home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Amiga Plus 1995 #2 / Amiga Plus CD - 1995 - No. 2.iso / internet / faq / englisch / ozonedepletion < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1995-04-11  |  180.9 KB  |  4,003 lines

  1. Archive-name: ozone-depletion/intro
  2. Last-modified: 23 February 1995
  3. Version: 4.91
  4.  
  5.  
  6. ------------------------------
  7.  
  8. Subject: How to get this FAQ
  9.  
  10. These files are posted monthly, usually in the third week of the month.
  11. The current versions are also stored on several archives:
  12.  
  13. A. World-Wide Web
  14.  
  15. A hypertext version is located at:
  16. http://www.cis.ohio-state.edu/hypertext/faq/usenet/ozone-depletion/top.html
  17.  
  18. Plaintext versions can be found at:
  19. ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/ozone-depletion/
  20. ftp://ftp.uu.net/usenet/news.answers/ozone-depletion/
  21. ----
  22.  
  23. B. Anonynmous ftp
  24.  
  25. To rtfm.mit.edu, in the directory  /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion
  26. To ftp.uu.net, in the directory /usenet/news.answers/ozone-depletion
  27. Look for the four files named intro, stratcl, antarctic, and uv.
  28. ----
  29.  
  30. C. Regular email
  31.    Send the following messages to mail-server@rtfm.mit.edu:
  32.  
  33.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  34.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/stratcl
  35.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/antarctic
  36.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/uv
  37.  
  38.  Leave the subject line blank.
  39.  If you want to find out more about the mail server, send a
  40.  message to it containing the word "help". 
  41.  
  42. -----------------------------
  43.  
  44.  
  45. Subject: Copyright Statement
  46.  
  47. ***********************************************************************
  48. * Copyright 1995 Robert Parson                                        *
  49. *                                                                     *
  50. * This file may be distributed, copied, and archived. All             *
  51. * copies must include this notice and the paragraph below entitled    *
  52. * "Caveat". Reproduction and distribution for personal profit is      *
  53. * not permitted. If this document is transmitted to other networks or *
  54. * stored on an electronic archive, I ask that you inform me. I also   *
  55. * ask you to keep your archive up to date; in the case of world-wide  *
  56. * web pages, this is most easily done by linking to the master at the *
  57. * ohio-state http URL  instead of storing local copies. Finally, I    *
  58. * request that you inform me before including any of this information *
  59. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  60. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  61. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  62. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  63. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  64. * to the original published source, not to this document.             *
  65. ***********************************************************************
  66.  
  67.  
  68. -----------------------------
  69.  
  70. Subject: General remarks
  71.  
  72. This is the first of four FAQ files dealing with stratospheric ozone 
  73. depletion. This part deals with basic scientific questions about the 
  74. ozone layer, and serves as an introduction to the remaining parts which 
  75. are more specialized. Part II deals with sources of stratospheric 
  76. chlorine and bromine, part III with the Antarctic Ozone Hole, and Part 
  77. IV with the properties and effects of ultraviolet radiation. The later
  78. parts are mostly independent of each other, but they all refer back.
  79. to Part I.  I emphasize physical and chemical mechanisms 
  80. rather than biological effects,  although I make a few remarks about
  81. the latter in part IV. I have little to say about legal and policy
  82. issues other than a very brief summary at the end of part I.
  83.  
  84. The overall approach I take is conservative. I concentrate on what
  85. is known and on most probable, rather than worst-case, scenarios.
  86. For  example, I have relatively little to say about the effects
  87. of UV radiation on terrestrial plants - this does not mean that the
  88. effects are small, it  means that they are as yet not well
  89. quantified (and moreover, I am not well qualified to interpret the
  90. literature.)  Policy decisions must take into account not only the
  91. most probable scenario, but also a range of less probable ones.
  92. There have been surprises, mostly unpleasant, in this field in the
  93. past, and there are sure to be more in the future.
  94.  
  95. -----------------------------
  96.  
  97. Subject: Caveats, Disclaimers, and Contact Information
  98.  
  99. | _Caveat_: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  100. | chemist at all - I am a physical chemist studying gas-phase
  101. | reactions who talks to atmospheric chemists. These files are an
  102. | outgrowth of my own efforts to educate myself about this subject
  103. | I have discussed some of these issues with specialists but I am
  104. | solely responsible for everything written here, including all errors.
  105. | On the other hand, if you find this document in an online archive 
  106. | somewhere, I am not responsible for any *other* information that 
  107. | may happen to reside in that archive. This document should not be 
  108. | cited in publications off the net; rather, it should be used as a 
  109. | pointer to the published literature.
  110.  
  111. *** Corrections and comments are welcomed. 
  112.  
  113. - Robert Parson
  114.   Associate Professor
  115.   Department of Chemistry and Biochemistry
  116.   University of Colorado (for which I do not speak)
  117.  
  118.   rparson@spot.colorado.edu
  119.   Robert.Parson@colorado.edu
  120.  
  121. -----------------------------
  122.  
  123. Subject: TABLE OF CONTENTS
  124.  
  125.  How to get this FAQ
  126.  Copyright Statement
  127.  General remarks
  128.  Caveats, Disclaimers, and Contact Information
  129.  TABLE OF CONTENTS
  130.  
  131.  1.  THE STRATOSPHERE
  132.  1.1) What is the stratosphere?
  133.  1.2) How is the composition of air described? 
  134.  1.3) How does the composition of the atmosphere change with
  135.  
  136.  2. THE OZONE LAYER
  137.  2.1) How is ozone created?
  138.  2.2) How much ozone is in the layer, and what is a
  139.  2.3) How is ozone distributed in the stratosphere?
  140.  2.4) How does the ozone layer work?
  141.  2.5) What sorts of natural variations does the ozone layer show?
  142.  2.5.a) Regional and Seasonal Variation
  143.  2.5.b) Year-to-year variations.
  144.  2.6) What are CFC's?
  145.  2.7) How do CFC's destroy ozone?
  146.  2.8) What is an "Ozone Depletion Potential?"
  147.  2.9) What about HCFC's and HFC's? Do they destroy ozone?
  148.  2.10) *IS* the ozone layer getting thinner?
  149.  2.11) Is the middle-latitude ozone loss due to CFC emissions?
  150.  2.12) If the ozone is lost, won't the UV light just penetrate 
  151.  2.13) Do Space Shuttle launches damage the ozone layer?
  152.  2.14) Will commercial supersonic aircraft damage the ozone layer?
  153.  2.15) What is being done about ozone depletion?
  154.  
  155.  3.  REFERENCES FOR PART I
  156.      Introductory Reading
  157.      Books and Review Articles
  158.      More Specialized References
  159.  
  160.  
  161. -----------------------------
  162.  
  163. Subject: 1.  THE STRATOSPHERE
  164.  
  165. -----------------------------
  166.  
  167. Subject: 1.1) What is the stratosphere?
  168.  
  169. The stratosphere extends from about 15 km to 50 km. In the
  170. stratosphere temperature _increases_ with altitude, due to the
  171. absorption of UV light by oxygen and ozone.  This creates a global
  172. "inversion layer"  which impedes vertical motion into and within 
  173. the stratosphere - since warmer air lies above colder air, convection
  174. is inhibited.  The word "stratosphere" is related to the word
  175. "stratification" or layering.
  176.  
  177. The stratosphere is often compared to the "troposphere", which is
  178. the atmosphere below about 15 km.  The boundary - called the 
  179. "tropopause" - between these regions is quite sharp, but its
  180. precise location varies between ~10 and ~17 km, depending upon 
  181. latitude and season. The prefix "tropo" refers to change:  the 
  182. troposphere is the part of the atmosphere in which weather occurs.  
  183. This results in relatively rapid mixing of tropospheric air. 
  184. [Wayne] [Wallace and Hobbs]
  185.  
  186. Above the stratosphere lie the "mesosphere", ranging from ~50 to
  187. ~100 km, in which temperature decreases with altitude; the 
  188. "thermosphere", ~100-400 km, in which temperature increases
  189. with altitude again, and the "exosphere", beyond ~400 km, which
  190. fades into the background of interplanetary space. In the upper
  191. mesosphere and thermosphere electrons and ions are abundant, so
  192. these regions are also referred to as the "ionosphere". In technical
  193. literature the term "lower atmosphere" is synonymous with the
  194. troposphere, "middle atmosphere" refers to the stratosphere
  195. and mesosphere, while "upper atmosphere" is usually reserved for the
  196. thermosphere and exosphere. This usage is not universal, however,
  197. and one occasionally sees the term "upper atmosphere" used to
  198. describe everything above the troposphere (for example, in NASA's
  199. Upper Atmosphere Research Satellite, UARS.)
  200.  
  201. -----------------------------
  202.  
  203. Subject: 1.2) How is the composition of air described? 
  204.               (Or, what is a 'mixing ratio'?)
  205.  
  206. The density of the air in the atmosphere depends upon altitude, and
  207. in a complicated way because the temperature also varies with
  208. altitude.  It is therefore awkward to report concentrations of
  209. atmospheric species in units like g/cc or molecules/cc.  Instead,
  210. it is convenient to report the "mole fraction", the relative
  211. number of molecules of a given type in an air sample. Atmospheric
  212. scientists usually call a mole fraction a "mixing ratio". Typical
  213. units for mixing ratios are parts-per-million, billion, or
  214. trillion by volume, designated as "ppmv", "ppbv", and "pptv"
  215. respectively. (The expression "by volume" reflects Avogadro's Law - 
  216. for an ideal gas mixture, equal volumes contain equal numbers of 
  217. molecules - and serves to distinguish mixing ratios from "mass 
  218. fractions" which are given as parts-per-million by weight.)  Thus
  219. when it is said that the mixing ratio of hydrogen chloride at 3 km
  220. is 0.1 ppbv, it means that 1 out of every 10 billion molecules in
  221. an air sample collected at that altitude will be an HCl molecule.
  222. [Wayne] [Graedel and Crutzen]
  223.  
  224. -----------------------------
  225.  
  226. Subject: 1.3) How does the composition of the atmosphere change with
  227.                altitude? (Or, how can CFC's get up to the stratosphere 
  228.                when they are heavier than air?) 
  229.  
  230. In the earth's troposphere and stratosphere, most _stable_ chemical
  231. species are "well-mixed" - their mixing ratios are independent of
  232. altitude.  If a species' mixing ratio changes with altitude, some
  233. kind of physical or chemical transformation is taking place. That 
  234. last statement may seem surprising - one might expect the heavier 
  235. molecules to dominate at lower altitudes.  The mixing ratio of 
  236. Krypton (mass 84), then, would decrease with altitude, while that 
  237. of Helium (mass 4) would increase.  In reality, however, molecules 
  238. do not segregate by weight in the troposphere or stratosphere.  
  239. The relative proportions of Helium, Nitrogen, and Krypton are 
  240. unchanged up to about 100 km.  
  241.  
  242. Why is this? Vertical transport in the troposphere takes place by
  243. convection and turbulent mixing.  In the stratosphere and in the
  244. mesosphere, it takes place by "eddy diffusion" - the gradual mechanical 
  245. mixing of gas by motions on small scales. These mechanisms do not 
  246. distinguish molecular masses.  Only at much higher altitudes do mean 
  247. free paths become so large that _molecular_ diffusion dominates and 
  248. gravity is able to separate the different species, bringing hydrogen 
  249. and helium atoms to the top. 
  250. [Chamberlain and Hunten] [Wayne] [Wallace and Hobbs]
  251.  
  252. Experimental measurements of the fluorocarbon CF4 verify this
  253. homogeneous mixing.  CF4 has an extremely long lifetime in the
  254. stratosphere - probably many thousands of years.  The mixing ratio
  255. of CF4 in the stratosphere  was found to be 0.056-0.060 ppbv 
  256. from 10-50 km, with no overall trend.  [Zander et al. 1992]
  257.  
  258. An important trace gas that is *not* well-mixed is water vapor. The
  259. lower troposphere contains a great deal of water - as much as 30,000
  260. ppmv in humid tropical latitudes. High in the troposphere, however,
  261. the water condenses and falls to the earth as rain or snow, so that
  262. the stratosphere is extremely dry, typical mixing ratios being about
  263. 5 ppmv. Indeed, the transport of water vapor from troposphere to 
  264. stratosphere is even less efficient than this would suggest, since 
  265. much of the small amount of water in the stratosphere is actually
  266. produced _in situ_ by the oxidation of methane. [SAGE II]
  267.  
  268. Sometimes that part of the atmosphere in which the chemical
  269. composition of stable species does not change with altitude is
  270. called the "homosphere". The homosphere includes the troposphere,
  271. stratosphere, and mesosphere. The upper regions of the atmosphere 
  272. - the "thermosphere" and the "exosphere" - are then referred to as 
  273. the "heterosphere". [Wayne] [Wallace and Hobbs]
  274.  
  275. -----------------------------
  276.  
  277. Subject: 2. THE OZONE LAYER
  278.  
  279. ----------------------------- 
  280.  
  281. Subject: 2.1) How is ozone created?
  282.  
  283. Ozone is formed naturally in the upper stratosphere by short
  284. wavelength ultraviolet radiation. Wavelengths less than ~240
  285. nanometers are absorbed by oxygen molecules (O2), which dissociate to
  286. give O atoms. The O atoms combine with other oxygen molecules to 
  287. make ozone: 
  288.  
  289.  O2 + hv -> O + O  (wavelength < 240 nm)
  290.  O + O2 -> O3
  291.  
  292. -----------------------------
  293.  
  294. Subject: 2.2) How much ozone is in the layer, and what is a
  295.              "Dobson Unit" ?
  296.  
  297. A Dobson Unit (DU) is a convenient scale for measuring the total
  298. amount of ozone occupying a column overhead.  If the ozone layer
  299. over the US were compressed to 0 degrees Celsius and 1 atmosphere
  300. pressure, it would be about 3 mm thick. So, 0.01 mm thickness at 
  301. 0 C and 1 at is defined to be 1 DU; this makes the ozone layer over
  302. the US come out to ~300 DU. In absolute terms, 1 DU is about 
  303. 2.7 x 10^16 molecules/cm^2. 
  304.  
  305. In all, there are about 3 billion metric tons, or 3x10^15 grams,
  306. of ozone in the earth's atmosphere; about 90% of this is in the 
  307. stratosphere.
  308.  
  309. The unit is named after G.M.B. Dobson, who carried out pioneering 
  310. studies of atmospheric ozone between ~1920-1960. Dobson designed
  311. the standard instrument used to measure ozone from the ground. The
  312. Dobson spectrometer measures the intensity solar UV radiation at
  313. four wavelengths, two of which are absorbed by ozone and two of
  314. which are not. These instruments are still in use in many places,
  315. although they are gradually being replaced by the more elaborate
  316. Brewer spectrometers. Today ozone is measured in many ways, from
  317. aircraft, balloons, satellites, and space shuttle missions, but the
  318. worldwide Dobson network is the only source of long-term data. A
  319. station at Arosa in Switzerland has been measuring ozone since the
  320. 1920's, and some other stations have records that go back nearly as
  321. long (although many were interrupted during World War II). The 
  322. present worldwide network went into operation in 1956-57.
  323.  
  324. -----------------------------
  325.  
  326. Subject: 2.3) How is ozone distributed in the stratosphere?
  327.  
  328. In absolute terms: about 10^12 molecules/cm^3 at 15 km, rising to
  329. nearly 10^13 at 25 km, then falling to 10^11 at 45 km.
  330.  
  331. In relative terms: ~0.5 parts per million by volume (ppmv) at 15 km, 
  332. rising to ~8 ppmv at ~35 km, falling to ~3 ppmv at 45 km.
  333.  
  334. Even in the thickest part of the layer, ozone is a trace gas.
  335.  
  336. -----------------------------
  337.  
  338. Subject: 2.4) How does the ozone layer work?
  339.  
  340. UV light with wavelengths between 240 and 320 nm is absorbed by
  341. ozone, which then falls apart to give an O atom and an O2 molecule. 
  342. The O atom soon encounters another O2 molecule, however (at all times,
  343. the concentration of O2 far exceeds that of O3), and recreates O3:
  344.  
  345.  O3 + hv -> O2 + O
  346.  O + O2 -> O3
  347.  
  348. Thus _ozone absorbs UV radiation without itself being consumed_; 
  349. the net result is to convert UV light into heat. Indeed, this is
  350. what causes the temperature of the  stratosphere to increase with
  351. altitude, giving rise to the inversion layer that traps molecules in
  352. the troposphere. The ozone layer isn't just _in_ the stratosphere; the 
  353. ozone layer is responsible for the _existence_ of the stratosphere.        
  354.  
  355. Ozone _is_ destroyed if an O atom and an O3 molecule meet:
  356.  
  357.  O + O3 -> 2 O2  ("recombination").
  358.  
  359. This reaction is slow, however, and if it were the only mechanism 
  360. for ozone loss, the ozone layer would be about twice as thick
  361. as it is. Certain trace species, such as the oxides of Nitrogen (NO
  362. and NO2), Hydrogen (H, OH, and HO2) and chlorine (Cl, ClO and ClO2)
  363. can catalyze the recombination.  The present ozone layer is a
  364. result of a competition between photolysis and recombination;
  365. increasing the recombination rate, by increasing the
  366. concentration of catalysts, results in a thinner ozone layer.
  367.  
  368. Putting the pieces together, we have the set of reactions proposed
  369. in the 1930's by Sidney Chapman:
  370.  
  371.  O2 + hv -> O + O  (wavelength < 240 nm)  : creation of oxygen atoms
  372.  O + O2 -> O3                             : formation of ozone
  373.  O3 + hv -> O2 + O (wavelength < 320 nm)  : absorption of UV by ozone
  374.  O + O3 -> 2 O2                           : recombination .
  375.   
  376. Since the photolysis of O2 requires UV radiation while
  377. recombination does not, one might guess that ozone should increase
  378. during the day and decrease at night. This has led some people to
  379. suggest that the "antarctic ozone hole" is merely a result of the
  380. long antarctic winter nights. This inference is incorrect, because
  381. the recombination reaction requires oxygen atoms which are also
  382. produced by photolysis. Throughout the stratosphere the concentration 
  383. of O atoms is orders of magnitude smaller than the concentration of 
  384. O3 molecules, so both the production and the destruction of ozone by 
  385. the above mechanisms shut down at night. In fact, the thickness of the 
  386. ozone layer varies very little from day to night, and above 70 km 
  387. ozone concentrations actually _increase_ at night. 
  388.  
  389. (The unusual catalytic cycles that operate in the antarctic ozone 
  390. hole do not require O atoms; however, they still require light to
  391. operate because they also include photolytic steps. See Part III.)
  392.  
  393. -----------------------------
  394.  
  395. Subject: 2.5) What sorts of natural variations does the ozone layer show?
  396.  
  397. There are substantial variations from place to place, and from
  398. season to season. There are smaller variations on time scales of
  399. years and more. [Wayne] [Rowland 1991] We discuss these in turn.
  400.  
  401. -----------------------------
  402.  
  403. Subject: 2.5.a) Regional and Seasonal Variation
  404.  
  405. Since solar radiation makes ozone, one expects to see the
  406. thickness of the ozone layer vary during the year. This is so,
  407. although the details do not depend simply upon the amount of solar
  408. radiation received at a given latitude and season - one must also
  409. take atmospheric motions into account. (Remember that
  410. both production and destruction of ozone require solar radiation.)
  411.  
  412. The ozone layer is thinnest in the tropics, about 260 DU, almost
  413. independent of season. Away from the tropics seasonal variations
  414. become important, but in no case (outside the Antarctic ozone hole)
  415. does the layer become appreciably thinner than in the tropics. For
  416. example:
  417.  
  418.     Location                          Column thickness, Dobson Units
  419.  
  420.                                         Jan     Apr     Jul     Oct
  421.  
  422.  Huancayo, Peru (12 degrees S) :        255     255     260     260
  423.  Aspendale, Australia (38 deg. S):      300     280     335     360
  424.  Arosa, Switzerland  (47 deg. N):       335     375     320     280
  425.  St. Petersburg, Russia (60 deg. N):    360     425     345     300
  426.  
  427. These are monthly averages. Interannual standard deviations amount
  428. to ~5 DU for Huancayo, 25 DU for St. Petersburg. [Rowland 1991].
  429. Day-to-day fluctuations can be quite large (as much as 60 DU at high
  430. latitudes). Notice that the highest ozone levels are found in the 
  431. _spring_, not, as one might guess, in summer, and the lowest in the
  432. fall, not winter. Indeed, at high latitudes in the Northern Hemisphere
  433. there is more ozone in January than in July! Most of the ozone is 
  434. created over the tropics, and then is carried to higher latitudes 
  435. by prevailing winds (the general circulation of the stratosphere.)
  436. [Dobson] [Garcia] [Salby and Garcia] [Brasseur and Solomon]
  437.  
  438. The antarctic ozone hole, discussed in detail in Part III, falls
  439. far outside this range of natural variation. Mean October ozone
  440. at Halley Bay on the Antarctic coast was 117 DU in 1993, down 
  441. from 321 DU in 1956.
  442.  
  443. -----------------------------
  444.  
  445. Subject: 2.5.b) Year-to-year variations.
  446.  
  447. Since ozone is created by solar UV radiation, one expects to see
  448. some correlation with the 11-year solar sunspot cycle. Higher
  449. sunspot activity corresponds to more solar UV and hence more rapid
  450. ozone production. This correlation has been verified, although
  451. its effect is small, about 2% from peak to trough averaged over the
  452. earth, about 4% in polar regions. [Stolarski et al.]
  453.  
  454. Another natural cycle is connected with the "quasibiennial 
  455. oscillation", in which tropical winds in the lower stratosphere
  456. switch from easterly to westerly every 26 months. This leads to
  457. variations of the order of 3% at a given latitude, although the
  458. effect tends to cancel when one averages over the entire globe.
  459.  
  460. Episodes of unusual solar activity ("solar proton events") can
  461. also affect ozone levels, as can major volcanic eruptions such as
  462. Agung in 1963, El Chichon in 1982, and Pinatubo in 1991. The
  463. principal mechanism for this is _not_ injection of chlorine into
  464. the stratosphere, as discussed in  Part II, but rather the
  465. injection of sulfate aerosols which change the radiation balance
  466. in the stratosphere by scattering light, and which convert
  467. inactive chlorine compounds to active, ozone-destroying forms.
  468. [McCormick et al. 1995]. These are all transient effects, persisting
  469. for three years or less.
  470.  
  471.  
  472. -----------------------------
  473.  
  474. Subject: 2.6) What are CFC's?
  475.  
  476. CFC's - ChloroFluoroCarbons - are a class of volatile organic compounds 
  477. that have been used as refrigerants, aerosol propellants, foam blowing 
  478. agents, and as solvents in the electronic industry. They are chemically 
  479. very unreactive, and hence safe to work with. In fact, they are so inert 
  480. that the natural reagents that remove most atmospheric pollutants do not 
  481. react with them, so after many years they drift up to the stratosphere 
  482. where short-wave UV light dissociates them. CFC's were invented in 1928, 
  483. but only came into large-scale production after ~1950. Since that year,
  484. the total amount of chlorine in the stratosphere has increased by
  485. a factor of 4. [Solomon]
  486.  
  487. The most important CFC's for ozone depletion are:
  488.  
  489. Trichlorofluoromethane, CFCl3 (usually called CFC-11 or R-11);
  490. Dichlorodifluoromethane,  CF2Cl2 (CFC-12 or R-12); and
  491. 1,1,2 Trichlorotrifluoromethane, CF2ClCFCl2 (CFC-113 or R-113).
  492.  
  493. "R" stands for "refrigerant". One occasionally sees CFC-12 referred 
  494. to as "F-12", and so forth; the"F" stands for "Freon", DuPont's trade
  495. name for these compounds. 
  496.  
  497. In discussing ozone depletion, "CFC" is occasionally used to 
  498. describe a somewhat broader class of chlorine-containing organic
  499. compounds that have similar properties - unreactive in the
  500. troposphere, but readily  photolyzed in the stratosphere. These
  501. include:
  502.  
  503.  HydroChloroFluoroCarbons such as CHClF2 (HCFC-22, R-22);
  504.  Carbon Tetrachloride (tetrachloromethane), CCl4;
  505.  Methyl Chloroform (1,1,1 trichloroethane), CH3CCl3 (R-140a);
  506.  and Methyl Chloride (chloromethane), CH3Cl.
  507.  
  508. (The more careful publications always use phrases like "CFC's and
  509. related compounds", but this gets tedious.)
  510.  
  511. Only methyl chloride has a large natural source; it is produced 
  512. biologically in the oceans and chemically from biomass burning. 
  513. The CFC's and CCl4 are nearly inert in the troposphere, and have
  514. lifetimes of 50-200+ years.  Their major "sink" is photolysis by UV
  515. radiation. [Rowland 1989, 1991] The hydrogen-containing halocarbons
  516. are more reactive, and are removed in the troposphere by reactions
  517. with OH radicals. This process is slow, however, and they live long
  518. enough (1-20 years) for a large fraction to reach the stratosphere.
  519.  
  520. Most of Part II is devoted to stratospheric chlorine chemistry;
  521. look there for more detail.
  522.  
  523. -----------------------------
  524.  
  525. Subject: 2.7) How do CFC's destroy ozone?
  526.  
  527. CFC's themselves do not destroy ozone; certain of their decay products 
  528. do.  After CFC's are photolyzed, most of the chlorine eventually ends 
  529. up as Hydrogen Chloride, HCl, or Chlorine Nitrate, ClONO2. These are 
  530. called "reservoir species" - they do not themselves react with ozone. 
  531. However, they do decompose to some extent, giving, among other things, 
  532. a small amount of atomic chlorine, Cl, and Chlorine Monoxide, ClO, 
  533. which can catalyze the destruction of ozone by a number of mechanisms. 
  534. The simplest is:
  535.  
  536.   Cl + O3 -> ClO + O2  
  537.  
  538.   ClO + O -> Cl + O2 
  539.  
  540.  Net effect: O3 + O -> 2 O2  
  541.  
  542. Note that the Cl atom is a _catalyst_ - it is not consumed by the 
  543. reaction. Each Cl atom introduced into the stratosphere can
  544. destroy thousands of ozone molecules before it is removed.
  545. The process is even more dramatic for Bromine - it has no stable
  546. "reservoirs", so the Br atom is always available to destroy ozone.
