago, also make
  778. NOx-catalyzed ozone loss less important. 
  779.  
  780. In the meantime, there has been a great deal of progress in
  781. developing jet engines that will produce much less NOx - up to a
  782. factor of 10 - than the old Boeing SST. The most recent model
  783. calculations indicate that a fleet of the new "high-speed civil
  784. transports" would deplete the ozone layer by less than 1%. Caution
  785. is still required, since the experiment has not been done - we have
  786. not yet tried adding large amounts of NOx to the stratosphere. The
  787. forecasts, however, are good. [WMO 1991, Ch. 10]
  788.  
  789. ..................................................................
  790. _Aside_: One sometimes hears that the US government killed the SST
  791. project in 1971 because of concerns raised by H. S. Johnston's work 
  792. on NOx. This is not true. The US House of Representatives had already
  793. voted to cut off Federal funding for the SST when Johnston began
  794. his calculations. The House debate had centered around economics and 
  795. the effects of noise, especially sonic booms, although there were 
  796. some vague remarks about "pollution" and one physicist had testified
  797. about the possible effects of water vapor on ozone. About 6 weeks 
  798. after both houses had voted to cancel the SST, its supporters 
  799. succeeded in reviving the project in the House. In the meantime, 
  800. Johnston had sent a preliminary report to several professional 
  801. colleagues and submitted a paper to _Science_. A preprint of 
  802. Johnston's report leaked to a small California newspaper which 
  803. published a highly sensationalized account. The story hit the press 
  804. a few days before the Senate voted, 58-37, not to revive the SST.
  805. (The previous Senate vote had been 51-46 to cancel the project. The 
  806. reason for the larger majority in the second vote was probably the 
  807. statement by Boeing's chairman that at least $500 million more would 
  808. be needed to revive the program.)
  809. ....................................................................
  810.  
  811.  
  812. 2.14) What is being done about ozone depletion?
  813.  
  814. The 1987 Montreal Protocol specified that CFC emissions should be
  815. reduced by 50% by the year 2000 (they had been _increasing_ by 3%
  816. per year.)  This agreement was amended in London in 1990, to state
  817. that production of CFC's, CCl4, and halons should cease entirely by
  818. the year 2000.  Restrictions have also been applied to other Cl
  819. sources such as methylchloroform. (The details of the protocols are
  820. complicated, involving different schedules for different compounds,
  821. delays for developing nations, etc. See the book by [Benedick].) 
  822. The phase-out schedule was accelerated by four years by the 1992 
  823. Copenhagen agreements. A great deal of effort has been devoted to 
  824. recovering and recycling CFC's that are currently being used in 
  825. closed-cycle systems.
  826.  
  827. Recent NOAA measurements [Elkins et al.] show that the _rate of 
  828. increase_ of halocarbon concentrations in the atmosphere has decreased
  829. markedly since 1987, by a factor of 4 for CFC-11 and a factor of 2
  830. for CFC-12. It appears that the Protocols are being observed. Under 
  831. these conditions total stratospheric chlorine is predicted to peak 
  832. in the first decade of the 21st century, and to slowly decline 
  833. thereafter.
  834.  
  835. Model calculations predict that ozone levels, averaged over the
  836. year and over the Northern hemisphere, will fall to about 4% below
  837. 1980 levels in the first decade of the 21st century if the
  838. protocols are obeyed. Very little depletion is expected in the
  839. tropics, so correspondingly larger losses - more than 6% - are
  840. expected at middle and high latitudes. These same models have
  841. systematically _underestimated_ ozone depletion in the past, so
  842. significantly larger losses are expected. In fact, 4% global
  843. year-averaged ozone depletion was _already_ measured in 1993 
  844. [Gleason et al.] although this is in part a transient caused by 
  845. Mt. Pinatubo's eruption in July 1991. After 2010 the ozone layer 
  846. will slowly recover over a period of 20 years or so, although the 
  847. form of the recovery is strongly model-dependent. [WMO 1991]
  848. I have no results at hand for the southern hemisphere; if current
  849. trends continue ozone depletion will be more serious there. The
  850. antarctic ozone hole is expected to last until 2050 or so. This
  851. does not take into account the possibility of global warming,
  852. which by cooling the stratosphere could make ozone depletion more
  853. serious both at mid latitudes and in polar regions.
  854.  
  855. Some scientists are investigating ways to replenish stratospheric
  856. ozone, either by removing CFC's from the troposphere or by tying up
  857. the chlorine in inactive compounds. This is discussed in Part III.
  858.  
  859. ___________________________________________________________________
  860.  
  861. 3.  REFERENCES FOR PART I
  862.  
  863. A remark on references: they are neither representative nor
  864. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  865. problems. Where possible I have limited myself to papers that
  866. are (1) available outside of University libraries (e.g. _Science_ 
  867. or _Nature_ rather than archival journals such as _J. Geophys. Res._) 
  868. and (2) directly related to the "frequently asked questions". 
  869. I have not listed papers whose importance is primarily historical.
  870. Readers who want to see "who did what" should consult the review 
  871. articles listed below, or, if they can get them, the WMO reports 
  872. which are extensively documented.
  873.  
  874.  
  875. Introductory Reading:
  876.  
  877. [Garcia] R. R. Garcia, _Causes of Ozone Depletion_, _Physics World_
  878. April 1994 pp 49-55.
  879.  
  880. [Graedel and Crutzen] T. E. Graedel and P. J. Crutzen, 
  881. _Atmospheric Change: an Earth System Perspective_, Freeman, NY 1993.
  882.  
  883. [Rowland 1989] F.S. Rowland, "Chlorofluorocarbons and the depletion
  884. of stratospheric ozone", _American Scientist_ _77_, 36, 1989.
  885.  
  886. [Zurer] P. S. Zurer, "Ozone Depletion's Recurring Surprises
  887. Challenge Atmospheric Scientists", _Chemical and Engineering News_,
  888. 24 May 1993,  pp. 9-18.
  889.  
  890. ----------------------------
  891. Books and Review Articles:
  892.  
  893. [Benedick] R. Benedick, _Ozone Diplomacy_, Harvard, 1991.
  894.  
  895. [Brasseur and Solomon] G. Brasseur and S. Solomon, _Aeronomy of 
  896. the Middle Atmosphere_, 2nd. Edition, D. Reidel, 1986
  897.  
  898. [Chamberlain and Hunten] J. W. Chamberlain and D. M. Hunten,
  899. _Theory of Planetary Atmospheres_, 2nd Edition, Academic Press, 1987
  900.  
  901. [Dobson] G.M.B. Dobson, _Exploring the Atmosphere_, 2nd Edition,
  902.  Oxford, 1968. 
  903.  
  904. [CIC 1975] Climate Impact Committee, National Research Council,
  905. _Environmental Impact of Stratospheric Flight_, 
  906.  National Academy of Sciences, 1975.
  907.  
  908. [Johnston 1992] H. S. Johnston, "Atmospheric Ozone", 
  909. _Annu. Rev. Phys. Chem._ _43_, 1, 1992.
  910.  
  911. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich, 
  912. "Changing Composition of the Global Stratosphere", 
  913. _Science_ _243, 763, 1989.
  914.  
  915. [Rowland 1991] F. S. Rowland, "Stratospheric Ozone Depletion", 
  916. _Ann. Rev. Phys. Chem._ _42_, 731, 1991.
  917.  
  918. [Salby and Garcia] M. L. Salby and R. R. Garcia, "Dynamical Perturbations
  919.  to the Ozone Layer", _Physics Today_ _43_, 38, March 1990.
  920.  
  921. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative understanding
  922.  of Antarctic ozone depletion", _Nature_ _347_, 347, 1990.
  923.  
  924. [Wallace and Hobbs] J. M. Wallace and P. V. Hobbs,
  925. _Atmospheric Science: an Introductory Survey_, Academic Press, 1977.
  926.  
  927. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 
  928.         2nd.  Ed., Oxford, 1991.
  929.  
  930. [WMO 1988] World Meteorological Organization, 
  931. _Report of the International Ozone Trends Panel_, 
  932.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #18.
  933.  
  934. [WMO 1989] World Meteorological Organization, 
  935. _Scientific Assessment of Stratospheric Ozone: 1991_
  936.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #20.
  937.  
  938. [WMO 1991] World Meteorological Organization, 
  939. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991_
  940.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #25.
  941.  
  942. -----------------------------------
  943. More Specialized:
  944.  
  945. [Brasseur and Granier] G. Brasseur and C. Granier, "Mt. Pinatubo
  946.  aerosols, chlorofluorocarbons, and ozone depletion", _Science_
  947.  _257_, 1239,1992.
  948.  
  949. [Elkins et al.] J. W. Elkins, T. M. Thompson, T. H. Swanson,
  950. J. H. Butler, B. D. Hall, S. O. Cummings, D. A. Fisher, and 
  951. A. G. Raffo, "Decrease in Growth Rates of Atmospheric 
  952. Chlorofluorocarbons 11 and 12", _Nature_ _364_, 780, 1993.
  953.  
  954. [Gleason et al.] J. Gleason, P. Bhatia, J. Herman, R. McPeters, P.
  955. Newman, R. Stolarski, L. Flynn, G. Labow, D. Larko, C. Seftor, C.
  956. Wellemeyer, W. Komhyr, A. Miller, and W. Planet, "Record Low Global
  957. Ozone in 1992", _Science_ _260_, 523, 1993.
  958.  
  959. [Herman et al.] J. R. Herman, R. McPeters, and D. Larko,
  960.  "Ozone depletion at northern and southern latitudes derived
  961.  from January 1979 to December 1991 TOMS data",
  962.  J. Geophys. Res. _98_, 12783, 1993.
  963.  
  964. [Hofmann and Solomon] D. J. Hofmann and S. Solomon, "Ozone 
  965. destruction through heterogeneous chemistry following the 
  966. eruption of El Chichon", J. Geophys. Res. _94_, 5029, 1989.
  967.  
  968. [Hofmann et al. 1994] D. J. Hofmann, S. J. Oltmans, W. D. Komhyr, 
  969. J. M. Harris, J. A. Lathrop, A. O. Langford, T. Deshler, 
  970. B. J. Johnson, A. Torres, and W. A. Matthews,
  971. "Ozone Loss in the lower stratosphere over the United States in
  972. 1992-1993: Evidence for heterogeneous chemistry on the Pinatubo
  973. aerosol", Geophys. Res. Lett. _21_, 65, 1994.
  974.  
  975. [Kerr et al.] J. B. Kerr, D. I. Wardle, and P. W. Towsick,
  976. "Record low ozone values over Canada in early 1993",
  977. Geophys. Res. Lett. _20_, 1979, 1993.
  978.  
  979. [Khalil and Rasmussen] M.A.K. Khalil and R. Rasmussen, "The Global
  980.  Sources of Nitrous Oxide", _J. Geophys. Res._ _97_, 14651, 1992.
  981.  
  982. [Prather et al. ] M. J. Prather, M.M. Garcia, A.R. Douglass, C.H.
  983. Jackman, M.K.W. Ko, and N.D. Sze, "The Space Shuttle's impact on
  984. the stratosphere", J. Geophys. Res. _95_, 18583, 1990.
  985.  
  986. [Ravishankara et al.] A. R. Ravishankara, A. A. Turnipseed,
  987. N. R. Jensen, S. Barone, M. Mills, C. J. Howard, and S. Solomon,
  988. "Do Hydrofluorocarbons Destroy Stratospheric Ozone?",
  989.   _Science_ _263_, 71, 1994.
  990.  
  991. [Solomon and Albritton] S. Solomon and D.L. Albritton,
  992. "Time-dependent ozone depletion potentials for short- and long-term
  993. forecasts", _Nature_ _357_, 33, 1992.
  994.  
  995. [Stolarski et al.]  R. Stolarski, R. Bojkov, L. Bishop, C. Zerefos,
  996.  J. Staehelin, and J. Zawodny, "Measured Trends in Stratospheric
  997. Ozone",  Science _256_, 342 (17 April 1992)
  998.  
  999. [Waters et al.] J. Waters, L. Froidevaux, W. Read, G. Manney, L.
  1000. Elson, D. Flower, R. Jarnot, and R. Harwood, "Stratospheric ClO and
  1001. ozone from the Microwave Limb Sounder on the Upper Atmosphere
  1002. Research Satellite", _Nature_ _362_, 597, 1993.
  1003.  
  1004. [Zander et al. 1992] R. Zander, M. R. Gunson, C. B. Farmer, C. P.
  1005. Rinsland, F. W. Irion, and E. Mahieu, "The 1985 chlorine and
  1006. fluorine inventories in the stratosphere based on ATMOS
  1007. observations at 30 degrees North latitude",  J. Atmos. Chem. _15_,
  1008. 171, 1992.
  1009.  
  1010.  
  1011.  
  1012.  
  1013. -------------------------------------------------------------------------------
  1014. Area # 2120  news.answers           05-26-94 15:52      Message # 13061
  1015. From    : RPARSON@SPOT.COLORADO.ED
  1016. To      : ALL                                           
  1017. Subj    : Ozone Depletion FAQ Part
  1018.  
  1019.  @SUBJECT:Ozone Depletion FAQ Part II: Stratospheric Chlorine and Brom 
  1020. Message-ID: <CqFDvw.2CH@cnsnews.Colorado.EDU>
  1021. Newsgroups: sci.environment,sci.answers,news.answers
  1022. Organization: University of Colorado, Boulder
  1023.  
  1024. Archive-name: ozone-depletion/stratcl
  1025. Last-modified: 8 May 1994
  1026. Version: 4.3
  1027.  
  1028.  
  1029. These files are posted monthly, usually in the third week of the month.
  1030. They may be obtained by anonymous ftp from rtfm.mit.edu in the directory:
  1031.  
  1032.     /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion
  1033.  
  1034.  which contains the four files intro, stratcl, antarctic, and uv.
  1035.  
  1036.  They may also be obtained by sending the following message
  1037.  to mail-server@rtfm.mit.edu:
  1038.  
  1039.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  1040.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/stratcl
  1041.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/antarctic
  1042.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/uv
  1043.  
  1044.  Leave the subject line blank.
  1045.  If you want to find out more about the mail server, send a
  1046.  message to it containing the word "help".
  1047.                                                                        
  1048. ***********************************************************************
  1049. * Copyright 1994 Robert Parson                                        *
  1050. *                                                                     *
  1051. * This file may be distributed, copied, and archived. All             *
  1052. * copies must include this notice and the paragraph below entitled    *
  1053. * "Caveat".  Reproduction and distribution for profit is              *
  1054. * NOT permitted. If this document is transmitted to other networks or *
  1055. * stored on an electronic archive, I ask that you inform me. I also   *
  1056. * request that you inform me before including any of this information *
  1057. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  1058. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  1059. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  1060. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  1061. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  1062. * to the original published source, not to this document.             *
  1063. ***********************************************************************
  1064.  
  1065.  
  1066. This part deals not with ozone depletion per se (that is covered
  1067. in Part I) but rather with the sources and sinks of chlorine and
  1068. bromine in the stratosphere. Special attention is devoted to the
  1069. evidence that most of the chlorine comes from the photolysis of
  1070. CFC's and related compounds. Instead of relying upon qualitative 
  1071. statements about relative lifetimes, solubilities, and so forth, I
  1072. have tried to give a sense of the actual magnitudes involved. 
  1073. Fundamentally, this Part of the FAQ is about measurements, and I 
  1074. have therefore included some tables to illustrate trends; the
  1075. data that I reproduce is in all cases a small fraction of what 
  1076. has actually been published. In the first section I state the
  1077. present assessment of stratospheric chlorine sources and trends, 
  1078. and then in the next section I discuss the evidence that leads to
  1079. those conclusions. After a brief discussion of Bromine in section 3, 
  1080. I answer the most familiar challenges that have been raised in
  1081. section 4. Only these last are actually "Frequently Asked Questions";
  1082. however I have found the Question/Answer format to be useful
  1083. in clarifying the issues in my mind even when the questions are 
  1084. rhetorical, so I have kept to it.
  1085.  
  1086. | Caveat: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  1087. | chemist at all - I am a physical chemist studying gas-phase
  1088. | processes who talks to atmospheric chemists. These files are an
  1089. | outgrowth of my own efforts to educate myself about this subject.
  1090. | I have discussed some of these issues with specialists but I am
  1091. | solely responsible for everything written here, especially errors. 
  1092.  
  1093. *** Corrections and comments are welcomed.
  1094.  
  1095. - Robert Parson
  1096.   Associate Professor
  1097.   Department of Chemistry and Biochemistry,
  1098.   University of Colorado  (for which I do not speak)
  1099.  
  1100.   rparson@spot.colorado.edu
  1101.   Robert.Parson@colorado.edu
  1102.  
  1103.  
  1104. CONTENTS
  1105.  
  1106. 1.  CHLORINE IN THE STRATOSPHERE - OVERVIEW
  1107.  
  1108. 1.1) Where does the Chlorine in the stratosphere come from?
  1109. 1.2) How has stratospheric chlorine changed with time?
  1110. 1.3) How will stratospheric chlorine change in the future?
  1111.  
  1112.  
  1113. 2.  THE CHLORINE CYCLE
  1114.  
  1115. 2.1) What are the sources of chlorine in the troposphere?
  1116. 2.2) In what molecules is _stratospheric_ chlorine found?
  1117. 2.3) What happens to organic chlorine in the stratosphere?
  1118. 2.4) How do we know that CFC's are photolyzed in the stratosphere?
  1119. 2.5) How is chlorine removed from the stratosphere?
  1120. 2.6) How is chlorine distributed in the stratosphere?
  1121. 2.7) What happens to the fluorine from the CFC's?
  1122. 2.8) Summary of evidence
  1123.  
  1124.  
  1125. 3.  BROMINE IN THE STRATOSPHERE
  1126.  
  1127. 3.1) Is bromine important to the ozone destruction process?
  1128. 3.2) How does bromine affect ozone?
  1129. 3.3) Where does the bromine come from?
  1130.  
  1131.  
