home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Collection of Internet / Collection of Internet.iso / faq / sci / ozone_de / stratcl < prev    next >
Text File  |  1994-03-24  |  42KB  |  913 lines

  1. Newsgroups: sci.environment,sci.answers,news.answers
  2. Path: bloom-beacon.mit.edu!news.media.mit.edu!uhog.mit.edu!MathWorks.Com!panix!news.intercon.com!howland.reston.ans.net!agate!boulder!cnsnews!rintintin.Colorado.EDU!rparson
  3. From: rparson@rintintin.colorado.edu (Robert Parson)
  4. Subject: Ozone Depletion FAQ Part II: Stratospheric Chlorine and Bromine
  5. Message-ID: <Cn7D3z.4q9@cnsnews.Colorado.EDU>
  6. Followup-To: sci.environment
  7. Summary: This is the second of four files dealing with stratospheric
  8.          ozone depletion. It is concerned with sources of chlorine 
  9.          and bromine in the earth's stratosphere.
  10. Originator: rparson@rintintin.Colorado.EDU
  11. Keywords: ozone layer cfc stratosphere chlorine bromine volcanoes
  12. Sender: usenet@cnsnews.Colorado.EDU (Net News Administrator)
  13. Nntp-Posting-Host: rintintin.colorado.edu
  14. Reply-To: rparson@rintintin.colorado.edu
  15. Organization: University of Colorado, Boulder
  16. Date: Fri, 25 Mar 1994 04:14:23 GMT
  17. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  18. Lines: 892
  19. Xref: bloom-beacon.mit.edu sci.environment:18028 sci.answers:1009 news.answers:16821
  20.  
  21. Archive-name: ozone-depletion/stratcl
  22. Last-modified: 25 March 1994
  23. Version: 4.2
  24.  
  25.  
  26. These files are posted monthly, usually in the third week of the month.
  27. They may be obtained by anonymous ftp from rtfm.mit.edu (18.70.0.209)
  28. in the directory:
  29.  
  30.     /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion
  31.  
  32.  which contains the four files intro, stratcl, antarctic, and uv.
  33.  
  34.  They may also be obtained by sending the following message
  35.  to mail-server@rtfm.mit.edu:
  36.  
  37.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  38.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/stratcl
  39.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/antarctic
  40.    send usenet/news.answers/ozone-depletion/uv
  41.  
  42.  Leave the subject line blank.
  43.  If you want to find out more about the mail server, send a
  44.  message to it containing the word "help".
  45.                                                                        
  46. ***********************************************************************
  47. * Copyright 1994 Robert Parson                                        *
  48. *                                                                     *
  49. * This file may be distributed, copied, and archived. All             *
  50. * copies must include this notice and the paragraph below entitled    *
  51. * "Caveat".  Reproduction and distribution for profit is              *
  52. * NOT permitted. If this document is transmitted to other networks or *
  53. * stored on an electronic archive, I ask that you inform me. I also   *
  54. * request that you inform me before including any of this information *
  55. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  56. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  57. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  58. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  59. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  60. * to the original published source, not to this document.             *
  61. ***********************************************************************
  62.  
  63.  
  64. This part deals not with ozone depletion per se (that is covered
  65. in Part I) but rather with the sources and sinks of chlorine and
  66. bromine in the stratosphere. Special attention is devoted to the
  67. evidence that most of the chlorine comes from the photolysis of
  68. CFC's and related compounds. Instead of relying upon qualitative 
  69. statements about relative lifetimes, solubilities, and so forth, I
  70. have tried to give a sense of the actual magnitudes involved. 
  71. Fundamentally, this Part of the FAQ is about measurements, and I 
  72. have therefore included some tables to illustrate trends; the
  73. data that I reproduce is in all cases a small fraction of what 
  74. has actually been published. In the first section I state the
  75. present assessment of stratospheric chlorine sources and trends, 
  76. and then in the next section I discuss the evidence that leads to
  77. those conclusions. After a brief discussion of Bromine in section 3, 
  78. I answer the most familiar challenges that have been raised in
  79. section 4. Only these last are actually "Frequently Asked Questions";
  80. however I have found the Question/Answer format to be useful
  81. in clarifying the issues in my mind even when the questions are 
  82. rhetorical, so I have kept to it.
  83.  
  84. | Caveat: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  85. | chemist at all - I am a physical chemist studying gas-phase
  86. | processes who talks to atmospheric chemists. These files are an
  87. | outgrowth of my own efforts to educate myself about this subject.