  547. On a per-atom basis, Br is 10-100 times as destructive as Cl.
  548. On the other hand, chlorine and bromine concentrations in
  549. the stratosphere are very small in absolute terms. The mixing ratio
  550. of chlorine from all sources in the stratosphere is about 3 parts
  551. per billion, (most of which is in the form of CFC's that have not
  552. yet fully decomposed) whereas ozone mixing ratios are measured in
  553. parts per million.  Bromine concentrations are about 100 times
  554. smaller still. (See Part II.)
  555.  
  556. The complete chemistry is very complicated - more than 100
  557. distinct species are involved. The rate of ozone destruction at any 
  558. given time and place depends strongly upon how much Cl is present
  559. as Cl or ClO, and thus upon the rate at which Cl is released from
  560. its reservoirs.  This makes quantitative _predictions_ of future
  561. ozone depletion difficult. [Rowland 1989, 1991] [Wayne]
  562.  
  563. -----------------------------
  564.  
  565. Subject: 2.8) What is an "Ozone Depletion Potential?"
  566.  
  567. The ozone depletion potential (ODP) of a compound is a simple measure of 
  568. its ability to destroy stratospheric ozone. It is a relative measure:
  569. the ODP of CFC-11 is defined to be 1.0, and the ODP's of other compounds
  570. are calculated with respect to this reference point. Thus a compound with
  571. an ODP of 0.2 is, roughly speaking, one-fifth as "bad" as CFC-11.
  572.  
  573. More precisely, the ODP of a compound "x" is defined as the ratio of
  574. the total amount of ozone destroyed by a fixed amount of compound x to
  575. the amount of ozone destroyed by the same mass of CFC-11:
  576.  
  577.                         Global loss of Ozone due to x
  578.     ODP(x) ==    ---------------------------------
  579.                    Global loss of ozone due to CFC-11.
  580.  
  581.  Thus the ODP of CFC-11 =1.0 by definition. The right-hand side of the 
  582.  equation is calculated by combining information from laboratory 
  583.  and field measurements with atmospheric chemistry and tranport models.
  584.  Since the ODP is a relative measure, it is fairly "robust", not overly
  585.  sensitive to changes in the input data or to the details of the model
  586.  calculations. That is, there are many uncertainties in calculating the 
  587.  numerator or the denominator of the expression, but most of these cancel
  588.  out when the ratio is calculated.
  589.  
  590.  The ODP of a compound will be affected by:
  591.  
  592.     The nature of the halogen (bromine-containing halocarbons usually 
  593.     have much higher ODPs than chlorocarbons, because atom for atom Br 
  594.     is a more effective ozone-destruction catalyst than Cl.)
  595.  
  596.     The number of chlorine or bromine atoms in a molecule. 
  597.  
  598.     Molecular Mass (since ODP is defined by comparing equal masses 
  599.     rather than equal numbers of moles.)
  600.  
  601.     Atmospheric lifetime (CH3CCl3 has a lower ODP than CFC-11, because
  602.     much of the CH3CCl3 is destroyed in the troposphere.)
  603.  
  604. The ODP as defined above is a steady-state or long-term property. As
  605. such it can be misleading when one considers the possible effects of CFC
  606. replacements. Many of the proposed replacements have short atmospheric
  607. lifetimes, which in general is good; however, if a compound has a short
  608. _stratospheric_ lifetime, it will release its chlorine or bromine atoms
  609. more quickly than a compound with a longer stratospheric lifetime.  Thus
  610. the short term effect of such a compound on the ozone layer is larger
  611. than would be predicted from the ODP alone (and the long-term effect
  612. correspondingly smaller.)(The ideal combination would be a short
  613. tropospheric lifetime, since those molecules which are destroyed in the
  614. troposphere don't get a chance to destroy any stratospheric ozone,
  615. combined with a long stratospheric lifetime.) To get around this, the
  616. concept of a Time-Dependent Ozone Depletion Potential has been
  617. introduced [Solomon and Albritton] [WMO 1991]:
  618.  
  619.  
  620.                  Loss of ozone due to X over time period T
  621.  ODP(x,T) ==     ----------------------------------------------
  622.                  Loss of ozone due to CFC-11 over time period T
  623.  
  624.  As T->infinity, this converges to the steady-state ODP defined previously.
  625.  
  626. The following table lists time-dependent and steady-state ODP's for
  627. a few halocarbons [Solomon and Albritton] [WMO 1991]
  628.  
  629. Compound               Formula         Ozone Depletion Potential  
  630.  
  631.                                      10 yr  30 yr   100 yr   Steady State
  632.  
  633. CFC-113               CF2ClCFCl2      0.56    0.62    0.78    1.10
  634. carbon tetrachloride  CCl4            1.25    1.22    1.14    1.08
  635. methyl chloroform     CH3CCl3         0.75    0.32    0.15    0.12
  636. HCFC-22               CHF2Cl          0.17    0.12    0.07    0.05
  637. Halon - 1301          CF3Br          10.4    10.7    11.5    12.5
  638.  
  639. -----------------------------
  640.  
  641. Subject: 2.9) What about HCFC's and HFC's? Do they destroy ozone?
  642.  
  643. HCFC's (hydrochlorofluorocarbons) differ from CFC's in that only
  644. some, rather than all, of the hydrogen in the parent hydrocarbon
  645. has been replaced by chlorine or fluorine. The most familiar
  646. example is CHClF2, known as "HCFC-22", used as a refrigerant and 
  647. in many home air conditioners (auto air conditioners use CFC-12). 
  648. The hydrogen atom makes the molecule susceptible to attack by the
  649. hydroxyl (OH) radical, so a large fraction of the HCFC's are
  650. destroyed before they reach the stratosphere. Molecule for
  651. molecule, then, HCFC's destroy much less ozone than CFC's, and 
  652. they were suggested as CFC substitutes as long ago as 1976. 
  653.  
  654. Mos HCFC's have ozone depletion potentials around 0.01-0.1, so that
  655. during its lifetime a typical HCFC will have destroyed 1-10% as
  656. much ozone as the same amount of CFC-12. Since the HCFC's are more 
  657. reactive in the troposphere, fewer of them reach the stratosphere. 
  658. However, they are also more reactive in the stratosphere, so they 
  659. release chlorine more quickly. The short-term effects are therefore
  660. larger than one would predict from the steady-state ozone depletion
  661. potential. When evaluating substitutes for CFC's, the "time-dependent
  662. ozone depletion potential", discussed in the preceding section,
  663. is more useful than the steady-state ODP. [Solomon and Albritton]
  664.  
  665. HFC's, hydrofluorocarbons, contain no chlorine at all, and hence
  666. have an ozone depletion potential of zero. (In 1993 there were
  667. tentative reports that the fluorocarbon radicals produced by 
  668. photolysis of HFC's could catalyze ozone loss, but this has now
  669. been shown to be negligible [Ravishankara et al.]) A familiar
  670. example is CF3CH2F, known as HFC-134a, which is being used in some
  671. automobile air conditioners and refrigerators. HFC-134a is more
  672. expensive and more difficult to work with than CFC's, and while it
  673. has no effect on stratospheric ozone it is a greenhouse gas (though
  674. somewhat less potent than the CFC's). Some engineers have argued 
  675. that non-CFC fluids, such as propane-isobutane mixtures, are better 
  676. substitutes for CFC-12 in auto air conditioners than HFC-134a. 
  677.  
  678. -----------------------------
  679.  
  680. Subject: 2.10) *IS* the ozone layer getting thinner?
  681.  
  682. There is no question that the ozone layer over antarctica has thinned
  683. dramatically over the past 15 years (see part III). However, most of 
  684. us are more interested in whether this is also taking place at 
  685. middle latitudes. The answer seems to be yes, although so far the
  686. effect are small.
  687.  
  688. After carefully accounting for all of the known natural variations, 
  689. a net decrease of about 3% per decade for the period 1978-1991
  690. was found.  This is a global average over latitudes from 66 degrees
  691. S to 66 degrees N (i.e. the arctic and antarctic are excluded in
  692. calculating the average). The depletion increases with latitude,
  693. and is somewhat larger in the Southern Hemisphere. Over the US, Europe
  694. and Australia 4% per decade is typical; on the other hand there is
  695. no significant ozone loss in the tropics. The depletion is larger in 
  696. the winter months, smaller  in the summer. [Stolarski et al.] 
  697.  
  698. The following table, extracted from a much more detailed one in
  699. [Herman et al.], illustrates the seasonal and regional trends in
  700. _percent per decade_ for the period 1979-1990:
  701.  
  702.  Latitude      Jan     Apr     Jul     Oct      Example
  703.  
  704.   65 N        -3.0    -6.6    -3.8    -5.6      Iceland
  705.   55 N        -4.6    -6.7    -3.1    -4.4      Moscow, Russia
  706.   45 N        -7.0    -6.8    -2.4    -3.1      Minneapolis, USA
  707.   35 N        -7.3    -4.7    -1.9    -1.6      Tokyo
  708.   25 N        -4.2    -2.9    -1.0    -0.8      Miami, FL, USA
  709.    5 N        -0.1    +1.0    -0.1    +1.3      Somalia
  710.    
  711.    5 S        +0.2    +1.0    -0.2    +1.3      New Guinea
  712.   25 S        -2.1    -1.6    -1.6    -1.1      Pretoria, S. Africa
  713.   35 S        -3.6    -3.2    -4.5    -2.6      Buenos Aires 
  714.   45 S        -4.8    -4.2    -7.7    -4.4      New Zealand
  715.   55 S        -6.1    -5.6    -9.8    -9.7      Tierra del Fuego
  716.   65 S        -6.0    -8.6   -13.1   -19.5      Palmer Peninsula 
  717.  
  718. (These are longitudinally averaged satellite data, not individual
  719. measurements at the places listed in the right-hand column. There
  720. are longitudinal trends as well.)
  721.  
  722. Between 1991 and 1993 these trends accelerated. Satellite and
  723. ground-based measurements showed a remarkable decline for 1992 and early
  724. 1993, a full 4% below the average value for the preceding twelve years
  725. and 2-3% below the _lowest_ values observed in the earlier period. In
  726. Canada the spring ozone levels were 11-17% below normal [Kerr et
  727. al.]. However, by February 1994 ozone over the United States had
  728. recovered to levels similar to 1991.  [Hofmann et al. 1994b] Sulfate
  729. aerosols from the July 1991 eruption of Mt. Pinatubo are the most likely
  730. cause of this transient; these aerosols can convert inactive "reservoir"
  731. chlorine into active ozone-destroying forms, and can also interfere with
  732. the production and transport of ozone by changing the solar radiation
  733. balance in the stratosphere. [Brasseur and Granier] [Hofmann and
  734. Solomon] [Hofmann et al. 1994a] [McCormick et al. 1995] Another cause
  735. may be the unusually strong arctic polar vortex in 1992-93, which made
  736. the arctic stratosphere more like the antarctic than is usually the
  737. case. [Gleason et al.]  [Waters et al.] In any event, the rapid ozone
  738. loss in 1992 and 1993 appears to have been a transient phenomenon,
  739. superimposed upon the much slower downward trend identified for
  740. 1970-1991.
  741.  
  742. -----------------------------
  743.  
  744. Subject: 2.11) Is the middle-latitude ozone loss due to CFC emissions?
  745.  
  746. That's the majority opinion, although not everyone agrees. The
  747. present trends are too small to allow a watertight case to be made
  748. (as _has_ been made for the far larger, but localized, depletion 
  749. in the Antarctic Ozone hole; see Part III.). Other possible causes
  750. are being investigated. To quote from the 1991 Scientific Assessment
  751. published by the World Meteorological Organization, p. 4.1 [WMO 1991]:
  752.  
  753.  "The primary cause of the Antarctic ozone hole is firmly
  754. established to be halogen chemistry....There is not a full
  755. accounting of the observed downward trend in _global ozone_.
  756. Plausible mechanisms include heterogeneous chemistry on sulfate
  757. aerosols [which convert reservoir chlorine to active chlorine -
  758. R.P.] and the transport of chemically perturbed polar air to middle
  759. latitudes.  Although other mechanisms cannot be ruled out, those
  760. involving the catalytic destruction of ozone by chlorine and
  761. bromine appear to be largely responsible for the ozone loss and 
  762. _are the only ones for which direct evidence exists_." 
  763. (emphases mine - RP)
  764.  
  765. The Executive Summary of the subsequent 1994 scientific assessment states:
  766.  
  767. "Direct in-situ meaurements of radical species in the lower
  768. stratosphere, coupled with model calculations, have quantitatively shown
  769. that the in-situ photochemical loss of ozone due to (largely natural)
  770. reactive nitrogen (NOx) compounds is smaller than that predicted from
  771. gas-phase chemistry, while that due to (largely natural) HOx compounds
  772. and (largely anthropogenic) chlorine and bromine compounds is larger
  773. than that predicted by gas-phase chemistry. This confirms the key role
  774. of chemical reactions on sulfate aerosols in controlling the chemical
  775. balance of the lower stratosphere. These and other recent scientific
  776. findings strengthen the conclusion of the previous assessment that the
  777. weight of scientific evidence suggests that the observed middle- and
  778. high-latitude ozone losses are largely due to anthropogenic chlorine and
  779. bromine compounds." [WMO 1994]
  780.  
  781. A legal analogy might be useful here - the connection between
  782. _antarctic_ ozone depletion and CFC emissions has been proved beyond
  783. a reasonable doubt, while at _middle latitudes_ there is only 
  784. probable cause for such a connection.
  785.  
  786. One must remember that there is a natural 10-20 year time lag
  787. between CFC emissions and ozone depletion. Ozone depletion today is
  788. (probably) due to CFC emissions in the 1970's. Present
  789. controls on CFC emissions are designed to avoid possibly large
  790. amounts of ozone depletion 30 years from now, not to repair the
  791. depletion that has taken place up to now.
  792.  
  793. -----------------------------
  794.  
  795. Subject: 2.12) If the ozone is lost, won't the UV light just penetrate 
  796.          deeper into the atmosphere and make more ozone?
  797.  
  798.  This does happen to some extent - it's called "self-healing" - and
  799. has the effect of moving ozone from the upper to the lower
  800. stratosphere. Recall that ozone is _created_ by UV with wavelengths 
  801. less than 240 nm, but functions by _absorbing_ UV with wavelengths
  802. greater than 240 nm. The peak of the ozone absorption band is at
  803. ~250 nm, and the cross-section falls off at shorter wavelengths.
  804. The O2 and O3 absorption bands do overlap, though, and UV radiation 
  805. between 200 and 240 nm has a good chance of being absorbed by
  806. _either_ O2 or O3. (Below 200 nm the O2 absorption cross-section 
  807. increases dramatically, and O3 absorption is insignificant in 
  808. comparison.) Since there is some overlap, a decrease in ozone does 
  809. lead to a small increase in absorption by O2. This is a weak feedback, 
  810. however, and it does not compensate for the ozone destroyed. Negative 
  811. feedback need not imply stability, just as positive feedback need not 
  812. imply instability.
  813.  
  814. Numerical calculations of ozone depletion take the "self-healing" 
  815. phenomenon into account, by letting the perturbed ozone layer come
  816. into equilibrium with the exciting radiation.
  817.  
  818. -----------------------------
  819.  
  820. Subject: 2.13) Do Space Shuttle launches damage the ozone layer?
  821.  
  822. Very little. In the early 1970's, when  little was known about
  823. the role of chlorine radicals in ozone depletion, it was suggested
  824. that HCl from solid rocket motors might have a significant effect
  825. upon the ozone layer -  if not globally, perhaps in the immediate
  826. vicinity of the launch. It was immediately shown that the effect
  827. was negligible, and this has been repeatedly demonstrated since.
  828. Each shuttle launch produces about 200 metric tons of chlorine as
  829. HCl, of which about one-third, or 68 tons, is injected into the 
  830. stratosphere. Its residence time there is about three years. A
  831. full year's schedule of shuttle and solid rocket launches injects 
  832. 725 tons of chlorine into the stratosphere. This is negligible compared
  833. to chlorine emissions in the form of CFC's and related compounds 
  834. (1.2 million tons/yr in the 1980's, of which ~0.3 Mt reach the 
  835. stratosphere each year). It is also small in comparison to natural 
  836. sources of stratospheric chlorine, which amount to about 75,000 tons 
  837. per year. [Prather et al.] [WMO 1991] [Ko et al.]
  838.  
  839. See also the sci.space FAQ, Part 10, "Controversial Questions",
  840. available by anonymous ftp from rtfm.mit.edu in the directory
  841. pub/usenet/news.answers/space/controversy, and on the world-wide web at:
  842.  
  843. http://www.cis.ohio-state.edu/hypertext/faq/usenet/space/controversy/faq.html
  844.  
  845. -----------------------------
  846.  
  847. Subject: 2.14) Will commercial supersonic aircraft damage the ozone layer?
  848.  
  849. Short answer:  Probably not. This problem is very complicated,
  850. and a definite answer will not be available for several years, 
  851. but present model calculations indicate that a fleet of high-speed 
  852. civil transports would deplete the ozone layer by < 2%. [WMO 1991, 1994]
  853.  
  854. Long answer (this is a tough one):
  855.  
  856. Supersonic aircraft fly in the stratosphere. Since vertical transport 
  857. in the stratosphere is slow, the exhaust gases from a supersonic jet 
  858. can stay there for two years or more. The most important exhaust gases 
  859. are the nitrogen oxides, NO and NO2, collectively referred to as "NOx". 
  860. NOx is produced from ordinary nitrogen and oxygen by electrical 
  861. discharges (e.g. lightning) and by high-temperature combustion (e.g. in 
  862. automobile and aircraft engines). 
  863.  
  864. The relationship between NOx and ozone is complicated. In the 
  865. troposphere, NOx _makes_ ozone, a phenomenon well known to residents 
  866. of Los Angeles and other cities beset by photochemical smog. At high 
  867. altitudes in the troposphere, similar chemical reactions produce ozone 
  868. as a byproduct of the oxidation of methane; for this reason ordinary 
  869. subsonic aircraft actually increase the thickness of the ozone layer 
  870. by a very small amount.  
  871.  
  872. Things are very different in the stratosphere. Here the principal
  873. source of NOx is nitrous oxide, N2O ("laughing gas"). Most of the
  874. N2O in the atmosphere comes from bacteriological decomposition of
  875. organic matter - reduction of nitrate ions or oxidation of ammonium
  876. ions. (It was once assumed that anthropogenic sources were negligible
  877. in comparison, but this is now known to be false. The total 
  878. anthropogenic contribution is now estimated at 8 Tg (teragrams)/yr,
  879. compared to a natural source of 18 Tg/yr. [Khalil and Rasmussen].)
  880. N2O, unlike NOx, is very unreactive - it has an atmospheric lifetime 
  881. of more than 150 years - so it reaches the stratosphere, where most of
  882. it is converted to nitrogen and oxygen by UV photolysis.  However, a 
  883. small fraction of the N2O that reaches the stratosphere reacts instead 
  884. with oxygen atoms (to be precise, with the very rare electronically
  885. excited singlet-D oxygen atoms), and this is the major natural source 
  886. of NOx in the stratosphere. About 1.2 million tons are produced each 
  887. year in this way.  This source strength would be matched by 500 of the 
  888. SST's designed by Boeing in the late 1960's, each spending 5 hours per 
  889. day in the stratosphere. (Boeing was intending to sell 800 of these 
  890. aircraft.) The Concorde, a slower plane, produces less than half as
  891. much NOx and flies at a lower altitude; since the Concorde fleet is
  892. small, its contribution to stratospheric NOx is not significant. Before 
  893. sending large fleets of high-speed aircraft into the stratosphere, 
  894. however, one should certainly consider the possible effects of 
  895. increasing the rate of production of an important stratospheric trace 
  896. gas by as much as a factor of two. [CIC 1975]
  897.  
  898. In 1969, Paul Crutzen discovered that NOx could be an efficient 
  899. catalyst for the destruction of stratospheric ozone:
  900.       
  901.        NO + O3  -> NO2 + O2
  902.        NO2 + O -> NO + O2
  903. -------------------------------
  904.  net:  O3 + O -> 2 O2
  905.  
  906. This sequence was rediscovered two years later by H. S. Johnston, who
  907. made the connection to SST emissions.  Until then it had been thought 
  908. that the radicals H, OH, and HO2 (referred to collectively as "HOx")
  909. were the principal catalysts for ozone loss; thus, investigations of
  910. the impact of aircraft exhaust on stratospheric ozone had focussed on 
  911. emissions of water vapor, a possible source for these radicals. (The 
  912. importance of chlorine radicals, Cl, ClO, and ClO2, referred to as - 
  913. you guessed it - "ClOx", was not discovered until 1973.) It had been
  914. argued - correctly, as it turns out - that water vapor injection was
  915. unimportant for determining the ozone balance.  The discovery of 
  916. the NOx cycle threw the question open again.
  917.  
  918. Beginning in 1972, the U.S. National Academies of Science and
  919. Engineering and the Department of Transportation sponsored an
  920. intensive program of stratospheric research. [CIC 1975] It soon
  921. became clear that the relationship between NOx emissions and the
  922. ozone layer was very complicated.  The stratospheric lifetime of
  923. NOx is comparable to the timescale for transport from North to
  924. South, so its concentration depends strongly upon latitude.  Much
  925. of the NOx is injected near the tropopause, a region where
  926. quantitative modelling is very difficult, and the results of
  927. calculations depend sensitively upon how troposphere-stratosphere
  928. exchange is treated. Stratospheric NOx chemistry is _extremely_
  929. complicated, much worse than chlorine chemistry. Among other
  930. things, NO2 reacts rapidly with ClO, forming the inactive chlorine
  931. reservoir ClONO2 - so while on the one hand increasing NOx leads
  932. directly to ozone loss, on the other it suppresses the action
  933. of the more potent chlorine catalyst. And on top of all of this, the
  934. SST's always spend part of their time in the troposphere, where NOx
  935. emissions cause ozone increases. Estimates of long-term ozone
  936. changes due to large-scale NOx emissions varied markedly from year
  937. to year, going from -10% in 1974, to +2% (i.e. a net ozone _gain_)
  938. in 1979, to -8% in 1982. (In contrast, while the estimates of the
  939. effects of CFC emissions on ozone also varied a great deal in these
  940. early years, they always gave a net loss of ozone.) [Wayne]
  941.  
  942. The discovery of the Antarctic ozone hole added a new piece to the
  943. puzzle. As described in Part III, the ozone hole is caused by
  944. heterogeneous chemistry on the surfaces of stratospheric cloud
  945. particles. While these clouds are only found in polar regions,
  946. similar chemical reactions take place on sulfate aerosols which are
  947. found throughout the lower stratosphere. The most important of the
  948. aerosol reactions is the conversion of N2O5 to nitric acid:
  949.  
  950.  N2O5 + H2O -> 2 HNO3 (catalyzed by aerosol surfaces)
  951.  
  952. N2O5 is in equilibrium with NOx, so removal of N2O5 by this
  953. reaction lowers the NOx concentration.  The result is that in the
  954. lower stratosphere the NOx catalytic cycle contributes much less to
  955. overall ozone loss than the HOx and ClOx cycles. Ironically, the
  956. same processes that makes chlorine-catalyzed ozone depletion so
  957. much more important than was believed 10 years ago, also make
  958. NOx-catalyzed ozone loss less important. 
  959.  
  960. In the meantime, there has been a great deal of progress in
  961. developing jet engines that will produce much less NOx - up to a
  962. factor of 10 - than the old Boeing SST. The most recent model
  963. calculations indicate that a fleet of the new "high-speed civil
  964. transports" would deplete the ozone layer by 0.3-1.8%. Caution
  965. is still required, since the experiment has not been done - we have
  966. not yet tried adding large amounts of NOx to the stratosphere. The
  967. forecasts, however, are good. [WMO 1991, Ch. 10] [WMO 1994]
  968.  
  969. ..................................................................
  970. _Aside_: One sometimes hears that the US government killed the SST
  971. project in 1971 because of concerns raised by H. S. Johnston's work 
  972. on NOx. This is not true. The US House of Representatives had already
  973. voted to cut off Federal funding for the SST when Johnston began
  974. his calculations. The House debate had centered around economics and 
  975. the effects of noise, especially sonic booms, although there were 
  976. some vague remarks about "pollution" and one physicist had testified
  977. about the possible effects of water vapor on ozone. About 6 weeks 
  978. after both houses had voted to cancel the SST, its supporters 
  979. succeeded in reviving the project in the House. In the meantime, 
  980. Johnston had sent a preliminary report to several professional 
  981. colleagues and submitted a paper to _Science_. A preprint of 
  982. Johnston's report leaked to a small California newspaper which 
  983. published a highly sensationalized account. The story hit the press 
  984. a few days before the Senate voted, 58-37, not to revive the SST.
  985. (The previous Senate vote had been 51-46 to cancel the project. The 
  986. reason for the larger majority in the second vote was probably the 
  987. statement by Boeing's chairman that at least $500 million more would 
  988. be needed to revive the program.)
  989. ....................................................................
  990.  
  991. -----------------------------
  992.  
  993. Subject: 2.15) What is being done about ozone depletion?
  994.  
  995. The 1987 Montreal Protocol specified that CFC emissions should be
  996. reduced by 50% by the year 2000 (they had been _increasing_ by 3%
  997. per year.)  This agreement was amended in London in 1990, to state
  998. that production of CFC's, CCl4, and halons should cease entirely by
  999. the year 2000.  Restrictions have also been applied to other Cl
  1000. sources such as methylchloroform. (The details of the protocols are
  1001. complicated, involving different schedules for different compounds,
  1002. delays for developing nations, etc. See the book by [Benedick].) 
  1003. The phase-out schedule was accelerated by four years by the 1992 
  1004. Copenhagen agreements. A great deal of effort has been devoted to 
  1005. recovering and recycling CFC's that are currently being used in 
  1006. closed-cycle systems.
  1007.  
  1008. Recent NOAA measurements [Elkins et al.] show that the _rate of 
  1009. increase_ of halocarbon concentrations in the atmosphere has decreased
  1010. markedly since 1987, by a factor of 4 for CFC-11 and a factor of 2
  1011. for CFC-12. It appears that the Protocols are being observed. Under 
  1012. these conditions total stratospheric chlorine is predicted to peak 
  1013. at 3.8 ppbv in the year 1998, 0.2 ppbv above current levels, and to 
  1014. slowly decline thereafter. [WMO 1994] Extrapolation of current trends 
  1015. suggests that the maximum ozone losses will be [WMO 1994]:
  1016.  
  1017. Northern Mid-latitudes in winter/Spring: 12-13% below late 1960's levels, 
  1018.                                           ~2.5% below current levels.