  1132. 4.  COMMONLY ENCOUNTERED OBJECTIONS
  1133.  
  1134. 4.1) CFC's are much heavier than air...
  1135. 4.2) CFC's are produced mostly in the Northern Hemisphere...
  1136. 4.3) Sea salt puts more chlorine into the atmosphere than CFC's.
  1137. 4.4) Volcanoes put more chlorine into the stratosphere than CFC's.
  1138. 4.5) Space shuttles put a lot of chlorine into the stratosphere.
  1139.  
  1140.  
  1141. 5.  REFERENCES
  1142.  
  1143. =================================================================
  1144.  
  1145. 1.  CHLORINE IN THE STRATOSPHERE - OVERVIEW
  1146.  
  1147.  
  1148. 1.1) Where does the Chlorine in the stratosphere come from?
  1149.  
  1150. ~80% from CFC's and related manmade organic chlorine compounds,
  1151.  such as carbon tetrachloride and methyl chloroform
  1152.  
  1153. ~15-20% from methyl chloride (CH3Cl), most of which is natural.
  1154.  
  1155.  A few % from inorganic sources, including volcanic eruptions. 
  1156.  
  1157.  [WMO 1991] [Solomon] [AASE] [Rowland 1989,1991] [Wayne]
  1158.  
  1159. These estimates are based upon 20 years' worth of measurements of
  1160. organic and inorganic chlorine-containing compounds in the earth's
  1161. troposphere and stratosphere. Particularly informative is the 
  1162. dependence of these compounds' concentrations on altitude and
  1163. their increase with time. The evidence is summarized in section 2
  1164. of this FAQ.
  1165.  
  1166. 1.2) How has stratospheric chlorine changed with time?
  1167.  
  1168. The total amount of chlorine in the stratosphere has increased by
  1169. a factor of 2.5 since 1975 [Solomon] During this time period the
  1170. known natural sources have shown no major increases.  On the other
  1171. hand, emissions of CFC's and related manmade compounds have
  1172. increased dramatically, reaching a peak in 1987. Extrapolating
  1173. back, one infers that total stratospheric chlorine has increased
  1174. by a factor of 4 since 1950.
  1175.  
  1176. 1.3) How will stratospheric chlorine change in the future?
  1177.  
  1178. Since the 1987 Montreal Protocol (see Part I) production of
  1179. CFC's and related compounds has been decreasing rapidly. While
  1180. CFC concentrations are still increasing, the rate of increase
  1181. has diminished:
  1182.  
  1183.                 Growth Rate, pptv/yr     (From [Elkins et al.])
  1184.  
  1185. Year            CFC-12          CFC-11
  1186.  
  1187. 1977-84          17               9
  1188. 1985-88          19.5            11
  1189. 1993             10.5             2.7
  1190.  
  1191. If this trend continues CFC concentrations in the troposphere will
  1192. peak before the end of the century. The time scale for mixing
  1193. tropospheric and lower stratospheric air is about 5 years, so 
  1194. stratospheric chlorine is expected to peak in the next decade and 
  1195. then slowly decline on a time scale of about 50 years.
  1196.  
  1197.  
  1198. 2.  THE CHLORINE CYCLE
  1199.  
  1200. 2.1) What are the sources of chlorine in the troposphere?
  1201.  
  1202. Let us divide the chlorine-containing compounds found in the 
  1203. atmosphere into two groups, "organic chlorine" and "inorganic
  1204. chlorine". The most important inorganic chlorine compound in the 
  1205. troposphere is hydrogen chloride, HCl. Its principal source is 
  1206. acidification of salt spray - reaction of atmospheric sulfuric and 
  1207. nitric acids with chloride ions in aerosols.  At sea level, this 
  1208. leads to an HCl mixing ratio of 0.05 - 0.45 ppbv, depending strongly 
  1209. upon location (e.g. smaller values over land.) However, HCl dissolves 
  1210. very readily in water (giving hydrochloric acid), and condensation of 
  1211. water vapor  efficiently removes HCl from the _upper_ troposphere. 
  1212. Measurements show that the HCl mixing ratio is less than 0.1 ppbv at 
  1213. elevations above 7 km,  and less than 0.04 ppbv at 13.7 km. 
  1214. [Vierkorn-Rudolf et al.] [Harris et al.] 
  1215.  
  1216. There are many volatile organic compounds containing chlorine, but
  1217. most of them are quickly decomposed by the natural oxidants in the
  1218. troposphere, and the chlorine atoms that were in these compounds
  1219. eventually find their way into HCl or other soluble species and are 
  1220. rained out. The most important exceptions are:
  1221.  
  1222.  ChloroFluoroCarbons, of which the most important are
  1223.  CF2Cl2 (CFC-12), CFCl3 (CFC-11), and CF2ClCFCl2 (CFC-113);
  1224.  
  1225.  HydroChloroFluoroCarbons such as CHClF2 (HCFC-22); 
  1226.  
  1227.  Carbon Tetrachloride, CCl4; 
  1228.  
  1229.  Methyl Chloroform, CH3CCl3;
  1230.  
  1231.  and Methyl Chloride, CH3Cl (also called Chloromethane).  
  1232.  
  1233. Only the last has a large natural source; it is produced
  1234. biologically in the oceans and chemically from biomass burning. 
  1235. The CFC's and CCl4 are nearly inert in the troposphere, and have
  1236. lifetimes of 50-200+ years.  Their major "sink" is photolysis by UV
  1237. radiation. [Rowland 1989, 1991] The hydrogen-containing halocarbons
  1238. are more reactive, and are removed in the troposphere by reactions
  1239. with OH radicals. This process is slow, however, and they live long
  1240. enough (1-20 years) for a large fraction to reach the stratosphere.
  1241.  
  1242. As a result of this enormous difference in atmospheric lifetimes, 
  1243. there is more chlorine present in the lower atmosphere in 
  1244. halocarbons than in HCl, even though HCl is produced in much larger
  1245. quantities. Total tropospheric organic chlorine amounted to
  1246. ~3.8 ppbv in 1989 [WMO 1991], and this mixing ratio is very nearly
  1247. independent of altitude throughout the troposphere. Methyl Chloride,
  1248. the only ozone-depleting chlorocarbon with a major natural source,
  1249. makes up 0.6 ppbv of this total. Compare this to the tropospheric HCl 
  1250. mixing ratios given above: < 0.5 ppbv at sea level, < 0.1 ppbv at 3 km, 
  1251. and < 0.04 ppbv at 10 km.  
  1252.  
  1253. 2.2) In what molecules is _stratospheric_ chlorine found?
  1254.  
  1255. The halocarbons described above are all found in the stratosphere, 
  1256. and in the lower stratosphere they are the dominant form of chlorine.
  1257. At higher altitudes inorganic chlorine is abundant, most of it in 
  1258. the form of HCl or of _chlorine nitrate_, ClONO2.  These are called 
  1259. "chlorine reservoirs"; they do not themselves react with ozone, but 
  1260. they generate a small amount of chlorine-containing radicals - Cl,
  1261. ClO, ClO2, and related species, referred to collecively as the
  1262. "ClOx family" - which do. An increase in the concentration of 
  1263. chlorine reservoirs leads to an increase in the concentration of 
  1264. the ozone-destroying radicals.
  1265.  
  1266. 2.3) What happens to organic chlorine in the stratosphere?
  1267.  
  1268. The organic chlorine compounds are dissociated by UV radiation
  1269. having wavelengths near 230 nm. Since these wavelengths are also
  1270. absorbed by oxygen and ozone, the organic compounds have to rise
  1271. high in the stratosphere in order for this photolysis to take
  1272. place. The initial (or, as chemists say, "nascent") products are 
  1273. a free chlorine atom and an organic radical, for example:
  1274.  
  1275.  CFCl3 + hv -> CFCl2 + Cl
  1276.  
  1277. The chlorine atom can react with methane to give HCl and a methyl
  1278. radical:
  1279.  
  1280.  Cl + CH4 -> HCl + CH3
  1281.  
  1282.  Alternatively, it can react with ozone and nitrogen oxides:
  1283.  
  1284.  Cl + O3 -> ClO + O2
  1285.  ClO + NO2 -> ClONO2
  1286.  
  1287.  (There are other pathways, but these are the most important.)
  1288.  
  1289. The other nascent product (CFCl2 in the above example) undergoes
  1290. a complicated sequence of reactions that also eventually leads to
  1291. HCl and ClONO2. Most of the inorganic chlorine in the stratosphere
  1292. therefore resides in one of these two "reservoirs". The immediate 
  1293. cause of the Antarctic ozone hole is an unusual sequence of 
  1294. reactions, catalyzed by polar stratospheric clouds, that "empty" 
  1295. these reservoirs and produce high concentrations of ozone-destroying 
  1296. ClOx radicals. [Wayne] [Rowland 1989, 1991]
  1297.  
  1298. 2.4) How do we know that CFC's _are_ photolyzed in the stratosphere?
  1299.  
  1300. The UV photolysis cross-sections for the halocarbons have been
  1301. measured in the laboratory; these tell us how rapidly they will
  1302. dissociate when exposed to light of a given wavelength and intensity.
  1303. We can combine this with the measured intensity of radiation in the
  1304. stratosphere and deduce the way in which the mixing ratio of a
  1305. given halocarbon should depend upon altitude. Since there is almost 
  1306. no 230 nm radiation in the troposphere or in the lowest parts of
  1307. the stratosphere, the mixing ratio should be independent of altitude
  1308. there. In the middle stratosphere the mixing ratio should drop off
  1309. quickly, at a rate which is determined by the photolysis cross-section.
  1310. Thus each halocarbon has a characteristic "signature" in its mixing
  1311. ratio profile, which can be calculated. Such calculations (first
  1312. carried out in the mid 1970's) agree well with the distributions
  1313. presented in the next section.
  1314.  
  1315. There is direct evidence as well. Photolysis removes a chlorine
  1316. atom, leaving behind a reactive halocarbon radical. The most likely
  1317. fate of this radical is reaction with oxygen, which starts a long
  1318. chain of reactions that eventually remove all the chlorine and
  1319. fluorine. Most of the intermediates are reactive free radicals, but
  1320. two of them, COF2 and COFCl, are fairly stable (they are analogs of
  1321. formaldehyde, H2CO) and live long enough to be detected. They
  1322. have been found, at precisely those altitudes at which the CFC
  1323. mixing ratios are dropping off rapidly (see below).
  1324.  
  1325. 2.5) How is chlorine removed from the stratosphere?
  1326.  
  1327. Since the stratosphere is very dry, water-soluble compounds are
  1328. not quickly washed out as they are in the troposphere. The
  1329. stratospheric lifetime of HCl is about 2 years; the principal
  1330. sink is transport back down to the troposphere.
  1331.  
  1332. 2.6) How is chlorine distributed in the stratosphere?
  1333.  
  1334. Over the past 20 years an enormous effort has been devoted to
  1335. identifying sources and sinks of stratospheric chlorine.  The
  1336. concentrations of the major species have been measured as a 
  1337. function of altitude, by "in-situ" methods ( e.g. collection
  1338. filters carried on planes and balloons) and by spectroscopic
  1339. observations from aircraft, balloons, satellites, and the Space 
  1340. Shuttle. From all this work we now have a clear and consistent
  1341. picture of the processes that carry chlorine through the stratosphere.        
  1342.  
  1343.  
  1344. Let us begin by asking where inorganic chlorine is found. In the 
  1345. troposphere, the HCl mixing ratio decreased markedly with increasing
  1346. altitude. In the stratosphere, on the other hand,  it _increases_ with 
  1347. altitude, rapidly up to about 35 km, and then more slowly up to 55km
  1348. and beyond. This was noticed as early as 1976 [Farmer et al.] 
  1349. [Eyre and Roscoe] and has been confirmed repeatedly since. Chlorine
  1350. Nitrate (ClONO2), the other important inorganic chlorine compound in 
  1351. the stratosphere, also increases rapidly in the lower stratosphere, and
  1352. then falls off at higher altitudes.  These results strongly suggest
  1353. that HCl in the stratosphere is being _produced_ there, not drifting 
  1354. up from below.
  1355.  
  1356. Let us now look at the organic source gases.  Here, the data show
  1357. that the mixing ratios of the CFC's and CCl4 are _nearly independent 
  1358. of altitude_ in the troposphere, and _decrease rapidly with altitude_ 
  1359. in the stratosphere.  The mixing ratios of the more reactive 
  1360. hydrogenated compounds such as CH3CCl3 and CH3Cl drop off somewhat
  1361. in the troposphere, but also show a much more rapid decrease in
  1362. the stratosphere.  The turnover in organic chlorine correlates
  1363. nicely with the increase in inorganic chlorine, confirming the
  1364. hypothesis that CFC's are being photolyzed as they rise high enough
  1365. in the stratosphere to experience enough short-wavelength UV. At
  1366. the bottom of the stratosphere almost all of the chlorine is
  1367. organic, and at the top it is all inorganic. [Fabian et al. ] 
  1368. [Zander et al. 1987] [Zander et al. 1992] [Penkett et al.]
  1369.  
  1370. Finally, there are the stable reaction intermediates, COFCl and
  1371. COF2. These show up in the middle stratosphere, exactly where one
  1372. expects to find them if they are produced from organic source gases
  1373. and eventually react to give inorganic chlorine.
  1374.  
  1375. For example, the following is extracted from Tables II and III of
  1376. [Zander et al. 1992]; they refer to 30 degrees N Latitude in 1985.
  1377. I have rearranged the tables and rounded some of the numbers, and
  1378. the arithmetic in the second table is my own.
  1379.  
  1380.    Organic Chlorine and Intermediates, Mixing ratios in ppbv
  1381.  
  1382. Alt.,  CH3Cl CCl4 CCl2F2 CCl3F CHClF2 CH3CCl3 C2F3Cl3  ||  COFCl
  1383. km
  1384. 12.5  .580  .100  .310  .205  .066     .096    .021    ||  .004
  1385. 15    .515  .085  .313  .190  .066     .084    .019    ||  .010
  1386. 20    .350  .035  .300  .137  .061     .047    .013    ||  .035
  1387. 25    .120   -    .175  .028  .053     .002    .004    ||  .077
  1388. 30     -     -    .030   -    .042      -       -      ||  .029
  1389. 40     -     -     -     -     -        -       -      ||   -
  1390.  
  1391.  
  1392.      Inorganic Chlorine and Totals, Mixing ratios in ppbv
  1393.  
  1394. Alt., HCl  ClONO2   ClO  HOCl   ||   Total Cl,  Total Cl,  Total Cl
  1395.                                 ||   Inorganic   Organic
  1396. km                              ||
  1397. 12.5   -     -       -     -    ||       -       2.63        2.63
  1398. 15    .065   -       -     -    ||     0.065     2.50        2.56
  1399. 20    .566  .212     -     -    ||     0.778     1.78        2.56
  1400. 25   1.027  .849    .028  .032  ||     1.936     0.702       2.64
  1401. 30   1.452 1.016    .107  .077  ||     2.652     0.131       2.78
  1402. 40   2.213 0.010    .234  .142  ||     2.607       -         2.61
  1403.  
  1404. (I have included the intermediate COFCl in the Total Organic column.)
  1405.  
  1406. This is just an excerpt. The original tables give results every 2.5km 
  1407. from 12.5 to 55km, together with a similar inventory for Fluorine.
  1408. Standard errors on total Cl were estimated to be 0.02-0.04 ppbv.    
  1409.  
  1410. Notice that the _total_ chlorine at any altitude is nearly constant
  1411. at ~2.5-2.8 ppbv. This is what we would expect if the sequence of
  1412. reactions that leads from organic sources to inorganic reservoirs 
  1413. was fast compared to vertical transport. Our picture, then, would be
  1414. of a swarm of organic chlorine molecules slowly spreading upwards 
  1415. through the stratosphere, being converted into inorganic reservoir
  1416. molecules as they climb. In fact this oversimplifies things -
  1417. photolysis pops off a single Cl atom which does reach its final
  1418. destination quickly, but the remaining Cl atoms are removed by a
  1419. sequence of slower reactions. Some of these reactions involve
  1420. compounds, such as NOx, which are not well-mixed; moreover, 
  1421. "horizontal" transport does not really take place along surfaces of 
  1422. constant altitude, so chemistry and atmospheric dynamics are in fact 
  1423. coupled together in a complicated way.  These are the sorts of issues 
  1424. that are addressed in atmospheric models.  Nevertheless, this simple
  1425. picture helps us to understand the qualitative trends, and 
  1426. quantitative models confirm the conclusions [McElroy and Salawich].
  1427.  
  1428. We conclude that most of the inorganic chlorine in the stratosphere
  1429. is _produced_ there, as the end product of photolysis of the organic
  1430. chlorine compounds.
  1431.  
  1432. 2.7) What happens to the Fluorine from the CFC's?
  1433.  
  1434. Most of it ends up as Hydrogen Fluoride, HF. The total amount of HF
  1435. in the stratosphere increased by a factor of 3-4 between 1978 and
  1436. 1989 [Zander et al., 1990] [Rinsland et al.]; the relative increase 
  1437. is larger for HF than for HCl (a factor of 2.2 over the same period)
  1438. because the natural source, and hence the baseline concentration,
  1439. is much smaller. For the same reason, the _ratio_ of HF to HCl has
  1440. increased, from 0.14 in 1977 to 0.23 in 1990. The fluorine budget, 
  1441. as a function of altitude, adds up in much the same way as the 
  1442. chlorine budget. [Zander et al. 1992].
  1443. There are some discrepancies in the lower stratosphere; model
  1444. calculations predict _less_ HF than is actually observed.
  1445.  
  1446.  
  1447. 2.8) Summary of the Evidence
  1448.  
  1449.  a. Inorganic chlorine, primarily of natural origin, is efficiently
  1450.  removed from the troposphere; organic chlorine, primarily 
  1451.  anthropogenic, is not, and in the upper troposphere organic 
  1452.  chlorine dominates overwhelmingly.
  1453.  