  88. | I have discussed some of these issues with specialists but I am
  89. | solely responsible for everything written here, especially errors. 
  90.  
  91. *** Corrections and comments are welcomed.
  92.  
  93. - Robert Parson
  94.   Associate Professor
  95.   Department of Chemistry and Biochemistry,
  96.   University of Colorado  (for which I do not speak)
  97.  
  98.   rparson@rintintin.colorado.edu
  99.  
  100.  
  101. CONTENTS
  102.  
  103. 1.  CHLORINE IN THE STRATOSPHERE - OVERVIEW
  104.  
  105. 1.1) Where does the Chlorine in the stratosphere come from?
  106. 1.2) How has stratospheric chlorine changed with time?
  107. 1.3) How will stratospheric chlorine change in the future?
  108.  
  109.  
  110. 2.  THE CHLORINE CYCLE
  111.  
  112. 2.1) What are the sources of chlorine in the troposphere?
  113. 2.2) In what molecules is _stratospheric_ chlorine found?
  114. 2.3) What happens to organic chlorine in the stratosphere?
  115. 2.4) How do we know that CFC's are photolyzed in the stratosphere?
  116. 2.5) How is chlorine removed from the stratosphere?
  117. 2.6) How is chlorine distributed in the stratosphere?
  118. 2.7) What happens to the fluorine from the CFC's?
  119. 2.8) Summary of evidence
  120.  
  121.  
  122. 3.  BROMINE IN THE STRATOSPHERE
  123.  
  124. 3.1) Is bromine important to the ozone destruction process?
  125. 3.2) How does bromine affect ozone?
  126. 3.3) Where does the bromine come from?
  127.  
  128.  
  129. 4.  COMMONLY ENCOUNTERED OBJECTIONS
  130.  
  131. 4.1) CFC's are much heavier than air...
  132. 4.2) CFC's are produced mostly in the Northern Hemisphere...
  133. 4.3) Sea salt puts more chlorine into the atmosphere than CFC's.
  134. 4.4) Volcanoes put more chlorine into the stratosphere than CFC's.
  135. 4.5) Space shuttles put a lot of chlorine into the stratosphere.
  136.  
  137.  
  138. 5.  REFERENCES
  139.  
  140. =================================================================
  141.  
  142. 1.  CHLORINE IN THE STRATOSPHERE - OVERVIEW
  143.  
  144.  
  145. 1.1) Where does the Chlorine in the stratosphere come from?
  146.  
  147. ~80% from CFC's and related manmade organic chlorine compounds,
  148.  such as carbon tetrachloride and methyl chloroform
  149.  
  150. ~15-20% from methyl chloride (CH3Cl), most of which is natural.
  151.  
  152.  A few % from inorganic sources, including volcanic eruptions. 
  153.  
  154.  [WMO 1991] [Solomon] [AASE] [Rowland 1989,1991] [Wayne]
  155.  
  156. These estimates are based upon 20 years' worth of measurements of
  157. organic and inorganic chlorine-containing compounds in the earth's
  158. troposphere and stratosphere. Particularly informative is the 
  159. dependence of these compounds' concentrations on altitude and
  160. their increase with time. The evidence is summarized in section 2
  161. of this FAQ.
  162.  
  163. 1.2) How has stratospheric chlorine changed with time?
  164.  
  165. The total amount of chlorine in the stratosphere has increased by
  166. a factor of 2.5 since 1975 [Solomon] During this time period the
  167. known natural sources have shown no major increases.  On the other
  168. hand, emissions of CFC's and related manmade compounds have
  169. increased dramatically, reaching a peak in 1987. Extrapolating
  170. back, one infers that total stratospheric chlorine has increased
  171. by a factor of 4 since 1950.
  172.  
  173. 1.3) How will stratospheric chlorine change in the future?
  174.  
  175. Since the 1987 Montreal Protocol (see Part I) production of
  176. CFC's and related compounds has been decreasing rapidly. While
  177. CFC concentrations are still increasing, the rate of increase
  178. has diminished:
  179.  
  180.                 Growth Rate, pptv/yr     (From [Elkins et al.])
  181.  
  182. Year            CFC-12          CFC-11
  183.  
  184. 1977-84          17               9
  185. 1985-88          19.5            11
  186. 1993             10.5             2.7
  187.  
  188. If this trend continues CFC concentrations in the troposphere will
  189. peak before the end of the century. The time scale for mixing
  190. tropospheric and lower stratospheric air is about 5 years, so 
  191. stratospheric chlorine is expected to peak in the next decade and 
  192. then slowly decline on a time scale of about 50 years.