  1019. Northern mid-latitudes in summer/fall:     6-7% below late 1960's levels,
  1020.                                           ~1.5% below current levels.
  1021. Southern mid-latitudes, year-round:       ~ 11% below late 1960's levels,
  1022.                                           ~2.5% below current levels.
  1023.  
  1024. Very little depletion has been seen in the tropics and very little is
  1025. expected there. After the year 2000, the ozone layer will slowly 
  1026. recover over a period of 50 years or so. The antarctic ozone hole 
  1027. is expected to last until about 2045. [WMO 1991,1994] 
  1028. Some scientists are investigating ways to replenish stratospheric
  1029. ozone, either by removing CFC's from the troposphere or by tying up
  1030. the chlorine in inactive compounds. This is discussed in Part III.
  1031.  
  1032. -----------------------------
  1033.  
  1034. Subject: 3.  REFERENCES FOR PART I
  1035.  
  1036. A remark on references: they are neither representative nor
  1037. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  1038. problems. Where possible I have limited myself to papers that
  1039. are (1) available outside of University libraries (e.g. _Science_ 
  1040. or _Nature_ rather than archival journals such as _J. Geophys. Res._) 
  1041. and (2) directly related to the "frequently asked questions". 
  1042. I have not listed papers whose importance is primarily historical.
  1043. Readers who want to see "who did what" should consult the review 
  1044. articles listed below, or, if they can get them, the WMO reports 
  1045. which are extensively documented.
  1046.  
  1047. -----------------------------
  1048.  
  1049. Subject: Introductory Reading
  1050.  
  1051. [Garcia] R. R. Garcia, _Causes of Ozone Depletion_, _Physics World_
  1052. April 1994 pp 49-55.
  1053.  
  1054. [Graedel and Crutzen] T. E. Graedel and P. J. Crutzen, 
  1055. _Atmospheric Change: an Earth System Perspective_, Freeman, NY 1993.
  1056.  
  1057. [Rowland 1989] F.S. Rowland, "Chlorofluorocarbons and the depletion
  1058. of stratospheric ozone", _American Scientist_ _77_, 36, 1989.
  1059.  
  1060. [Zurer] P. S. Zurer, "Ozone Depletion's Recurring Surprises
  1061. Challenge Atmospheric Scientists", _Chemical and Engineering News_,
  1062. 24 May 1993,  pp. 9-18.
  1063.  
  1064.  
  1065. -----------------------------
  1066.  
  1067. Subject: Books and Review Articles
  1068.  
  1069. [Benedick] R. Benedick, _Ozone Diplomacy_, Harvard, 1991.
  1070.  
  1071. [Brasseur and Solomon] G. Brasseur and S. Solomon, _Aeronomy of 
  1072. the Middle Atmosphere_, 2nd. Edition, D. Reidel, 1986
  1073.  
  1074. [Chamberlain and Hunten] J. W. Chamberlain and D. M. Hunten,
  1075. _Theory of Planetary Atmospheres_, 2nd Edition, Academic Press, 1987
  1076.  
  1077. [Dobson] G.M.B. Dobson, _Exploring the Atmosphere_, 2nd Edition,
  1078.  Oxford, 1968. 
  1079.  
  1080. [CIC 1975] Climate Impact Committee, National Research Council,
  1081. _Environmental Impact of Stratospheric Flight_, 
  1082.  National Academy of Sciences, 1975.
  1083.  
  1084. [Johnston 1992] H. S. Johnston, "Atmospheric Ozone", 
  1085. _Annu. Rev. Phys. Chem._ _43_, 1, 1992.
  1086.  
  1087. [Ko et al.] M. K. W. Ko, N.-D. Sze, and M. J. Prather, "Better
  1088. Protection of the Ozone Layer", _Nature_ _367_, 505, 1994.
  1089.  
  1090. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich, 
  1091. "Changing Composition of the Global Stratosphere", 
  1092. _Science_ _243, 763, 1989.
  1093.  
  1094. [Rowland 1991] F. S. Rowland, "Stratospheric Ozone Depletion", 
  1095. _Ann. Rev. Phys. Chem._ _42_, 731, 1991.
  1096.  
  1097. [Salby and Garcia] M. L. Salby and R. R. Garcia, "Dynamical Perturbations
  1098.  to the Ozone Layer", _Physics Today_ _43_, 38, March 1990.
  1099.  
  1100. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative understanding
  1101.  of Antarctic ozone depletion", _Nature_ _347_, 347, 1990.
  1102.  
  1103. [Wallace and Hobbs] J. M. Wallace and P. V. Hobbs,
  1104. _Atmospheric Science: an Introductory Survey_, Academic Press, 1977.
  1105.  
  1106. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 
  1107.         2nd.  Ed., Oxford, 1991.
  1108.  
  1109. [WMO 1988] World Meteorological Organization, 
  1110. _Report of the International Ozone Trends Panel_, 
  1111.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #18.
  1112.  
  1113. [WMO 1989] World Meteorological Organization, 
  1114. _Scientific Assessment of Stratospheric Ozone: 1991_
  1115.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #20.
  1116.  
  1117. [WMO 1991] World Meteorological Organization, 
  1118. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991_
  1119.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #25.
  1120.  
  1121. [WMO 1994] World Meteorological Organization, 
  1122. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1994_
  1123.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #37.
  1124. (Executive Summary)  
  1125.  
  1126. -----------------------------
  1127.  
  1128. Subject: More Specialized References
  1129.  
  1130. [Brasseur and Granier] G. Brasseur and C. Granier, "Mt. Pinatubo
  1131.  aerosols, chlorofluorocarbons, and ozone depletion", _Science_
  1132.  _257_, 1239,1992.
  1133.  
  1134. [Elkins et al.] J. W. Elkins, T. M. Thompson, T. H. Swanson,
  1135. J. H. Butler, B. D. Hall, S. O. Cummings, D. A. Fisher, and 
  1136. A. G. Raffo, "Decrease in Growth Rates of Atmospheric 
  1137. Chlorofluorocarbons 11 and 12", _Nature_ _364_, 780, 1993.
  1138.  
  1139. [Gleason et al.] J. Gleason, P. Bhatia, J. Herman, R. McPeters, P.
  1140. Newman, R. Stolarski, L. Flynn, G. Labow, D. Larko, C. Seftor, C.
  1141. Wellemeyer, W. Komhyr, A. Miller, and W. Planet, "Record Low Global
  1142. Ozone in 1992", _Science_ _260_, 523, 1993.
  1143.  
  1144. [Herman et al.] J. R. Herman, R. McPeters, and D. Larko,
  1145.  "Ozone depletion at northern and southern latitudes derived
  1146.  from January 1979 to December 1991 TOMS data",
  1147.  J. Geophys. Res. _98_, 12783, 1993.
  1148.  
  1149. [Hofmann and Solomon] D. J. Hofmann and S. Solomon, "Ozone 
  1150. destruction through heterogeneous chemistry following the 
  1151. eruption of El Chichon", J. Geophys. Res. _94_, 5029, 1989.
  1152.  
  1153. [Hofmann et al. 1994a] D. J. Hofmann, S. J. Oltmans, W. D. Komhyr, 
  1154. J. M. Harris, J. A. Lathrop, A. O. Langford, T. Deshler, 
  1155. B. J. Johnson, A. Torres, and W. A. Matthews,
  1156. "Ozone Loss in the lower stratosphere over the United States in
  1157. 1992-1993: Evidence for heterogeneous chemistry on the Pinatubo
  1158. aerosol", Geophys. Res. Lett. _21_, 65, 1994.
  1159.  
  1160. [Hofmann et al. 1994b] D. J. Hofmann, S. J. Oltmans, J. M. Harris,
  1161. J. A. Lathrop, G. L. Koenig, W. D. Komhyr, R. D. Evans, D. M. Quincy,
  1162.  T. Deshler, and B. J. Johnson,
  1163. "Recovery of stratospheric ozone over the United States in the winter
  1164. of 1993-94", Geophys. Res. Lett. _21_, 1779, 1994.
  1165.  
  1166. [Kerr et al.] J. B. Kerr, D. I. Wardle, and P. W. Towsick,
  1167. "Record low ozone values over Canada in early 1993",
  1168. Geophys. Res. Lett. _20_, 1979, 1993.
  1169.  
  1170. [Khalil and Rasmussen] M.A.K. Khalil and R. Rasmussen, "The Global
  1171.  Sources of Nitrous Oxide", _J. Geophys. Res._ _97_, 14651, 1992.
  1172.  
  1173. [McCormick et al. 1995] M. P. McCormick, L. W. Thomason, and 
  1174. C. R. Trepte, "Atmospheric effects of the Mt Pinatubo eruption",
  1175. _Nature_ _373_, 399, 1995.
  1176.  
  1177. [Prather et al. ] M. J. Prather, M.M. Garcia, A.R. Douglass, C.H.
  1178. Jackman, M.K.W. Ko, and N.D. Sze, "The Space Shuttle's impact on
  1179. the stratosphere", J. Geophys. Res. _95_, 18583, 1990.
  1180.  
  1181. [Ravishankara et al.] A. R. Ravishankara, A. A. Turnipseed,
  1182. N. R. Jensen, S. Barone, M. Mills, C. J. Howard, and S. Solomon,
  1183. "Do Hydrofluorocarbons Destroy Stratospheric Ozone?",
  1184.   _Science_ _263_, 71, 1994.
  1185.  
  1186. [SAGE II] Special Section on the Stratospheric Aerosol and Gas 
  1187. Experiment II, _J. Geophys. Res._ _98_, 4835-4897, 1993.
  1188.  
  1189. [Solomon and Albritton] S. Solomon and D.L. Albritton,
  1190. "Time-dependent ozone depletion potentials for short- and long-term
  1191. forecasts", _Nature_ _357_, 33, 1992.
  1192.  
  1193. [Stolarski et al.]  R. Stolarski, R. Bojkov, L. Bishop, C. Zerefos,
  1194.  J. Staehelin, and J. Zawodny, "Measured Trends in Stratospheric
  1195. Ozone",  Science _256_, 342 (17 April 1992)
  1196.  
  1197. [Waters et al.] J. Waters, L. Froidevaux, W. Read, G. Manney, L.
  1198. Elson, D. Flower, R. Jarnot, and R. Harwood, "Stratospheric ClO and
  1199. ozone from the Microwave Limb Sounder on the Upper Atmosphere
  1200. Research Satellite", _Nature_ _362_, 597, 1993.
  1201.  
  1202. [Zander et al. 1992] R. Zander, M. R. Gunson, C. B. Farmer, C. P.
  1203. Rinsland, F. W. Irion, and E. Mahieu, "The 1985 chlorine and
  1204. fluorine inventories in the stratosphere based on ATMOS
  1205. observations at 30 degrees North latitude",  J. Atmos. Chem. _15_,
  1206. 171, 1992.
  1207. Archive-name: ozone-depletion/stratcl
  1208. Last-modified: 23 February 1995
  1209. Version: 4.91
  1210.  
  1211.  
  1212. -----------------------------
  1213.  
  1214. Subject: How to get this FAQ
  1215.  
  1216. These files are posted monthly, usually in the third week of the month.
  1217. The current versions are also stored on several archives:
  1218.  
  1219. A. World-Wide Web
  1220.  
  1221. A hypertext version is located at:
  1222. http://www.cis.ohio-state.edu/hypertext/faq/usenet/ozone-depletion/top.html
  1223.  
  1224. Plaintext versions can be found at:
  1225. ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/ozone-depletion/
  1226. ftp://ftp.uu.net/usenet/news.answers/ozone-depletion/
  1227. ----
  1228.  
  1229. B. Anonynmous ftp
  1230.  
  1231. To rtfm.mit.edu, in the directory  /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion
  1232. To ftp.uu.net, in the directory /usenet/news.answers/ozone-depletion
  1233. Look for the four files named intro, stratcl, antarctic, and uv.
  1234. ----
  1235.  
  1236. C. Regular email
  1237.    Send the following messages to mail-server@rtfm.mit.edu:
  1238.  
  1239.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  1240.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/stratcl
  1241.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/antarctic
  1242.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/uv
  1243.  
  1244.  Leave the subject line blank.
  1245.  If you want to find out more about the mail server, send a
  1246.  message to it containing the word "help". 
  1247.  
  1248. -----------------------------
  1249.  
  1250. Subject: Copyright Statement
  1251.  
  1252. ***********************************************************************
  1253. * Copyright 1995 Robert Parson                                        *
  1254. *                                                                     *
  1255. * This file may be distributed, copied, and archived. All             *
  1256. * copies must include this notice and the paragraph below entitled    *
  1257. * "Caveat". Reproduction and distribution for personal profit is      *
  1258. * not permitted. If this document is transmitted to other networks or *
  1259. * stored on an electronic archive, I ask that you inform me. I also   *
  1260. * ask you to keep your archive up to date; in the case of world-wide  *
  1261. * web pages, this is most easily done by linking to the master at the *
  1262. * ohio-state http URL  instead of storing local copies. Finally, I    *
  1263. * request that you inform me before including any of this information *
  1264. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  1265. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  1266. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  1267. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  1268. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  1269. * to the original published source, not to this document.             *
  1270. ***********************************************************************
  1271.  
  1272.  
  1273. -----------------------------
  1274.  
  1275. Subject: General Information
  1276.  
  1277. This part deals not with ozone depletion per se (that is covered
  1278. in Part I) but rather with the sources and sinks of chlorine and
  1279. bromine in the stratosphere. Special attention is devoted to the
  1280. evidence that most of the chlorine comes from the photolysis of
  1281. CFC's and related compounds. Instead of relying upon qualitative 
  1282. statements about relative lifetimes, solubilities, and so forth, I
  1283. have tried to give a sense of the actual magnitudes involved. 
  1284. Fundamentally, this Part of the FAQ is about measurements, and I 
  1285. have therefore included some tables to illustrate trends; the
  1286. data that I reproduce is in all cases a small fraction of what 
  1287. has actually been published. In the first section I state the
  1288. present assessment of stratospheric chlorine sources and trends, 
  1289. and then in the next section I discuss the evidence that leads to
  1290. those conclusions. After a brief discussion of Bromine and Iodine in 
  1291. section 3, I answer the most familiar challenges that have been 
  1292. raised in section 4. Only these last are actually "Frequently Asked
  1293. Questions"; however I have found the Question/Answer format to be 
  1294. useful in clarifying the issues in my mind even when the questions 
  1295. are rhetorical, so I have kept to it.
  1296.  
  1297. -----------------------------
  1298.  
  1299. Subject: Caveats, Disclaimers, and Contact Information
  1300.  
  1301. | Caveat: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  1302. | chemist at all - I am a physical chemist studying gas-phase
  1303. | processes who talks to atmospheric chemists. These files are an
  1304. | outgrowth of my own efforts to educate myself about this subject.
  1305. | I have discussed some of these issues with specialists but I am
  1306. | solely responsible for everything written here, especially errors. 
  1307. | On the other hand, if you find this document in an online archive 
  1308. | somewhere, I am not responsible for any *other* information that may 
  1309. | happen to reside in that archive. This file should not be cited as 
  1310. | a reference in publications off the net; rather, it should be used as 
  1311. | a pointer to the published literature.
  1312.  
  1313. *** Corrections and comments are welcomed.
  1314.  
  1315. - Robert Parson
  1316.   Associate Professor
  1317.   Department of Chemistry and Biochemistry,
  1318.   University of Colorado  (for which I do not speak)
  1319.  
  1320.   rparson@spot.colorado.edu
  1321.   Robert.Parson@colorado.edu
  1322.  
  1323. -----------------------------
  1324.  
  1325. Subject: TABLE OF CONTENTS
  1326.  
  1327.  How to get this FAQ
  1328.  Copyright Notice
  1329.  General Information
  1330.  Caveats, Disclaimers, and Contact Information
  1331.  TABLE OF CONTENTS
  1332.  
  1333.  1.  CHLORINE IN THE STRATOSPHERE - OVERVIEW
  1334.  1.1) Where does the Chlorine in the stratosphere come from?
  1335.  1.2) How has stratospheric chlorine changed with time?
  1336.  1.3) How will stratospheric chlorine change in the future?
  1337.  
  1338.  2.  THE CHLORINE CYCLE
  1339.  2.1) What are the sources of chlorine in the troposphere?
  1340.  2.2) In what molecules is _stratospheric_ chlorine found?
  1341.  2.3) What happens to organic chlorine in the stratosphere?
  1342.  2.4) How do we know that CFC's are photolyzed in the stratosphere?
  1343.  2.5) How is chlorine removed from the stratosphere?
  1344.  2.6) How is chlorine distributed in the stratosphere?
  1345.  2.7) What happens to the Fluorine from the CFC's?
  1346.  2.8) Summary of the Evidence
  1347.  
  1348.  3.  BROMINE AND IODINE
  1349.  3.1) Does Bromine contribute to ozone depletion?
  1350.  3.2) How does bromine affect ozone?
  1351.  3.3) Where does the bromine come from?
  1352.  3.4) How about Iodine?
  1353.  
  1354.  4. COMMONLY ENCOUNTERED OBJECTIONS
  1355.  4.1) CFC's are 4-8 times heavier than air, so how can they
  1356.  4.2) CFCs are produced in the Northern Hemisphere, so how do 
  1357.       they get down to the Antarctic?
  1358.  4.3) Sea salt puts more chlorine into the atmosphere than CFC's.
  1359.  4.4) Volcanoes put more chlorine into the stratosphere than CFC's.
  1360.  4.5) Space shuttles put a lot of chlorine into the stratosphere.
  1361.  
  1362.  5.  REFERENCES FOR PART II
  1363.      Introductory Reading
  1364.      Books and Review Articles
  1365.      More specialized references
  1366.  
  1367. -----------------------------
  1368.  
  1369. Subject: 1.  CHLORINE IN THE STRATOSPHERE - OVERVIEW
  1370.  
  1371. -----------------------------
  1372.  
  1373. Subject: 1.1) Where does the Chlorine in the stratosphere come from?
  1374.  
  1375. ~80% from CFC's and related manmade organic chlorine compounds,
  1376.  such as carbon tetrachloride and methyl chloroform
  1377.  
  1378. ~15-20% from methyl chloride (CH3Cl), most of which is natural.
  1379.  
  1380.  A few % from inorganic sources, including volcanic eruptions. 
  1381.  
  1382.  [WMO 1991] [Solomon] [AASE] [Rowland 1989,1991] [Wayne]
  1383.  
  1384. These estimates are based upon 20 years' worth of measurements of
  1385. organic and inorganic chlorine-containing compounds in the earth's
  1386. troposphere and stratosphere. Particularly informative is the 
  1387. dependence of these compounds' concentrations on altitude and
  1388. their increase with time. The evidence is summarized in section 2
  1389. of this FAQ.
  1390.  
  1391. -----------------------------
  1392.  
  1393. Subject: 1.2) How has stratospheric chlorine changed with time?
  1394.  
  1395. The total amount of chlorine in the stratosphere has increased by
  1396. a factor of 2.5 since 1975 [Solomon] During this time period the
  1397. known natural sources have shown no major increases.  On the other
  1398. hand, emissions of CFC's and related manmade compounds have
  1399. increased dramatically, reaching a peak in 1987. Extrapolating
  1400. back, one infers that total stratospheric chlorine has increased
  1401. by a factor of 4 since 1950.
  1402.  
  1403. -----------------------------
  1404.  
  1405. Subject: 1.3) How will stratospheric chlorine change in the future?
  1406.  
  1407. Since the 1987 Montreal Protocol (see Part I) production of
  1408. CFC's and related compounds has been decreasing rapidly. While
  1409. CFC concentrations are still increasing, the rate of increase
  1410. has diminished:
  1411.  
  1412.                 Growth Rate, pptv/yr     (From [Elkins et al.])
  1413.  
  1414. Year            CFC-12          CFC-11
  1415.  
  1416. 1977-84          17               9
  1417. 1985-88          19.5            11
  1418. 1993             10.5             2.7
  1419.  
  1420. The atmospheric abundance of carbon tetrachloride is actually
  1421. decreasing. Total tropospheric chlorine is expected to reach a 
  1422. maximum by the end of this year (1994). The time scale for mixing
  1423. tropospheric and lower stratospheric air is about 3-5 years, so 
  1424. stratospheric chlorine is expected to peak in about 1998 and then to
  1425. decline slowly, on a time scale of about 50 years. [WMO 1994]
  1426.  
  1427. -----------------------------
  1428.  
  1429. Subject: 2.  THE CHLORINE CYCLE
  1430.  
  1431. -----------------------------
  1432.  
  1433. Subject: 2.1) What are the sources of chlorine in the troposphere?
  1434.  
  1435. Let us divide the chlorine-containing compounds found in the 
  1436. atmosphere into two groups, "organic chlorine" and "inorganic
  1437. chlorine". The most important inorganic chlorine compound in the 
  1438. troposphere is hydrogen chloride, HCl. Its principal source is 
  1439. acidification of salt spray - reaction of atmospheric sulfuric and 
  1440. nitric acids with chloride ions in aerosols.  At sea level, this 
  1441. leads to an HCl mixing ratio of 0.05 - 0.45 ppbv, depending strongly 
  1442. upon location (e.g. smaller values over land.) However, HCl dissolves 
  1443. very readily in water (giving hydrochloric acid), and condensation of 
  1444. water vapor  efficiently removes HCl from the _upper_ troposphere. 
  1445. Measurements show that the HCl mixing ratio is less than 0.1 ppbv at 
  1446. elevations above 7 km,  and less than 0.04 ppbv at 13.7 km. 
  1447. [Vierkorn-Rudolf et al.] [Harris et al.] 
  1448.  
  1449. There are many volatile organic compounds containing chlorine, but
  1450. most of them are quickly decomposed by the natural oxidants in the
  1451. troposphere, and the chlorine atoms that were in these compounds
  1452. eventually find their way into HCl or other soluble species and are 
  1453. rained out. The most important exceptions are:
  1454.  
  1455.  ChloroFluoroCarbons, of which the most important are
  1456.  CF2Cl2 (CFC-12), CFCl3 (CFC-11), and CF2ClCFCl2 (CFC-113);
  1457.  
  1458.  HydroChloroFluoroCarbons such as CHClF2 (HCFC-22); 
  1459.  
  1460.  Carbon Tetrachloride, CCl4; 
  1461.  
  1462.  Methyl Chloroform, CH3CCl3;
  1463.  
  1464.  and Methyl Chloride, CH3Cl (also called Chloromethane).  
  1465.  
  1466. Only the last has a large natural source; it is produced
  1467. biologically in the oceans and chemically from biomass burning. 
  1468. The CFC's and CCl4 are nearly inert in the troposphere, and have
  1469. lifetimes of 50-200+ years.  Their major "sink" is photolysis by UV
  1470. radiation. [Rowland 1989, 1991] The hydrogen-containing halocarbons
  1471. are more reactive, and are removed in the troposphere by reactions
  1472. with OH radicals. This process is slow, however, and they live long
  1473. enough (1-20 years) for a large fraction to reach the stratosphere.
  1474.  
  1475. As a result of this enormous difference in atmospheric lifetimes, 
  1476. there is more chlorine present in the lower atmosphere in 
  1477. halocarbons than in HCl, even though HCl is produced in much larger
  1478. quantities. Total tropospheric organic chlorine amounted to
  1479. ~3.8 ppbv in 1989 [WMO 1991], and this mixing ratio is very nearly
  1480. independent of altitude throughout the troposphere. Methyl Chloride,
  1481. the only ozone-depleting chlorocarbon with a major natural source,
  1482. makes up 0.6 ppbv of this total. Compare this to the tropospheric HCl 
  1483. mixing ratios given above: < 0.5 ppbv at sea level, < 0.1 ppbv at 3 km, 
  1484. and < 0.04 ppbv at 10 km.  
  1485.  
  1486. -----------------------------
  1487.  
  1488. Subject: 2.2) In what molecules is _stratospheric_ chlorine found?
  1489.  
  1490. The halocarbons described above are all found in the stratosphere, 
  1491. and in the lower stratosphere they are the dominant form of chlorine.
  1492. At higher altitudes inorganic chlorine is abundant, most of it in 
  1493. the form of HCl or of _chlorine nitrate_, ClONO2.  These are called 
  1494. "chlorine reservoirs"; they do not themselves react with ozone, but 
  1495. they generate a small amount of chlorine-containing radicals - Cl,
  1496. ClO, ClO2, and related species, referred to collecively as the
  1497. "ClOx family" - which do. An increase in the concentration of 
  1498. chlorine reservoirs leads to an increase in the concentration of 
  1499. the ozone-destroying radicals.
  1500.  
  1501. -----------------------------
  1502.  
  1503. Subject: 2.3) What happens to organic chlorine in the stratosphere?
  1504.  
  1505. The organic chlorine compounds are dissociated by UV radiation
  1506. having wavelengths near 230 nm. Since these wavelengths are also
  1507. absorbed by oxygen and ozone, the organic compounds have to rise
  1508. high in the stratosphere in order for this photolysis to take
  1509. place. The initial (or, as chemists say, "nascent") products are 
  1510. a free chlorine atom and an organic radical, for example:
  1511.  
  1512.  CFCl3 + hv -> CFCl2 + Cl
  1513.  
  1514. The chlorine atom can react with methane to give HCl and a methyl
  1515. radical:
  1516.  
  1517.  Cl + CH4 -> HCl + CH3
  1518.  
  1519.  Alternatively, it can react with ozone and nitrogen oxides:
  1520.  
  1521.  Cl + O3 -> ClO + O2
  1522.  ClO + NO2 -> ClONO2
  1523.  
  1524.  (There are other pathways, but these are the most important.)
  1525.  
  1526. The other nascent product (CFCl2 in the above example) undergoes
  1527. a complicated sequence of reactions that also eventually leads to
  1528. HCl and ClONO2. Most of the inorganic chlorine in the stratosphere
  1529. therefore resides in one of these two "reservoirs". The immediate 
  1530. cause of the Antarctic ozone hole is an unusual sequence of 
  1531. reactions, catalyzed by polar stratospheric clouds, that "empty" 
  1532. these reservoirs and produce high concentrations of ozone-destroying 
  1533. ClOx radicals. [Wayne] [Rowland 1989, 1991]
  1534.  
  1535. -----------------------------
  1536.  
  1537. Subject: 2.4) How do we know that CFC's are photolyzed in the stratosphere?
  1538.  
  1539. The UV photolysis cross-sections for the halocarbons have been
  1540. measured in the laboratory; these tell us how rapidly they will
  1541. dissociate when exposed to light of a given wavelength and intensity.