  1454.  b. In the stratosphere, organic chlorine decreases with altitude, 
  1455.  since at higher altitudes there is more short-wave UV available to
  1456.  photolyze it. Inorganic chlorine _increases_ with altitude. 
  1457.  At the bottom of the stratosphere essentially all of the chlorine
  1458.  is organic, at the top it is all inorganic, and reaction 
  1459.  intermediates are found at intermediate altitudes.
  1460.  
  1461.  c. Both HCl and HF in the stratosphere have been increasing steadily,        
  1462.  
  1463.  in a correlated fashion, since they were first measured in the 1970's.
  1464.  
  1465.  
  1466. 3.  BROMINE
  1467.  
  1468. 3.1) Is bromine important to the ozone destruction process?
  1469.  
  1470. Br is present in much smaller quantities than Cl, but it is
  1471. much more destructive on a per-atom basis.  There is a large
  1472. natural source; manmade compounds contribute about 40% of the total.
  1473.  
  1474. 3.2) How does bromine affect ozone?
  1475.  
  1476. Bromine concentrations in the stratosphere are ~150 times smaller
  1477. than chlorine concentrations.  However, atom-for-atom Br is 10-100
  1478. times as effective as Cl in destroying ozone.  (The reason for this
  1479. is that there is no stable 'reservoir' for Br in the stratosphere
  1480. - HBr and BrONO2 are very easily photolyzed so that nearly all of
  1481. the Br is in a form that can react with ozone.  Contrariwise, F is
  1482. innocuous in the stratosphere because its reservoir, HF, is
  1483. extremely stable.) So, while Br is less important than Cl, it must
  1484. still be taken into account.  Interestingly, the principal
  1485. pathway by which Br destroys ozone also involves Cl: 
  1486.  
  1487.      BrO + ClO -> Br + Cl + O2
  1488.      Br + O3 -> BrO + O2
  1489.      Cl + O3 -> ClO + O2
  1490.    ----------------------------------     
  1491.    Net:    2 O3 -> 3 O2
  1492.  
  1493. [Wayne p. 164] [Solomon] 
  1494.  
  1495. so reducing stratospheric chlorine concentrations will, as a
  1496. side-effect, slow down the bromine pathways as well.
  1497.  
  1498.  
  1499. 3.3) Where does the bromine come from?
  1500.  
  1501. The largest source of stratospheric Bromine is methyl bromide,
  1502. CH3Br.  Much of this is naturally produced in the oceans and in 
  1503. wildfires [Mano and Andreae], but 30 - 60% is manmade [Khalil et al.] 
  1504. It is widely used as a fumigant.
  1505.  
  1506. Another important source is the family of "halons", widely used in fire 
  1507. extinguishers.  Like CFC's these compounds have long atmospheric 
  1508. lifetimes (72 years for CF3Br) and very little is lost in the 
  1509. troposphere.  [Wayne p. 167].  At the bottom of the stratosphere
  1510. the total Br mixing ratio is ~20 parts-per-trillion (pptv), of which ~
  1511. 8 pptv is manmade.  [AASE] Uncertainties in these numbers are relatively 
  1512. larger than for Cl, because the absolute quantities are so much smaller, 
  1513. and we should expect to see these estimates change. Halons have been 
  1514. restricted under the Montreal Protocol, and regulations on methyl 
  1515. bromide use are under consideration.
  1516.  
  1517.  
  1518. 4. COMMONLY ENCOUNTERED OBJECTIONS
  1519.  
  1520. 4.1) CFC's are 4-8 times heavier than air, so how can they reach
  1521.  the stratosphere?
  1522.  
  1523.  This is answered in Part I of this FAQ, section 1.3. Briefly,
  1524.  atmospheric gases do not segragate by weight in the troposphere
  1525.  and the stratosphere, because the mixing mechanisms (convection,
  1526.  "eddy diffusion") do not distinguish molecular masses. 
  1527.  
  1528. 4.2) CFCs are produced in the Northern Hemisphere, so how do they get
  1529.  down to the Antarctic?
  1530.  
  1531. Vertical transport into and within the stratosphere is slow.  It
  1532. takes more than 5 years for a CFC molecule released at sea level to
  1533. rise high enough in the stratosphere to be photolyzed.  North-South
  1534. transport, in both troposphere and stratosphere, is faster - there is 
  1535. a bottleneck in the tropics (it can take a year or two to get across
  1536. the equator) but there is still plenty of time.  CFC's are distributed 
  1537. almost uniformly as a function of latitude, with a gradient of ~10%
  1538. from Northern to Southern Hemispheres. [Singh et al.]. [Elkins et al.]
  1539.  
  1540. 4.3) Sea salt puts more chlorine into the atmosphere than CFC's.
  1541.  
  1542. True, but not relevant because this chlorine is in a form (HCl) that
  1543. is rapidly removed from the troposphere. Even at sea level there is
  1544. more chlorine present in organic compounds than in HCl, and in the
  1545. upper troposphere and lower stratosphere organic chlorine dominates 
  1546. overwhelmingly. See section 2.1 above.
  1547.  
  1548. 4.4) Volcanoes put more chlorine into the stratosphere than CFC's.
  1549.  
  1550. Short Reply: False. Volcanoes account for at most a few percent 
  1551. of the chlorine in the stratosphere.
  1552.  
  1553. Long reply:  This is one of the most persistent myths in this
  1554. area. As is so often the case, there is a seed of truth at the
  1555. root of the myth.  Volcanic gases are rich in Hydrogen Chloride, HCl. 
  1556. As we have discussed, this gas is very soluble in water and is 
  1557. removed from the troposphere on a time scale of 1-7 days, so we can
  1558. dismiss quietly simmering volcanoes as a stratospheric source, just 
  1559. as we can neglect sea salt and other natural sources of HCl. (In fact
  1560. tropospheric HCl from volcanoes is neglible compared to HCl from
  1561. sea salt.) However, we cannot use this argument to dismiss MAJOR
  1562. volcanic eruptions, which can in principle inject HCl directly into
  1563. the middle stratosphere.
  1564.  
  1565. What is a "major" eruption?  There is a sort of "Richter scale" for
  1566. volcanic eruptions, the so-called "Volcanic explosivity index" or
  1567. VEI.  Like the Richter scale it is logarithmic; an eruption with a
  1568. VEI of 5 is ten times "bigger" than one with a VEI of 4. To give a
  1569. sense of magnitude, I list below the VEI for some familiar recent
  1570. and historic eruptions:
  1571.  
  1572. Eruption           VEI             Stratospheric Aerosol,
  1573.                                    Megatons (Mt)
  1574.  
  1575. Kilauea             0-1            -
  1576. Erebus, 1976-84     1-2            -
  1577. Augustine, 1976     4              0.6 
  1578. St Helen's, 1980    5 (barely)     0.55 
  1579. El Chichon, 1982    5              12
  1580. Pinatubo, 1991      5-6            20 - 30
  1581. Krakatau, 1883      6              50 (est.)
  1582. Tambora, 1815       7              80-200 (est.)
  1583.  
  1584. [Smithsonian] [Symonds et al.] [Sigurdsson] [Pinatubo] [WMO 1988]
  1585. [Bluth et al.] 
  1586.  
  1587. Roughly speaking, an eruption with VEI>3 can penetrate the
  1588. stratosphere. An eruption with VEI>5 can send a plume up to 25km,
  1589. in the middle of the ozone layer. Such eruptions occur about once
  1590. a decade. Since the VEI is not designed specifically to measure a
  1591. volcano's impact on the stratosphere, I have also listed the total
  1592. mass of stratospheric aerosols (mostly sulfates) produced by the
  1593. eruption. (Note that St. Helens produced much less aerosol than El
  1594. Chichon - you may remember that St. Helens blew out sideways, dumping
  1595. a large ash cloud over eastern Washington, rather than ejecting its
  1596. gases into the stratosphere.) Passively degassing volcanoes such as 
  1597. Kilauea and Erebus are far too weak to penetrate the stratosphere, but 
  1598. explosive eruptions like El Chichon and Pinatubo need to be considered 
  1599. in detail. 
  1600.  
  1601. Before 1982, there were no direct measurements of the amount of HCl
  1602. that an explosive eruption put into the stratosphere.  There were,
  1603. however, estimates of the _total_ chlorine production from an
  1604. eruption, based upon such geophysical techniques as analysis of
  1605. glass inclusions trapped in volcanic rocks.  [Cadle] [Johnston]
  1606. [Sigurdsson] [Symonds et al.] There was much debate
  1607. about how much of the emitted chlorine reached the stratosphere;
  1608. estimates ranged from < 0.03 Mt/year [Cadle] to 0.1-1.0 Mt/year
  1609. [Symonds et al.].  During the 1980's emissions of CFC's and related
  1610. compounds contributed >1.2 Mt of chlorine per year to the
  1611. atmosphere. [Prather et al.] This results in an annual flux of >0.3
  1612. Mt/yr of chlorine into the stratosphere. The _highest_ estimates
  1613. ofvolcanic emissions - upper limits calculated by assuming that
  1614. _all_ of the HCl from a major eruption reached and stayed in the
  1615. stratosphere - were thus of the same order of magnitude as human
  1616. sources.  (There is NO support whatsoever for the claim - found in
  1617. Dixy Lee Ray's _Trashing the Planet_  - that a _single_ recent
  1618. eruption produced ~500 times as much chlorine as a year's worth of
  1619. CFC production. This wildly inaccurate number appears to have arisen
  1620. from an editorial mistake in a scientific encyclopedia.)
  1621.  
  1622. It is very difficult to reconcile these upper limits with the
  1623. altitude and time-dependence of stratospheric HCl. The volcanic
  1624. contribution to the upper stratosphere should come in sudden bursts
  1625. following major eruptions, and it should initially be largest in
  1626. the vicinity of the volcanic plume. Since vertical transport in the
  1627. stratosphere is slow, one would expect to see the altitude profile
  1628. change abruptly after a major eruption, whereas it has maintained
  1629. more-or-less the same shape since it was first measured in 1975. 
  1630. One would also not expect a strong correlation between HCl and
  1631. organochlorine compounds if volcanic injection were contributing
  1632. ~50% of the total HCl.  If half of the HCl has an inorganic origin,
  1633. where is all that _organic_ chlorine going? 
  1634.  
  1635. The issue has now been largely resolved by _direct_ measurements of
  1636. the stratospheric HCl produced by El Chichon, the most important
  1637. eruption of the 1980's, and Pinatubo, the largest since 1912. It
  1638. was found that El Chichon injected *0.04* Mt of HCl [Mankin
  1639. and Coffey].  The much bigger eruption of Pinatubo produced less
  1640. [Mankin, Coffey and Goldman], - in fact the authors were not sure
  1641. that they had measured _any_ significant increase. Analysis of
  1642. ice cores leads to similar conclusions for historic eruptions
  1643. [Delmas]. The ice cores show significantly enhanced levels of
  1644. sulfur following major historic eruptions, but no enhancement in
  1645. chlorine, showing that the chlorine produced in the eruption did
  1646. not survive long enough to be transported to polar regions. It is
  1647. clear, then, that even though major eruptions produce large amounts
  1648. of chlorine in the form of HCl, most of that HCl either never
  1649. enters the stratosphere, or is very rapidly removed from it.
  1650.  
  1651. Recent model calculations [Pinto et al.] [Tabazadeh and Turco]
  1652. have clarified the physics involved.  A volcanic plume contains
  1653. approximately 1000 times as much water vapor as HCl. As the plume
  1654. rises and cools the water condenses, capturing the HCl as it does
  1655. so and returning it to the earth in the extensive rain showers that
  1656. typically follow major eruptions. HCl can also be removed if it
  1657. is adsorbed on ice or ash particles. Model calculations show that
  1658. more than 99% of the HCl is removed by these processes, in good
  1659. agreement with observations.
  1660.  
  1661. ------------------------------------------------------------------
  1662. In summary:
  1663.  
  1664.  * Older indirect _estimates_ of the contribution of volcanic
  1665.    eruptions to stratospheric chlorine gave results that ranged  
  1666.    from much less than anthropogenic to somewhat larger than 
  1667.    anthropogenic. It is difficult to reconcile the larger estimates 
  1668.    with the altitude distribution of inorganic chlorine in the 
  1669.    stratosphere, or its steady increase over the past 20 years.  
  1670.    Nevertheless, these estimates raised an important scientific 
  1671.    question that needed to be resolved by _direct_ measurements 
  1672.    in the stratosphere. 
  1673.  
  1674.  * Direct measurements on El Chichon, the largest eruption of
  1675.    the 1980's, and on Pinatubo, the largest since 1912, show
  1676.    that the volcanic contribution is small. 
  1677.  
  1678.  * Claims that volcanoes produce more stratospheric chlorine than
  1679.    human activity arise from the careless use of old scientific
  1680.    estimates that have since been refuted by observation.
  1681.  
  1682.  * Claims that a single recent eruption injected ~500 times a year's 
  1683.    CFC production into the stratosphere have no scientific basis
  1684.    whatsoever.
  1685.  
  1686. ---------------------------------------------------------------
  1687.  
  1688. To conclude, we need to say something about Mt. Erebus.  In an
  1689. article in _21st Century_ (July/August 1989), Rogelio Maduro
  1690. claimed that this Antarctic volcano has been erupting constantly
  1691. for the last 100 years, emitting more than 1000 tons of chlorine
  1692. per day. This claim was repeated in Dixy Lee Ray's books.
  1693. "21st Century" is published by Lyndon LaRouche's political
  1694. associates, although LaRouche himself usually keeps a low profile
  1695. in the magazine.  Mt. Erebus has in fact been simmering quietly for
  1696. over a century but the estimate of 1000 tons/day of HCl only applied
  1697. to an especially active period between 1976 and 1983.  Moreover that 
  1698. estimate [Kyle et al.] has been since been reduced to 167 tons/day
  1699. (0.0609 Mt/year). By late 1984 emissions had dropped by an order of 
  1700. magnitude, and have remained at low levels since; HCl emissions
  1701.  _at the crater rim_ were 19 tons/day (0.007 Mt/year) in 1986, 
  1702. and 36 tons/day (0.013 Mt/year) in 1991. [Zreda-Gostynska et al.] 
  1703. Since this is a passively degassing volcano (VEI=1-2 in the active 
  1704. period), very little of this HCl reaches the stratosphere. The
  1705. Erebus plume never rises more than 0.5 km above the volcano, 
  1706. and in fact the gas usually just oozes over the crater rim. Indeed, 
  1707. one purpose of the measurements of Kyle et al. was to explain high 
  1708. Cl concentrations in Antarctic snow. The only places where I have 
  1709. ever seen Erebus described as a source of stratospheric chlorine is 
  1710. in LaRouchian publications and in articles and books that,
  1711. incredibly, consider such documents to be reliable sources.
  1712.  
  1713. 4.5) Space shuttles put a lot of chlorine into the stratosphere.
  1714.  
  1715. Simply false. In the early 1970's, when very little was known about
  1716. the role of chlorine radicals in ozone depletion, it was suggested
  1717. that HCl from solid rocket motors might have a significant effect
  1718. upon the ozone layer -  if not globally, perhaps in the immediate
  1719. vicinity of the launch. It was immediately shown that the effect
  1720. was negligible, and this has been repeatedly demonstrated since.
  1721. Each shuttle launch produces about  68 metric tons of chlorine as
  1722. HCl; a full year's worth of shuttle and solid rocket launches
  1723. produces about 725 tons. This is negligible compared to chlorine
  1724. emissions in the form of CFC's and related compounds (1.2 million 
  1725. tons/yr in the 1980's, of which ~0.3 Mt reach the stratosphere each
  1726. year). It is also negligible in comparison to natural sources, which 
  1727. produce about 75,000 tons per year. [Prather et al.] [WMO 1991].
  1728.  
  1729. See also the sci.space FAQ, Part 10, "Controversial Questions".
  1730.  
  1731.  
  1732. 5.  REFERENCES FOR PART II
  1733.  
  1734. A remark on references: they are neither representative nor
  1735. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  1736. problems. For the most part I have limited myself to papers that
  1737. are (1) widely available (if possible, _Science_ or _Nature_ rather
  1738. than archival sources such as _J. Geophys. Res._) and (2) directly
  1739. related to the "frequently asked questions".  (In this part, I have
  1740. had to refer to archival journals more often than I would have
  1741. liked, since in many cases that is the only place where the
  1742. question is addressed in satisfactory detail.) Readers who want to
  1743. see "who did what" should consult the review articles listed below,
  1744. or, if they can get them, the extensively documented WMO reports.
  1745.  
  1746.  
  1747. Introductory Reading:
  1748.  
  1749. [Graedel and Crutzen] T. E. Graedel and P. J. Crutzen,
  1750.  _Atmospheric Change: an Earth System Perspective_, Freeman, 1993.
  1751.  
  1752. [Rowland 1989] F. S. Rowland, "Chlorofluorocarbons and the
  1753. depletion of stratospheric ozone", _Am. Sci._ _77_, 36, 1989.
  1754.  
  1755. --------------------------------
  1756. Books and Review Articles:
  1757.  
  1758. [Brasseur and Solomon] G. Brasseur and S. Solomon, _Aeronomy of 
  1759. the Middle Atmosphere_, 2nd Edition, D. Reidel, 1986.
  1760.  
  1761. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich, "Changing
  1762. Composition of the Global Stratosphere", _Science_ _243, 763, 1989.
  1763.  
  1764. [Rowland 1991] F. S. Rowland, "Stratospheric Ozone Depletion",
  1765. _Ann. Rev. Phys. Chem._ _42_, 731, 1991.
  1766.  
  1767. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative
  1768.  understanding of Antarctic ozone depletion",
  1769.  _Nature_ _347_, 347, 1990.
  1770.  
  1771. [Wallace and Hobbs] J. M. Wallace and P. V. Hobbs,
  1772. _Atmospheric Science: an Introductory Survey_, Academic Press, 1977.
  1773.  
  1774. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 
  1775.         2nd.  Ed., Oxford, 1991.
  1776.  
  1777. [WMO 1988] World Meteorological Organization, 
  1778. _Report of the International Ozone Trends Panel_, Report # 18
  1779.  