  1542. We can combine this with the measured intensity of radiation in the
  1543. stratosphere and deduce the way in which the mixing ratio of a
  1544. given halocarbon should depend upon altitude. Since there is almost 
  1545. no 230 nm radiation in the troposphere or in the lowest parts of
  1546. the stratosphere, the mixing ratio should be independent of altitude
  1547. there. In the middle stratosphere the mixing ratio should drop off
  1548. quickly, at a rate which is determined by the photolysis cross-section.
  1549. Thus each halocarbon has a characteristic "signature" in its mixing
  1550. ratio profile, which can be calculated. Such calculations (first
  1551. carried out in the mid 1970's) agree well with the distributions
  1552. presented in the next section.
  1553.  
  1554. There is direct evidence as well. Photolysis removes a chlorine
  1555. atom, leaving behind a reactive halocarbon radical. The most likely
  1556. fate of this radical is reaction with oxygen, which starts a long
  1557. chain of reactions that eventually remove all the chlorine and
  1558. fluorine. Most of the intermediates are reactive free radicals, but
  1559. two of them, COF2 and COFCl, are fairly stable and live long enough 
  1560. to be detected - and have been.
  1561.  
  1562. -----------------------------
  1563.  
  1564. Subject: 2.5) How is chlorine removed from the stratosphere?
  1565.  
  1566. Since the stratosphere is very dry, water-soluble compounds are
  1567. not quickly washed out as they are in the troposphere. The
  1568. stratospheric lifetime of HCl is about 2 years; the principal
  1569. sink is transport back down to the troposphere.
  1570.  
  1571. -----------------------------
  1572.  
  1573. Subject: 2.6) How is chlorine distributed in the stratosphere?
  1574.  
  1575. Over the past 20 years an enormous effort has been devoted to
  1576. identifying sources and sinks of stratospheric chlorine.  The
  1577. concentrations of the major species have been measured as a 
  1578. function of altitude, by "in-situ" methods ( e.g. collection
  1579. filters carried on planes and balloons) and by spectroscopic
  1580. observations from aircraft, balloons, satellites, and the Space 
  1581. Shuttle. From all this work we now have a clear and consistent
  1582. picture of the processes that carry chlorine through the stratosphere.         
  1583.  
  1584. Let us begin by asking where inorganic chlorine is found. In the 
  1585. troposphere, the HCl mixing ratio decreased markedly with increasing
  1586. altitude. In the stratosphere, on the other hand,  it _increases_ with 
  1587. altitude, rapidly up to about 35 km, and then more slowly up to 55km
  1588. and beyond. This was noticed as early as 1976 [Farmer et al.] 
  1589. [Eyre and Roscoe] and has been confirmed repeatedly since. Chlorine
  1590. Nitrate (ClONO2), the other important inorganic chlorine compound in 
  1591. the stratosphere, also increases rapidly in the lower stratosphere, and
  1592. then falls off at higher altitudes.  These results strongly suggest
  1593. that HCl in the stratosphere is being _produced_ there, not drifting 
  1594. up from below.
  1595.  
  1596. Let us now look at the organic source gases.  Here, the data show
  1597. that the mixing ratios of the CFC's and CCl4 are _nearly independent 
  1598. of altitude_ in the troposphere, and _decrease rapidly with altitude_ 
  1599. in the stratosphere.  The mixing ratios of the more reactive 
  1600. hydrogenated compounds such as CH3CCl3 and CH3Cl drop off somewhat
  1601. in the troposphere, but also show a much more rapid decrease in
  1602. the stratosphere.  The turnover in organic chlorine correlates
  1603. nicely with the increase in inorganic chlorine, confirming the
  1604. hypothesis that CFC's are being photolyzed as they rise high enough
  1605. in the stratosphere to experience enough short-wavelength UV. At
  1606. the bottom of the stratosphere almost all of the chlorine is
  1607. organic, and at the top it is all inorganic. [Fabian et al. ] 
  1608. [Zander et al. 1987] [Zander et al. 1992] [Penkett et al.]
  1609.  
  1610. Finally, there are the stable reaction intermediates, COF2 and
  1611. COFCl. These have been found in the lower and middle stratosphere, 
  1612. exactly where one expects to find them if they are produced from 
  1613. organic source gases and eventually react to give inorganic chlorine.
  1614.  
  1615. For example, the following is extracted from Tables II and III of
  1616. [Zander et al. 1992]; they refer to 30 degrees N Latitude in 1985.
  1617. I have rearranged the tables and rounded some of the numbers, and
  1618. the arithmetic in the second table is my own.
  1619.  
  1620.    Organic Chlorine and Intermediates, Mixing ratios in ppbv
  1621.  
  1622. Alt.,  CH3Cl CCl4 CCl2F2 CCl3F CHClF2 CH3CCl3 C2F3Cl3  ||  COFCl
  1623. km
  1624. 12.5  .580  .100  .310  .205  .066     .096    .021    ||  .004
  1625. 15    .515  .085  .313  .190  .066     .084    .019    ||  .010
  1626. 20    .350  .035  .300  .137  .061     .047    .013    ||  .035
  1627. 25    .120   -    .175  .028  .053     .002    .004    ||  .077
  1628. 30     -     -    .030   -    .042      -       -      ||  .029
  1629. 40     -     -     -     -     -        -       -      ||   -
  1630.  
  1631.  
  1632.      Inorganic Chlorine and Totals, Mixing ratios in ppbv
  1633.  
  1634. Alt., HCl  ClONO2   ClO  HOCl   ||   Total Cl,  Total Cl,  Total Cl
  1635.                                 ||   Inorganic   Organic
  1636. km                              ||
  1637. 12.5   -     -       -     -    ||       -       2.63        2.63
  1638. 15    .065   -       -     -    ||     0.065     2.50        2.56
  1639. 20    .566  .212     -     -    ||     0.778     1.78        2.56
  1640. 25   1.027  .849    .028  .032  ||     1.936     0.702       2.64
  1641. 30   1.452 1.016    .107  .077  ||     2.652     0.131       2.78
  1642. 40   2.213 0.010    .234  .142  ||     2.607       -         2.61
  1643.  
  1644. I have included the intermediate COFCl in the Total Organic column.
  1645. It should be noted that COFCl was not measured directly in this
  1646. experiment, although the related intermediate COF2 was.
  1647.  
  1648. This is just an excerpt. The original tables give results every 2.5km 
  1649. from 12.5 to 55km, together with a similar inventory for Fluorine.
  1650. Standard errors on total Cl were estimated to be 0.02-0.04 ppbv.    
  1651.  
  1652. Notice that the _total_ chlorine at any altitude is nearly constant
  1653. at ~2.5-2.8 ppbv. This is what we would expect if the sequence of
  1654. reactions that leads from organic sources to inorganic reservoirs 
  1655. was fast compared to vertical transport. Our picture, then, would be
  1656. of a swarm of organic chlorine molecules slowly spreading upwards 
  1657. through the stratosphere, being converted into inorganic reservoir
  1658. molecules as they climb. In fact this oversimplifies things -
  1659. photolysis pops off a single Cl atom which does reach its final
  1660. destination quickly, but the remaining Cl atoms are removed by a
  1661. sequence of slower reactions. Some of these reactions involve
  1662. compounds, such as NOx, which are not well-mixed; moreover, 
  1663. "horizontal" transport does not really take place along surfaces of 
  1664. constant altitude, so chemistry and atmospheric dynamics are in fact 
  1665. coupled together in a complicated way.  These are the sorts of issues 
  1666. that are addressed in atmospheric models.  Nevertheless, this simple
  1667. picture helps us to understand the qualitative trends, and 
  1668. quantitative models confirm the conclusions [McElroy and Salawich].
  1669.  
  1670. We conclude that most of the inorganic chlorine in the stratosphere
  1671. is _produced_ there, as the end product of photolysis of the organic
  1672. chlorine compounds.
  1673.  
  1674. -----------------------------
  1675.  
  1676. Subject: 2.7) What happens to the Fluorine from the CFC's?
  1677.  
  1678. Most of it ends up as Hydrogen Fluoride, HF. The total amount of HF
  1679. in the stratosphere increased by a factor of 3-4 between 1978 and
  1680. 1989 [Zander et al., 1990] [Rinsland et al.]; the relative increase 
  1681. is larger for HF than for HCl (a factor of 2.2 over the same period)
  1682. because the natural source, and hence the baseline concentration,
  1683. is much smaller. For the same reason, the _ratio_ of HF to HCl has
  1684. increased, from 0.14 in 1977 to 0.23 in 1990. As discussed above, the
  1685. decomposition of CFC's in the stratosphere produces reaction
  1686. intermediates such as COF2 and COFCl which have been detected in the
  1687. stratosphere. COF2 in particular is relatively stable and makes a
  1688. significant contribution to the total fluorine; the total amount
  1689. of COF2 in the stratosphere increased by 60% between 1985 and 1992
  1690. [Zander et al. 1994] The total Fluorine budget,
  1691. as a function of altitude, adds up in much the same way as the 
  1692. chlorine budget. [Zander et al. 1992, 1994] [Luo et al.]
  1693.  
  1694. The most comprehensive measurements of stratospheric HF are those made
  1695. by the Halogen Occultation Experiment (HALOE) on the UARS satellite
  1696. [Luo et al.] Information about HALOE is available on the World-Wide-Web
  1697. at http://haloedata.larc.nasa.gov/home.html  .
  1698.  
  1699.  
  1700.  
  1701. -----------------------------
  1702.  
  1703. Subject: 2.8) Summary of the Evidence
  1704.  
  1705.  a. Inorganic chlorine, primarily of natural origin, is efficiently
  1706.  removed from the troposphere; organic chlorine, primarily 
  1707.  anthropogenic, is not, and in the upper troposphere organic 
  1708.  chlorine dominates overwhelmingly.
  1709.  
  1710.  b. In the stratosphere, organic chlorine decreases with altitude, 
  1711.  since at higher altitudes there is more short-wave UV available to
  1712.  photolyze it. Inorganic chlorine _increases_ with altitude. 
  1713.  At the bottom of the stratosphere essentially all of the chlorine
  1714.  is organic, at the top it is all inorganic, and reaction 
  1715.  intermediates such as COF2 are found at intermediate altitudes.
  1716.  
  1717.  c. Both HCl and HF in the stratosphere have been increasing steadily,         
  1718.  in a correlated fashion, since they were first measured in the 1970's.
  1719.  Reaction intermediates such as COF2 are also increasing.
  1720.  
  1721. -----------------------------
  1722.  
  1723. Subject: 3.  BROMINE
  1724.  
  1725. -----------------------------
  1726.  
  1727. Subject: 3.1) Does Bromine contribute to ozone depletion?
  1728.  
  1729. Br is present in much smaller quantities than Cl, but it is
  1730. much more destructive on a per-atom basis.  There is a large
  1731. natural source; manmade compounds contribute about 40% of the total.
  1732. In the antarctic chlorine is more important than Bromine, but at 
  1733. middle latitudes their effects are comparable.
  1734.  
  1735. -----------------------------
  1736.  
  1737. Subject: 3.2) How does bromine affect ozone?
  1738.  
  1739. Bromine concentrations in the stratosphere are ~150 times smaller
  1740. than chlorine concentrations.  However, atom-for-atom Br is 10-100
  1741. times as effective as Cl in destroying ozone.  (The reason for this
  1742. is that there is no stable 'reservoir' for Br in the stratosphere
  1743. - HBr and BrONO2 are very easily photolyzed so that nearly all of
  1744. the Br is in a form that can react with ozone.  Contrariwise, F is
  1745. innocuous in the stratosphere because its reservoir, HF, is
  1746. extremely stable.) So, while Br is less important than Cl, it must
  1747. still be taken into account.  Interestingly, the principal
  1748. pathway by which Br destroys ozone also involves Cl: 
  1749.  
  1750.      BrO + ClO -> Br + Cl + O2
  1751.      Br + O3 -> BrO + O2
  1752.      Cl + O3 -> ClO + O2
  1753.    ----------------------------------     
  1754.    Net:    2 O3 -> 3 O2
  1755.  
  1756. [Wayne p. 164] [Solomon] 
  1757.  
  1758. so reducing stratospheric chlorine concentrations will, as a
  1759. side-effect, slow down the bromine pathways as well.
  1760.  
  1761. -----------------------------
  1762.  
  1763. Subject: 3.3) Where does the bromine come from?
  1764.  
  1765. a.) Methyl Bromide
  1766.  
  1767. The largest source of stratospheric Bromine is methyl bromide,
  1768. CH3Br.  Much of this is naturally produced in the oceans, but 30-60% 
  1769. is manmade [Khalil et al.]; it is widely used as a fumigant. Methyl
  1770. bromide is also produce during biomass burning, which can be either
  1771. natural or anthropogenic [Mano and Andreae]. The 1994 assessment 
  1772. from the World Meteorological Organization [WMO 1994] estimates
  1773. the major sources as;
  1774.  
  1775. Oceans:          60-160 ktons/yr
  1776. Fumigation:      20-60  ktons/yr
  1777. Biomass burning: 10-50 ktons/yr
  1778.  
  1779. Methyl bromide is also produced in the combustion of leaded gasolines,
  1780. which use ethylene dibromide as a scavenger. One estimate for the methyl
  1781. bromide emissions from this source gave 9-22 ktons/yr, but another
  1782. estimate gave only 0.5-1.5 ktons/yr. 
  1783.  
  1784. b.) Halons
  1785.  
  1786. Another important Bromine source is the family of "halons", widely used 
  1787. in fire extinguishers.  Like CFC's these compounds have long atmospheric 
  1788. lifetimes (72 years for CF3Br) and very little is lost in the 
  1789. troposphere.  [Wayne p. 167]. Halons are scheduled for phase-out under
  1790. the Montreal Protocol, and their rate of increase in the atmosphere has
  1791. slowed by a factor of three since 1989.
  1792.  
  1793. -----------------------------
  1794.  
  1795. Subject: 3.4) And how about about Iodine?
  1796.  
  1797. Since Chlorine and Bromine radicals both enter into ozone-destroying 
  1798. catalytic cycles, it comes as no surprise that Iodine can do so as well.
  1799. One possible mechanism is:
  1800.  
  1801.      ClO + IO -> Cl + I + O2
  1802.      Cl + O3  -> ClO + O2
  1803.      I + O3   -> IO + O2
  1804.      _______________________
  1805. Net:     2 O3 -> 3 O2
  1806.  
  1807. Note that this is precisely analogous to the Bromine/chlorine cycle
  1808. given in section 3.2; the Iodine acts in concert with Chlorine. There
  1809. are also cycles in which Iodine and Bromine, and Iodine and OH, act
  1810. together. 
  1811.  
  1812. At present it is not known whether there is enough Iodine in the
  1813. stratosphere to make these reactions important for the overall ozone
  1814. balance. The principle source of atmospheric iodine is methyl iodide,
  1815. produced in large quantities by marine biota. Methyl iodide, like methyl
  1816. chloride and bromide, is insoluble in water and is thus not "frozen out"
  1817. at the tropopause; however it has a much shorter atmospheric lifetime
  1818. so only a small fraction survives long enough to reach the stratosphere.
  1819. It has recently been suggested [Solomon et al. 1994a,b] that this small
  1820. fraction may nevertheless be large enough to influence ozone depletion
  1821. in the lowest part of the stratosphere. (Current models using only
  1822. chlorine and bromine chemistry predict significantly less ozone loss in
  1823. these regions than has been observed.) More measurements will be needed
  1824. to resolve this issue.
  1825.  
  1826. Anthropogenic sources of stratospheric iodine are negligible.
  1827. Trifluoromethyliodide, CF3I, has been suggested as a substitute for
  1828. halons. Unlike halons, CF3I has a short atmospheric lifetime. 
  1829. [Solomon et al. 1994b] estimate its ozone depletion potential to be less
  1830. than 0.008 and probably less than 0.0001; CF3Br, in contrast, has an ODP
  1831. of 7.8. Iodine may be accelerating the rate at which (mostly) anthropogenic
  1832. chlorine and (partly) anthropogenic bromine destroy ozone, but iodine in
  1833. itself is not an anthropogenic influence.
  1834.  
  1835.  
  1836. -----------------------------
  1837.  
  1838. Subject: 4. COMMONLY ENCOUNTERED OBJECTIONS
  1839.  
  1840. -----------------------------
  1841.  
  1842. Subject: 4.1) CFC's are 4-8 times heavier than air, so how can they
  1843.          reach the stratosphere?
  1844.  
  1845.  This is answered in Part I of this FAQ, section 1.3. Briefly,
  1846.  atmospheric gases do not segragate by weight in the troposphere
  1847.  and the stratosphere, because the mixing mechanisms (convection,
  1848.  "eddy diffusion") do not distinguish molecular masses. 
  1849.  
  1850. -----------------------------
  1851.  
  1852. Subject: 4.2) CFCs are produced in the Northern Hemisphere, so how do 
  1853.         they get down to the Antarctic?
  1854.  
  1855. Vertical transport into and within the stratosphere is slow.  It
  1856. takes more than 5 years for a CFC molecule released at sea level to
  1857. rise high enough in the stratosphere to be photolyzed.  North-South
  1858. transport, in both troposphere and stratosphere, is faster - there is 
  1859. a bottleneck in the tropics (it can take a year or two to get across
  1860. the equator) but there is still plenty of time.  CFC's are distributed 
  1861. almost uniformly as a function of latitude, with a gradient of ~10%
  1862. from Northern to Southern Hemispheres. [Singh et al.]. [Elkins et al.]
  1863.  
  1864. -----------------------------
  1865.  
  1866. Subject: 4.3) Sea salt puts more chlorine into the atmosphere than CFC's.
  1867.  
  1868. True, but not relevant because this chlorine is in a form (HCl) that
  1869. is rapidly removed from the troposphere. Even at sea level there is
  1870. more chlorine present in organic compounds than in HCl, and in the
  1871. upper troposphere and lower stratosphere organic chlorine dominates 
  1872. overwhelmingly. See section 2.1 above.
  1873.  
  1874. -----------------------------
  1875.  
  1876. Subject: 4.4) Volcanoes put more chlorine into the stratosphere than CFC's.
  1877.  
  1878. Short Reply: False. Volcanoes account for at most a few percent 
  1879. of the chlorine in the stratosphere.
  1880.  
  1881. Long reply:  This is one of the most persistent myths in this
  1882. area. As is so often the case, there is a seed of truth at the
  1883. root of the myth.  Volcanic gases are rich in Hydrogen Chloride, HCl. 
  1884. As we have discussed, this gas is very soluble in water and is 
  1885. removed from the troposphere on a time scale of 1-7 days, so we can
  1886. dismiss quietly simmering volcanoes as a stratospheric source, just 
  1887. as we can neglect sea salt and other natural sources of HCl. (In fact
  1888. tropospheric HCl from volcanoes is neglible compared to HCl from
  1889. sea salt.) However, we cannot use this argument to dismiss MAJOR
  1890. volcanic eruptions, which can in principle inject HCl directly into
  1891. the middle stratosphere.
  1892.  
  1893. What is a "major" eruption?  There is a sort of "Richter scale" for
  1894. volcanic eruptions, the so-called "Volcanic explosivity index" or
  1895. VEI.  Like the Richter scale it is logarithmic; an eruption with a
  1896. VEI of 5 is ten times "bigger" than one with a VEI of 4. To give a
  1897. sense of magnitude, I list below the VEI for some familiar recent
  1898. and historic eruptions:
  1899.  
  1900. Eruption           VEI             Stratospheric Aerosol,
  1901.                                    Megatons (Mt)
  1902.  
  1903. Kilauea             0-1            -
  1904. Erebus, 1976-84     1-2            -
  1905. Augustine, 1976     4              0.6 
  1906. St Helen's, 1980    5 (barely)     0.55 
  1907. El Chichon, 1982    5              12
  1908. Pinatubo, 1991      5-6            30
  1909. Krakatau, 1883      6              50 (estimated)
  1910. Tambora, 1815       7              80-200 (estimated)
  1911.  
  1912. [Smithsonian] [Symonds et al.] [Sigurdsson] [Pinatubo] [WMO 1988]
  1913. [Bluth et al.] [McCormick et al. 1995]
  1914.  
  1915. Roughly speaking, an eruption with VEI>3 can penetrate the
  1916. stratosphere. An eruption with VEI>5 can send a plume up to 25km, in the
  1917. middle of the ozone layer. Such eruptions occur about once a decade.
  1918. Since the VEI is not designed specifically to measure a volcano's impact
  1919. on the stratosphere, I have also listed the total mass of stratospheric
  1920. aerosols (mostly sulfates) produced by the eruption. (Note that St.
  1921. Helens produced much less aerosol than El Chichon - St. Helens blew out
  1922. sideways, dumping a large ash cloud over eastern Washington, rather than
  1923. ejecting its gases into the stratosphere.) Passively degassing volcanoes
  1924. such as Kilauea and Erebus are far too weak to penetrate the
  1925. stratosphere, but explosive eruptions like El Chichon and Pinatubo need
  1926. to be considered in detail.
  1927.  
  1928. Before 1982, there were no direct measurements of the amount of HCl
  1929. that an explosive eruption put into the stratosphere.  There were,
  1930. however, estimates of the _total_ chlorine production from an
  1931. eruption, based upon such geophysical techniques as analysis of
  1932. glass inclusions trapped in volcanic rocks.  [Cadle] [Johnston]
  1933. [Sigurdsson] [Symonds et al.] There was much debate
  1934. about how much of the emitted chlorine reached the stratosphere;
  1935. estimates ranged from < 0.03 Mt/year [Cadle] to 0.1-1.0 Mt/year
  1936. [Symonds et al.].  During the 1980's emissions of CFC's and related
  1937. compounds contributed >1.2 Mt of chlorine per year to the
  1938. atmosphere. [Prather et al.] This results in an annual flux of >0.3
  1939. Mt/yr of chlorine into the stratosphere. The _highest_ estimates
  1940. ofvolcanic emissions - upper limits calculated by assuming that
  1941. _all_ of the HCl from a major eruption reached and stayed in the
  1942. stratosphere - were thus of the same order of magnitude as human
  1943. sources.  (There is no support whatsoever for the claim - found, for
  1944. example, in Dixy Lee Ray's _Trashing the Planet_  - that a _single_ 
  1945. recent eruption produced ~500 times as much chlorine as a year's worth 
  1946. of CFC production. This wildly inaccurate number appears to have 
  1947. originated as an editorial mistake in a scientific encyclopedia.)
  1948.  
  1949. It is very difficult to reconcile these upper limits with the
  1950. altitude and time-dependence of stratospheric HCl. The volcanic
  1951. contribution to the upper stratosphere should come in sudden bursts
  1952. following major eruptions, and it should initially be largest in
  1953. the vicinity of the volcanic plume. Since vertical transport in the
  1954. stratosphere is slow, one would expect to see the altitude profile
  1955. change abruptly after a major eruption, whereas it has maintained
  1956. more-or-less the same shape since it was first measured in 1975. 
  1957. One would also not expect a strong correlation between HCl and
  1958. organochlorine compounds if volcanic injection were contributing
  1959. ~50% of the total HCl.  If half of the HCl has an inorganic origin,
  1960. where is all that _organic_ chlorine going? 
  1961.  
  1962. The issue has now been largely resolved by _direct_ measurements of the
  1963. stratospheric HCl produced by El Chichon, the most important eruption of
  1964. the 1980's, and Pinatubo, the largest since 1912. It was found that El
  1965. Chichon injected *0.04* Mt of HCl [Mankin and Coffey].  The much bigger
  1966. eruption of Pinatubo produced less [Mankin, Coffey and Goldman] [Wallace
  1967. and Livingston 1992], - in fact the authors were not sure that they had
  1968. measured _any_ significant increase. Analysis of ice cores leads to
  1969. similar conclusions for historic eruptions [Delmas]. The ice cores show
  1970. significantly enhanced levels of sulfur following major historic
  1971. eruptions, but no enhancement in chlorine, showing that the chlorine
  1972. produced in the eruption did not survive long enough to be transported
  1973. to polar regions. It is clear, then, that even though major eruptions
  1974. produce large amounts of chlorine in the form of HCl, most of that HCl
  1975. either never enters the stratosphere, or is very rapidly removed from
  1976. it.
  1977.  
  1978. Recent model calculations [Pinto et al.] [Tabazadeh and Turco]
  1979. have clarified the physics involved.  A volcanic plume contains
  1980. approximately 1000 times as much water vapor as HCl. As the plume
  1981. rises and cools the water condenses, capturing the HCl as it does
  1982. so and returning it to the earth in the extensive rain showers that
  1983. typically follow major eruptions. HCl can also be removed if it
  1984. is adsorbed on ice or ash particles. Model calculations show that
  1985. more than 99% of the HCl is removed by these processes, in good
  1986. agreement with observations.
  1987.  
  1988. ................................................................
  1989. In summary:
  1990.  
  1991.  * Older indirect _estimates_ of the contribution of volcanic
  1992.    eruptions to stratospheric chlorine gave results that ranged  
  1993.    from much less than anthropogenic to somewhat larger than 
  1994.    anthropogenic. It is difficult to reconcile the larger estimates 
  1995.    with the altitude distribution of inorganic chlorine in the 
  1996.    stratosphere, or its steady increase over the past 20 years.  
  1997.    Nevertheless, these estimates raised an important scientific 
  1998.    question that needed to be resolved by _direct_ measurements 
  1999.    in the stratosphere. 
  2000.  
  2001.  * Direct measurements on El Chichon, the largest eruption of
  2002.    the 1980's, and on Pinatubo, the largest since 1912, show
  2003.    that the volcanic contribution is small. 
  2004.  
  2005.  * Claims that volcanoes produce more stratospheric chlorine than
  2006.    human activity arise from the careless use of old scientific
  2007.    estimates that have since been refuted by observation.
  2008.  
  2009.  * Claims that a single recent eruption injected ~500 times a year's 
  2010.    CFC production into the stratosphere have no scientific basis
  2011.    whatsoever.
  2012.  
  2013. .................................................................
  2014.  
  2015. To conclude, we need to say something about Mt. Erebus.  In an
  2016. article in _21st Century_ (July/August 1989), Rogelio Maduro
  2017. claimed that this Antarctic volcano has been erupting constantly
  2018. for the last 100 years, emitting more than 1000 tons of chlorine
  2019. per day. This claim was repeated in Dixy Lee Ray's books.
  2020. "21st Century" is published by Lyndon LaRouche's political
  2021. associates, although LaRouche himself usually keeps a low profile
  2022. in the magazine.  Mt. Erebus has in fact been simmering quietly for
  2023. over a century but the estimate of 1000 tons/day of HCl only applied
  2024. to an especially active period between 1976 and 1983.  Moreover that 
  2025. estimate [Kyle et al.] has been since been reduced to 167 tons/day
  2026. (0.0609 Mt/year). By late 1984 emissions had dropped by an order of 
  2027. magnitude, and have remained at low levels since; HCl emissions
  2028.  _at the crater rim_ were 19 tons/day (0.007 Mt/year) in 1986, 
  2029. and 36 tons/day (0.013 Mt/year) in 1991. [Zreda-Gostynska et al.] 
  2030. Since this is a passively degassing volcano (VEI=1-2 in the active 
  2031. period), very little of this HCl reaches the stratosphere. The
  2032. Erebus plume never rises more than 0.5 km above the volcano, 
  2033. and in fact the gas usually just oozes over the crater rim. Indeed, 
  2034. one purpose of the measurements of Kyle et al. was to explain high 
  2035. Cl concentrations in Antarctic snow. The only places where I have 
  2036. ever seen Erebus described as a source of stratospheric chlorine is 
  2037. in LaRouchian publications and in articles and books that,
  2038. incredibly, consider such documents to be reliable sources.
  2039.  
  2040. -----------------------------
  2041.  
  2042. Subject: 4.5) Space shuttles put a lot of chlorine into the stratosphere.
  2043.  
  2044. Simply false. In the early 1970's, when very little was known about
  2045. the role of chlorine radicals in ozone depletion, it was suggested
  2046. that HCl from solid rocket motors might have a significant effect
  2047. upon the ozone layer -  if not globally, perhaps in the immediate
  2048. vicinity of the launch. It was immediately shown that the effect
  2049. was negligible, and this has been repeatedly demonstrated since.
  2050. Each shuttle launch produces about 200 metric tons of chlorine as
  2051. HCl, of which about one-third, or 68 tons, is injected into the 
  2052. stratosphere. Its residence time there is about three years. A
  2053. full year's schedule of shuttle and solid rocket launches injects 
  2054. 725 tons of chlorine into the stratosphere. This is negligible compared
  2055. to chlorine emissions in the form of CFC's and related compounds 
  2056. (1.2 million tons/yr in the 1980's, of which ~0.3 Mt reach the 
  2057. stratosphere each year). It is also small in comparison to natural 
  2058. sources of stratospheric chlorine, which amount to about 75,000 tons 
  2059. per year. [Prather et al.] [WMO 1991] [Ko et al.]
  2060.  
  2061. See also the sci.space FAQ, Part 10, "Controversial Questions",
  2062. available by anonymous ftp from rtfm.mit.edu in the directory
  2063. pub/usenet/news.answers/space/controversy, or on the world-wide web at:
  2064.  
  2065. http://www.cis.ohio-state.edu/hypertext/faq/usenet/space/controversy/faq.html
  2066.  
  2067. -----------------------------
  2068.  
  2069. Subject: 5.  REFERENCES FOR PART II
  2070.  
  2071. A remark on references: they are neither representative nor
  2072. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  2073. problems. For the most part I have limited myself to papers that
  2074. are (1) widely available (if possible, _Science_ or _Nature_ rather
  2075. than archival sources such as _J. Geophys. Res._) and (2) directly
  2076. related to the "frequently asked questions".  (In this part, I have
  2077. had to refer to archival journals more often than I would have
  2078. liked, since in many cases that is the only place where the
  2079. question is addressed in satisfactory detail.) Readers who want to
  2080. see "who did what" should consult the review articles listed below,
  2081. or, if they can get them, the extensively documented WMO reports.
  2082.  
  2083. -----------------------------
  2084.  
  2085. Subject: Introductory Reading
  2086.  
  2087. [Graedel and Crutzen] T. E. Graedel and P. J. Crutzen,
  2088.  _Atmospheric Change: an Earth System Perspective_, Freeman, 1993.
  2089.  
  2090. [Rowland 1989] F. S. Rowland, "Chlorofluorocarbons and the
  2091. depletion of stratospheric ozone", _Am. Sci._ _77_, 36, 1989.
  2092.  
  2093. -----------------------------
  2094.  
  2095. Subject: Books and Review Articles
  2096.  
  2097. [Brasseur and Solomon] G. Brasseur and S. Solomon, _Aeronomy of 
  2098. the Middle Atmosphere_, 2nd Edition, D. Reidel, 1986.
  2099.  
  2100. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich, "Changing
  2101. Composition of the Global Stratosphere", _Science_ _243, 763, 1989.
  2102.  
  2103. [Rowland 1991] F. S. Rowland, "Stratospheric Ozone Depletion",
  2104. _Ann. Rev. Phys. Chem._ _42_, 731, 1991.
  2105.  
  2106. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative
  2107.  understanding of Antarctic ozone depletion",
  2108.  _Nature_ _347_, 347, 1990.
  2109.  
  2110. [Wallace and Hobbs] J. M. Wallace and P. V. Hobbs,
  2111. _Atmospheric Science: an Introductory Survey_, Academic Press, 1977.
  2112.  
  2113. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 
  2114.         2nd.  Ed., Oxford, 1991.
  2115.  
  2116. [WMO 1988] World Meteorological Organization, 
  2117. _Report of the International Ozone Trends Panel_, Report # 18
  2118.  
  2119. [WMO 1991] World Meteorological Organization, 
  2120. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991_, Report # 25 
  2121.  
  2122. [WMO 1994] World Meteorological Organization, 
  2123. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1994_
  2124.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #37.
  2125. (Executive Summary)
  2126.  
  2127. -----------------------------
  2128.  
  2129. Subject: More specialized references
  2130.  
  2131. [AASE] End of Mission Statement, second airborne arctic
  2132. stratospheric expedition, NASA 30 April 1992.
  2133.  
  2134. [Bluth et al.] G. J. S. Bluth, C. C. Schnetzler, A. J. Krueger,
  2135. and L. S. Walter, "The contribution of explosive volcanism to
  2136. global atmospheric sulphur dioxide concentrations",
  2137.  _Nature_ _366_, 327, 1993.
  2138.  
  2139. [Cadle] R. Cadle, "Volcanic emissions of halides and sulfur
  2140. compounds to the troposphere and stratosphere", J. Geophys. Res. 
  2141. _80_, 1651, 1975]
  2142.  
  2143. [Delmas] R. J. Delmas, "Environmental Information from Ice Cores",
  2144. _Reviews of Geophysics_ _30_, 1, 1992.
  2145.  
  2146. [Elkins et al.] J. W. Elkins, T. M. Thompson, T. H. Swanson,
  2147. J. H. Butler, B. D. Hall, S. O. Cummings, D. A. Fisher, and 
  2148. A. G. Raffo, "Decrease in Growth Rates of Atmospheric 
  2149. Chlorofluorocarbons 11 and 12", _Nature_ _364_, 780, 1993.
  2150.  
  2151. [Eyre and Roscoe] J. Eyre and H. Roscoe, "Radiometric measurement
  2152. of stratospheric HCl", _Nature_ _266_, 243, 1977.
  2153.  
  2154. [Fabian et al. 1979] P. Fabian, R. Borchers, K.H. Weiler, U.
  2155. Schmidt, A. Volz, D.H. Erhalt, W. Seiler, and F. Mueller,
  2156. "Simultaneously measured vertical profile of H2, CH4, CO, N2O,
  2157. CFCl3, and CF2Cl2 in the mid-latitude stratosphere and
  2158. troposphere", J. Geophys. Res.  _84_, 3149, 1979.
  2159.  
  2160. [Fabian et al. 1981] P. Fabian, R. Borchers, S.A. Penkett, and
  2161. N.J.D. Prosser, "Halocarbons in the Stratosphere", _Nature_ _294_,
  2162. 733, 1981.
  2163.  
  2164. [Farmer et al.] C.B. Farmer, O.F. Raper, and R.H. Norton,
  2165. "Spectroscopic detection and vertical distribution of HCl in the
  2166. troposphere and stratosphere", Geophys. Res. Lett. _3_, 13, 1975.
  2167.  
  2168. [Harris et al.] G.W. Harris, D. Klemp, and T. Zenker, 
  2169. "An Upper Limit on the HCl near-surface mixing ratio over the
  2170. Atlantic", J. Atmos. Chem. _15_, 327, 1992.  
  2171.  
  2172. [Johnston] D. Johnston, "Volcanic contribution of chlorine to the
  2173.  stratosphere: more significant to ozone than previously
  2174. estimated?" _Science_ _209_, 491, 1980.
  2175.  
  2176. [Khalil et al.] M.A.K. Khalil, R. Rasmussen, and R. Gunawardena, 
  2177. "Atmospheric Methyl Bromide: Trends and Global Mass Balance"
  2178.  J. Geophys. Res. _98_, 2887, 1993.
  2179.  
  2180. [Ko et al.] M. K. W. Ko, N.-D. Sze, and M. J. Prather, "Better
  2181. Protection of the Ozone Layer", _Nature_ _367_, 505, 1994.
  2182.  
  2183. [Kyle et al.] P.R. Kyle, K. Meeker, and D. Finnegan, 
  2184. "Emission rates of sulfur dioxide, trace gases, and metals from 
  2185.  Mount Erebus, Antarctica", _Geophys. Res. Lett._ _17_, 2125, 1990.
  2186.  
  2187. [Luo et al.] M. Luo, R. J. Cicerone, J. M. Russell III, and 
  2188. T. Y. W. Huang, "Observations of stratospheric hydrogen fluoride 
  2189. by halogen occultation experiment (HALOE)", J. Geophys. Res. _99_,
  2190. 16691, 1994.
  2191.  
  2192. [Mankin and Coffey] W. Mankin and M. Coffey, "Increased
  2193. stratospheric hydrogen chloride in the El Chichon cloud",
  2194. _Science_ _226_, 170, 1983.
  2195.  
  2196. [Mankin, Coffey and Goldman] W. Mankin, M. Coffey and A. Goldman, 
  2197. "Airborne observations of SO2, HCl, and O3 in the stratospheric
  2198. plume of the Pinatubo volcano in July 1991", Geophys. Res. Lett.
  2199. _19_, 179, 1992.
  2200.  
  2201. [Mano and Andreae] S. Mano and M. O. Andreae, "Emission of Methyl
  2202. Bromide from Biomass Burning", _Science_ _263_, 1255, 1994.
  2203.  
  2204. [McCormick et al. 1995] M. Patrick McCormick, L. W. Thomason, and 
  2205. C. R. Trepte, "Atmospheric effects of the Mt Pinatubo eruption",
  2206. _Nature_ _373_, 399, 1995.
  2207.  
  2208. [Penkett et al.] S.A. Penkett, R.G. Derwent, P. Fabian, R.
  2209. Borchers, and U. Schmidt, "Methyl Chloride in the Stratosphere",
  2210. _Nature_ _283_, 58, 1980.
  2211.  
  2212. [Pinatubo] Special Mt. Pinatubo issue, Geophys. Res. Lett. _19_,
  2213. #2, 1992. 
  2214.  
  2215. [Pinto et al.] J. Pinto, R. Turco, and O. Toon, "Self-limiting
  2216. physical and chemical effects in volcanic eruption clouds", 
  2217.  J. Geophys. Res. _94_, 11165, 1989.
  2218.  
  2219. [Prather et al. ] M. J. Prather, M.M. Garcia, A.R. Douglass, C.H.
  2220. Jackman, M.K.W. Ko, and N.D. Sze, "The Space Shuttle's impact on
  2221. the stratosphere", J. Geophys. Res. _95_, 18583, 1990.
  2222.  
  2223. [Rinsland et al.] C. P. Rinsland, J. S. Levine, A. Goldman, 
  2224. N. D. Sze, . K. W. Ko, and D. W. Johnson, "Infrared measurements 
  2225. of HF and HCl total column abundances above Kitt Peak, 1977-1990: 
  2226. Seasonal cycles, long-term increases, and comparisons with model 
  2227. calculations", J. Geophys. Res. _96_, 15523, 1991.
  2228.  
  2229. [Sigurdsson] H. Sigurdsson, "Evidence of volcanic loading of the 
  2230.  atmosphere and climate response",  _Palaeogeography,
  2231. Palaeoclimatology, Palaeoecology_ _89_, 277 (1989).
  2232.  
  2233. [Singh et al.] H. Singh, L. Salas, H. Shigeishi, and E. Scribner,
  2234. "Atmospheric Halocarbons, hydrocarbons, and sulfur hexafluoride
  2235. global distributions, sources, and sinks", _Science_ _203_, 899, 1974.         
  2236.  
  2237. [Smithsonian] Smithsonian Report, _Global Volcanism:1975-85_, p 14.
  2238.  
  2239. [Solomon et al. 1994a] S. Solomon, R. R. Garcia, and A. R. Ravishankara,
  2240. "On the role of iodine in ozone depletion", _J. Geophys. Res._ _99_,
  2241. 20491, 1994.
  2242.  
  2243. [Solomon et al. 1994b] S. Solomon, J. B. Burkholder, A. R. Ravishankara,
  2244. and R. R. Garcia, "Ozone depletion and global warming potentials of
  2245. CF3I", _J. Geophys. Res._ _99_, 20929, 1994.
  2246.  
  2247. [Symonds et al.] R. B. Symonds, W. I. Rose, and M. H. Reed, 
  2248. "Contribution of Cl and F-bearing gases to the atmosphere by
  2249. volcanoes", _Nature_ _334_, 415 1988.  
  2250.  
  2251. [Tabazadeh and Turco] A. Tabazadeh and R. P. Turco, "Stratospheric
  2252. Chlorine Injection by Volcanic Eruptions: HCl Scavenging and
  2253. Implications for Ozone", _Science_ _260_, 1082, 1993. 
  2254.  
  2255. [Vierkorn-Rudolf et al.] B. Vierkorn-Rudolf. K. Bachmann, B.
  2256. Schwartz, and F.X. Meixner, "Vertical Profile of Hydrogen Chloride
  2257. in the Troposphere", J. Atmos. Chem.  _2_, 47, 1984.
  2258.  
  2259. [Wallace and Livingston 1992] L. Wallace and W. Livingston, "The
  2260. effect of the Pinatubo cloud on hydrogen chloride and hydrogen
  2261. fluoride", _Geophys. Res. Lett._ _19_, 1209, 1992.
  2262.  
  2263. [Zander et al. 1987] R. Zander, C. P. Rinsland, C. B. Farmer, and
  2264. R. H. Norton, "Infrared Spectroscopic measurements of halogenated
  2265. source gases in the stratosphere with the ATMOS instrument", J.
  2266. Geophys. Res. _92_, 9836, 1987.
  2267.  
  2268. [Zander et al. 1990] R. Zander, M.R. Gunson, J.C. Foster, C.P.
  2269. Rinsland, and J. Namkung, "Stratospheric ClONO2, HCl, and HF
  2270. concentration profiles derived from ATMOS/Spacelab 3 observations
  2271. - an update", J. Geophys. Res.  _95_, 20519, 1990.
  2272.  
  2273. [Zander et al. 1992] R. Zander, M. R. Gunson, C. B. Farmer, C. P.
  2274. Rinsland, F. W. Irion, and E. Mahieu, "The 1985 chlorine and
  2275. fluorine inventories in the stratosphere based on ATMOS observations
  2276. at 30 degrees North latitude",  J. Atmos. Chem. _15_, 171, 1992.
  2277.  
  2278. [Zander et al. 1994] R. Zander, C. P. Rinsland, E. Mahieu, 
  2279. M. R. Gunson, C. B. Farmer, M. C. Abrams, and M. K. W. Ko, "Increase 
  2280. of carbonyl fluoride (COF2) in the stratosphere and its contribution 
  2281. to the 1992 budget of inorganic fluorine in the upper stratosphere", 
  2282. J. Geophys. Res. _99_, 16737, 1994.
  2283.  
  2284. [Zreda-Gostynska et al.] G. Zreda-Gostynska, P. R. Kyle, and
  2285. D. L. Finnegan, "Chlorine, Fluorine and Sulfur Emissions from
  2286. Mt. Erebus, Antarctica and estimated contribution to the antarctic
  2287. atmosphere", _Geophys. Res. Lett._ _20_, 1959, 1993.
  2288.  
  2289.  
  2290. Archive-name: ozone-depletion/antarctic
  2291. Last-modified: 23 February 1995
  2292. Version: 4.91
  2293.  
  2294. -----------------------------
  2295.  
  2296. Subject: How to get this FAQ
  2297.  
  2298. These files are posted monthly, usually in the third week of the month.
  2299. The current versions are also stored on several archives:
  2300.  
  2301. A. World-Wide Web
  2302.  
  2303. A hypertext version is located at:
  2304. http://www.cis.ohio-state.edu/hypertext/faq/usenet/ozone-depletion/top.html
  2305.  
  2306. Plaintext versions can be found at:
  2307. ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/ozone-depletion/
  2308. ftp://ftp.uu.net/usenet/news.answers/ozone-depletion/
  2309. ----
  2310.  
  2311. B. Anonymous ftp
  2312.  
  2313. To rtfm.mit.edu, in the directory  /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion
  2314. To ftp.uu.net, in the directory /usenet/news.answers/ozone-depletion
  2315. Look for the four files named intro, stratcl, antarctic, and uv.
  2316. ----
  2317.  
  2318. C. Regular email
  2319.    Send the following messages to mail-server@rtfm.mit.edu:
  2320.  
  2321.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  2322.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/stratcl
  2323.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/antarctic
  2324.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/uv
  2325.  
  2326.  Leave the subject line blank.
  2327.  If you want to find out more about the mail server, send a
  2328.  message to it containing the word "help". 
  2329.  
  2330. -----------------------------
  2331.  
  2332. Subject: Copyright Notice
  2333.  
  2334. ***********************************************************************
  2335. * Copyright 1995 Robert Parson                                        *
  2336. *                                                                     *
  2337. * This file may be distributed, copied, and archived. All             *
  2338. * copies must include this notice and the paragraph below entitled    *
  2339. * "Caveat". Reproduction and distribution for personal profit is      *
  2340. * not permitted. If this document is transmitted to other networks or *
  2341. * stored on an electronic archive, I ask that you inform me. I also   *
  2342. * ask you to keep your archive up to date; in the case of world-wide  *
  2343. * web pages, this is most easily done by linking to the master at the *
  2344. * ohio-state http URL  instead of storing local copies. Finally, I    *
  2345. * request that you inform me before including any of this information *
  2346. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  2347. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  2348. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  2349. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  2350. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  2351. * to the original published source, not to this document.             *
  2352. ***********************************************************************
  2353.  
  2354.  
  2355. -----------------------------
  2356.  
  2357. Subject: General Information about this part
  2358.  
  2359. This part deals specifically with springtime antarctic ozone
  2360. depletion (and with the similar but smaller effects seen in the
  2361. Arctic spring). More general questions about ozone and ozone
  2362. depletion, including the definitions of many of the terms used
  2363. here, are dealt with in parts I and II. Biological effects of the
  2364. ozone hole are dealt with in part IV.
  2365.  
  2366. -----------------------------
  2367.  
  2368. Subject: Caveats, Disclaimers, and Contact Information
  2369.  
  2370. | Caveat: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  2371. | chemist at all - I am a physical chemist who talks to atmospheric
  2372. | chemists. These files are an outgrowth of my own efforts to educate
  2373. | myself over the past two years. I have discussed some of these
  2374. | issues with specialists but I am solely responsible for everything
  2375. | written here, including any errors.  On the other hand, if you find
  2376. | this document in an online archive somewhere, I am not responsible for
  2377. | any *other* information that may happen to reside in that archive.
  2378. | In general this document should not be cited in publications off the 
  2379. | net; rather, it should be used as a pointer to the published literature.
  2380.  
  2381. *** Corrections and comments are welcomed.
  2382.  
  2383.  
  2384. - Robert Parson
  2385.   Associate Professor
  2386.   Department of Chemistry and Biochemistry,
  2387.   University of Colorado  (for which I do not speak)
  2388.  
  2389.   rparson@spot.colorado.edu
  2390.   Robert.Parson@colorado.edu
  2391.  
  2392. -----------------------------
  2393.  
  2394. Subject: TABLE OF CONTENTS
  2395.  
  2396.  How to get this FAQ
  2397.  Copyright Notice
  2398.  General Information about this part
  2399.  Caveats, Disclaimers, and Contact Information
  2400.  TABLE OF CONTENTS
  2401.  
  2402.  1.) What is the Antarctic ozone hole?
  2403.  2.) Where can I find pictures of the ozone hole on the net?
  2404.  3.) How big is the hole, and is it getting bigger?
  2405.  4.) When did the hole first appear?
  2406.  5.) How far back do antarctic ozone measurements go?
  2407.  6.) But I heard that Dobson saw an ozone hole in 1956-58...
  2408.  7.) Why is the hole in the Antarctic?
  2409.      a.) The Polar Vortex
  2410.      b.) Polar Stratospheric Clouds ("PSC")
  2411.      c.) Reactions On Stratospheric Clouds
  2412.      d.) Sedimentation and Denitrification
  2413.      e.) Photolysis of active chlorine compounds
  2414.      f.) The chlorine peroxide mechanism
  2415.  8.) What is the evidence for the present theory?
  2416.  9.) Will the ozone hole keep growing?
  2417.      a.) Lateral Extent
  2418.      b.) Vertical Depth
  2419.      c.) Duration of the hole
  2420.  10.) Why be concerned about an ozone hole over antarctica?
  2421.  11.) Is there an ozone hole in the arctic?
  2422.  12.) Can the hole be "plugged"?
  2423.  
  2424.  REFERENCES FOR PART III
  2425.  Introductory Reading
  2426.  Books and Review Articles
  2427.  More Specialized References
  2428.  
  2429. -----------------------------
  2430.  
  2431. Subject: 1.) What is the Antarctic ozone hole?
  2432.  
  2433. For the past decade or so, ozone levels over Antarctica have fallen
  2434. to abnormally low values between late August and late November. At
  2435. the beginning of this period, ozone levels are already low, about
  2436. 300 Dobson units (DU), but instead of slowly increasing as the
  2437. light comes back in the spring, they drop to 150 DU and below. In
  2438. the lower stratosphere, between 15 and 20 km, about 95% of the
  2439. ozone is destroyed. Above 25 km the decreases are small and the net
  2440. result is a thinning of the ozone layer by about 50%.  In the late
  2441. spring ozone levels return to more normal values, as warm,
  2442. ozone-rich air rushes in from lower latitudes. The precise duration
  2443. varies considerably from year to year; in 1990 the hole lasted well
  2444. into December. 
  2445.  
  2446. In some of the popular newsmedia, as well as many books, the
  2447. term "ozone hole" is being used far too loosely.  It seems that
  2448. any episode of ozone depletion, no matter how minor, now gets
  2449. called an ozone hole (e.g. 'ozone hole over Hamburg - but only for
  2450. one day'). This sloppy language trivializes the problem and blurs
  2451. the important scientific distinction between the massive ozone
  2452. losses in polar regions and the much smaller, but nonetheless
  2453. significant, ozone losses in middle latitudes. It is akin to 
  2454. using "gridlock" to describe a routine traffic jam.
  2455.  
  2456. -----------------------------
  2457.  
  2458. Subject: 2.) Where can I find pictures of the ozone hole on the net?
  2459.  
  2460. Images of the ozone hole are available on the world-wide web at:
  2461.  
  2462. http://icair.iac.org.nz/ozone/index.html 
  2463.  
  2464. ftp://jplinfo.jpl.nasa.gov/public/jplinfo/html/images.htm
  2465.  
  2466. (You can also get this by anonymous ftp to jplinfo.jpl.nasa.gov, in the
  2467.  file public/jplinfo/images/ozone93b.gif)
  2468.  
  2469. The vertical distribution of ozone in the hole is shown dramatically in
  2470. a series of images stored at:
  2471.  
  2472. http://www.awi-bremerhaven.de/MET/Neumayer/ozone.html
  2473.  
  2474. -----------------------------
  2475.  
  2476. Subject: 3.) How big is the hole, and is it getting bigger?
  2477.  
  2478. During the years 1978-1987 the hole grew, both in depth (total ozone
  2479. loss in a column) and in area. This growth was not monotonic but
  2480. seemed to oscillate with a two-year period (perhaps connected with
  2481. the "quasibiennial oscillation" of the stratospheric winds.) The
  2482. hole shrank dramatically in 1988 but in 1989-1991 was as large as in
  2483. 1987, and in 1992-93 was larger still. In 1987 and 1989-93 it 
  2484. covered the entire Antarctic continent and
  2485. part of the surrounding ocean. The exact size is determined
  2486. primarily by meteorological conditions, such as the strength of
  2487. the polar vortex in any given year. The boundary is fairly steep,
  2488. with decreases of 100-150 DU taking place in 10 degrees of
  2489. latitude, but fluctuates from day to day. On occasion, the
  2490. nominal boundary of the hole has passed over the tip of S. America,
  2491. (55 degrees S. Latitude). Australia and New Zealand are far outside 
  2492. the hole, although they do experience ozone depletion, more than 
  2493. is seen at comparable latitudes in the Northern hemisphere.  After 
  2494. the 1987 hole broke up, December ozone levels over Australia and 
  2495. New Zealand were 10% below normal. 
  2496. [WMO 1991] [Atkinson et al.] [Roy et al.]. 
  2497.  
  2498. -----------------------------
  2499.  
  2500. Subject: 4.) When did the hole first appear?
  2501.  
  2502. It was first observed by ground-based measurements from Halley Bay
  2503. on the Antarctic coast, during the years 1980-84. [Farman, Gardiner
  2504. and Shanklin.] At about the same time, ozone decreases were seen at
  2505. the Japanese antarctic station of Syowa; these were less dramatic than
  2506. those seen at Halley (Syowa is about 1000 km further north) and did not
  2507. receive as much attention.  It has since been confirmed
  2508. by satellite measurements as well as ground-based measurements 
  2509. elsewhere on the continent, on islands in the Antarctic ocean, and at 
  2510. Ushaia, at the tip of Patagonia. With hindsight, one can see the hole
  2511. beginning to appear in the data around 1976, but it grew much more
  2512. rapidly in the 1980's. [Stolarski et al. 1992]
  2513.  
  2514. -----------------------------
  2515.  
  2516. Subject: 5.) How far back do antarctic ozone measurements go?
  2517.  