  1780. [WMO 1991] World Meteorological Organization, 
  1781. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991_, Report # 25 
  1782. -----------------------------
  1783.  
  1784. More specialized articles:
  1785.  
  1786. [AASE] End of Mission Statement, second airborne arctic
  1787. stratospheric expedition, NASA 30 April 1992.
  1788.  
  1789. [Bluth et al.] G. J. S. Bluth, C. C. Schnetzler, A. J. Krueger,
  1790. and L. S. Walter, "The contribution of explosive volcanism to
  1791. global atmospheric sulphur dioxide concentrations",
  1792.  _Nature_ _366_, 327, 1993.
  1793.  
  1794. [Cadle] R. Cadle, "Volcanic emissions of halides and sulfur
  1795. compounds to the troposphere and stratosphere", J. Geophys. Res. 
  1796. _80_, 1651, 1975]
  1797.  
  1798. [Delmas] R. J. Delmas, "Environmental Information from Ice Cores",
  1799. _Reviews of Geophysics_ _30_, 1, 1992.
  1800.  
  1801. [Elkins et al.] J. W. Elkins, T. M. Thompson, T. H. Swanson,
  1802. J. H. Butler, B. D. Hall, S. O. Cummings, D. A. Fisher, and 
  1803. A. G. Raffo, "Decrease in Growth Rates of Atmospheric 
  1804. Chlorofluorocarbons 11 and 12", _Nature_ _364_, 780, 1993.
  1805.  
  1806. [Eyre and Roscoe] J. Eyre and H. Roscoe, "Radiometric measurement
  1807. of stratospheric HCl", _Nature_ _266_, 243, 1977.
  1808.  
  1809. [Fabian et al. 1979] P. Fabian, R. Borchers, K.H. Weiler, U.
  1810. Schmidt, A. Volz, D.H. Erhalt, W. Seiler, and F. Mueller,
  1811. "Simultaneously measured vertical profile of H2, CH4, CO, N2O,
  1812. CFCl3, and CF2Cl2 in the mid-latitude stratosphere and
  1813. troposphere", J. Geophys. Res.  _84_, 3149, 1979.
  1814.  
  1815. [Fabian et al. 1981] P. Fabian, R. Borchers, S.A. Penkett, and
  1816. N.J.D. Prosser, "Halocarbons in the Stratosphere", _Nature_ _294_,
  1817. 733, 1981.
  1818.  
  1819. [Farmer et al.] C.B. Farmer, O.F. Raper, and R.H. Norton,
  1820. "Spectroscopic detection and vertical distribution of HCl in the
  1821. troposphere and stratosphere", Geophys. Res. Lett. _3_, 13, 1975.
  1822.  
  1823. [Harris et al.] G.W. Harris, D. Klemp, and T. Zenker, 
  1824. "An Upper Limit on the HCl near-surface mixing ratio over the
  1825. Atlantic", J. Atmos. Chem. _15_, 327, 1992.  
  1826.  
  1827. [Johnston] D. Johnston, "Volcanic contribution of chlorine to the
  1828.  stratosphere: more significant to ozone than previously
  1829. estimated?" _Science_ _209_, 491, 1980.
  1830.  
  1831. [Khalil et al.] M.A.K. Khalil, R. Rasmussen, and R. Gunawardena, 
  1832. "Atmospheric Methyl Bromide: Trends and Global Mass Balance"
  1833.  J. Geophys. Res. _98_, 2887, 1993.
  1834.  
  1835. [Kyle et al.] P.R. Kyle, K. Meeker, and D. Finnegan, 
  1836. "Emission rates of sulfur dioxide, trace gases, and metals from 
  1837.  Mount Erebus, Antarctica", _Geophys. Res. Lett._ _17_, 2125, 1990.
  1838.  
  1839. [Mankin and Coffey] W. Mankin and M. Coffey, "Increased
  1840. stratospheric hydrogen chloride in the El Chichon cloud",
  1841. _Science_ _226_, 170, 1983.
  1842.  
  1843. [Mankin, Coffey and Goldman] W. Mankin, M. Coffey and A. Goldman, 
  1844. "Airborne observations of SO2, HCl, and O3 in the stratospheric
  1845. plume of the Pinatubo volcano in July 1991", Geophys. Res. Lett.
  1846. _19_, 179, 1992.
  1847.  
  1848. [Mano and Andreae] S. Mano and M. O. Andreae, "Emission of Methyl
  1849. Bromide from Biomass Burning", _Science_ _263_, 1255, 1994.
  1850.  
  1851. [Penkett et al.] S.A. Penkett, R.G. Derwent, P. Fabian, R.
  1852. Borchers, and U. Schmidt, "Methyl Chloride in the Stratosphere",
  1853. _Nature_ _283_, 58, 1980.
  1854.  
  1855. [Pinatubo] Special Mt. Pinatubo issue, Geophys. Res. Lett. _19_,
  1856. #2, 1992. 
  1857.  
  1858. [Pinto et al.] J. Pinto, R. Turco, and O. Toon, "Self-limiting
  1859. physical and chemical effects in volcanic eruption clouds", 
  1860.  J. Geophys. Res. _94_, 11165, 1989.
  1861.  
  1862. [Prather et al. ] M. J. Prather, M.M. Garcia, A.R. Douglass, C.H.
  1863. Jackman, M.K.W. Ko, and N.D. Sze, "The Space Shuttle's impact on
  1864. the stratosphere", J. Geophys. Res. _95_, 18583, 1990.
  1865.  
  1866. [Sigurdsson] H. Sigurdsson, "Evidence of volcanic loading of the 
  1867.  atmosphere and climate response",  _Palaeogeography,
  1868. Palaeoclimatology, Palaeoecology_ _89_, 277 (1989).
  1869.  
  1870. [Rinsland et al.] C. P. Rinsland, J. S. Levine, A. Goldman, 
  1871. N. D. Sze, . K. W. Ko, and D. W. Johnson, "Infrared measurements 
  1872. of HF and HCl total column abundances above Kitt Peak, 1977-1990: 
  1873. Seasonal cycles, long-term increases, and comparisons with model 
  1874. calculations", J. Geophys. Res. _96_, 15523, 1991.
  1875.  
  1876. [Singh et al.] H. Singh, L. Salas, H. Shigeishi, and E. Scribner,
  1877. "Atmospheric Halocarbons, hydrocarbons, and sulfur hexafluoride
  1878. global distributions, sources, and sinks", _Science_ _203_, 899, 1974.        
  1879.  
  1880.  
  1881. [Smithsonian] Smithsonian Report, _Global Volcanism:1975-85_, p 14.
  1882.  
  1883. [Symonds et al.] R. B. Symonds, W. I. Rose, and M. H. Reed, 
  1884. "Contribution of Cl and F-bearing gases to the atmosphere by
  1885. volcanoes", _Nature_ _334_, 415 1988.  
  1886.  
  1887. [Tabazadeh and Turco] A. Tabazadeh and R. P. Turco, "Stratospheric
  1888. Chlorine Injection by Volcanic Eruptions: HCl Scavenging and
  1889. Implications for Ozone", _Science_ _260_, 1082, 1993. 
  1890.  
  1891. [Vierkorn-Rudolf et al.] B. Vierkorn-Rudolf. K. Bachmann, B.
  1892. Schwartz, and F.X. Meixner, "Vertical Profile of Hydrogen Chloride
  1893. in the Troposphere", J. Atmos. Chem.  _2_, 47, 1984.
  1894.  
  1895. [Zander et al. 1987] R. Zander, C. P. Rinsland, C. B. Farmer, and
  1896. R. H. Norton, "Infrared Spectroscopic measurements of halogenated
  1897. source gases in the stratosphere with the ATMOS instrument", J.
  1898. Geophys. Res. _92_, 9836, 1987.
  1899.  
  1900. [Zander et al. 1990] R. Zander, M.R. Gunson, J.C. Foster, C.P.
  1901. Rinsland, and J. Namkung, "Stratospheric ClONO2, HCl, and HF
  1902. concentration profiles derived from ATMOS/Spacelab 3 observations
  1903. - an update", J. Geophys. Res.  _95_, 20519, 1990.
  1904.  
  1905. [Zander et al. 1992] R. Zander, M. R. Gunson, C. B. Farmer, C. P.
  1906. Rinsland, F. W. Irion, and E. Mahieu, "The 1985 chlorine and
  1907. fluorine inventories in the stratosphere based on ATMOS observations
  1908. at 30 degrees North latitude",  J. Atmos. Chem. _15_, 171, 1992.
  1909.  
  1910. [Zreda-Gostynska et al.] G. Zreda-Gostynska, P. R. Kyle, and
  1911. D. L. Finnegan, "Chlorine, Fluorine and Sulfur Emissions from
  1912. Mt. Erebus, Antarctica and estimated contribution to the antarctic
  1913. atmosphere", _Geophys. Res. Lett._ _20_, 1959, 1993.
  1914.  
  1915.  
  1916.  
  1917.  
  1918.  
  1919.  
  1920. -------------------------------------------------------------------------------
  1921. Area # 2120  news.answers           05-26-94 15:53      Message # 13064
  1922. From    : RPARSON@SPOT.COLORADO.ED
  1923. To      : ALL                                           
  1924. Subj    : Ozone Depletion FAQ Part
  1925.  
  1926.  @SUBJECT:Ozone Depletion FAQ Part III: The Antarctic Ozone Hole       
  1927. Message-ID: <CqFDxB.2FL@cnsnews.Colorado.EDU>
  1928. Newsgroups: sci.environment,sci.answers,news.answers
  1929. Organization: University of Colorado, Boulder
  1930.  
  1931. Archive-name: ozone-depletion/antarctic
  1932. Last-modified: 23 May 1994
  1933. Version: 4.3
  1934.  
  1935.  
  1936. These files are posted monthly, usually in the third week of the month.
  1937. They may be obtained by anonymous ftp from rtfm.mit.edu (18.70.0.209)
  1938. in the directory:
  1939.  
  1940.     /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion
  1941.  
  1942.  which contains the four files intro, stratcl, antarctic, and uv.
  1943.  
  1944.  They may also be obtained by sending the following message
  1945.  to mail-server@rtfm.mit.edu:
  1946.  
  1947.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  1948.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/stratcl
  1949.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/antarctic
  1950.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/uv
  1951.  
  1952.  Leave the subject line blank.
  1953.  If you want to find out more about the mail server, send a
  1954.  message to it containing the word "help".
  1955.  
  1956. ***********************************************************************
  1957. * Copyright 1994 Robert Parson                                        *
  1958. *                                                                     *
  1959. * This file may be distributed, copied, and archived. All             *
  1960. * copies must include this notice and the paragraph below entitled    *
  1961. * "Caveat". Reproduction and distribution for personal profit is      *
  1962. * not permitted. If this document is transmitted to other networks or *
  1963. * stored on an electronic archive, I ask that you inform me. I also   *
  1964. * request that you inform me before including any of this information *
  1965. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  1966. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  1967. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  1968. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  1969. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  1970. * to the original published source, not to this document.             *
  1971. ***********************************************************************
  1972.  
  1973.  
  1974.  This part deals specifically with springtime antarctic ozone
  1975. depletion (and with the similar but smaller effects seen in the
  1976. Arctic spring). More general questions about ozone and ozone
  1977. depletion, including the definitions of many of the terms used
  1978. here, are dealt with in parts I and II. Biological effects of the
  1979. ozone hole are dealt with in part IV.
  1980.  
  1981.  
  1982. | Caveat: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  1983. | chemist at all - I am a physical chemist who talks to atmospheric
  1984. | chemists. These files are an outgrowth of my own efforts to educate
  1985. | myself over the past two years. I have discussed some of these
  1986. | issues with specialists but I am solely responsible for everything
  1987. | written here, including any errors. This document should not be
  1988. | cited in publications off the net; rather, it should be used as a
  1989. | pointer to the published literature.
  1990.  
  1991. *** Corrections and comments are welcomed.
  1992.  
  1993.  
  1994. - Robert Parson
  1995.   Associate Professor
  1996.   Department of Chemistry and Biochemistry,
  1997.   University of Colorado  (for which I do not speak)
  1998.  
  1999.   rparson@spot.colorado.edu
  2000.   Robert.Parson@colorado.edu
  2001.  
  2002.  
  2003. CONTENTS
  2004.  
  2005. 1.   What is the antarctic ozone hole?
  2006.  
  2007. 2.   How big is the hole, and is it getting bigger?
  2008.  
  2009. 3.   When did the hole first appear?
  2010.  
  2011. 4.   How far back do Antarctic ozone measurements go?
  2012.  
  2013. 5.   But I heard that Dobson saw an ozone hole in 1956-58...
  2014.  
  2015. 6.   Why is the hole in the antarctic?
  2016.  
  2017. 7.   What is the evidence for the present theory?
  2018.  
  2019. 8.   Will the ozone hole keep growing?
  2020.  
  2021. 9.   Why be concerned about an ozone hole over antarctica?
  2022.      Nobody lives down there.
  2023.  
  2024. 10.  Is there an ozone hole in the arctic? if not, why not?
  2025.  
  2026. 11.  Can the hole be "plugged"?
  2027.  
  2028.  
  2029. 1. What is the Antarctic ozone hole?
  2030.  
  2031.  For the past decade or so, ozone levels over Antarctica have fallen
  2032. to abnormally low values between late August and late November. At
  2033. the beginning of this period, ozone levels are already low, about
  2034. 300 Dobson units (DU), but instead of slowly increasing as the
  2035. light comes back in the spring, they drop to 150 DU and below. In
  2036. the lower stratosphere, between 15 and 20 km, about 95% of the
  2037. ozone is destroyed. Above 25 km the decreases are small and the net
  2038. result is a thinning of the ozone layer by about 50%.  In the late
  2039. spring ozone levels return to more normal values, as warm,
  2040. ozone-rich air rushes in from lower latitudes. The precise duration
  2041. varies considerably from year to year; in 1990 the hole lasted well
  2042. into December. 
  2043.  
  2044.  In some of the popular newsmedia, as well as many books, the
  2045. term "ozone hole" is being used far too loosely.  It seems that
  2046. any episode of ozone depletion, no matter how minor, now gets
  2047. called an ozone hole (e.g. 'ozone hole over Hamburg - but only for
  2048. one day'). This sloppy language trivializes the problem and blurs
  2049. the important scientific distinction between the massive ozone
  2050. losses in polar regions and the much smaller, but nonetheless
  2051. significant, ozone losses in middle latitudes. It is akin to 
  2052. using "gridlock" to describe a routine traffic jam.
  2053.  
  2054.  
  2055. 2. How big is the hole, and is it getting bigger?
  2056.  
  2057.  During the years 1978-1987 the hole grew, both in depth (total ozone
  2058. loss in a column) and in area. This growth was not monotonic but
  2059. seemed to oscillate with a two-year period (perhaps connected with
  2060. the "quasibiennial oscillation" of the stratospheric winds.) The
  2061. hole shrank dramatically in 1988 but in 1989-1991 was as large as in
  2062. 1987, and in 1992-93 was larger still. In 1987 and 1989-93 it 
  2063. covered the entire Antarctic continent and
  2064. part of the surrounding ocean. The exact size is determined
  2065. primarily by meteorological conditions, such as the strength of
  2066. the polar vortex in any given year. The boundary is fairly steep,
  2067. with decreases of 100-150 DU taking place in 10 degrees of
  2068. latitude, but fluctuates from day to day. On occasion, the
  2069. nominal boundary of the hole has passed over the tip of S. America,
  2070. (55 degrees S. Latitude). Australia and New Zealand are far outside 
  2071. the hole, although they do experience ozone depletion, more than 
  2072. is seen at comparable latitudes in the Northern hemisphere.  After 
  2073. the 1987 hole broke up, December ozone levels over Australia and 
  2074. New Zealand were 10% below normal. 
  2075. [WMO 1991] [Atkinson et al.] [Roy et al.]. 
  2076.  
  2077.  
  2078. 3. When did the hole first appear?
  2079.  
  2080.  It was first observed by ground-based measurements from Halley Bay
  2081. on the Antarctic coast, during the years 1980-84. [Farman, Gardiner
  2082. and Shanklin.] At about the same time, ozone decreases were seen at
  2083. the Japanese antarctic station of Syowa; these were less dramatic than
  2084. those seen at Halley (Syowa is about 1000 km further north) and did not
  2085. receive as much attention.  It has since been confirmed
  2086. by satellite measurements as well as ground-based measurements 
  2087. elsewhere on the continent, on islands in the Antarctic ocean, and at 
  2088. Ushaia, at the tip of Patagonia. With hindsight, one can see the hole
  2089. beginning to appear in the data around 1976, but it grew much more
  2090. rapidly in the 1980's. [Stolarski et al. 1992]
  2091.  
  2092.  
  2093. 4. How far back do antarctic ozone measurements go?
  2094.  
  2095.  Ground-based measurements began in 1956, at Halley Bay. A few years
  2096. later these were supplemented by measurements at the South Pole and
  2097. elsewhere on the continent.  Satellite measurements began in the
  2098. early 70's, but the first really comprehensive satellite data came
  2099. in 1978, with the TOMS (total ozone mapping spectrometer) and SBUV
  2100. (solar backscatter UV) instruments on Nimbus-7.  The TOMS, which
  2101. finally broke down on May 7 1993, is the source for most of the
  2102. pretty pictures that one sees in review articles and the
  2103. popular press. Today there are several satellites monitoring ozone
  2104. and other atmospheric gases; the Russian Meteor-3 carries a new
  2105. TOMS, while instrument on NASA's UARS (Upper Atmosphere Research
  2106. Satellite) simultaneously measure ozone, chlorine monoxide (ClO), 
  2107. and stratospheric pressure and temperature.
  2108.  
  2109.  
  2110. 5. But I heard that Dobson saw an ozone hole in 1956-58...
  2111.  
  2112.  This is a myth, arising from a misinterpretation of an out-of-
  2113. context quotation from Dobson's paper. A glance at the original 
  2114. suffices to refute it.
  2115.  
  2116. In his historical account [Dobson], Dobson mentioned that
  2117. when springtime ozone levels over Halley Bay were first measured,
  2118. he was surprised to find that they were about 150 DU below
  2119. corresponding levels (displaced by six months) in the Arctic.
  2120. Springtime arctic ozone levels are very high, ~450 DU; in the
  2121. Antarctic spring, however, Dobson's coworkers found ~320 DU, close
  2122. to winter levels. This was the first observation of the _normal_,
  2123. pre-1980 behavior of the Antarctic ozone layer: because of the
  2124. tight polar vortex (see below) ozone levels remain low until late
  2125. spring. In the Antarctic ozone hole, on the other hand, ozone
  2126. levels _decrease_ from these already low values. What Dobson
  2127. describes is essentially the _baseline_ from which the ozone hole
  2128. is measured. [Dobson] [WMO 1989]
  2129.  
  2130.  
  2131.  For those interested, here is how springtime antarctic
  2132.  ozone has developed from 1956 to 1991:
  2133.  
  2134. -------------------------------------------------------------
  2135.    Halley Bay Antarctic Ozone Data
  2136.  
  2137.    Mean October ozone column thickness, Dobson Units 
  2138.    
  2139.    From J. D. Shanklin, personal communication, 1993. 
  2140.    For a graphical representation see [Farman et al.], 
  2141.    [Hamill and Toon], [Solomon], and [WMO 1991], p. 4.6
  2142.  
  2143.     1956      321                    1975      308
  2144.     1957      330                    1976      283
  2145.     1958      314                    1977      251   
  2146.     1959      311                    1978      284
  2147.     1960      301                    1979      261
  2148.     1961      317                    1980      227
  2149.     1962      332                    1981      237  
  2150.     1963      309                    1982      234
  2151.     1964      318                    1983      210
  2152.     1965      281                    1984      201
  2153.     1966      316                    1985      196
  2154.     1967      323                    1986      248
  2155.     1968      301                    1987      163
  2156.     1969      282                    1988      232 
  2157.     1970      282                    1989      164
  2158.     1971      299                    1990      179
  2159.     1972      304                    1991      155
  2160.     1973      289                    1992      142
  2161.     1974      274                    1993      117   
  2162.  
  2163.  
  2164. 6. Why is the hole in the Antarctic?
  2165.  
  2166.  This was a mystery when the hole was first observed, but 
  2167. it is now well understood. I shall limit myself to a 
  2168. brief survey of the present theory, and refer the reader to two
  2169. excellent nontechnical articles [Toon and Turco] [Hamill and Toon]
  2170. for a more comprehensive discussion. Briefly, the unusual 
  2171. physics and chemistry of the Antarctic stratosphere allows the 
  2172. inactive chlorine "reservoir" compounds to be converted into ozone-
  2173. destroying chlorine radicals. While there is no more chlorine over
  2174. antarctica than anywhere else, in the antarctic spring most of
  2175. the chlorine is in a form that can destroy ozone. 
  2176.  
  2177. The story takes place in six acts, some of them occurring
  2178. simultaneously on parallel stages:
  2179.  
  2180. i. The Polar Vortex
  2181.  
  2182.  As the air in the antarctic stratosphere cools and descends during
  2183. the winter, the Coriolis effect sets up a strong westerly
  2184. circulation around the pole. When the sun returns in the spring the
  2185. winds weaken, but the vortex remains stable until November. The air
  2186. over antarctica is largely isolated from the rest of the
  2187. atmosphere, forming a gigantic reaction vessel. The vortex is not
  2188. circular, it has an oblong shape with the long axis extending out
  2189. over Patagonia. 
  2190.  
  2191. (For further information about the dynamics of the polar vortex see
  2192. [Schoeberl and Hartmann], [Tuck 1989], [AASE], [Randel], [Plumb],
  2193. and [Waugh]). There is currently some controversy over just how isolated
  2194. the air in the vortex is. According to Tuck, the vortex is better 
  2195. thought of as a flow reactor than as a containment vessel; ozone-rich 
  2196. air enters the vortex from above while ozone-poor and ClO-rich air is 
  2197. stripped off the sides. Recent tracer measurements lend some support 
  2198. to this view, but the issue is unresolved. See [Randel] and [Plumb].)
  2199.  
  2200. ii. Polar Stratospheric Clouds ("PSC")
  2201.  
  2202.  The Polar vortex is extremely cold; temperatures in the lower
  2203. stratosphere drop below -80 C. Under these conditions large numbers
  2204. of clouds appear in the stratosphere. These clouds are composed
  2205. largely of nitric acid and water, probably in the form of crystals
  2206. of nitric acid trihydrate ("NAT"), HNO3.3(H2O). Stratospheric
  2207. clouds also form from ordinary water ice (so-called "Type II PSC"),
  2208. but these are much less common; the stratosphere is very dry and
  2209. water-ice clouds only form at the lowest temperatures.
  2210.  
  2211. iii. Reactions Catalyzed by Stratospheric Clouds
  2212.  
  2213.  Most of the chlorine in the stratosphere ends up in one of the
  2214. reservoir compounds, Chlorine Nitrate (ClONO2) or Hydrogen Chloride
  2215. (HCl). Laboratory experiments have shown, however, that these
  2216. compounds, ordinarily inert in the stratosphere, do react on the
  2217. surfaces of polar stratospheric cloud particles. HCl dissolves into
  2218. the particles as they grow, and when a ClONO2 molecule becomes
  2219. adsorbed the following reactions take place:
  2220.  
  2221.  ClONO2 + HCl -> Cl2 + HNO3
  2222.  
  2223.  ClONO2 + H2O -> HOCl + HNO3
  2224.  
  2225. The Nitric acid, HNO3, stays in the cloud particle.
  2226.  
  2227. In addition, stratospheric clouds catalyze the removal of Nitrogen
  2228. Oxides ("NOx"), through the reactions:
  2229.  
  2230.  N2O5 + H2O -> 2 HNO3
  2231.  
  2232.  N2O5 + HCl -> ClNO2 + HNO3
  2233.  
  2234. Since N2O5 is in (gas-phase) equilibrium  with NO2:
  2235.  
  2236.  2 N2O5 <-> 4 NO2 + O2
  2237.  
  2238. this has the effect of removing NO2 from the gas phase and
  2239. sequestering it in the clouds in the form of nitric acid, a process
  2240. called "denoxification" (removal of "NOx").
  2241.  
  2242. iv. Sedimentation and Denitrification 
  2243.  
  2244.  The clouds may eventually grow big enough so that they settle out
  2245. of the stratosphere, carrying the nitric acid with them
  2246. ("denitrification"). Denitrification enhances denoxification.
  2247. If, on the other hand, the cloud decomposes while in the
  2248. stratosphere, nitrogen oxides are returned to the gas phase.
  2249. Presumably this should be called "renoxification", but
  2250. I have not heard anyone use this term :-).
  2251.  
  2252. v. Photolysis of active chlorine compounds
  2253.  
  2254.  The Cl2 and HOCl produced by the heterogeneous reactions are
  2255. easily photolyzed, even in the antarctic winter when there is
  2256. little UV present. The sun is always very low in the polar winter,
  2257. so the light takes a long path through the atmosphere and the
  2258. short-wave UV is selectively absorbed.  Molecular chlorine,
  2259. however, absorbs _visible_  and near-UV light:
  2260.  
  2261.      Cl2 + hv -> 2 Cl
  2262.  
  2263.      Cl + O3 -> ClO + O2
  2264.  
  2265. The effect is to produce large amounts of ClO. This ClO would
  2266. ordinarily be captured by NO2 and returned to the ClONO2 reservoir,
  2267. but "denoxification" and "denitrification" prevent this by removing
  2268. NO2.
  2269.  
  2270. vi. The chlorine peroxide mechanism
  2271.  
  2272.  As discussed in Part I, Cl and ClO can form a catalytic cycle that
  2273. efficiently destroys ozone. This cycle uses free oxygen atoms, 
  2274. however, which are only abundant in the upper stratosphere, whereas
  2275. the ozone hole forms in the lower stratosphere. Instead, the
  2276. principal mechanism involves chlorine peroxide, ClOOCl (often
  2277. referred to as the "ClO dimer"):
  2278.  
  2279.      ClO + ClO -> ClOOCl
  2280.      ClOOCl + hv -> Cl + ClO2
  2281.      ClO2 -> Cl + O2
  2282.      2 Cl + 2 O3 -> 2 ClO + 2 O2
  2283.     -------------------------------
  2284.     Net: 2 O3 -> 3 O2
  2285.  
  2286.  At polar stratospheric temperatures this sequence is extremely fast
  2287. and it dominates the ozone-destruction process. The second step,
  2288. photolysis of chlorine peroxide, requires UV light which only
  2289. becomes abundant in the lower stratosphere in the spring. Thus one
  2290. has a long buildup of ClO and ClOOCl during the winter, followed by
  2291. massive ozone destruction in the spring. This mechanism is believed
  2292. to be responsible for about 70% of the antarctic ozone loss.
  2293.  
  2294. Another mechanism that has been identified involves chlorine and
  2295. bromine:
  2296.  
  2297.      ClO + BrO -> Br + Cl + O2
  2298.      Br + O3 -> BrO + O2
  2299.      Cl + O3 -> ClO + O2
  2300.      -----------------------
  2301.     Net: 2 O3 -> 3 O2
  2302.  
  2303.  This is believed to be responsible for ~25% of the antarctic
  2304. ozone depletion. Additional mechanisms have been suggested, but
  2305. they seem to be less important. [WMO 1991]
  2306.  
  2307. (For further information on the "perturbed chemistry" of the
  2308. antarctic stratosphere, see [Solomon], [McElroy and Salawich],
  2309. and [WMO 1989, 1991]).
  2310.  
  2311.  
  2312. 7. What is the evidence for the present theory?
  2313.  
  2314. The evidence is overwhelming - the results from a single 1987 
  2315. expedition (albeit a crucial one) fill two entire issues of the
  2316. Journal of Geophysical Research. What follows is a very sketchy
  2317. summary; for more information the reader is directed to [Solomon]
  2318. and to [Anderson et al.].
  2319.  
  2320.  The theory described above (which is often called the
  2321. "PSC theory") was developed during the years 1985-87. At the same
  2322. time, others proposed completely different mechanisms, making no
  2323. use of chlorine chemistry. The two most prominent alternative
  2324. explanations were one that postulated large increases in nitrogen
  2325. oxides arising from enhanced solar activity, and one that
  2326. postulated an upwelling of ozone-poor air from the troposphere into
  2327. the cold stratospheric vortex.  Each hypothesis made definite
  2328. predictions, and a program of measurements was carried out to test
  2329. these. The solar activity hypothesis predicted enhanced NOx, whereas 
  2330. the measurements show unusually _low_ NOx ("denoxification), in 
  2331. accordance with the PSC hypothesis.  The "upwelling" hypothesis
  2332. predicted upward air motion in the lower stratosphere, which is
  2333. inconsistent with measurements of atmospheric tracers such as
  2334. N2O which show that the motion is primarily downwards.
  2335.  
  2336.  Positive evidence for the PSC theory comes from ground-based and 
  2337. airborne observations of the various chlorine-containing compounds. 
  2338. These show that the reservoir species HCl and ClONO2 are extensively 
  2339. depleted in the antarctic winter and spring, while the concentration 
  2340. of the active, ozone-depleting species ClO is strongly enhanced. 
  2341. Measurements also show enormously enhanced concentrations of the 
  2342. molecule OClO. This is formed by a side-reaction in the BrO/ClO 
  2343. mechanism described above.
  2344.  
  2345.  Further evidence comes from laboratory studies. The gas-phase
  2346. reactions have been reproduced in the laboratory, and shown to
  2347. proceed at the rates required in order for them to be important in
  2348. the polar stratosphere. [Molina et al. 1990] [Sander et al.] 
  2349. [Trolier et al.] [Anderson et al.]. The production of active
  2350. chlorine from reservoir chlorine on ice and sulfuric acid surfaces
  2351. has also been demonstrated in the laboratory [Tolbert et al.
  2352. 1987,1988] [Molina et al. 1987]. (Recently evidence for these
  2353. reactions has been found in the arctic stratosphere as well: air
  2354. parcels that had passed through regions where the temperature 
  2355. was low enough to form PSC's were found to have anomalously 
  2356. low concentrations of HCl and anomalously high concentrations 
  2357. of ClO [AASE].)
  2358.  
  2359.  The "smoking gun", however, is usually considered to be the
  2360. simultaneous in-situ measurements of a variety of trace gases from 
  2361. an ER-2 stratospheric aircraft (a converted U2 spy plane) in 
  2362. August-October 1987. [Tuck et al.] These measurements demonstrated a 
  2363. striking "anticorrelation" between local ozone concentrations and ClO 
  2364. concentrations. Upon entering the "hole", ClO concentrations 
  2365. suddenly jump by a factor of 20 or more, while ozone concentrations 
  2366. drop by more than 50%. Even the local fluctuations in the 
  2367. concentrations of the two species are anticorrelated. [Anderson et al.] 
  2368.  
  2369.  In summary, the PSC theory explains the following observations:
  2370.  
  2371. 1. The ozone hole occupies the region of the polar vortex where
  2372.    temperatures are below -80 C and where polar stratospheric clouds
  2373.    are abundant. 
  2374.  
  2375. 2. The ozone hole is confined to the lower stratosphere.
  2376.  
  2377. 3. The ozone hole appears when sunlight illuminates the vortex, and
  2378.    disappears soon after temperatures rise past -80 C, destroying PSC's.
  2379.  
  2380. 4. The hole is associated with extremely low concentrations of NOx.
  2381.  
  2382. 5. The hole is associated with very low concentrations of the chlorine
  2383.    "reservoirs", HCl and ClONO2, and very high concentrations of active
  2384.    chlorine compounds, ClO, and byproducts such as OClO.
  2385.  
  2386. 6. Inside the hole, the concentrations of ClO and ozone are precisely
  2387.     anticorrelated, high ClO being accompanied by low ozone.
  2388.  
  2389. 7. Laboratory experiments demonstrate that chlorine reservoir compounds
  2390.    do react to give active chlorine on the surfaces of ice particles.
  2391.  
  2392. 8. Airborne measurements in the arctic stratosphere show that air 
  2393.    which has passed through regions containing PSC's is low in 
  2394.    reservoir chlorine and high in active chlorine.
  2395.  
  2396. The antarctic ozone hole, once a complete mystery, is now 
  2397. one of the best understood aspects of the entire subject; it is 
  2398. much better understood than the small but steadily growing ozone
  2399. depletion at mid latitudes, for example.
  2400.  
  2401.  
  2402. 8. Will the ozone hole keep growing?
  2403.  
  2404.  To answer this, we need to consider separately the lateral
  2405. dimensions (the "area" of the hole), the vertical dimension (its
  2406. "depth") and the temporal dimension (how long the hole lasts.)
  2407.  
  2408. a.) Lateral Extent
  2409.  
  2410.  Let us define the "hole" to be the
  2411. region where the total ozone column is less than 200 DU,
  2412. i.e. where total ozone has fallen to less than 2/3 of normal
  2413. springtime antarctic values. Defined thus, the hole is always
  2414. confined to the south polar vortex, south of ~55 degrees. At
  2415. present it does not fill the whole vortex, only the central core
  2416. where stratospheric temperatures are less than ~-80 C. Typically
  2417. this region is south of ~65 degrees, although there is a great deal
  2418. of variation - in some years the center of the vortex is displaced
  2419. well away from the pole, and the nominal boundary of the hole has
  2420. on a few occasions passed over the tip of Chile. As stratospheric
  2421. chlorine continues to rise, the hole might "fill out" the vortex;
  2422. this could as much as double its area. [Schoeberl and Hartmann]. So
  2423. far this does not seem to be happening. The 1992 hole was 15-25%
  2424. larger than previous years, and the 1993 hole appears to be almost
  2425. as large. This increase is probably due to the
  2426. stratospheric sulfate aerosols from the July 1991 eruption of Mt.
  2427. Pinatubo, which behave in some respects like polar stratospheric
  2428. clouds. [Solomon et al. 1993] These aerosols settle out of the
  2429. stratosphere after 2-3 years, so the increases seen in 1992 are
  2430. expected to be temporary. In any case, it cannot grow beyond 
  2431. ~55 degrees without a major change in the antarctic wind patterns
  2432. that  would allow the vortex to grow. Such a change could
  2433. conceivably accompany global warming: the greenhouse effect warms
  2434. the earth's surface, but _cools_ the stratosphere. There is no
  2435. reason to expect the hole to expand out over Australia, S. Africa,
  2436. etc., although these regions could experience further ozone
  2437. depletion after the hole breaks up and the ozone-poor air drifts
  2438. north.
  2439.  
  2440. b. Vertical Depth
  2441.  
  2442.  The hole is confined to the lower stratosphere, where the 
  2443. clouds are abundant. In this region the ozone is essentially
  2444. gone. The upper stratosphere is much less affected, however, so
  2445. that overall column depletion comes to ~50%. As stratospheric
  2446. chlorine concentrations continue to increase over the next 10
  2447. years or so, some penetration to higher altitudes may take place,
  2448. but large increases in depth are not expected.  (Once again,
  2449. aerosols from Mt. Pinatubo have allowed the 1992 and 1993 holes
  2450. to extend over a larger altitude range than usual, both higher 
  2451. and lower, but this is probably a temporary effect.)
  2452.  
  2453. c. Duration of the hole
  2454.  
  2455.  Here we might see major effects. The hole is destroyed in late
  2456. spring/early summer when the vortex breaks up and warm, ozone-rich
  2457. air rushes in. If the stratosphere cools, the vortex becomes more
  2458. stable and lasts longer. As mentioned above, the greenhouse effect
  2459. actually cools the stratosphere. There is a more direct cooling
  2460. mechanism, however - remember that the absorption of solar UV by
  2461. ozone is the major source of heat in the stratosphere, and is the
  2462. reason that the temperature of the stratosphere increases with
  2463. altitude. Depletion of the ozone layer therefore cools the
  2464. stratosphere, and in this sense the hole is self-stabilizing. In
  2465. future years we might see more long-lived holes like that in 1990,
  2466. which survived into early December.