  2518. Ground-based measurements began in 1956, at Halley Bay. A few years
  2519. later these were supplemented by measurements at the South Pole and
  2520. elsewhere on the continent.  Satellite measurements began in the
  2521. early 70's, but the first really comprehensive satellite data came
  2522. in 1978, with the TOMS (total ozone mapping spectrometer) and SBUV
  2523. (solar backscatter UV) instruments on Nimbus-7.  The TOMS, which
  2524. finally broke down on May 7 1993, is the source for most of the
  2525. pretty pictures that one sees in review articles and the
  2526. popular press. Today there are several satellites monitoring ozone
  2527. and other atmospheric gases; the Russian Meteor-3 carries a new
  2528. TOMS, while instrument on NASA's UARS (Upper Atmosphere Research
  2529. Satellite) simultaneously measure ozone, chlorine monoxide (ClO), 
  2530. and stratospheric pressure and temperature.
  2531.  
  2532. -----------------------------
  2533.  
  2534. Subject: 6.) But I heard that Dobson saw an ozone hole in 1956-58...
  2535.  
  2536. This is a myth, arising from a misinterpretation of an out-of-
  2537. context quotation from Dobson's paper. A glance at the original 
  2538. suffices to refute it.
  2539.  
  2540. In his historical account [Dobson], Dobson mentioned that
  2541. when springtime ozone levels over Halley Bay were first measured,
  2542. he was surprised to find that they were about 150 DU below
  2543. corresponding levels (displaced by six months) in the Arctic.
  2544. Springtime arctic ozone levels are very high, ~450 DU; in the
  2545. Antarctic spring, however, Dobson's coworkers found ~320 DU, close
  2546. to winter levels. This was the first observation of the _normal_,
  2547. pre-1980 behavior of the Antarctic ozone layer: because of the
  2548. tight polar vortex (see below) ozone levels remain low until late
  2549. spring. In the Antarctic ozone hole, on the other hand, ozone
  2550. levels _decrease_ from these already low values. What Dobson
  2551. describes is essentially the _baseline_ from which the ozone hole
  2552. is measured. [Dobson] [WMO 1989]
  2553.  
  2554.  For those interested, here is how springtime antarctic
  2555.  ozone has developed from 1956 to 1993:
  2556.  
  2557. ..............................................................
  2558.    Halley Bay Antarctic Ozone Data
  2559.  
  2560.    Mean October ozone column thickness, Dobson Units,
  2561.    as measured at the British Antarctic Survey station
  2562.    at Halley Bay (Latitude 76 south, Longitude 26 west) 
  2563.    
  2564.    Data from J. D. Shanklin, British Antarctic Survey,
  2565.    personal communications, 1993-94. 
  2566.    For a graphical representation see [Farman et al.], 
  2567.    [Hamill and Toon], [Solomon], or [WMO 1991], p. 4.6
  2568.  
  2569.     1956      321           1969      282           1982      234
  2570.     1957      330           1970      282           1983      210 
  2571.     1958      314           1971      299           1984      201 
  2572.     1959      311           1972      304           1985      196 
  2573.     1960      301           1973      289           1986      248 
  2574.     1961      317           1974      274           1987      163 
  2575.     1962      332           1975      308           1988      232 
  2576.     1963      309           1976      283           1989      164 
  2577.     1964      318           1977      251           1990      179 
  2578.     1965      281           1978      284           1991      155 
  2579.     1966      316           1979      261           1992      142 
  2580.     1967      323           1980      227           1993      117 
  2581.     1968      301           1981      237           1994      142
  2582.  
  2583. -----------------------------
  2584.  
  2585. Subject: 7.) Why is the hole in the Antarctic?
  2586.  
  2587. This was a mystery when the hole was first observed, but 
  2588. it is now well understood. I shall limit myself to a 
  2589. brief survey of the present theory, and refer the reader to two
  2590. excellent nontechnical articles [Toon and Turco] [Hamill and Toon]
  2591. for a more comprehensive discussion. Briefly, the unusual 
  2592. physics and chemistry of the Antarctic stratosphere allows the 
  2593. inactive chlorine "reservoir" compounds to be converted into ozone-
  2594. destroying chlorine radicals. While there is no more chlorine over
  2595. antarctica than anywhere else, in the antarctic spring most of
  2596. the chlorine is in a form that can destroy ozone. 
  2597.  
  2598. The story takes place in six acts, some of them occurring
  2599. simultaneously on parallel stages:
  2600.  
  2601. -----------------------------
  2602.  
  2603. Subject: a.) The Polar Vortex
  2604.  
  2605. As the air in the antarctic stratosphere cools and descends during
  2606. the winter, the Coriolis effect sets up a strong westerly
  2607. circulation around the pole. When the sun returns in the spring the
  2608. winds weaken, but the vortex remains stable until November. The air
  2609. over antarctica is largely isolated from the rest of the atmosphere,
  2610. forming a gigantic reaction vessel. The vortex is not circular, it 
  2611. has an oblong shape with the long axis extending out over Patagonia. 
  2612.  
  2613. (For further information about the dynamics of the polar vortex see
  2614. [Schoeberl and Hartmann], [Tuck 1989], [AASE], [Randel], [Plumb],
  2615. and [Waugh]. There is some controversy about just how isolated
  2616. the air in the vortex is. Tuck believes that the vortex is better 
  2617. thought of as a flow reactor than as a containment vessel; ozone-rich 
  2618. air enters the vortex from above while ozone-poor and ClO-rich air is 
  2619. stripped off the sides. Recent tracer measurements lend some support 
  2620. to this view, but the issue is unresolved. See [Randel] and [Plumb].)
  2621.  
  2622. -----------------------------
  2623.  
  2624. Subject: b.) Polar Stratospheric Clouds ("PSC")
  2625.  
  2626. The Polar vortex is extremely cold; temperatures in the lower
  2627. stratosphere drop below -80 C. Under these conditions large numbers
  2628. of clouds appear in the stratosphere. These clouds are composed
  2629. largely of nitric acid and water, probably in the form of crystals
  2630. of nitric acid trihydrate ("NAT"), HNO3.3(H2O). Stratospheric
  2631. clouds also form from ordinary water ice (so-called "Type II PSC"),
  2632. but these are much less common; the stratosphere is very dry and
  2633. water-ice clouds only form at the lowest temperatures.
  2634.  
  2635. -----------------------------
  2636.  
  2637. Subject: c.) Reactions On Stratospheric Clouds
  2638.  
  2639. Most of the chlorine in the stratosphere ends up in one of the
  2640. reservoir compounds, Chlorine Nitrate (ClONO2) or Hydrogen Chloride
  2641. (HCl). Laboratory experiments have shown, however, that these
  2642. compounds, ordinarily inert in the stratosphere, do react on the
  2643. surfaces of polar stratospheric cloud particles. HCl dissolves into
  2644. the particles as they grow, and when a ClONO2 molecule becomes
  2645. adsorbed the following reactions take place:
  2646.  
  2647.  ClONO2 + HCl -> Cl2 + HNO3
  2648.  
  2649.  ClONO2 + H2O -> HOCl + HNO3
  2650.  
  2651. The Nitric acid, HNO3, stays in the cloud particle.
  2652.  
  2653. In addition, stratospheric clouds catalyze the removal of Nitrogen
  2654. Oxides ("NOx"), through the reactions:
  2655.  
  2656.  N2O5 + H2O -> 2 HNO3
  2657.  
  2658.  N2O5 + HCl -> ClNO2 + HNO3
  2659.  
  2660. Since N2O5 is in (gas-phase) equilibrium  with NO2:
  2661.  
  2662.  2 N2O5 <-> 4 NO2 + O2
  2663.  
  2664. this has the effect of removing NO2 from the gas phase and
  2665. sequestering it in the clouds in the form of nitric acid, a process
  2666. called "denoxification" (removal of "NOx").
  2667.  
  2668. -----------------------------
  2669.  
  2670. Subject: d.) Sedimentation and Denitrification
  2671.  
  2672. The clouds may eventually grow big enough so that they settle out
  2673. of the stratosphere, carrying the nitric acid with them
  2674. ("denitrification"). Denitrification enhances denoxification.
  2675. If, on the other hand, the cloud decomposes while in the
  2676. stratosphere, nitrogen oxides are returned to the gas phase.
  2677. Presumably this should be called "renoxification", but
  2678. I have not heard anyone use this term :-).
  2679.  
  2680. -----------------------------
  2681.  
  2682. Subject: e.) Photolysis of active chlorine compounds
  2683.  
  2684. The Cl2 and HOCl produced by the heterogeneous reactions are
  2685. easily photolyzed, even in the antarctic winter when there is
  2686. little UV present. The sun is always very low in the polar winter,
  2687. so the light takes a long path through the atmosphere and the
  2688. short-wave UV is selectively absorbed.  Molecular chlorine,
  2689. however, absorbs _visible_  and near-UV light:
  2690.  
  2691.      Cl2 + hv -> 2 Cl
  2692.  
  2693.      Cl + O3 -> ClO + O2
  2694.  
  2695. The effect is to produce large amounts of ClO. This ClO would
  2696. ordinarily be captured by NO2 and returned to the ClONO2 reservoir,
  2697. but "denoxification" and "denitrification" prevent this by removing NO2.
  2698.  
  2699. -----------------------------
  2700.  
  2701. Subject: f.) The chlorine peroxide mechanism
  2702.  
  2703. As discussed in Part I, Cl and ClO can form a catalytic cycle that
  2704. efficiently destroys ozone. That cycle used free oxygen atoms, 
  2705. however, which are only abundant in the upper stratosphere; it
  2706. cannot explain the ozone hole which forms in the lower stratosphere.
  2707. Instead, the principal mechanism involves chlorine peroxide, ClOOCl 
  2708. (often referred to as the "ClO dimer"):
  2709.  
  2710.      ClO + ClO -> ClOOCl
  2711.      ClOOCl + hv -> Cl + ClOO
  2712.      ClOO -> Cl + O2
  2713.      2 Cl + 2 O3 -> 2 ClO + 2 O2
  2714.     -------------------------------
  2715.     Net: 2 O3 -> 3 O2
  2716.  
  2717. At polar stratospheric temperatures this sequence is extremely fast
  2718. and it dominates the ozone-destruction process. The second step,
  2719. photolysis of chlorine peroxide, requires UV light which only
  2720. becomes abundant in the lower stratosphere in the spring. Thus one
  2721. has a long buildup of ClO and ClOOCl during the winter, followed by
  2722. massive ozone destruction in the spring. This mechanism is believed
  2723. to be responsible for about 70% of the antarctic ozone loss.
  2724.  
  2725. Another mechanism that has been identified involves chlorine and
  2726. bromine:
  2727.  
  2728.      ClO + BrO -> Br + Cl + O2
  2729.      Br + O3 ->   BrO + O2
  2730.      Cl + O3 ->   ClO + O2
  2731.      -----------------------
  2732.     Net: 2 O3 -> 3 O2
  2733.  
  2734. This is believed to be responsible for ~25% of the antarctic
  2735. ozone depletion. Additional mechanisms have been suggested, but
  2736. they seem to be less important. [WMO 1991]
  2737.  
  2738. (For further information on the "perturbed chemistry" of the
  2739. antarctic stratosphere, see [Solomon], [McElroy and Salawich],
  2740. and [WMO 1989, 1991]).
  2741.  
  2742. -----------------------------
  2743.  
  2744. Subject: 8.) What is the evidence for the present theory?
  2745.  
  2746. The evidence is overwhelming - the results from a single 1987 
  2747. expedition (albeit a crucial one) fill two entire issues of the
  2748. Journal of Geophysical Research. What follows is a very sketchy
  2749. summary; for more information the reader is directed to [Solomon]
  2750. and to [Anderson et al.].
  2751.  
  2752. The theory described above (which is often called the
  2753. "PSC theory") was developed during the years 1985-87. At the same
  2754. time, others proposed completely different mechanisms, making no
  2755. use of chlorine chemistry. The two most prominent alternative
  2756. explanations were one that postulated large increases in nitrogen
  2757. oxides arising from enhanced solar activity, and one that
  2758. postulated an upwelling of ozone-poor air from the troposphere into
  2759. the cold stratospheric vortex.  Each hypothesis made definite
  2760. predictions, and a program of measurements was carried out to test
  2761. these. The solar activity hypothesis predicted enhanced NOx, whereas 
  2762. the measurements show unusually _low_ NOx ("denoxification), in 
  2763. accordance with the PSC hypothesis.  The "upwelling" hypothesis
  2764. predicted upward air motion in the lower stratosphere, which is
  2765. inconsistent with measurements of atmospheric tracers such as
  2766. N2O which show that the motion is primarily downwards.
  2767.  
  2768. Positive evidence for the PSC theory comes from ground-based and 
  2769. airborne observations of the various chlorine-containing compounds. 
  2770. These show that the reservoir species HCl and ClONO2 are extensively 
  2771. depleted in the antarctic winter and spring, while the concentration 
  2772. of the active, ozone-depleting species ClO is strongly enhanced. 
  2773. Measurements also show enormously enhanced concentrations of the 
  2774. molecule OClO. This is formed by a side-reaction in the BrO/ClO 
  2775. mechanism described above.
  2776.  
  2777. Further evidence comes from laboratory studies. The gas-phase
  2778. reactions have been reproduced in the laboratory, and shown to
  2779. proceed at the rates required in order for them to be important in
  2780. the polar stratosphere. [Molina et al. 1990] [Sander et al.] 
  2781. [Trolier et al.] [Anderson et al.]. The production of active
  2782. chlorine from reservoir chlorine on ice and sulfuric acid surfaces
  2783. has also been demonstrated in the laboratory [Tolbert et al.
  2784. 1987,1988] [Molina et al. 1987]. (Recently evidence for these
  2785. reactions has been found in the arctic stratosphere as well: air
  2786. parcels that had passed through regions where the temperature 
  2787. was low enough to form PSC's were found to have anomalously 
  2788. low concentrations of HCl and anomalously high concentrations 
  2789. of ClO [AASE].)
  2790.  
  2791. The "smoking gun", however, is usually considered to be the
  2792. simultaneous in-situ measurements of a variety of trace gases from 
  2793. an ER-2 stratospheric aircraft (a converted U2 spy plane) in 
  2794. August-October 1987. [Tuck et al.] These measurements demonstrated a 
  2795. striking "anticorrelation" between local ozone concentrations and ClO 
  2796. concentrations. Upon entering the "hole", ClO concentrations 
  2797. suddenly jump by a factor of 20 or more, while ozone concentrations 
  2798. drop by more than 50%. Even the local fluctuations in the 
  2799. concentrations of the two species are anticorrelated.[Anderson et al.] 
  2800.  
  2801. In summary, the PSC theory explains the following observations:
  2802.  
  2803. 1. The ozone hole occupies the region of the polar vortex where
  2804.    temperatures are below -80 C and where polar stratospheric clouds
  2805.    are abundant. 
  2806.  
  2807. 2. The ozone hole is confined to the lower stratosphere.
  2808.  
  2809. 3. The ozone hole appears when sunlight illuminates the vortex, and
  2810.    disappears soon after temperatures rise past -80 C, destroying PSC's.
  2811.  
  2812. 4. The hole is associated with extremely low concentrations of NOx.
  2813.  
  2814. 5. The hole is associated with very low concentrations of the chlorine
  2815.    "reservoirs", HCl and ClONO2, and very high concentrations of active
  2816.    chlorine compounds, ClO, and of byproducts such as OClO.
  2817.  
  2818. 6. Inside the hole, the concentrations of ClO and ozone are precisely
  2819.     anticorrelated, high ClO being accompanied by low ozone.
  2820.  
  2821. 7. Laboratory experiments demonstrate that chlorine reservoir compounds
  2822.    do react to give active chlorine on the surfaces of ice particles.
  2823.  
  2824. 8. Airborne measurements in the arctic stratosphere show that air 
  2825.    which has passed through regions containing PSC's is low in 
  2826.    reservoir chlorine and high in active chlorine.
  2827.  
  2828. The antarctic ozone hole, once a complete mystery, is now 
  2829. one of the best understood aspects of the entire subject; it is 
  2830. much better understood than the small but steadily growing ozone
  2831. depletion at mid latitudes, for example.
  2832.  
  2833. -----------------------------
  2834.  
  2835. Subject: 9.) Will the ozone hole keep growing?
  2836.  
  2837. To answer this, we need to consider separately the lateral
  2838. dimensions (the "area" of the hole), the vertical dimension (its
  2839. "depth") and the temporal dimension (how long the hole lasts.)
  2840.  
  2841. -----------------------------
  2842.  
  2843. Subject: a.) Lateral Extent
  2844.  
  2845.  Let us define the "hole" to be the region where the total ozone column
  2846. is less than 200 DU, i.e. where total ozone has fallen to less than 2/3
  2847. of normal springtime antarctic values. Defined thus, the hole is always
  2848. confined to the south polar vortex, south of ~55 degrees. At present it
  2849. does not fill the whole vortex, only the central core where
  2850. stratospheric temperatures are less than ~-80 C. Typically this region
  2851. is south of ~65 degrees, although there is a great deal of variation -
  2852. in some years the center of the vortex is displaced well away from the
  2853. pole, and the nominal boundary of the hole has on a few occasions passed
  2854. over the tip of Chile. As stratospheric chlorine continues to rise, the
  2855. hole might "fill out" the vortex; this could as much as double its
  2856. area. [Schoeberl and Hartmann]. So far this does not seem to be
  2857. happening. The 1992 hole was 15-25% larger than previous years, and the
  2858. 1993 hole almost as large. This increase is probably due to the
  2859. stratospheric sulfate aerosols from the July 1991 eruption of Mt.
  2860. Pinatubo, which can enhance the effects of Polar Stratospheric Clouds
  2861. [Solomon et al. 1993] [McCormick et al. 1995], both by providing
  2862. additional surface area for heterogeneous reactions that release active
  2863. chlorine and by providing nucleation sites for the nitric acid/water
  2864. cloud particles [Tolbert 1994]. These aerosols settle out of the
  2865. stratosphere after 2-3 years, so the increases seen in 1992-3 are
  2866. expected to be temporary. In any case, it cannot grow beyond ~55 degrees
  2867. without a major change in the antarctic wind patterns that would allow
  2868. the vortex to grow. Such a change could conceivably accompany global
  2869. warming: the greenhouse effect warms the earth's surface, but _cools_
  2870. the stratosphere. There is no reason to expect the hole to expand out
  2871. over Australia, S. Africa, etc., although these regions could experience
  2872. further ozone depletion after the hole breaks up and the ozone-poor air
  2873. drifts north.
  2874.  
  2875. -----------------------------
  2876.  
  2877. Subject: b.) Vertical Depth
  2878.  
  2879. The hole is confined to the lower stratosphere, where the 
  2880. clouds are abundant. In this region the ozone is essentially
  2881. gone. The upper stratosphere is much less affected, however, so
  2882. that overall column depletion comes to ~50%. As stratospheric
  2883. chlorine concentrations continue to increase over the next 10
  2884. years or so, some penetration to higher altitudes may take place,
  2885. but large increases in depth are not expected.  (Once again,
  2886. aerosols from Mt. Pinatubo have allowed the 1992 and 1993 holes
  2887. to extend over a larger altitude range than usual, both higher 
  2888. and lower [Hofmann et al. 1994].)
  2889.  
  2890. -----------------------------
  2891.  
  2892. Subject: c.) Duration of the hole
  2893.  
  2894. Here we might see major effects. The hole is destroyed in late
  2895. spring/early summer when the vortex breaks up and warm, ozone-rich
  2896. air rushes in. If the stratosphere cools, the vortex becomes more
  2897. stable and lasts longer. As mentioned above, the greenhouse effect
  2898. actually cools the stratosphere. There is a more direct cooling
  2899. mechanism, however - remember that the absorption of solar UV by
  2900. ozone is the major source of heat in the stratosphere, and is the
  2901. reason that the temperature of the stratosphere increases with
  2902. altitude. Depletion of the ozone layer therefore cools the
  2903. stratosphere, and in this sense the hole is self-stabilizing. In
  2904. future years we might see more long-lived holes like that in 1990,
  2905. which survived into early December.
  2906.  
  2907. (The relationship between ozone depletion and climate change is
  2908. complicated; for an introduction see [WMO 1991].)
  2909.  
  2910. -----------------------------
  2911.  
  2912. Subject: 10.) Why be concerned about an ozone hole over antarctica?
  2913.              Nobody lives down there.
  2914.  
  2915. First of all, even though the ozone hole is confined to the
  2916. antarctic, its effects are not. After the hole breaks up in the
  2917. spring, ozone-poor air drifts north and mixes with the air there,
  2918. resulting in a transient decrease at middle and high latitudes.
  2919. This has been seen as far north as Australia [WMO 1991][Roy et al.]
  2920. [Atkinson et al.] On a time scale of months short-wave UV
  2921. regenerates the ozone, but it is believed that this "dilution" may
  2922. be a major cause of the much smaller _global_ ozone depletion, ~3%
  2923. per decade, that has been observed. Moreover, the air from the
  2924. ozone hole is also rich in ClO and can destroy more ozone as it
  2925. mixes with ozone-rich air. Even during the spring, the air in 
  2926. the vortex is not _completely_ isolated, although there is some
  2927. controversy over the extent to which the ozone hole acts as
  2928. a "chemical processor" for the earth's atmosphere.
  2929. ([Tuck 1989] [Schoeberl and Hartmann] [AASE] [Randel] [Waugh].)
  2930.  
  2931. From a broader standpoint, the ozone hole is a distant early
  2932. warning message. Because of its unusual meteorological properties
  2933. the antarctic stratosphere is especially sensitive to chemical
  2934. perturbations; the natural mechanisms by which chlorine is
  2935. sequestered in reservoirs fail when total stratospheric chlorine
  2936. reaches about 2 parts per billion. This suggests that allowing
  2937. CFC emissions to increase by 3% per year, as was occurring during
  2938. the 1980's, is unwise, to say the least. The emission reduction 
  2939. schedules negotiated under the Montreal Protocol (as revised in
  2940. 1990 and 1992) lead to a projected maximum of ~4 ppb total strat.
  2941. chlorine in the first decade of the 21st century, followed by a
  2942. gradual decrease. Letting emissions increase at 3%/year would have
  2943. led to >16 ppb total stratospheric chlorine by 2040, and even a
  2944. freeze at 1980 rates would have led to >10 ppb. [Prather et al.].
  2945.  
  2946. -----------------------------
  2947.  
  2948. Subject: 11.) Is there an ozone hole in the arctic?
  2949.  
  2950. There is no _massive_ ozone loss in the arctic, although there _is_
  2951. unusually large springtime ozone depletion, so the word "hole" is
  2952. not appropriate. I like the expression "arctic ozone dimple" but
  2953. this is not canonical :-). The arctic polar vortex is much weaker
  2954. than the antarctic, arctic temperatures are several degrees higher,
  2955. and polar stratospheric clouds are much less common and tend to break
  2956. up earlier in the spring.) [Salby and Garcia] Thus even though 
  2957. wintertime ClO gets very high, as high as antarctic ClO in 1991-2, it 
  2958. does not remain high through the spring, when it counts. [AASE] 
  2959.  
  2960. Recent UARS measurements, however, indicate that in 1993 arctic 
  2961. stratosphere temperatures stayed low enough to retain PSC's until 
  2962. late February, and ClO remained high into March. Large ozone 
  2963. depletions, ~10-20%, were reported for high latitudes in the
  2964. Northern Hemisphere; these still do not qualify as an "ozone hole"
  2965. but they do seem to indicate that the same physics and chemistry
  2966. are operating, albeit with much less efficiency. [Waters et al.]
  2967. [Gleason et al.]
  2968.  
  2969. If "global warming" does indeed take place during the first
  2970. few decades of the next century, we may see a dramatic change in
  2971. arctic ozone. The greenhouse effect warms the surface of the
  2972. earth, but at the same time _cools_ the stratosphere. Since there
  2973. is much less air in the stratosphere,  2-3 degrees of surface
  2974. warming corresponds to a much larger decrease in stratospheric
  2975. temperatures, as much as 10 degrees. This could lead to a true
  2976. ozone hole in the arctic, although it would still probably be
  2977. smaller and weaker than the antarctic hole. [Austin et al.]
  2978.  
  2979. The 27 August issue of _Science_ magazine contains 8 papers devoted
  2980. to arctic ozone depletion in the winter of 1991-92. [AASE]
  2981.  
  2982. -----------------------------
  2983.  
  2984. Subject: 12.) Can the hole be "plugged"?
  2985.  
  2986. The present ozone hole, while serious, is not in itself 
  2987. catastrophic. UV radiation is always low in polar regions since the
  2988. sun takes a long path through the atmosphere and hence through the
  2989. ozone layer. There may be serious consequences for marine life in
  2990. the antarctic ocean, which is adapted to the normally low UV
  2991. levels. When the hole breaks up in summer, there may be temporary
  2992. increases in UV-b at high latitudes of the southern hemisphere as
  2993. air that is poor in ozone and rich in "active", ozone-destroying
  2994. forms of chlorine mixes with the air outside. 
  2995.  
  2996. Nevertheless it looks like we are stuck with the hole for the
  2997. next 50 years at least, and we don't know what new surprises the
  2998. atmosphere has in store for us. Thus, some atmospheric scientists
  2999. have been exploring the possibility of "fixing" the hole by
  3000. technological means. All such schemes proposed so far are highly
  3001. controversial, and there are no plans to carry any of them out
  3002. until the chemistry and dynamics of the stratosphere are much
  3003. better understood than they are at present. 
  3004.  
  3005. It should be made clear at the beginning that there is no
  3006. point in trying to replace the ozone directly. The amounts are far
  3007. too large to be transported to the stratosphere, and the antarctic
  3008. mechanisms are so fiendishly efficient that they will easily
  3009. destroy added ozone (recall that where the catalytic cycles
  3010. operate, ~95% of the ozone is gone, in spite of the fact that the
  3011. sun is generating it all the time.) It is far better to try to
  3012. remove the halogen catalysts.  One suggestion made a few years ago
  3013. was to release sodium metal into the stratosphere, in hopes that it
  3014. would form sodium chloride crystals which would settle out. The
  3015. problem is that the microcrystals remain suspended as long as they
  3016. are small, and can play the same role as clouds and aerosols in
  3017. converting reservoir chlorine to active chlorine. 
  3018.  