  2467.  
  2468.  (The relationship between ozone depletion and climate change is
  2469.  complicated, and best dealt with in a separate FAQ, preferably 
  2470.  written by someone other than myself :-) )
  2471.  
  2472.  
  2473. 9. Why be concerned about an ozone hole over antarctica?
  2474.    Nobody lives down there.
  2475.  
  2476.  First of all, even though the ozone hole is confined to the
  2477. antarctic, its effects are not. After the hole breaks up in the
  2478. spring, ozone-poor air drifts north and mixes with the air there,
  2479. resulting in a transient decrease at middle and high latitudes.
  2480. This has been seen as far north as Australia [WMO 1991][Roy et al.]
  2481. [Atkinson et al.] On a time scale of months short-wave UV
  2482. regenerates the ozone, but it is believed that this "dilution" may
  2483. be a major cause of the much smaller _global_ ozone depletion, ~3%
  2484. per decade, that has been observed. Moreover, the air from the
  2485. ozone hole is also rich in ClO and can destroy more ozone as it
  2486. mixes with ozone-rich air. Even during the spring, the air in 
  2487. the vortex is not _completely_ isolated, although there is some
  2488. controversy over the extent to which the ozone hole acts as
  2489. a "chemical processor" for the earth's atmosphere.
  2490. ([Tuck 1989] [Schoeberl and Hartmann] [AASE] [Randel] [Waugh].)
  2491.  
  2492.  From a broader standpoint, the ozone hole is a distant early
  2493. warning message. Because of its unusual meteorological properties
  2494. the antarctic stratosphere is especially sensitive to chemical
  2495. perturbations; the natural mechanisms by which chlorine is
  2496. sequestered in reservoirs fail when total stratospheric chlorine
  2497. reaches about 2 parts per billion. This suggests that allowing
  2498. CFC emissions to increase by 3% per year, as was occurring during
  2499. the 1980's, is unwise, to say the least. The emission reduction 
  2500. schedules negotiated under the Montreal Protocol (as revised in
  2501. 1990 and 1992) lead to a projected maximum of ~4 ppb total strat.
  2502. chlorine in the first decade of the 21st century, followed by a
  2503. gradual decrease. Letting emissions increase at 3%/year would have
  2504. led to >16 ppb total stratospheric chlorine by 2040, and even a
  2505. freeze at 1980 rates would have led to >10 ppb. [Prather et al.].
  2506.  
  2507.  
  2508. 10. Is there an ozone hole in the arctic? if not, why not?
  2509.  
  2510. There is no _massive_ ozone loss in the arctic, although there _is_
  2511. unusually large springtime ozone depletion, so the word "hole" is
  2512. not appropriate. I like the expression "arctic ozone dimple" but
  2513. this is not canonical :-). The arctic polar vortex is much weaker
  2514. than the antarctic, arctic temperatures are several degrees higher,
  2515. and polar stratospheric clouds are much less common and tend to break
  2516. up earlier in the spring.) [Salby and Garcia] Thus even though 
  2517. wintertime ClO gets very high, as high as antarctic ClO in 1991-2, it 
  2518. does not remain high through the spring, when it counts. [AASE] 
  2519.  
  2520. Recent UARS measurements, however, indicate that in 1993 arctic 
  2521. stratosphere temperatures stayed low enough to retain PSC's until 
  2522. late February, and ClO remained high into March. Large ozone 
  2523. depletions, ~10-20%, were reported for high latitudes in the
  2524. Northern Hemisphere; these still do not qualify as an "ozone hole"
  2525. but they do seem to indicate that the same physics and chemistry
  2526. are operating, albeit with much less efficiency. [Waters et al.]
  2527. [Gleason et al.]
  2528.  
  2529. If "global warming" does indeed take place during the first
  2530. few decades of the next century, we may see a dramatic change in
  2531. arctic ozone. The greenhouse effect warms the surface of the
  2532. earth, but at the same time _cools_ the stratosphere. Since there
  2533. is much less air in the stratosphere,  2-3 degrees of surface
  2534. warming corresponds to a much larger decrease in stratospheric
  2535. temperatures, as much as 10 degrees. This could lead to a true
  2536. ozone hole in the arctic, although it would still probably be
  2537. smaller and weaker than the antarctic hole. [Austin et al.]
  2538.  
  2539. The 27 August issue of _Science_ magazine contains 8 papers devoted
  2540. to arctic ozone depletion in the winter of 1991-92. [AASE]
  2541.  
  2542.  
  2543. 11. Can the hole be "plugged"?
  2544.  
  2545. The present ozone hole, while serious, is not in itself 
  2546. catastrophic. UV radiation is always low in polar regions since the
  2547. sun takes a long path through the atmosphere and hence through the
  2548. ozone layer. There may be serious consequences for marine life in
  2549. the antarctic ocean, which is adapted to the normally low UV
  2550. levels. When the hole breaks up in summer, there may be temporary
  2551. increases in UV-b at high latitudes of the southern hemisphere as
  2552. air that is poor in ozone and rich in "active", ozone-destroying
  2553. forms of chlorine mixes with the air outside. 
  2554.  
  2555.  Nevertheless it looks like we are stuck with the hole for the
  2556. next 50 years at least, and we don't know what new surprises the
  2557. atmosphere has in store for us. Thus, some atmospheric scientists
  2558. have been exploring the possibility of "fixing" the hole by
  2559. technological means. All such schemes proposed so far are highly
  2560. controversial, and there are no plans to carry any of them out
  2561. until the chemistry and dynamics of the stratosphere are much
  2562. better understood than they are at present. 
  2563.  
  2564.  It should be made clear at the beginning that there is no
  2565. point in trying to replace the ozone directly. The amounts are far
  2566. too large to be transported to the stratosphere, and the antarctic
  2567. mechanisms are so fiendishly efficient that they will easily
  2568. destroy added ozone (recall that where the catalytic cycles
  2569. operate, ~95% of the ozone is gone, in spite of the fact that the
  2570. sun is generating it all the time.) It is far better to try to
  2571. remove the halogen catalysts.  One suggestion made a few years ago
  2572. was to release sodium metal into the stratosphere, in hopes that it
  2573. would form sodium chloride crystals which would settle out. The
  2574. problem is that the microcrystals remain suspended as long as they
  2575. are small, and can play the same role as clouds and aerosols in
  2576. converting reservoir chlorine to active chlorine. 
  2577.  
  2578.  A second suggestion is to destroy the CFC's while they are
  2579. still in the troposphere, by photolyzing them with high-powered
  2580. infrared lasers installed on mountainsides. (CFC's and similar
  2581. molecules can absorb as many as 30 infrared photons
  2582. from a single laser pulse, a phenomonon known as infrared
  2583. multiphoton dissociation). The chlorine atoms released would
  2584. quickly be converted to HCl and rained out. The power requirements
  2585. of such a project are daunting, however, and it appears that much
  2586. of the laser radiation would be shifted out of the desired
  2587. frequency range by stimulated raman scattering. [Stix]
  2588.  
  2589.  A more serious possibility is being explored by one of the
  2590. discoverers of chlorine-catalyzed ozone depletion, Ralph Cicerone,
  2591. together with Scott Elliot and Richard Turco [Cicerone et al.
  2592. 1991,1992]. They considered the effects of dumping ~50,000 tons of
  2593. ethane or propane, several hundred planeloads, into the antarctic
  2594. stratosphere every spring. The hydrocarbons would react rapidly
  2595. with the Cl-containing radicals to give back the reservoir HCl. The
  2596. hydrocarbons themselves are fairly reactive and would decompose by
  2597. the end of a year, so the treatment would have to be repeated
  2598. annually. The chlorine would not actually be removed from the
  2599. stratosphere, but it would be bound up in an inert form - in other
  2600. words, the catalyst would be "poisoned". There are
  2601. no plans to carry this or any other scheme out in the near future;
  2602. to quote from Cicerone et al. (1991), "Before any actual injection
  2603. experiment is undertaken there are many scientific, technical,
  2604. legal and ethical questions to be faced, not the least of which is
  2605. the issue of unintended side effects."
  2606.  
  2607.  
  2608. REFERENCES FOR PART III
  2609.  
  2610. A remark on references: they are neither representative nor
  2611. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  2612. problems. For the most part I have limited myself to papers that
  2613. are (1) widely available (if possible, _Science_ or _Nature_ rather
  2614. than archival sources such as _J. Geophys. Res._) and (2) directly
  2615. related to the "frequently asked questions". This gives very short
  2616. shrift to much important work; for example, I say very little about
  2617. stratospheric NOx, even though a detailed accounting of chemistry
  2618. and transport of the nitrogen oxides is one of the major goals
  2619. of current research. Readers who want to see "who did what" should
  2620. consult the review articles listed below, or, if they can get them,
  2621. the extensively documented WMO reports.
  2622.  
  2623.  
  2624. Introductory Reading:
  2625.  
  2626. [Graedel and Crutzen] T. Graedel and P. Crutzen, _Atmospheric
  2627.  Change: an Earth System Perspective_, Freeman, 1993.
  2628.  
  2629. [Hamill and Toon] P. Hamill and O. Toon, "Polar stratospheric
  2630. clouds and the ozone hole", _Physics Today_ December 1991.
  2631.  
  2632. [Stolarski] Richard Stolarski, "The Antarctic Ozone Hole", _Sci.
  2633. American_ 1 Jan. 1988. (this article is now seriously out of date,
  2634. but it is still a good place to start).
  2635.  
  2636. [Toon and Turco] O. Toon and R. Turco, "Polar Stratospheric Clouds
  2637. and Ozone Depletion", _Sci. Am._ June 1991
  2638.  
  2639. [Zurer] P. S. Zurer, "Ozone Depletion's Recurring Surprises
  2640. Challenge Atmospheric Scientists", _Chemical and Engineering News_,
  2641. 24 May 1993, pp. 9-18.
  2642.  
  2643. -----------------------------------------
  2644. Books and Review Articles:
  2645.  
  2646. [Anderson, Toohey and Brune] J.G. Anderson, D. W. Toohey, and W. H.
  2647. Brune,  "Free Radicals within the Antarctic vortex: the role of
  2648. CFC's in Antarctic Ozone Loss", _Science_ _251_, 39 (4 Jan. 1991).
  2649.  
  2650. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich, "Changing
  2651. Composition of the Global Stratosphere", _Science_ _243, 763, 1989.
  2652.  
  2653. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative
  2654. understanding of Antarctic ozone depletion", 
  2655. _Nature_ _347_, 347, 1990.
  2656.  
  2657. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 2nd.  Ed., 
  2658. Oxford, 1991, Ch. 4.
  2659.  
  2660. [WMO 1989] World Meteorological Organization Global Ozone Research
  2661. and Monitoring Project - Report #20, "Scientific Assessment of
  2662. Stratospheric Ozone: 1989".
  2663.  
  2664. [WMO 1991] World Meteorological Organization Global Ozone Research
  2665. and Monitoring Project - Report #25, "Scientific Assessment of
  2666. Ozone Depletion: 1991".
  2667.  
  2668. -------------------------
  2669. More Specialized:
  2670.  
  2671. [AASE] Papers resulting from the Second Airborne Arctic Stratosphere 
  2672.  Expedition, published in _Science_ _261_, 1128-1157, 27 Aug. 1993.
  2673.  
  2674. [Atkinson et al.] R. J. Atkinson, W. A. Matthews, P. A. Newman,
  2675.  and R. A. Plumb, "Evidence of the mid-latitude impact of Antarctic
  2676.  ozone depletion", _Nature_ _340_, 290, 1989. 
  2677.  
  2678. [Austin et al.] J. Austin, N. Butchart, and K. P. Shine,
  2679. "Possibility of an Arctic ozone hole in a doubled-CO2 climate",
  2680. _Nature_ _360_, 221, 1992.
  2681.  
  2682. [Cicerone et al. 1991] R. Cicerone, S. Elliot, and R. Turco,
  2683. "Reduced Antarctic Ozone Depletions in a Model with Hydrocarbon
  2684. Injections", _Science_ _254_, 1191, 1991.
  2685.  
  2686. [Cicerone et al. 1992] R. Cicerone, S. Elliot, and R. Turco,
  2687. "Global Environmental Engineering", _Nature_ _356_, 472, 1992.
  2688.  
  2689. [Dobson] G. M. B. Dobson, "Forty Years' research on atmospheric
  2690. ozone at Oxford", _Applied Optics_, _7_, 387, 1968.
  2691.  
  2692. [Farman et al.] J. C. Farman, B. G. Gardiner, and J. D. Shanklin,
  2693. "Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOx/NOx
  2694. interaction", _Nature_ _315_, 207, 1985.
  2695.  
  2696. [Frederick and Alberts] J. Frederick and A. Alberts, "Prolonged
  2697.  enhancement in surface ultraviolet radiation during the Antarctic
  2698.  spring of 1990", _Geophys. Res. Lett._ _18_, 1869, 1991.
  2699.  
  2700. [Gleason et al.] J. Gleason, P. Bhatia, J. Herman, R. McPeters, P.
  2701. Newman, R. Stolarski, L. Flynn, G. Labow, D. Larko, C. Seftor, C.
  2702. Wellemeyer, W. Komhyr, A. Miller, and W. Planet, "Record Low Global
  2703. Ozone in 1992", _Science_ _260_, 523, 1993.
  2704.  
  2705. [Molina et al. 1987] M. J. Molina, T.-L. Tso, L. T. Molina, and
  2706. F.C.-Y. Yang, "Antarctic stratospheric chemistry of chlorine
  2707. nitrate, hydrogen chloride, and ice: Release of active chlorine",
  2708. _Science_ _238_, 1253, 1987.
  2709.  
  2710. [Molina et al. 1990] M. Molina, A. Colussi, L. Molina, R.
  2711. Schindler, and T.-L. Tso, "Quantum yield of chlorine atom formation
  2712. in the photodissociation of chlorine peroxide (ClOOCl) at 308 nm",
  2713. _Chem. Phys. Lett._ _173_, 310, 1990.
  2714.  
  2715. [Plumb] A. Plumb, "Mixing and Matching", 
  2716. _Nature_ _365_, 489-90, 1993. (News and Views)
  2717.  
  2718. [Prather et al.] M.J. Prather, M.B. McElroy, and S.C. Wofsy, 
  2719. "Reductions in ozone at high concentrations of stratospheric
  2720.  halogens", _Nature_ _312_, 227, 1984.
  2721.  
  2722. [Randel] W. Randel, "Ideas flow on Antarctic vortex", 
  2723. _Nature_ _364_, 105, 1993 (News and Views)
  2724.  
  2725. [Roy et al.] C. Roy, H. Gies, and G. Elliott, "Ozone Depletion",
  2726.  _Nature_ _347_, 235, 1990. (Scientific Correspondence)
  2727.  
  2728. [Salby and Garcia] M. L. Salby and R. R. Garcia, "Dynamical Perturbations
  2729. to the Ozone Layer", _Physics Today_ _43_, 38, March 1990.
  2730.  
  2731. [Sander et al.] S.P. Sander, R.J. Friedl, and Y.K. Yung, "Role of
  2732. the ClO dimer in polar stratospheric chemistry: rate of formation
  2733. and implications for ozone loss", _Science_ _245_, 1095, 1989.
  2734.  
  2735. [Schoeberl and Hartmann] M. Schoeberl and D. Hartmann, "The
  2736. dynamics of the stratospheric polar vortex and its relation to
  2737. springtime ozone depletions", _Science_ _251_, 46, 1991.
  2738.  
  2739. [Solomon et al. 1993] S. Solomon, R. Sanders, R. Garcia, and J.
  2740. Keys, "Increased chlorine dioxide over Antarctica caused by
  2741. volcanic aerosols from Mt. Pinatubo", _Nature_ _363_, 245, 1993.
  2742.  
  2743. [Stix] T. H. Stix, "Removal of Chlorofluorocarbons from the 
  2744.  earth's atmosphere", _J. Appl. Physics_ _60_, 5622, 1989.
  2745.  
  2746. [Stolarski et al. 1992]  R. Stolarski, R. Bojkov, L. Bishop, C.
  2747. Zerefos, J. Staehelin, and J. Zawodny, "Measured Trends in
  2748. Stratospheric Ozone",  Science _256_, 342 (17 April 1992)
  2749.  
  2750. [Tolbert et al. 1987] M.A. Tolbert, M.J. Rossi, R. Malhotra, and
  2751. D.M. Golden, "Reaction of chlorine nitrate with hydrogen chloride
  2752. and water at Antarctic stratospheric temperatures", _Science_
  2753. _238_, 1258, 1987.
  2754.  
  2755. [Tolbert et al. 1988] M.A. Tolbert, M.J. Rossi, and D.M. Golden,
  2756. "Antarctic ozone depletion chemistry: reactions of N2O5 with H2O
  2757. and HCl on ice surfaces", _Science_ _240_, 1018, 1988.
  2758.  
  2759. [Trolier et al.] M. Trolier, R.L. Mauldin III, and A. Ravishankara,
  2760. "Rate coefficient for the termolecular channel of the self-reaction
  2761. of ClO", _J. Phys. Chem._ _94_, 4896, 1990. 
  2762.  
  2763. [Tuck 1989] A. F. Tuck, "Synoptic and Chemical Evolution of the 
  2764. Antarctic Vortex in late winter and early spring, 1987: An ozone
  2765. processor", J. Geophys. Res. _94_, 11687, 1989.
  2766.  
  2767. [Tuck et al.] A. F. Tuck, R. T. Watson, E. P. Condon, and J. J.
  2768. Margitan, "The planning and execution of ER-2 and DC-8 aircraft
  2769. flights over Antarctica, August and September, 1987"
  2770. J. Geophys. Res. _94_, 11182, 1989.
  2771.  
  2772. [Waters et al.] J. Waters, L. Froidevaux, W. Read, G. Manney, L.
  2773. Elson, D. Flower, R. Jarnot, and R. Harwood, "Stratospheric ClO and
  2774. ozone from the Microwave Limb Sounder on the Upper Atmosphere
  2775. Research Satellite", _Nature_ _362_, 597, 1993.
  2776.  
  2777. [Waugh] D. W. Waugh, "Subtropical stratospheric mixing linked to 
  2778. disturbances in the polar vortices", _Nature_ _365_, 535, 1993.
  2779.  
  2780.  
  2781.  
  2782.  
  2783.  
  2784.  
  2785.  
  2786.  
  2787.  
  2788. -------------------------------------------------------------------------------
  2789. Area # 2120  news.answers           05-26-94 15:54      Message # 13067
  2790. From    : RPARSON@SPOT.COLORADO.ED
  2791. To      : ALL                                           
  2792. Subj    : Ozone Depletion FAQ Part
  2793.  
  2794.  @SUBJECT:Ozone Depletion FAQ Part IV: UV Radiation and its Effects    
  2795. Message-ID: <CqFDz8.2IE@cnsnews.Colorado.EDU>
  2796. Newsgroups: sci.environment,sci.answers,news.answers
  2797. Organization: University of Colorado, Boulder
  2798.  
  2799. Archive-name: ozone-depletion/uv
  2800. Last-modified: 23 May 1994
  2801. Version: 4.3
  2802.  
  2803. These files are posted monthly, usually in the third week of the month.
  2804. They may be obtained by anonymous ftp from rtfm.mit.edu in the directory:
  2805.  
  2806.     /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion
  2807.  
  2808.  which contains the four files intro, stratcl, antarctic, and uv.
  2809.  
  2810.  They may also be obtained by sending the following message
  2811.  to mail-server@rtfm.mit.edu:
  2812.  
  2813.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  2814.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/stratcl
  2815.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/antarctic
  2816.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/uv
  2817.  
  2818.  Leave the subject line blank.
  2819.  If you want to find out more about the mail server, send a
  2820.  message to it containing the word "help".
  2821.                                                                     
  2822. ***********************************************************************
  2823. * Copyright 1994 Robert Parson                                        *
  2824. *                                                                     *
  2825. * This file may be distributed, copied, and archived. All             *
  2826. * copies must include this notice and the paragraph below entitled    *
  2827. * "Caveat". Reproduction and distribution for personal profit is      *
  2828. * not permitted. If this document is transmitted to other networks or *
  2829. * stored on an electronic archive, I ask that you inform me. I also   *
  2830. * request that you inform me before including any of this information *
  2831. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  2832. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  2833. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  2834. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  2835. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  2836. * to the original published source, not to this document.             *
  2837. ***********************************************************************
  2838.  
  2839.  
  2840. This file deals with the physical properties of ultraviolet
  2841. radiation and its biological consequences, emphasizing the
  2842. possible effects of stratospheric ozone depletion. It frequently
  2843. refers back to Part I, where the basic properties of the ozone
  2844. layer are described; the reader should look over that file first.
  2845.  
  2846. The overall approach I take is conservative. I concentrate on what
  2847. is known and on most probable, rather than worst-case, scenarios.
  2848. For example, I have relatively little to say about the
  2849. effects of UV radiation on plants - this does not mean that the
  2850. effects are small, it means that they are as yet not well
  2851. quantified (and moreover, I am not well qualified to interpret the
  2852. literature.) Policy decisions must take into account not only the
  2853. most probable scenario, but also  a range of less probable ones.
  2854. will probably do, but also the worst that he could possibly do.
  2855. There have been surprises, mostly unpleasant, in this field in the
  2856. past, and there are sure to be more in the future. In general,
  2857. _much_ less is known about biological effects of UV-B than about
  2858. the physics and chemistry of the ozone layer.
  2859.  
  2860.  
  2861. | _Caveat_: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  2862. | scientist at all - I am a physical chemist studying gas-phase
  2863. | reactions who talks to atmospheric scientists. In this part in
  2864. | particular I am well outside the range of my own expertise.
  2865. | I have discussed some aspects of this subject with specialists, 
  2866. | but I am solely responsible for everything written here, including 
  2867. | any errors. This document should not be cited in publications off 
  2868. | the net; rather, it should be used as a pointer to the published
  2869. | literature. 
  2870.  
  2871. *** Corrections and comments are welcomed. 
  2872.  
  2873.  
  2874. - Robert Parson
  2875.   Associate Professor
  2876.   Department of Chemistry and Biochemistry,
  2877.   University of Colorado (for which I do not speak)
  2878.  
  2879.   rparson@spot.colorado.edu
  2880.   Robert.Parson@colorado.edu
  2881.  
  2882. CONTENTS 
  2883.  
  2884.  1. What is "UV-B"?
  2885.  
  2886.  2. How does UV-B vary from place to place?
  2887.  
  2888.  3. *Is* UV-B increasing?
  2889.  
  2890.  4. What is the relationship between UV radiation and skin cancer?
  2891.  
  2892.  5. Is ozone loss responsible for the melanoma upsurge?
  2893.  
  2894.  6. Does UV Radiation cause cataracts?
  2895.  
  2896.  7. Are sheep going blind in Chile?
  2897.  
  2898.  8. What effects does increased UV have on agriculture?
  2899.  
  2900.  9. What effects does increased UV have on marine life?
  2901.  
  2902. 10. Is UV-B responsible for the amphibian decline?
  2903.  
  2904.  References 
  2905.  
  2906.  
  2907.  
  2908. 1. What is "UV-B"?
  2909.  
  2910.  "UV-B" refers to UV light having a wavelength between 280 and 
  2911. 320 nm. These wavelengths are on the lower edge of ozone's UV
  2912. absorption band, in the so-called "Huggins bands". They are 
  2913. absorbed by ozone, but less efficiently than shorter wavelengths
  2914. ("UV-C").  (The absorption cross-section of ozone increases by more
  2915. than 2 orders of magnitude between 320 nm and the peak value at
  2916. ~250 nm.)  Depletion of the ozone layer would first of all result
  2917. in increased UV-B. In principle UV-C would also increase, but it is
  2918. absorbed so efficiently that a very large depletion would have to
  2919. take place in order for significant amounts to reach the earth's
  2920. surface. UV-B and UV-C are absorbed by DNA and other biological
  2921. macromolecules, inducing photochemical reactions. UV radiation with
  2922. a wavelength longer than 320 nm is called "UV-A".  It is not
  2923. absorbed by ozone, but it is not believed to be especially
  2924. dangerous. (See, however, question #6.)
  2925.  
  2926.  
  2927. 2. How does UV-B vary from place to place?
  2928.  
  2929.  A great deal.  It is strongest at low latitudes and high altitudes. 
  2930. At higher latitudes, the sun is always low in the sky so that it takes
  2931. a longer path through the atmosphere and more of the UV-B is absorbed.
  2932. For this reason, ozone depletion is likely to have a greater impact on 
  2933. _local_ ecosystems, such as terrestrial plants and the Antarctic marine 
  2934. phytoplankton, than on humans or their livestock. 
  2935. UV also varies with altitude and local cloud cover. These trends can
  2936. be seen in the following list of annually-averaged UV indices for
  2937. several US cities  [Roach] (units are arbitrary - I don't know 
  2938. precisely how this index is defined though I assume it is
  2939. proportional to some integral over the UV-b region of the spectrum)
  2940.  
  2941.  Minneapolis, Minnesota         570
  2942.  Chicago, Illinois              637
  2943.  Washington, DC                 683
  2944.  San Francisco, California      715
  2945.  Los Angeles, California        824
  2946.  Denver, Colorado               951
  2947.  Miami, Florida                 1028
  2948.  Honolulu, Hawaii               1147
  2949.  
  2950.  It should be noted that skin cancer rates show a similar trend.
  2951.  (See below).
  2952.  
  2953.  
  2954.  
  2955. 3. Is UV-B at the earth's surface increasing?
  2956.  
  2957. Yes, in some places; no, in others. 
  2958.  
  2959. Very large increases - up to a factor of 2 - have been seen even
  2960. in the outer portions of the Antarctic hole. [Frederick and
  2961. Alberts] 
  2962.  
  2963. Small increases, of order 1% per  year, have been measured in the
  2964. Swiss Alps. [Blumthaler and Ambach] These _net_ increases are small
  2965. compared to natural day-to-day fluctuations, but they are actually
  2966. a little larger than would be expected from the amount of ozone
  2967. depletion over the same period. 
  2968.  
  2969. In urban areas of the US, UV-B
  2970. levels showed no significant increase (and in most cases actually
  2971. decreased a little)  between 1974 and 1985. [Scotto et al.].  This
  2972. is probably due to increasing urban pollution, including low-level
  2973. ozone and aerosols. [Grant] Tropospheric ozone is actually
  2974. somewhat more  effective at absorbing UV than stratospheric ozone,
  2975. because UV light is scattered much more in the troposphere, and
  2976. hence takes a longer path. [Bruehl and Crutzen]  Increasing
  2977. amounts of tropospheric aerosols, from urban and industrial
  2978. pollution, may also offset UV-B increases at the ground.  [Liu et
  2979. al.] [Madronich 1992, 1993] [Grant] There have been questions about 
  2980. the suitability of the instruments used by Scotto et al.; they were
  2981. not designed for measuring long-term trends, and they put too much
  2982. weight on regions of the UV spectrum which are not appreciably
  2983. absorbed by ozone in any case. [WMO 1989] Nevertheless it seems 
  2984. clear that so far ozone depletion over US cities is small enough to
  2985. be largely offset by competing factors.  Tropospheric ozone and aerosols
  2986. have increased in rural areas of the US and Europe as well, so
  2987. these areas may also be screened from the effects of ozone depletion.
  2988.  
  2989. A recent study [Kerr and McElroy] has found convincing evidence of
  2990. UV-B increases in Toronto, Canada during the period 1989-1993. The UV
  2991. intensity at 300 nm increased by 35% per year in winter and 7% per
  2992. year in summer. At this wavelength 99% of the total UV is absorbed,
  2993. so these represent large increases in a small number, and do not
  2994. represent a health hazard; nevertheless these wavelengths play a 
  2995. disproportionately large role in skin carcinoma and plant damage
  2996. since DNA absorbs strongly there. Total UV-B irradiance, weighted
  2997. in such a way as to correlate with incidence of sunburn ("erythemally
  2998. active radiation"), increased by 5% per year in winter and 2% per year
  2999. in summer.  These are not long-term trends; they are dominated by
  3000. the unusually large, but temporary, ozone losses in these 
  3001. regions in the years 1992-1993 (see part I) and should therefore not 
  3002. be extrapolated into the future. However they do provide evidence 
  3003. of a link between ozone at middle latitudes and total UV-B radiation.
  3004. Increases of similar magnitude between 1992 and 1993 were seen in 
  3005. Germany [Seckmeyer et al.]
  3006.  
  3007. Indirect evidence for increases has been obtained in the Southern
  3008. Hemisphere, where stratospheric ozone depletion is larger and 
  3009. tropospheric ozone (and aerosol pollution) is lower. Biologically 
  3010. weighted UV-B irradiances at a station in New Zealand were 1.4-1.8 
  3011. times higher than irradiances at a comparable latitude and season in 
  3012. Germany, of which a factor of 1.3-1.6 can be attributed to differences 
  3013. in the ozone column over the two locations [Seckmeyer and McKenzie].
  3014. In the southern hemisphere summer, the noontime UV-B irradiance 
  3015. at Ushaia in Tierra del Fuego is 45% above what would be predicted 
  3016. were there no ozone depletion. [Frederick et al. 1993] 
  3017.  
  3018. In comparing UV-B estimates, one must pay careful attention to
  3019. exactly what is being reported. One wants to know not just whether
  3020. there is an increase, but how much increase there is at any given
  3021. wavelength, since the shorter wavelengths are more dangerous.
  3022. Different measuring instruments have different spectral responses,
  3023. and are more or less sensitive to various spectral regions. [Wayne,
  3024. Rowland 1991].  Wavelength-resolving instruments, such as the
  3025. spectroradiometers being used in Antarctica, Argentina, and Toronto,
  3026. are the most informative, as they allow one to distinguish the
  3027. effects of ozone trends from those due to clouds and aerosols.
  3028. [Madronich 1993] [Kerr and McElroy].
  3029.  
  3030.  
  3031. 4. What is the relationship between UV radiation and skin cancer?
  3032.  
  3033. There are three kinds of skin cancer, basal cell carcinomas,
  3034. squamous cell carcinomas, and melanomas. In the US there were
  3035. 500,000 cases of the first, 100,000 of the second, and 27,600 of
  3036. the third in 1990. [Wayne] More than 90% of the skin carcinomas in
  3037. the US are attributed to UV-b exposure: their frequency varies
  3038. sharply with latitude, just as UV does. The mechanism by which UV-B
  3039. induces carcinomas has been identified - the pyrimidine bases
  3040. in the DNA molecule form dimers when stimulated by UV-B radiation.
  3041. [Tevini]. Fortunately, these cancers are relatively easy to treat 
  3042. if detected in time, and are rarely fatal. Skin carcinoma rates vary
  3043. sharply with latitude, just as UV-B does. Fair-skinned people of
  3044. North European ancestry are particularly susceptible. The highest
  3045. rates in the world are found in Queensland, a northerly province of
  3046. Australia. 
  3047.  
  3048. [Madronich and deGruiji] have estimated the expected increases in
  3049. skin carcinoma rates due to ozone depletion over the period 1979-1992:
  3050.  
  3051.  Lat.   % ozone loss    % increase in rate,     % increase in rate,
  3052.         1979-1992       basal cell carcinoma    squamous cell carcinoma
  3053.  
  3054.  55N    7.4 +-1.3       13.5 +-5.3              25.4 +-10.3
  3055.  35N    4.8 +-1.4        8.6 +-4.0              16.0 +-7.6
  3056.  15N    1.5 +-1.1        2.7 +-2.4               4.8 +-4.4
  3057.  
  3058.  15S    1.9 +-1.3        3.6 +-2.6               6.5 +-4.8
  3059.  35S    4.0 +-1.6        8.1 +-3.6              14.9 +-6.8
  3060.  55S    9.0 +-1.5       20.4 +-7.4              39.3 +-15.1
  3061.  
  3062. Of course, the rates themselves are much smaller at high latitudes,
  3063. where the relative increases in rates are large. These estimates do
  3064. not take changes in lifestyle into consideration.
  3065.  
  3066. Malignant melanoma is much more dangerous, but its connection 
  3067. with UV exposure is not well understood. There seems to a correlation 
  3068. between melanomas and brief, intense exposures to UV (long before 
  3069. the cancer appears.) Melanoma incidence is definitely correlated with 
  3070. latitude, with twice as many deaths (relative to state population) 
  3071. in Florida or Texas as in Wisconsin or Montana, but this correlation 
  3072. need not imply a causal relationship. Some claim that UV-A, which is 
  3073. not absorbed by ozone, is involved. [Skolnick] [Setlow et al.]
  3074.  
  3075.  
  3076. 5. Is ozone loss to blame for the melanoma upsurge?
  3077.  
  3078. A few physicians have said so, but most others think not.
  3079. [Skolnick]
  3080.  
  3081. First of all, UV-B has not, so far, increased very much, at least
  3082. in the US and Europe. 
  3083.  
  3084. Second, melanoma takes 10-20 years to develop. There hasn't been
  3085. enough time for ozone depletion to play a significant role.
  3086.  
  3087. Third, the melanoma epidemic has been going on since the 1940's. 
  3088. Recent increases in rates may just reflect better reporting, or
  3089. the popularity of suntans in the '60's and '70's. (This becomes
  3090. more likely if UV-A is in fact involved.)
  3091.  
  3092.  
  3093. 6. Does UV-B cause cataracts?
  3094.  
  3095. While the evidence for this is indirect, it is very plausible.
  3096.  
  3097. The lens of the eye is a good UV-filter, protecting the delicate
  3098. structures in the retina. Too much UV results in short-term "snow
  3099. blindness", but the effects of prolonged, repeated exposure are
  3100. not known.  People living in naturally high UV environments such
  3101. as Bolivia or Tibet do have a high incidence of cataracts, and overall
  3102. cataracts are more frequently seen at lower latitudes. [Tevini]
  3103.  
  3104.  
  3105. 7. Are sheep going blind in Chile?
  3106.  
  3107. If they are, it's not because of ozone depletion. 
  3108.  
  3109. For a short period each year, the edge of the ozone hole passes
  3110. over Tierra del Fuego, at the southern end of the South American
  3111. continent. This has led to a flurry of reports of medical damage
  3112. to humans and livestock. Dermatologists claim that they are seeing 
  3113. more patients with sun-related conditions, nursery owners report
  3114. damage to plants, a sailor says that his yacht's dacron sails have
  3115. become brittle, and a rancher declares that 50 of his sheep,
  3116. grazing at high altitudes, suffer "temporary cataracts" in the
  3117. spring. (_Newsweek_, 9 December 1991, p. 43; NY Times, 27 July
  3118. 1991, p. C4; 27 March 1992, p. A7). 
  3119.  
  3120. These claims are hard to believe. At such a high latitude,
  3121. springtime UV-B is naturally very low and the temporary increase
  3122. due to ozone depletion still results in a UV fluence that is well
  3123. below that found at lower latitudes. Moreover, the climate of
  3124. Patagonia is notoriously cold and wet. (There is actually more of
  3125. a problem in the summer, after the hole breaks up and ozone-poor
  3126. air drifts north. The ozone depletion is smaller, but the
  3127. background UV intensity is much higher.) There may well be effects
  3128. on _local_ species, adapted to low UV levels, but even these are
  3129. not expected to appear so soon. It was only in 1987 that the hole
  3130. grew large enough to give rise to significant UV increases
  3131. in southern Chile, and cataracts and malignant melanomas take many
  3132. years to develop. To be sure, people do get sunburns and
  3133. skin cancer even in Alaska and northern Europe, and all
  3134. else being equal one expects on purely statistical grounds such
  3135. cases to increase, from a small number to a slightly larger number.