  3019. A second suggestion is to destroy the CFC's while they are
  3020. still in the troposphere, by photolyzing them with high-powered
  3021. infrared lasers installed on mountainsides. (CFC's and similar
  3022. molecules can absorb as many as 30 infrared photons
  3023. from a single laser pulse, a phenomonon known as infrared
  3024. multiphoton dissociation). The chlorine atoms released would
  3025. quickly be converted to HCl and rained out. The power requirements
  3026. of such a project are daunting, however, and it appears that much
  3027. of the laser radiation would be shifted out of the desired
  3028. frequency range by stimulated raman scattering. [Stix]
  3029.  
  3030. A more serious possibility is being explored by one of the
  3031. discoverers of chlorine-catalyzed ozone depletion, Ralph Cicerone,
  3032. together with Scott Elliot and Richard Turco [Cicerone et al.
  3033. 1991,1992]. They considered the effects of dumping ~50,000 tons of
  3034. ethane or propane, several hundred planeloads, into the antarctic
  3035. stratosphere every spring. The hydrocarbons would react rapidly
  3036. with the Cl-containing radicals to give back the reservoir HCl. The
  3037. hydrocarbons themselves are fairly reactive and would decompose by
  3038. the end of a year, so the treatment would have to be repeated
  3039. annually. The chlorine would not actually be removed from the
  3040. stratosphere, but it would be bound up in an inert form - in other
  3041. words, the catalyst would be "poisoned". There are
  3042. no plans to carry this or any other scheme out in the near future;
  3043. to quote from Cicerone et al. (1991), "Before any actual injection
  3044. experiment is undertaken there are many scientific, technical,
  3045. legal and ethical questions to be faced, not the least of which is
  3046. the issue of unintended side effects."
  3047.  
  3048. -----------------------------
  3049.  
  3050. Subject: REFERENCES FOR PART III
  3051.  
  3052. A remark on references: they are neither representative nor
  3053. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  3054. problems. For the most part I have limited myself to papers that
  3055. are (1) widely available (if possible, _Science_ or _Nature_ rather
  3056. than archival sources such as _J. Geophys. Res._) and (2) directly
  3057. related to the "frequently asked questions". This gives very short
  3058. shrift to much important work; for example, I say very little about
  3059. stratospheric NOx, even though a detailed accounting of chemistry
  3060. and transport of the nitrogen oxides is one of the major goals
  3061. of current research. Readers who want to see "who did what" should
  3062. consult the review articles listed below, or, if they can get them,
  3063. the extensively documented WMO reports.
  3064.  
  3065. -----------------------------
  3066.  
  3067. Subject: Introductory Reading
  3068.  
  3069. [Graedel and Crutzen] T. Graedel and P. Crutzen, _Atmospheric
  3070.  Change: an Earth System Perspective_, Freeman, 1993.
  3071.  
  3072. [Hamill and Toon] P. Hamill and O. Toon, "Polar stratospheric
  3073. clouds and the ozone hole", _Physics Today_ December 1991.
  3074.  
  3075. [Stolarski] Richard Stolarski, "The Antarctic Ozone Hole", _Sci.
  3076. American_ 1 Jan. 1988. (this article is now seriously out of date,
  3077. but it is still a good place to start).
  3078.  
  3079. [Toon and Turco] O. Toon and R. Turco, "Polar Stratospheric Clouds
  3080. and Ozone Depletion", _Sci. Am._ June 1991
  3081.  
  3082. [Zurer] P. S. Zurer, "Ozone Depletion's Recurring Surprises
  3083. Challenge Atmospheric Scientists", _Chemical and Engineering News_,
  3084. 24 May 1993, pp. 9-18.
  3085.  
  3086. -----------------------------
  3087.  
  3088. Subject: Books and Review Articles
  3089.  
  3090. [Anderson, Toohey and Brune] J.G. Anderson, D. W. Toohey, and W. H.
  3091. Brune,  "Free Radicals within the Antarctic vortex: the role of
  3092. CFC's in Antarctic Ozone Loss", _Science_ _251_, 39 (4 Jan. 1991).
  3093.  
  3094. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich, "Changing
  3095. Composition of the Global Stratosphere", _Science_ _243, 763, 1989.
  3096.  
  3097. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative
  3098. understanding of Antarctic ozone depletion", 
  3099. _Nature_ _347_, 347, 1990.
  3100.  
  3101. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 2nd.  Ed., 
  3102. Oxford, 1991, Ch. 4.
  3103.  
  3104. [WMO 1989] World Meteorological Organization Global Ozone Research
  3105. and Monitoring Project - Report #20, "Scientific Assessment of
  3106. Stratospheric Ozone: 1989".
  3107.  
  3108. [WMO 1991] World Meteorological Organization Global Ozone Research
  3109. and Monitoring Project - Report #25, "Scientific Assessment of
  3110. Ozone Depletion: 1991".
  3111.  
  3112. [WMO 1994] World Meteorological Organization, 
  3113. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1994_
  3114.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #25.
  3115. (Executive Summary; the full report is to be published in November 1994).
  3116.  
  3117. -----------------------------
  3118.  
  3119. Subject: More Specialized References
  3120.  
  3121. [AASE] Papers resulting from the Second Airborne Arctic Stratosphere 
  3122.  Expedition, published in _Science_ _261_, 1128-1157, 27 Aug. 1993.
  3123.  
  3124. [Atkinson et al.] R. J. Atkinson, W. A. Matthews, P. A. Newman,
  3125.  and R. A. Plumb, "Evidence of the mid-latitude impact of Antarctic
  3126.  ozone depletion", _Nature_ _340_, 290, 1989. 
  3127.  
  3128. [Austin et al.] J. Austin, N. Butchart, and K. P. Shine,
  3129. "Possibility of an Arctic ozone hole in a doubled-CO2 climate",
  3130. _Nature_ _360_, 221, 1992.
  3131.  
  3132. [Cicerone et al. 1991] R. Cicerone, S. Elliot, and R. Turco,
  3133. "Reduced Antarctic Ozone Depletions in a Model with Hydrocarbon
  3134. Injections", _Science_ _254_, 1191, 1991.
  3135.  
  3136. [Cicerone et al. 1992] R. Cicerone, S. Elliot, and R. Turco,
  3137. "Global Environmental Engineering", _Nature_ _356_, 472, 1992.
  3138.  
  3139. [Dobson] G. M. B. Dobson, "Forty Years' research on atmospheric
  3140. ozone at Oxford", _Applied Optics_, _7_, 387, 1968.
  3141.  
  3142. [Farman et al.] J. C. Farman, B. G. Gardiner, and J. D. Shanklin,
  3143. "Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOx/NOx
  3144. interaction", _Nature_ _315_, 207, 1985.
  3145.  
  3146. [Frederick and Alberts] J. Frederick and A. Alberts, "Prolonged
  3147.  enhancement in surface ultraviolet radiation during the Antarctic
  3148.  spring of 1990", _Geophys. Res. Lett._ _18_, 1869, 1991.
  3149.  
  3150. [Gleason et al.] J. Gleason, P. Bhatia, J. Herman, R. McPeters, P.
  3151. Newman, R. Stolarski, L. Flynn, G. Labow, D. Larko, C. Seftor, C.
  3152. Wellemeyer, W. Komhyr, A. Miller, and W. Planet, "Record Low Global
  3153. Ozone in 1992", _Science_ _260_, 523, 1993.
  3154.  
  3155. [Hofmann et al. 1994] D. J. Hofmann, S. J. Oltmans, J. A. Lathrop, 
  3156. J. M. Harris, and H. Vomel, "Record low ozone at the South Pole in 
  3157. the Spring of 1993", _Geophys. Res. Lett._ _21_, 421, 1994.
  3158.  
  3159. [McCormick et al. 1995] M. Patrick McCormick, L. W. Thomason, and
  3160. C. R. Trepte, "Atmospheric effects of the Mt Pinatubo eruption",
  3161. _Nature_ _373_, 399, 1995.
  3162.                              
  3163. [Molina et al. 1987] M. J. Molina, T.-L. Tso, L. T. Molina, and
  3164. F.C.-Y. Yang, "Antarctic stratospheric chemistry of chlorine
  3165. nitrate, hydrogen chloride, and ice: Release of active chlorine",
  3166. _Science_ _238_, 1253, 1987.
  3167.  
  3168. [Molina et al. 1990] M. Molina, A. Colussi, L. Molina, R.
  3169. Schindler, and T.-L. Tso, "Quantum yield of chlorine atom formation
  3170. in the photodissociation of chlorine peroxide (ClOOCl) at 308 nm",
  3171. _Chem. Phys. Lett._ _173_, 310, 1990.
  3172.  
  3173. [Plumb] A. Plumb, "Mixing and Matching", 
  3174. _Nature_ _365_, 489-90, 1993. (News and Views)
  3175.  
  3176. [Prather et al.] M.J. Prather, M.B. McElroy, and S.C. Wofsy, 
  3177. "Reductions in ozone at high concentrations of stratospheric
  3178.  halogens", _Nature_ _312_, 227, 1984.
  3179.  
  3180. [Randel] W. Randel, "Ideas flow on Antarctic vortex", 
  3181. _Nature_ _364_, 105, 1993 (News and Views)
  3182.  
  3183. [Roy et al.] C. Roy, H. Gies, and G. Elliott, "Ozone Depletion",
  3184.  _Nature_ _347_, 235, 1990. (Scientific Correspondence)
  3185.  
  3186. [Salby and Garcia] M. L. Salby and R. R. Garcia, "Dynamical Perturbations
  3187. to the Ozone Layer", _Physics Today_ _43_, 38, March 1990.
  3188.  
  3189. [Sander et al.] S.P. Sander, R.J. Friedl, and Y.K. Yung, "Role of
  3190. the ClO dimer in polar stratospheric chemistry: rate of formation
  3191. and implications for ozone loss", _Science_ _245_, 1095, 1989.
  3192.  
  3193. [Schoeberl and Hartmann] M. Schoeberl and D. Hartmann, "The
  3194. dynamics of the stratospheric polar vortex and its relation to
  3195. springtime ozone depletions", _Science_ _251_, 46, 1991.
  3196.  
  3197. [Solomon et al. 1993] S. Solomon, R. Sanders, R. Garcia, and J.
  3198. Keys, "Increased chlorine dioxide over Antarctica caused by
  3199. volcanic aerosols from Mt. Pinatubo", _Nature_ _363_, 245, 1993.
  3200.  
  3201. [Stix] T. H. Stix, "Removal of Chlorofluorocarbons from the 
  3202.  earth's atmosphere", _J. Appl. Physics_ _60_, 5622, 1989.
  3203.  
  3204. [Stolarski et al. 1992]  R. Stolarski, R. Bojkov, L. Bishop, C.
  3205. Zerefos, J. Staehelin, and J. Zawodny, "Measured Trends in
  3206. Stratospheric Ozone",  Science _256_, 342 (17 April 1992)
  3207.  
  3208. [Tolbert et al. 1987] M.A. Tolbert, M.J. Rossi, R. Malhotra, and
  3209. D.M. Golden, "Reaction of chlorine nitrate with hydrogen chloride
  3210. and water at Antarctic stratospheric temperatures", _Science_
  3211. _238_, 1258, 1987.
  3212.  
  3213. [Tolbert et al. 1988] M.A. Tolbert, M.J. Rossi, and D.M. Golden,
  3214. "Antarctic ozone depletion chemistry: reactions of N2O5 with H2O
  3215. and HCl on ice surfaces", _Science_ _240_, 1018, 1988.
  3216.  
  3217. [Tolbert 1994] M. A. Tolbert, "Sulfate Aerosols and Polar Stratospheric
  3218. Cloud Formation", _Science_ _264_, 527, 1994.
  3219.  
  3220. [Trolier et al.] M. Trolier, R.L. Mauldin III, and A. Ravishankara,
  3221. "Rate coefficient for the termolecular channel of the self-reaction
  3222. of ClO", _J. Phys. Chem._ _94_, 4896, 1990. 
  3223.  
  3224. [Tuck 1989] A. F. Tuck, "Synoptic and Chemical Evolution of the 
  3225. Antarctic Vortex in late winter and early spring, 1987: An ozone
  3226. processor", J. Geophys. Res. _94_, 11687, 1989.
  3227.  
  3228. [Tuck et al.] A. F. Tuck, R. T. Watson, E. P. Condon, and J. J.
  3229. Margitan, "The planning and execution of ER-2 and DC-8 aircraft
  3230. flights over Antarctica, August and September, 1987"
  3231. J. Geophys. Res. _94_, 11182, 1989.
  3232.  
  3233. [Waters et al.] J. Waters, L. Froidevaux, W. Read, G. Manney, L.
  3234. Elson, D. Flower, R. Jarnot, and R. Harwood, "Stratospheric ClO and
  3235. ozone from the Microwave Limb Sounder on the Upper Atmosphere
  3236. Research Satellite", _Nature_ _362_, 597, 1993.
  3237.  
  3238. [Waugh] D. W. Waugh, "Subtropical stratospheric mixing linked to 
  3239. disturbances in the polar vortices", _Nature_ _365_, 535, 1993.
  3240.  
  3241. Archive-name: ozone-depletion/uv
  3242. Last-modified: 23 February 1995
  3243. Version: 4.91
  3244.  
  3245. -----------------------------
  3246.  
  3247. Subject: How to get this FAQ
  3248.  
  3249. These files are posted monthly, usually in the third week of the month.
  3250. The current versions are also stored on several archives:
  3251.  
  3252. A. World-Wide Web
  3253.  
  3254. A hypertext version is located at:
  3255. http://www.cis.ohio-state.edu/hypertext/faq/usenet/ozone-depletion/top.html
  3256.  
  3257. Plaintext versions can be found at:
  3258. ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/ozone-depletion/
  3259. ftp://ftp.uu.net/usenet/news.answers/ozone-depletion/
  3260. ----
  3261.  
  3262. B. Anonynmous ftp
  3263.  
  3264. To rtfm.mit.edu, in the directory  /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion
  3265. To ftp.uu.net, in the directory /usenet/news.answers/ozone-depletion
  3266. Look for the four files named intro, stratcl, antarctic, and uv.
  3267. ----
  3268.  
  3269. C. Regular email
  3270.    Send the following messages to mail-server@rtfm.mit.edu:
  3271.  
  3272.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  3273.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/stratcl
  3274.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/antarctic
  3275.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/uv
  3276.  
  3277.  Leave the subject line blank.
  3278.  If you want to find out more about the mail server, send a
  3279.  message to it containing the word "help". 
  3280.  
  3281. -----------------------------   
  3282.  
  3283. Subject: Copyright Notice
  3284.  
  3285. ***********************************************************************
  3286. * Copyright 1995 Robert Parson                                        *
  3287. *                                                                     *
  3288. * This file may be distributed, copied, and archived. All             *
  3289. * copies must include this notice and the paragraph below entitled    *
  3290. * "Caveat". Reproduction and distribution for personal profit is      *
  3291. * not permitted. If this document is transmitted to other networks or *
  3292. * stored on an electronic archive, I ask that you inform me. I also   *
  3293. * ask you to keep your archive up to date; in the case of world-wide  *
  3294. * web pages, this is most easily done by linking to the master at the *
  3295. * ohio-state http URL  instead of storing local copies. Finally, I    *
  3296. * request that you inform me before including any of this information *
  3297. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  3298. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  3299. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  3300. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  3301. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  3302. * to the original published source, not to this document.             *
  3303. ***********************************************************************
  3304.  
  3305.  
  3306. -----------------------------
  3307.  
  3308. Subject: General Remarks
  3309.  
  3310. This file deals with the physical properties of ultraviolet
  3311. radiation and its biological consequences, emphasizing the
  3312. possible effects of stratospheric ozone depletion. It frequently
  3313. refers back to Part I, where the basic properties of the ozone
  3314. layer are described; the reader should look over that file first.
  3315.  
  3316. The overall approach I take is conservative. I concentrate on what
  3317. is known and on most probable, rather than worst-case, scenarios.
  3318. For example, I have relatively little to say about the
  3319. effects of UV radiation on plants - this does not mean that the
  3320. effects are small, it means that they are as yet not well
  3321. quantified (and moreover, I am not well qualified to interpret the
  3322. literature.) Policy decisions must take into account not only the
  3323. most probable scenario, but also  a range of less probable ones.
  3324. will probably do, but also the worst that he could possibly do.
  3325. There have been surprises, mostly unpleasant, in this field in the
  3326. past, and there are sure to be more in the future. In general,
  3327. _much_ less is known about biological effects of UV-B than about
  3328. the physics and chemistry of the ozone layer.
  3329.  
  3330. -----------------------------
  3331.  
  3332. Subject: Caveats, Disclaimers, and Contact Information
  3333.  
  3334. | _Caveat_: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  3335. | scientist at all - I am a physical chemist studying gas-phase
  3336. | reactions who talks to atmospheric scientists. In this part in
  3337. | particular I am well outside the range of my own expertise.
  3338. | I have discussed some aspects of this subject with specialists, 
  3339. | but I am solely responsible for everything written here, including 
  3340. | any errors.  On the other hand, if you find this document in an 
  3341. | online archive somewhere, I am not responsible for any *other* 
  3342. | information that may happen to reside in that archive. This document 
  3343. | should not be cited in publications off the net; rather, it should 
  3344. | be used as a pointer to the published literature. 
  3345.  
  3346. *** Corrections and comments are welcomed. 
  3347.  
  3348.  
  3349. - Robert Parson
  3350.   Associate Professor
  3351.   Department of Chemistry and Biochemistry,
  3352.   University of Colorado (for which I do not speak)
  3353.  
  3354.   rparson@spot.colorado.edu
  3355.   Robert.Parson@colorado.edu
  3356.  
  3357. -----------------------------
  3358.  
  3359. Subject: TABLE OF CONTENTS 
  3360.  
  3361.  How to get this FAQ
  3362.  Copyright Notice
  3363.  General Remarks
  3364.  Caveats, Disclaimers, and Contact Information
  3365.  TABLE OF CONTENTS 
  3366.  
  3367.  1.) What is "UV-B"?
  3368.  2.) How does UV-B vary from place to place?
  3369.  3.) Is UV-B at the earth's surface increasing?
  3370.  4.) What is the relationship between UV and skin cancer?
  3371.  5.) Is ozone loss to blame for the melanoma upsurge?
  3372.  6.) Does UV-B cause cataracts?
  3373.  7.) Are sheep going blind in Chile?
  3374.  8.) What effects does increased UV have upon plant life?
  3375.  9.) What effects does increased UV have on marine life?
  3376.  10.) Is UV-B responsible for the amphibian decline?
  3377.  
  3378.  REFERENCES FOR PART IV
  3379.  Introductory Reading
  3380.  Books and General Review Articles
  3381.  More Specialized References
  3382.  
  3383. -----------------------------
  3384.  
  3385.  
  3386. Subject: 1.) What is "UV-B"?
  3387.  
  3388.  "UV-B" refers to UV light having a wavelength between 280 and 
  3389. 320 nm. These wavelengths are on the lower edge of ozone's UV
  3390. absorption band, in the so-called "Huggins bands". They are 
  3391. absorbed by ozone, but less efficiently than shorter wavelengths
  3392. ("UV-C").  (The absorption cross-section of ozone increases by more
  3393. than 2 orders of magnitude between 320 nm and the peak value at
  3394. ~250 nm.)  Depletion of the ozone layer would first of all result
  3395. in increased UV-B. In principle UV-C would also increase, but it is
  3396. absorbed so efficiently that a very large depletion would have to
  3397. take place in order for significant amounts to reach the earth's
  3398. surface. UV-B and UV-C are absorbed by DNA and other biological
  3399. macromolecules, inducing photochemical reactions. UV radiation with
  3400. a wavelength longer than 320 nm is called "UV-A".  It is not
  3401. absorbed by ozone, but it is not believed to be especially
  3402. dangerous. (See, however, question #6.)
  3403.  
  3404. -----------------------------
  3405.  
  3406. Subject: 2.) How does UV-B vary from place to place?
  3407.  
  3408. A great deal.  It is strongest at low latitudes and high altitudes. 
  3409. At higher latitudes, the sun is always low in the sky so that it takes
  3410. a longer path through the atmosphere and more of the UV-B is absorbed.
  3411. For this reason, ozone depletion is likely to have a greater impact on 
  3412. _local_ ecosystems, such as terrestrial plants and the Antarctic marine 
  3413. phytoplankton, than on humans or their livestock. 
  3414. UV also varies with altitude and local cloud cover. These trends can
  3415. be seen in the following list of annually-averaged UV indices for
  3416. several US cities  [Roach] (units are arbitrary - I don't know 
  3417. precisely how this index is defined though I assume it is
  3418. proportional to some integral over the UV-b region of the spectrum)
  3419.  
  3420.  Minneapolis, Minnesota         570
  3421.  Chicago, Illinois              637
  3422.  Washington, DC                 683
  3423.  San Francisco, California      715
  3424.  Los Angeles, California        824
  3425.  Denver, Colorado               951
  3426.  Miami, Florida                 1028
  3427.  Honolulu, Hawaii               1147
  3428.  
  3429.  It should be noted that skin cancer rates show a similar trend.
  3430.  (See below).
  3431.  
  3432. -----------------------------
  3433.  
  3434. Subject: 3.) Is UV-B at the earth's surface increasing?
  3435.  
  3436. Yes, in some places; no, in others. 
  3437.  
  3438. Very large increases - up to a factor of 2 - have been seen even
  3439. in the outer portions of the Antarctic hole. [Frederick and
  3440. Alberts] 
  3441.  
  3442. Small increases, of order 1% per  year, have been measured in the
  3443. Swiss Alps. [Blumthaler and Ambach] These _net_ increases are small
  3444. compared to natural day-to-day fluctuations, but they are actually
  3445. a little larger than would be expected from the amount of ozone
  3446. depletion over the same period. 
  3447.  
  3448. In urban areas of the US, UV-B
  3449. levels showed no significant increase (and in most cases actually
  3450. decreased a little)  between 1974 and 1985. [Scotto et al.].  This
  3451. is probably due to increasing urban pollution, including low-level
  3452. ozone and aerosols. [Grant] Tropospheric ozone is actually
  3453. somewhat more  effective at absorbing UV than stratospheric ozone,
  3454. because UV light is scattered much more in the troposphere, and
  3455. hence takes a longer path. [Bruehl and Crutzen]  Increasing
  3456. amounts of tropospheric aerosols, from urban and industrial
  3457. pollution, may also offset UV-B increases at the ground.  [Liu et
  3458. al.] [Madronich 1992, 1993] [Grant] There have been questions about 
  3459. the suitability of the instruments used by Scotto et al.; they were
  3460. not designed for measuring long-term trends, and they put too much
  3461. weight on regions of the UV spectrum which are not appreciably
  3462. absorbed by ozone in any case. [WMO 1989] Nevertheless it seems 
  3463. clear that so far ozone depletion over US cities is small enough to
  3464. be largely offset by competing factors.  Tropospheric ozone and aerosols
  3465. have increased in rural areas of the US and Europe as well, so
  3466. these areas may also be screened from the effects of ozone depletion.
  3467.  
  3468. A recent study [Kerr and McElroy] has found evidence of
  3469. UV-B increases in Toronto, Canada during the period 1989-1993. The UV
  3470. intensity at 300 nm increased by 35% per year in winter and 7% per
  3471. year in summer. At this wavelength 99% of the total UV is absorbed,
  3472. so these represent large increases in a small number, and do not
  3473. represent a health hazard; nevertheless these wavelengths play a 
  3474. disproportionately large role in skin carcinoma and plant damage.
  3475. Total UV-B irradiance, weighted in such a way as to correlate with 
  3476. incidence of sunburn ("erythemally active radiation"), increased by 
  3477. 5% per year in winter and 2% per year in summer. These are not
  3478. really "trends", as they are dominated by the unusually large, but 
  3479. temporary, ozone losses in these regions in the years 1992-1993 
  3480. (see part I), and they should  not be extrapolated into the future.
  3481. In fact, [Michaels et al.] have claimed that the winter 
  3482. "trend" arises entirely from a four-day period at the end of March 1993 
  3483. (they do not discuss the summer trend.)  Kerr and McElroy respond
  3484. that these days are also reponsible for the strong decrease in average
  3485. ozone over the same period, so that their results do demonstrate the
  3486. expected link between total ozone and total UV-B radiation. Indeed,
  3487. UV-B increases of similar magnitude between 1992 and 1993 have been
  3488. seen in Germany, where large ozone losses were also observed during this
  3489. period. [Seckmeyer et al.]
  3490.  
  3491. Indirect evidence for increases has been obtained in the Southern
  3492. Hemisphere, where stratospheric ozone depletion is larger and 
  3493. tropospheric ozone (and aerosol pollution) is lower. Biologically 
  3494. weighted UV-B irradiances at a station in New Zealand were 1.4-1.8 
  3495. times higher than irradiances at a comparable latitude and season in 
  3496. Germany, of which a factor of 1.3-1.6 can be attributed to differences 
  3497. in the ozone column over the two locations [Seckmeyer and McKenzie].
  3498. In the southern hemisphere summer, the noontime UV-B irradiance 
  3499. at Ushaia in Tierra del Fuego is 45% above what would be predicted 
  3500. were there no ozone depletion. [Frederick et al. 1993] 
  3501.  
  3502. In comparing UV-B estimates, one must pay careful attention to
  3503. exactly what is being reported. One wants to know not just whether
  3504. there is an increase, but how much increase there is at any given
  3505. wavelength, since the shorter wavelengths are more dangerous.
  3506. Different measuring instruments have different spectral responses,
  3507. and are more or less sensitive to various spectral regions. [Wayne,
  3508. Rowland 1991].  Wavelength-resolving instruments, such as the
  3509. spectroradiometers being used in Antarctica, Argentina, and Toronto,
  3510. are the most informative, as they allow one to distinguish the
  3511. effects of ozone trends from those due to clouds and aerosols.
  3512. [Madronich 1993] [Kerr and McElroy].
  3513.  
  3514. -----------------------------
  3515.  
  3516. Subject: 4.) What is the relationship between UV and skin cancer?
  3517.  
  3518. There are three kinds of skin cancer, basal cell carcinomas,
  3519. squamous cell carcinomas, and melanomas. In the US there were
  3520. 500,000 cases of the first, 100,000 of the second, and 27,600 of
  3521. the third in 1990. [Wayne] More than 90% of the skin carcinomas in
  3522. the US are attributed to UV-B exposure: their frequency varies
  3523. sharply with latitude, just as UV does. The mechanism by which UV-B
  3524. induces carcinomas has been identified - the pyrimidine bases
  3525. in the DNA molecule form dimers when stimulated by UV-B radiation.