  3136. All else is definitely not equal, however - the residents are now
  3137. intensely aware of the hazards of UV radiation and are likely to
  3138. protect themselves better. I suspect that the increase in
  3139. sun-related skin problems noted by the dermatologists comes about
  3140. because more people are taking such cases to their doctors. 
  3141.  
  3142. As for the blind sheep, a group at Johns Hopkins has investigated
  3143. this and ascribes it to a local infection ("pink eye"). [Pearce]
  3144.  
  3145. This is _not_ meant to dismiss UV-B increases in Patagonia as
  3146. insignificant. Damage to local plants, for example, may well emerge
  3147. in the long term, as the ozone hole is expected to last for 50
  3148. years or more. The biological consequences of UV radiation are real, 
  3149. but often very subtle; I personally find it hard to believe that 
  3150. such effects are showing up so soon, and in such a dramatic fashion. 
  3151. Ozone depletion is a real problem, but this particular story is a red 
  3152. herring.
  3153.  
  3154.  
  3155. 8. What effects does increased UV have upon plant life?
  3156.  
  3157. Generally harmful, but hard to quantify. Many experiments have
  3158. studied the response of plants to UV-B radiation, either by
  3159. irradiating the plants directly or by filtering out some of the UV
  3160. in a low-latitude environment where it is naturally high. The
  3161. artificial UV sources do not have the same spectrum as solar
  3162. radiation, however, while the filtering experiments do not
  3163. necessarily isolate all of the variables, even when climate
  3164. and humidity are controlled by growing the plants in a greenhouse.
  3165.  
  3166.  Out of some 200 agricultural plants tested, more than half show 
  3167. sensitivity to UV-B increases. The measured effects vary markedly 
  3168. from one species to another; some adapt very readily while others are
  3169. seriously damaged. Even within species there are marked differences; 
  3170. for example, one soybean variety showed a 25% growth reduction under a
  3171. simulated ozone depletion of 16%, whereas another variety showed no
  3172. significant yield reduction. The general sense seems to be that
  3173. ozone depletion amounting to 10% or more could seriously affect
  3174. agriculture. Smaller depletions could have a severe impact on local
  3175. ecosystems, but very little is known about this at present.
  3176.  
  3177. I have not investigated the literature on this in detail, not
  3178. being a biologist. Interested readers should consult [Tevini and
  3179. Teramura] or the book by [Tevini] and the references therein. 
  3180. If any botanist out there would like to write a summary for
  3181. this FAQ, please let me know.
  3182.  
  3183.  
  3184. 9. What effects does increased UV have on marine life?
  3185.  
  3186. Again, generally harmful but hard to quantify. Seawater is
  3187. surprisingly transparent to UV-B. In clear waters radiation at 315
  3188. nm is attenuated by only 14% per meter depth. [Jerlov]. Many marine
  3189. creatures live in surface waters, and they have evolved a variety
  3190. of methods to cope with UV. Some simply swim to lower depths, some
  3191. develop protective coatings, some work at night to repair the
  3192. damage done during the day. These natural mechanisms however, are
  3193. often triggered by _visible_ light intensities, in which case they
  3194. do not protect against an increase in the _ratio_ of UV to visible
  3195. light. Also, if a photosynthesizing organism protects itself by
  3196. staying at lower depths, it will get less visible light and produce
  3197. less oxygen. An increase in UV-B can thus affect an ecosystem
  3198. without necessarily killing off individual organisms.
  3199.  
  3200. Many experiments have been carried out to determine the
  3201. response of various marine creatures to UV radiation; as with land
  3202. plants the effects vary a great deal from one species to another,
  3203. and it is difficult to draw general conclusions at this stage. We
  3204. can infer that organisms that live in tropical waters are safe,
  3205. since there is little or no ozone depletion there, and that
  3206. organisms that are capable of living in the tropics are probably
  3207. safe from large depletions at high latitudes since UV intensities
  3208. at high latitudes are always low. (One must be a little careful
  3209. with the second inference if the organism's natural defenses are
  3210. stimulated by visible light.) The problems arise with organisms
  3211. that have adapted to the naturally low UV levels of polar regions.
  3212.  
  3213. In this case, we have a natural laboratory for studying UV
  3214. effects:  the Antarctic Ozone hole. (Part III of the FAQ discusses
  3215. the hole in detail.) The outer parts of the hole extend far out
  3216. into the ocean,  beyond the pack ice, and these waters get
  3217. springtime UV-B doses equal to or greater than what is
  3218. seen in a normal antarctic summer. [Frederick and Alberts] [Smith
  3219. et al.]. The UV in shallow surface waters is effectively even
  3220. higher, because the sea ice is more transparent in spring than in
  3221. summer. There has been speculation that this UV could cause a
  3222. population collapse in the marine phytoplankton, the microscopic
  3223. plants that comprise the base of the food chain. 
  3224.  
  3225. To my knowledge, only one field study has been published so far. 
  3226. [Smith et al.]. These workers measured the photosynthetic
  3227. productivity of the phytoplankton in the "marginal ice zone" (MIZ),
  3228. the layer of relatively  fresh meltwater that lies over saltier
  3229. deep water.  Since the outer boundary of the ozone hole is
  3230. relatively sharp and fluctuates from day to day, they were able to
  3231. compare photosynthesis inside and outside the hole, and to
  3232. correlate photosynthetic yield with shipboard UV measurements. 
  3233. They concluded that the UV-B increase brought about an overall 
  3234. decrease of 6-12% in phytoplankton productivity. Since the "hole" 
  3235. lasts for about 10-12 weeks, this corresponds to an overall decrease 
  3236. of 2-4% for the year. The natural variability in phytoplankton
  3237. productivity from year to year is estimated to be about + or - 25%,
  3238. so the _immediate_ effects of the ozone hole, while real, are far
  3239. from catastrophic. To quote from [Smith et al.]:  "Our estimated
  3240. loss of 7 x 10^12 g of carbon per year is about three orders
  3241. of magnitude smaller than estimates of _global_ phytoplankton
  3242. production and thus is not likely to be significant in this
  3243. context. On the other hand, we find that the O3-induced loss to a
  3244. natural community of phytoplankton in the MIZ is measurable and the
  3245. subsequent ecological consequences of the magnitude and timing of
  3246. this early spring loss remain to be determined."  It appears, then,
  3247. that overall loss in productivity is not large - yet. (The
  3248. cumulative effects on the marine community are not known. The ozone
  3249. hole first became large enough to expose marine life to large UV
  3250. increases in 1987, and [Smith et al.] carried out their survey in 
  3251. 1990.) Ecological consequences - the displacement of UV-sensitive
  3252. species by UV-tolerant ones - are likely to be more important than
  3253. a decline in overall productivity, although they are poorly
  3254. understood at present.
  3255.  
  3256. 10. Is UV-B responsible for the amphibian decline?
  3257.  
  3258. UV-B may be part of the story, although it is unlikely to be the
  3259. principal cause of this mysterious event.
  3260.  
  3261. During the past decade, there has been a widespread decline in
  3262. amphibian populations [Livermore] [Wake]. The decline appears to be
  3263. global in scope, although some regions and many species appear to be
  3264. unaffected.  While habitat destruction is undoubtedly an important
  3265. factor, many of the affected species are native to regions where
  3266. habitat is relatively undisturbed. This has led to speculation that
  3267. global perturbations, such as pesticide pollution, acid deposition,
  3268. and climate change, could be involved.
  3269.  
  3270. Recently, [Blaustein et al.] have investigated the effects of UV-B
  3271. radiation on the reproduction of amphibians living in the Cascade
  3272. Mountains of Oregon. In their first experiment, the eggs of several
  3273. amphibian species were analyzed for an enzyme that is known to
  3274. *repair* UV-induced DNA damage. The eggs of the Cascades frog,
  3275. R. cascadae, and of the Western toad, Bufo Boreas, showed low levels
  3276. of this enzyme; both species are known to be in serious decline
  3277. (R. Cascadae populations have fallen by ~80% since the 1970's [Wake].)
  3278. In contrast, much higher levels of the enzyme are found in the eggs of
  3279. the Pacific Tree Frog, _Hyla Regilla_, whose populations do not appear
  3280. to be in decline.
  3281.  
  3282. Blaustein et al. then studied the effects of UV-B upon the
  3283. reproductive success of these species in the field, by screening the
  3284. eggs with a filter that blocks the ambient UV. Two control groups were
  3285. used for comparison; in one no filter was present and in the other a
  3286. filter that *transmitted* UV-B was put in place.  They found that for
  3287. the two species that are known to be in decline, and that showed low
  3288. levels of the repair enzyme, filtering the UV dramatically increased
  3289. the proportion of eggs surviving until hatch, whereas for the species
  3290. that is not in decline and that produces high levels of the enzyme,
  3291. filtering the UV made little difference. Thus, both the laboratory and
  3292. the field experiments suggest a correlation between amphibian declines
  3293. and UV sensitivity, albeit a correlation that at present is based on a
  3294. very small number of species and a limited time period.
  3295.  
  3296. Contrary to the impression given by some media reports, Blaustein and
  3297. coworkers did *not* claim that ozone depletion is "the cause" of the
  3298. amphibian decline. The decline appears to be world-wide, whereas ozone
  3299. depletion is restricted to middle and high latitudes. Also, many
  3300. amphibian species lay their eggs under dense canopies or underground
  3301. where there is little solar radiation. So, UV should be regarded
  3302. as one of many stresses that may be acting on amphibian populations.
  3303.  
  3304.  
  3305. _____________________________________________________________________
  3306.  
  3307.  REFERENCES FOR PART IV
  3308.  
  3309. A remark on references: they are neither representative nor
  3310. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  3311. problems. For the most part I have limited myself to papers that
  3312. are (1) widely available (if possible, _Science_ or _Nature_ rather
  3313. than archival journals such as _J. Geophys. Res._) and (2) directly
  3314. related to the "frequently asked questions". Readers who want to
  3315. see "who did what" should consult the review articles listed below,
  3316. or, if they can get them, the WMO reports which are extensively
  3317. documented.
  3318.  
  3319.  
  3320. Introductory Reading:
  3321.  
  3322. [Graedel and Crutzen] T. E. Graedel and P. J. Crutzen, 
  3323. _Atmospheric Change: an Earth System Perspective_, Freeman, NY
  3324. 1993.
  3325.  
  3326. [Rowland 1989] F. S. Rowland, "Chlorofluorocarbons and the
  3327. depletion of stratospheric ozone", _American Scientist_ _77_, 36,
  3328. 1989.
  3329.  
  3330. [Zurer] P. S. Zurer, "Ozone Depletion's Recurring Surprises
  3331. Challenge Atmospheric Scientists", _Chemical and Engineering News_,
  3332. 24 May 1993,  pp. 9-18.
  3333.  
  3334. ----------------------------
  3335. Books and Review Articles:
  3336.  
  3337. [Chamberlain and Hunten] J. W. Chamberlain and D. M. Hunten,
  3338. _Theory of Planetary Atmospheres_, 2nd Edition, Academic Press, 1987
  3339.  
  3340. [Dobson] G.M.B. Dobson, _Exploring the Atmosphere_, 2nd Edition,
  3341.  Oxford, 1968. 
  3342.  
  3343. [Rowland 1991] F. S. Rowland, "Stratospheric Ozone Depletion", 
  3344. _Ann. Rev. Phys. Chem._ _42_, 731, 1991.
  3345.  
  3346. [Tevini] M. Tevini, editor: "UV-B Radiation and Ozone Depletion:
  3347. Effects on humans, animals, plants, microorganisms, and materials"
  3348. Lewis Publishers, Boca Raton, 1993.
  3349.  
  3350. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 2nd.  Ed.,
  3351.  Oxford, 1991.
  3352.  
  3353. [WMO 1988] World Meteorological Organization, 
  3354. _Report of the International Ozone Trends Panel_, 
  3355.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #18.
  3356.  
  3357. [WMO 1989] World Meteorological Organization, 
  3358. _Scientific Assessment of Stratospheric Ozone: 1989_
  3359.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #20.
  3360.  
  3361. [WMO 1991] World Meteorological Organization, 
  3362. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991_
  3363.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #25.
  3364.  
  3365. -----------------------------------
  3366. More Specialized:
  3367.  
  3368. [Blaustein et al.] A. R. Blaustein, P. D. Hoffman, D. G. Hokit,
  3369. J. M. Kiesecker, S. C. Walls, and J. B. Hays, "UV repair and
  3370. resistance to solar UV-B in amphibian eggs: A link to population
  3371. declines?", _Proc. Nat. Acad. Sci._ _91_, 1791, 1994.
  3372.  
  3373. [Blumthaler and Ambach] M. Blumthaler and W. Ambach, "Indication of
  3374. increasing solar ultraviolet-B radiation flux in alpine regions",
  3375. _Science_ _248_, 206, 1990.
  3376.  
  3377. [Bruehl and Crutzen]  C. Bruehl and P. Crutzen, "On the
  3378. disproportionate role of tropospheric ozone as a filter against
  3379. solar UV-B radiation",_Geophys. Res. Lett._ _16_, 703, 1989.
  3380.  
  3381. [Frederick and Alberts] J.E. Frederick and A. Alberts, "Prolonged
  3382.  enhancement in surface ultraviolet radiation during the Antarctic
  3383.  spring of 1990", _Geophys. Res. Lett._ _18_, 1869, 1991.
  3384.  
  3385. [Frederick et al. 1993] J.E. Frederick, P.F. Soulen, S.B. Diaz,
  3386. I. Smolskaia, C.R. Booth, T. Lucas, and D. Neuschuler,
  3387. "Solar Ultraviolet Irradiance Observed from Southern Argentina:
  3388.  September 1990 to March 1991", J. Geophys. Res. _98_, 8891, 1993.
  3389.  
  3390. [Grant] W. Grant, "Global stratospheric ozone and UV-B radiation",
  3391.   _Science_ _242_, 1111, 1988. (a comment on [Scotto et al.])
  3392.  
  3393. [Jerlov] N.G. Jerlov, "Ultraviolet Radiation in the Sea",
  3394. _Nature_ _166_, 112, 1950.
  3395.  
  3396. [Kerr and McElroy] J. B. Kerr and C. T. McElroy, "Evidence for Large
  3397.  Upward Trends of Ultraviolet-B Radiation Linked to Ozone Depletion",
  3398.  _Science_ _262_, 1032, 1993.
  3399.  
  3400. [Livermore] B. Livermore, "Amphibian alarm: Just where have all the 
  3401. frogs gone?", _Smithsonian_, October 1992.
  3402.  
  3403. [Liu et al.] S.C. Liu, S.A. McKeen, and S. Madronich, "Effect of
  3404.  anthropogenic aerosols on biologically active ultraviolet
  3405. radiation", _Geophys. Res. Lett._  _18_,  2265, 1991.
  3406.  
  3407. [Madronich 1992] S. Madronich, "Implications of recent total 
  3408. atmospheric ozone measurements for biologically active ultraviolet 
  3409. radiation reaching the earth's surface", 
  3410. _Geophys. Res. Lett. _19_, 37, 1992.
  3411.  
  3412. [Madronich 1993] S. Madronich, in [Tevini], above.
  3413.  
  3414. [Madronich and de Gruiji] S. Madronich and F. R. de Gruiji,
  3415. "Skin Cancer and UV radiation", _Nature_ _366_, 23, 1993.
  3416.  
  3417. [Pearce] F. Pearce, "Ozone hole 'innocent' of Chile's ills",
  3418.  _New Scientist_ #1887, 7, 21 Aug. 1993.
  3419.  
  3420. [Roach] M. Roach, "Sun Struck", _Health_, May/June 1992, p. 41.
  3421.  (See especially the sidebar by Steven Finch on p. 50).
  3422.  
  3423. [Scotto et al.] J. Scotto, G. Cotton, F. Urbach, D. Berger, and T.
  3424. Fears, "Biologically effective ultraviolet radiation: surface
  3425. measurements in the U.S.",  _Science_ _239_, 762, 1988.
  3426.  
  3427. [Seckmeyer et al.] G. Seckmeyer, B. Mayer, R. Erb, and G. Bernhard,
  3428. "UV-B in Germany higher in 1993 than in 1992", _Geophys. Res. Lett._
  3429.  _21_, 577-580, 1994.
  3430.  
  3431. [Seckmeyer and McKenzie] G. Seckmeyer and R. L. McKenzie,
  3432. "Increased  ultraviolet radiation in New Zealand (45 degrees S)
  3433. relative to Germany (48 degrees N.)", _Nature_ _359_, 135, 1992.
  3434.  
  3435. [Setlow et al.] R. B. Setlow, E. Grist, K. Thompson and
  3436. A. D. Woodhead, "Wavelengths effective in induction of Malignant
  3437. Melanoma", PNAS _90_, 6666, 1993.
  3438.  
  3439. [Skolnick] A. Skolnick,  "Is ozone loss to blame for melanoma
  3440. upsurge?" JAMA, _265_, 3218, June 26 1991. 
  3441.  
  3442. [Smith et al.] R. Smith, B. Prezelin, K. Baker, R. Bidigare, N.
  3443. Boucher, T. Coley, D. Karentz, S. MacIntyre, H. Matlick, D.
  3444. Menzies, M. Ondrusek, Z. Wan, and K. Waters, "Ozone depletion:
  3445. Ultraviolet radiation and phytoplankton biology in antarctic
  3446. waters", _Science_ _255_, 952, 1992.
  3447.  
  3448. [Tevini and Teramura] M. Tevini and A. H. Teramura, "UV-B effects
  3449. on terrestrial plants", _Photochemistry and Photobiology_, _50_,
  3450. 479, 1989. (This issue contains a number of other papers dealing
  3451. with biological effects of UV-B radiation.)
  3452.  
  3453. [Wake] D. B. Wake, "Declining Amphibian Populations", _Science_
  3454.  _253_, 860, 1991.
  3455.  
  3456.  
  3457.  
  3458.  
  3459. -------------------------------------------------------------------------------
  3460.