  3526. [Taylor] [Tevini] [Young et al.]. Fortunately, these cancers are 
  3527. relatively easy to treat if detected in time, and are rarely fatal. 
  3528. Skin carcinoma rates vary sharply with latitude, just as UV-B does. 
  3529. Fair-skinned people of North European ancestry are particularly 
  3530. susceptible; the highest rates in the world are found in Queensland,
  3531. a northerly province of Australia, where a population of largely
  3532. English and Irish extraction is exposed to very high natural UV
  3533. radiation levels.
  3534.  
  3535. [Madronich and deGruijl] have estimated the expected increases in
  3536. skin carcinoma rates due to ozone depletion over the period 1979-1992:
  3537.  
  3538.  Lat.   % ozone loss    % increase in rate,     % increase in rate,
  3539.         1979-1992       basal cell carcinoma    squamous cell carcinoma
  3540.  
  3541.  55N    7.4 +-1.3       13.5 +-5.3              25.4 +-10.3
  3542.  35N    4.8 +-1.4        8.6 +-4.0              16.0 +-7.6
  3543.  15N    1.5 +-1.1        2.7 +-2.4               4.8 +-4.4
  3544.  
  3545.  15S    1.9 +-1.3        3.6 +-2.6               6.5 +-4.8
  3546.  35S    4.0 +-1.6        8.1 +-3.6              14.9 +-6.8
  3547.  55S    9.0 +-1.5       20.4 +-7.4              39.3 +-15.1
  3548.  
  3549. Of course, the rates themselves are much smaller at high latitudes,
  3550. where the relative increases in rates are large. These estimates do
  3551. not take changes in lifestyle into consideration.
  3552.  
  3553. Malignant melanoma is much more dangerous, but its connection 
  3554. with UV exposure is not well understood. There seems to a correlation 
  3555. between melanomas and brief, intense exposures to UV (long before 
  3556. the cancer appears.) Melanoma incidence is definitely correlated with 
  3557. latitude, with twice as many deaths (relative to state population) 
  3558. in Florida or Texas as in Wisconsin or Montana, but this correlation 
  3559. need not imply a causal relationship. Some claim that UV-A, which is 
  3560. not absorbed by ozone, is involved. [Skolnick] [Setlow et al.]
  3561.  
  3562. -----------------------------
  3563.  
  3564. Subject: 5.) Is ozone loss to blame for the melanoma upsurge?
  3565.  
  3566. A few physicians have said so, but most others think not.
  3567. [Skolnick]
  3568.  
  3569. First of all, UV-B has not, so far, increased very much, at least
  3570. in the US and Europe. 
  3571.  
  3572. Second, melanoma takes 10-20 years to develop. There hasn't been
  3573. enough time for ozone depletion to play a significant role.
  3574.  
  3575. Third, the melanoma epidemic has been going on since the 1940's. 
  3576. Recent increases in rates may just reflect better reporting, or
  3577. the popularity of suntans in the '60's and '70's. (This becomes
  3578. more likely if UV-A is in fact involved.)
  3579.  
  3580. -----------------------------
  3581.  
  3582. Subject: 6.) Does UV-B cause cataracts?
  3583.  
  3584. While the evidence for this is indirect, it is very plausible.
  3585.  
  3586. The lens of the eye is a good UV-filter, protecting the delicate
  3587. structures in the retina. Too much UV results in short-term "snow
  3588. blindness", but the effects of prolonged, repeated exposure are
  3589. not known.  People living in naturally high UV environments such
  3590. as Bolivia or Tibet do have a high incidence of cataracts, and overall
  3591. cataracts are more frequently seen at lower latitudes. [Tevini]
  3592. [Zigman]
  3593.  
  3594. -----------------------------
  3595.  
  3596. Subject: 7.) Are sheep going blind in Chile?
  3597.  
  3598. If they are, it's not because of ozone depletion. 
  3599.  
  3600. For a short period each year, the edge of the ozone hole passes
  3601. over Tierra del Fuego, at the southern end of the South American
  3602. continent. This has led to a flurry of reports of medical damage
  3603. to humans and livestock. Dermatologists claim that they are seeing 
  3604. more patients with sun-related conditions, nursery owners report
  3605. damage to plants, a sailor says that his yacht's dacron sails have
  3606. become brittle, and a rancher declares that 50 of his sheep,
  3607. grazing at high altitudes, suffer "temporary cataracts" in the
  3608. spring. (_Newsweek_, 9 December 1991, p. 43; NY Times, 27 July
  3609. 1991, p. C4; 27 March 1992, p. A7). 
  3610.  
  3611. These claims are hard to believe. At such a high latitude,
  3612. springtime UV-B is naturally very low and the temporary increase
  3613. due to ozone depletion still results in a UV fluence that is well
  3614. below that found at lower latitudes. Moreover, the climate of
  3615. Patagonia is notoriously cold and wet. (There is actually more of
  3616. a problem in the summer, after the hole breaks up and ozone-poor
  3617. air drifts north. The ozone depletion is smaller, but the
  3618. background UV intensity is much higher.) There may well be effects
  3619. on _local_ species, adapted to low UV levels, but even these are
  3620. not expected to appear so soon. It was only in 1987 that the hole
  3621. grew large enough to give rise to significant UV increases
  3622. in southern Chile, and cataracts and malignant melanomas take many
  3623. years to develop. To be sure, people do get sunburns and
  3624. skin cancer even in Alaska and northern Europe, and all
  3625. else being equal one expects on purely statistical grounds such
  3626. cases to increase, from a small number to a slightly larger number.
  3627. All else is definitely not equal, however - the residents are now
  3628. intensely aware of the hazards of UV radiation and are likely to
  3629. protect themselves better. I suspect that the increase in
  3630. sun-related skin problems noted by the dermatologists comes about
  3631. because more people are taking such cases to their doctors. 
  3632.  
  3633. As for the blind sheep, a group at Johns Hopkins has investigated
  3634. this and ascribes it to a local infection ("pink eye"). [Pearce]
  3635.  
  3636. This is _not_ meant to dismiss UV-B increases in Patagonia as
  3637. insignificant. Damage to local plants, for example, may well emerge
  3638. in the long term, as the ozone hole is expected to last for 50
  3639. years or more. The biological consequences of UV radiation are real, 
  3640. but often very subtle; I personally find it hard to believe that 
  3641. such effects are showing up so soon, and in such a dramatic fashion. 
  3642. Ozone depletion is a real problem, but this particular story is a red 
  3643. herring.
  3644.  
  3645. -----------------------------
  3646.  
  3647. Subject: 8.) What effects does increased UV have upon plant life?
  3648.  
  3649. Generally harmful, but hard to quantify. Many experiments have
  3650. studied the response of plants to UV-B radiation, either by
  3651. irradiating the plants directly or by filtering out some of the UV
  3652. in a low-latitude environment where it is naturally high. The
  3653. artificial UV sources do not have the same spectrum as solar
  3654. radiation, however, while the filtering experiments do not
  3655. necessarily isolate all of the variables, even when climate
  3656. and humidity are controlled by growing the plants in a greenhouse.
  3657.  
  3658. Out of some 200 agricultural plants tested, more than half show 
  3659. sensitivity to UV-B increases. The measured effects vary markedly 
  3660. from one species to another; some adapt very readily while others are
  3661. seriously damaged. Even within species there are marked differences; 
  3662. for example, one soybean variety showed a 25% growth reduction under a
  3663. simulated ozone depletion of 16%, whereas another variety showed no
  3664. significant yield reduction. The general sense seems to be that
  3665. ozone depletion amounting to 10% or more could seriously affect
  3666. agriculture. Smaller depletions could have a severe impact on local
  3667. ecosystems, but very little is known about this at present.
  3668.  
  3669. I have not investigated the literature on this in detail, not
  3670. being a biologist. Interested readers should consult [Tevini and
  3671. Teramura], [Bornman and Teramura], or the book by [Tevini] and 
  3672. the references therein. If any botanist out there would like to write 
  3673. a summary for this FAQ, please let me know.
  3674.  
  3675. -----------------------------
  3676.  
  3677. Subject: 9.) What effects does increased UV have on marine life?
  3678.  
  3679. Again, generally harmful but hard to quantify. Seawater is
  3680. surprisingly transparent to UV-B. In clear waters radiation at 315
  3681. nm is attenuated by only 14% per meter depth. [Jerlov]. Many marine
  3682. creatures live in surface waters, and they have evolved a variety
  3683. of methods to cope with UV: some simply swim to lower depths, some
  3684. develop protective coatings, while some work at night to repair the
  3685. damage done during the day. Often these natural mechanisms are
  3686. triggered by _visible_ light intensities, in which case they
  3687. might not protect against an increase in the _ratio_ of UV to visible
  3688. light. Also, if a photosynthesizing organism protects itself by 
  3689. staying at lower depths, it will get less visible light and produce
  3690. less oxygen. An increase in UV-B can thus affect an ecosystem 
  3691. without necessarily killing off individual organisms.
  3692.  
  3693. Many experiments have been carried out to determine the
  3694. response of various marine creatures to UV radiation; as with land
  3695. plants the effects vary a great deal from one species to another,
  3696. and it is not possible to draw general conclusions at this stage.
  3697. [Holm-Hansen et al.] We can assume that organisms that live in tropical 
  3698. waters are safe, since there is little or no ozone depletion there, and 
  3699. that organisms that are capable of living in the tropics are probably
  3700. safe from ozone depletion at high latitudes since background UV 
  3701. intensitiesat high latitudes are always low. (One must be careful
  3702. with the second inference if the organism's natural defenses are
  3703. stimulated by visible light.) The problems arise with organisms
  3704. that have adapted to the naturally low UV levels of polar regions.
  3705.  
  3706. In this case, we have a natural laboratory for studying UV
  3707. effects:  the Antarctic Ozone hole. (Part III of the FAQ discusses
  3708. the hole in detail.) The outer parts of the hole extend far out
  3709. into the ocean,  beyond the pack ice, and these waters get
  3710. springtime UV-B doses equal to or greater than what is
  3711. seen in a normal antarctic summer. [Frederick and Alberts] [Smith
  3712. et al.]. The UV in shallow surface waters is effectively even
  3713. higher, because the sea ice is more transparent in spring than in
  3714. summer. There has been speculation that this UV could cause a
  3715. population collapse in the marine phytoplankton, the microscopic
  3716. plants that comprise the base of the food chain. Even if the plankton
  3717. are not killed, their photosynthetic production could be reduced. 
  3718. Laboratory experiments show that UV-A and UV-B do indeed inhibit 
  3719. phytoplankton photosynthesis. [Cullen and Neale] [Cullen et al.]
  3720.  
  3721. In one field study, [Smith et al.]. measured the photosynthetic
  3722. productivity of the phytoplankton in the "marginal ice zone" (MIZ),
  3723. the layer of relatively  fresh meltwater that lies over saltier
  3724. deep water.  Since the outer boundary of the ozone hole is
  3725. relatively sharp and fluctuates from day to day, they were able to
  3726. compare photosynthesis inside and outside the hole, and to
  3727. correlate photosynthetic yield with shipboard UV measurements. 
  3728. They concluded that the UV-B increase brought about an overall 
  3729. decrease of 6-12% in phytoplankton productivity. Since the "hole" 
  3730. lasts for about 10-12 weeks, this corresponds to an overall decrease 
  3731. of 2-4% for the year. The natural variability in phytoplankton
  3732. productivity from year to year is estimated to be about + or - 25%,
  3733. so the _immediate_ effects of the ozone hole, while real, are far
  3734. from catastrophic. To quote from [Smith et al.]:  "Our estimated
  3735. loss of 7 x 10^12 g of carbon per year is about three orders
  3736. of magnitude smaller than estimates of _global_ phytoplankton
  3737. production and thus is not likely to be significant in this
  3738. context. On the other hand, we find that the O3-induced loss to a
  3739. natural community of phytoplankton in the MIZ is measurable and the
  3740. subsequent ecological consequences of the magnitude and timing of
  3741. this early spring loss remain to be determined."  It appears, then,
  3742. that overall loss in productivity is not large.
  3743.  
  3744. The cumulative effects on the marine community are not known. The 
  3745. ozone hole first became large enough to expose marine life to large 
  3746. UV increases in 1987, and [Smith et al.] carried out their survey in 
  3747. 1990. Ecological consequences - the displacement of UV-sensitive
  3748. species by UV-tolerant ones - are likely to be more important than
  3749. a decline in overall productivity, although they are poorly
  3750. understood at present. [McMinn et al.] have examined the relative
  3751. abundance of four common phytoplankton species in sediment cores from
  3752. the fjords of the Vestfold hills on the Antarctic coast. They conclude
  3753. that compositional changes over the past 20 years (which should include
  3754. effects due to the ozone hole) cannot be distinguished from long-term
  3755. natural fluctuations. Apparently thick coastal ice protects the
  3756. phytoplankton in these regions from the effects of increased UVB;
  3757. moreover, these phytoplankton bloom after the seasonal hole has closed.
  3758. McMinn et al. emphasize that these conditions do not apply to ice-edge 
  3759. and sea-ice communities.
  3760.  
  3761. For a general review, see [Holm-Hansen et al.]
  3762.  
  3763. -----------------------------
  3764.  
  3765. Subject: 10.) Is UV-B responsible for the amphibian decline?
  3766.  
  3767. UV-B may be part of the story, although it is unlikely to be the
  3768. principal cause of this mysterious event.
  3769.  
  3770. During the past decade, there has been a widespread decline in
  3771. amphibian populations [Livermore] [Wake]. The decline appears to be
  3772. global in scope, although some regions and many species appear to be
  3773. unaffected.  While habitat destruction is undoubtedly an important
  3774. factor, many of the affected species are native to regions where
  3775. habitat is relatively undisturbed. This has led to speculation that
  3776. global perturbations, such as pesticide pollution, acid deposition,
  3777. and climate change, could be involved.
  3778.  
  3779. Recently, [Blaustein et al.] have investigated the effects of UV-B
  3780. radiation on the reproduction of amphibians living in the Cascade
  3781. Mountains of Oregon. In their first experiment, the eggs of several
  3782. amphibian species were analyzed for an enzyme that is known to
  3783. *repair* UV-induced DNA damage. The eggs of the Cascades frog,
  3784. R. cascadae, and of the Western toad, Bufo Boreas, showed low levels
  3785. of this enzyme; both species are known to be in serious decline
  3786. (R. Cascadae populations have fallen by ~80% since the 1970's [Wake].)
  3787. In contrast, much higher levels of the enzyme are found in the eggs of
  3788. the Pacific Tree Frog, _Hyla Regilla_, whose populations do not appear
  3789. to be in decline.
  3790.  
  3791. Blaustein et al. then studied the effects of UV-B upon the
  3792. reproductive success of these species in the field, by screening the
  3793. eggs with a filter that blocks the ambient UV. Two control groups were
  3794. used for comparison; in one no filter was present and in the other a
  3795. filter that *transmitted* UV-B was put in place.  They found that for
  3796. the two species that are known to be in decline, and that showed low
  3797. levels of the repair enzyme, filtering the UV dramatically increased
  3798. the proportion of eggs surviving until hatch, whereas for the species
  3799. that is not in decline and that produces high levels of the enzyme,
  3800. filtering the UV made little difference. Thus, both the laboratory and
  3801. the field experiments suggest a correlation between amphibian declines
  3802. and UV sensitivity, albeit a correlation that at present is based on a
  3803. very small number of species and a limited time period.
  3804.  
  3805. Contrary to the impression given by some media reports, Blaustein and
  3806. coworkers did *not* claim that ozone depletion is "the cause" of the
  3807. amphibian decline. The decline appears to be world-wide, whereas ozone
  3808. depletion is restricted to middle and high latitudes. Also, many
  3809. amphibian species lay their eggs under dense canopies or underground
  3810. where there is little solar radiation. So, UV should be regarded
  3811. as one of many stresses that may be acting on amphibian populations.
  3812.  
  3813. -----------------------------
  3814.  
  3815. Subject: REFERENCES FOR PART IV
  3816.  
  3817. A remark on references: they are neither representative nor
  3818. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  3819. problems. For the most part I have limited myself to papers that
  3820. are (1) widely available (if possible, _Science_ or _Nature_ rather
  3821. than archival journals such as _J. Geophys. Res._) and (2) directly
  3822. related to the "frequently asked questions". Readers who want to
  3823. see "who did what" should consult the review articles listed below.
  3824. or, if they can get them, the WMO reports which are extensively
  3825. documented.
  3826.  
  3827. -----------------------------
  3828.  
  3829. Subject: Introductory Reading
  3830.  
  3831. [Graedel and Crutzen] T. E. Graedel and P. J. Crutzen, 
  3832. _Atmospheric Change: an Earth System Perspective_, Freeman, NY
  3833. 1993.
  3834.  
  3835. [Roach] M. Roach, "Sun Struck", _Health_, May/June 1992, p. 41.
  3836.  
  3837. [Rowland 1989] F. S. Rowland, "Chlorofluorocarbons and the
  3838. depletion of stratospheric ozone", _American Scientist_ _77_, 36,
  3839. 1989.
  3840.  
  3841. [Zurer] P. S. Zurer, "Ozone Depletion's Recurring Surprises
  3842. Challenge Atmospheric Scientists", _Chemical and Engineering News_,
  3843. 24 May 1993,  pp. 9-18.
  3844.  
  3845. -----------------------------
  3846.  
  3847. Subject: Books and General Review Articles
  3848.  
  3849. [Chamberlain and Hunten] J. W. Chamberlain and D. M. Hunten,
  3850. _Theory of Planetary Atmospheres_, 2nd Edition, Academic Press, 1987
  3851.  
  3852. [Dobson] G.M.B. Dobson, _Exploring the Atmosphere_, 2nd Edition,
  3853.  Oxford, 1968. 
  3854.  
  3855. [Rowland 1991] F. S. Rowland, "Stratospheric Ozone Depletion", 
  3856. _Ann. Rev. Phys. Chem._ _42_, 731, 1991.
  3857.  
  3858. [Tevini] M. Tevini, editor: "UV-B Radiation and Ozone Depletion:
  3859. Effects on humans, animals, plants, microorganisms, and materials"
  3860. Lewis Publishers, Boca Raton, 1993.
  3861.  
  3862. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 2nd.  Ed.,
  3863.  Oxford, 1991.
  3864.  
  3865. [WMO 1988] World Meteorological Organization, 
  3866. _Report of the International Ozone Trends Panel_, 
  3867.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #18.
  3868.  
  3869. [WMO 1989] World Meteorological Organization, 
  3870. _Scientific Assessment of Stratospheric Ozone: 1989_
  3871.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #20.
  3872.  
  3873. [WMO 1991] World Meteorological Organization, 
  3874. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991_
  3875.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #25.
  3876.  
  3877. [WMO 1994] World Meteorological Organization, 
  3878. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1994_
  3879.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #25.
  3880. (Executive Summary; the full report is to be published in November 1994).
  3881.  
  3882. [Young et al.] _Environmental UV Photobiology_, Ed. by A. R. Young,
  3883. L. O. Bjorn, J. Mohan, and W. Nultsch, Plenum, N.Y. 1993.
  3884.  
  3885. -----------------------------
  3886.  
  3887. Subject: More Specialized References
  3888.  
  3889. [Blaustein et al.] A. R. Blaustein, P. D. Hoffman, D. G. Hokit,
  3890. J. M. Kiesecker, S. C. Walls, and J. B. Hays, "UV repair and
  3891. resistance to solar UV-B in amphibian eggs: A link to population
  3892. declines?", _Proc. Nat. Acad. Sci._ _91_, 1791, 1994.
  3893.  
  3894. [Blumthaler and Ambach] M. Blumthaler and W. Ambach, "Indication of
  3895. increasing solar ultraviolet-B radiation flux in alpine regions",
  3896. _Science_ _248_, 206, 1990.
  3897.  
  3898. [Bornman and Teramura]  J. F. Bornman and A. H. Teramura, "Effects of
  3899. Ultraviolet-B Radiation on Terrestrial Plants", in [Young et al.]
  3900.  
  3901. [Bruehl and Crutzen]  C. Bruehl and P. Crutzen, "On the
  3902. disproportionate role of tropospheric ozone as a filter against
  3903. solar UV-B radiation",_Geophys. Res. Lett._ _16_, 703, 1989.
  3904.  
  3905. [Cullen et al.] J. J. Cullen, P. J. Neale, and M. P. Lesser, "Biological
  3906. weighting function for the inhibition of phytoplankton photosynthesis by
  3907. ultraviolet radiation", _Science_ _258_, 646, 1992.
  3908.  
  3909. [Cullen and Neale] J. J. Cullen and P. J. Neale, "Ultraviolet Radiation,
  3910. ozone depletion, and marine photosynthesis", _Photosynthesis Research_
  3911. _39_, 303, 1994.
  3912.  
  3913. [Frederick and Alberts] J.E. Frederick and A. Alberts, "Prolonged
  3914.  enhancement in surface ultraviolet radiation during the Antarctic
  3915.  spring of 1990", _Geophys. Res. Lett._ _18_, 1869, 1991.
  3916.  
  3917. [Frederick et al. 1993] J.E. Frederick, P.F. Soulen, S.B. Diaz,
  3918. I. Smolskaia, C.R. Booth, T. Lucas, and D. Neuschuler,
  3919. "Solar Ultraviolet Irradiance Observed from Southern Argentina:
  3920.  September 1990 to March 1991", J. Geophys. Res. _98_, 8891, 1993.
  3921.  
  3922. [Grant] W. Grant, "Global stratospheric ozone and UV-B radiation",
  3923.   _Science_ _242_, 1111, 1988. (a comment on [Scotto et al.])
  3924.  
  3925. [Holm-Hansen et al.] O. Holm-Hansen, D. Lubin, and E. W. Helbling,
  3926. "Ultraviolet Radiation and its Effects on Organisms in Aquatic
  3927. Environments", in [Young et al.]
  3928.  
  3929. [Jerlov] N.G. Jerlov, "Ultraviolet Radiation in the Sea",
  3930. _Nature_ _166_, 112, 1950.
  3931.  
  3932. [Kerr and McElroy] J. B. Kerr and C. T. McElroy, "Evidence for Large
  3933.  Upward Trends of Ultraviolet-B Radiation Linked to Ozone Depletion",
  3934.  _Science_ _262_, 1032, 1993.
  3935.  
  3936. [Livermore] B. Livermore, "Amphibian alarm: Just where have all the 
  3937. frogs gone?", _Smithsonian_, October 1992.
  3938.  
  3939. [Liu et al.] S.C. Liu, S.A. McKeen, and S. Madronich, "Effect of
  3940.  anthropogenic aerosols on biologically active ultraviolet
  3941. radiation", _Geophys. Res. Lett._  _18_,  2265, 1991.
  3942.  
  3943. [Madronich 1992] S. Madronich, "Implications of recent total 
  3944. atmospheric ozone measurements for biologically active ultraviolet 
  3945. radiation reaching the earth's surface", 
  3946. _Geophys. Res. Lett. _19_, 37, 1992.
  3947.  
  3948. [Madronich 1993] S. Madronich, in [Tevini], above.
  3949.  
  3950. [Madronich and de Gruijl] S. Madronich and F. R. de Gruijl,
  3951. "Skin Cancer and UV radiation", _Nature_ _366_, 23, 1993.
  3952.  
  3953. [McMinn et al.] A. McMinn, H. Heijnis, and D. Hodgson, "Minimal effects
  3954. of UVB radiation on Antarctic diatoms over the past 20 years", _Nature_
  3955. _370_, 547, 1994.
  3956.  
  3957. [Michaels et al.] P. J. Michaels, S. F. Singer, and P. C. 
  3958. Knappenberger, "Analyzing Ultraviolet-B Radiation: Is There
  3959. a Trend?", _Science_ _264_, 1341, 1994.
  3960.  
  3961. [Pearce] F. Pearce, "Ozone hole 'innocent' of Chile's ills",
  3962.  _New Scientist_ #1887, 7, 21 Aug. 1993.
  3963.  
  3964. [Scotto et al.] J. Scotto, G. Cotton, F. Urbach, D. Berger, and T.
  3965. Fears, "Biologically effective ultraviolet radiation: surface
  3966. measurements in the U.S.",  _Science_ _239_, 762, 1988.
  3967.  
  3968. [Seckmeyer et al.] G. Seckmeyer, B. Mayer, R. Erb, and G. Bernhard,
  3969. "UV-B in Germany higher in 1993 than in 1992", _Geophys. Res. Lett._
  3970.  _21_, 577-580, 1994.
  3971.  
  3972. [Seckmeyer and McKenzie] G. Seckmeyer and R. L. McKenzie,
  3973. "Increased  ultraviolet radiation in New Zealand (45 degrees S)
  3974. relative to Germany (48 degrees N.)", _Nature_ _359_, 135, 1992.
  3975.  
  3976. [Setlow et al.] R. B. Setlow, E. Grist, K. Thompson and
  3977. A. D. Woodhead, "Wavelengths effective in induction of Malignant
  3978. Melanoma", PNAS _90_, 6666, 1993.
  3979.  
  3980. [Skolnick] A. Skolnick,  "Is ozone loss to blame for melanoma
  3981. upsurge?" JAMA, _265_, 3218, June 26 1991. 
  3982.  
  3983. [Smith et al.] R. Smith, B. Prezelin, K. Baker, R. Bidigare, N.
  3984. Boucher, T. Coley, D. Karentz, S. MacIntyre, H. Matlick, D.
  3985. Menzies, M. Ondrusek, Z. Wan, and K. Waters, "Ozone depletion:
  3986. Ultraviolet radiation and phytoplankton biology in antarctic
  3987. waters", _Science_ _255_, 952, 1992.
  3988.  
  3989. [Taylor] J.-S. Taylor, "Unraveling the Molecular Pathway from Sunlight
  3990. to Skin Cancer", _Acc. Chem. Res._ _27_, 76-82, 1994.
  3991.  
  3992. [Tevini and Teramura] M. Tevini and A. H. Teramura, "UV-B effects
  3993. on terrestrial plants", _Photochemistry and Photobiology_, _50_,
  3994. 479, 1989. (This issue contains a number of other papers dealing
  3995. with biological effects of UV-B radiation.)
  3996.  
  3997. [Wake] D. B. Wake, "Declining Amphibian Populations", _Science_
  3998.  _253_, 860, 1991.
  3999.  
  4000. [Zigman] S. Zigman, "Ocular Damage by Environmental Radiant Energy 
  4001. and Its Prevention", in [Young et al.]
  4002.  
  4003.