  193.  
  194.  
  195. 2.  THE CHLORINE CYCLE
  196.  
  197. e sources of chlorine in the troposphere?
  198.  
  199. Let us divide the chlorine-containing compounds found in the 
  200. atmosphere into two groups, "organic chlorine" and "inorganic
  201. chlorine". The most important inorganic chlorine compound in the 
  202. troposphere is hydrogen chloride, HCl. Its principal source is 
  203. acidification of salt spray - reaction of atmospheric sulfuric and 
  204. nitric acids with chloride ions in aerosols.  At sea level, this 
  205. leads to an HCl mixing ratio of 0.05 - 0.45 ppbv, depending strongly 
  206. upon location (e.g. smaller values over land.) However, HCl dissolves 
  207. very readily in water (giving hydrochloric acid), and condensation of 
  208. water vapor  efficiently removes HCl from the _upper_ troposphere. 
  209. Measurements show that the HCl mixing ratio is less than 0.1 ppbv at 
  210. elevations above 7 km,  and less than 0.04 ppbv at 13.7 km. 
  211. [Vierkorn-Rudolf et al.] [Harris et al.] 
  212.  
  213. There are many volatile organic compounds containing chlorine, but
  214. most of them are quickly decomposed by the natural oxidants in the
  215. troposphere, and the chlorine atoms that were in these compounds
  216. eventually find their way into HCl or other soluble species and are 
  217. rained out. The most important exceptions are:
  218.  
  219.  ChloroFluoroCarbons, of which the most important are
  220.  CF2Cl2 (CFC-12), CFCl3 (CFC-11), and CF2ClCFCl2 (CFC-113);
  221.  
  222.  HydroChloroFluoroCarbons such as CHClF2 (HCFC-22); 
  223.  
  224.  Carbon Tetrachloride, CCl4; 
  225.  
  226.  Methyl Chloroform, CH3CCl3;
  227.  
  228.  and Methyl Chloride, CH3Cl (also called Chloromethane).  
  229.  
  230. Only the last has a large natural source; it is produced
  231. biologically in the oceans and chemically from biomass burning. 
  232. The CFC's and CCl4 are nearly inert in the troposphere, and have
  233. lifetimes of 50-200+ years.  Their major "sink" is photolysis by UV
  234. radiation. [Rowland 1989, 1991] The hydrogen-containing halocarbons
  235. are more reactive, and are removed in the troposphere by reactions
  236. with OH radicals. This process is slow, however, and they live long
  237. enough (1-20 years) for a large fraction to reach the stratosphere.
  238.  
  239. As a result of this enormous difference in atmospheric lifetimes, 
  240. there is more chlorine present in the lower atmosphere in 
  241. halocarbons than in HCl, even though HCl is produced in much larger
  242. quantities. Total tropospheric organic chlorine amounted to
  243. ~3.8 ppbv in 1989 [WMO 1991], and this mixing ratio is very nearly
  244. independent of altitude throughout the troposphere. Methyl Chloride,
  245. the only ozone-depleting chlorocarbon with a major natural source,
  246. makes up 0.6 ppbv of this total. Compare this to the tropospheric HCl 
  247. mixing ratios given above: < 0.5 ppbv at sea level, < 0.1 ppbv at 3 km, 
  248. and < 0.04 ppbv at 10 km.  
  249.  
  250. 2.2) In what molecules is _stratospheric_ chlorine found?
  251.  
  252. The halocarbons described above are all found in the stratosphere, 
  253. and in the lower stratosphere they are the dominant form of chlorine.
  254. At higher altitudes inorganic chlorine is abundant, most of it in 
  255. the form of HCl or of _chlorine nitrate_, ClONO2.  These are called 
  256. "chlorine reservoirs"; they do not themselves react with ozone, but 
  257. they generate a small amount of chlorine-containing radicals - Cl,
  258. ClO, ClO2, and related species, referred to collecively as the
  259. "ClOx family" - which do. An increase in the concentration of 
  260. chlorine reservoirs leads to an increase in the concentration of 
  261. the ozone-destroying radicals.
  262.  
  263. 2.3) What happens to organic chlorine in the stratosphere?
  264.  
  265. The organic chlorine compounds are dissociated by UV radiation
  266. having wavelengths near 230 nm. Since these wavelengths are also
  267. absorbed by oxygen and ozone, the organic compounds have to rise
  268. high in the stratosphere in order for this photolysis to take
  269. place. The initial (or, as chemists say, "nascent") products are 
  270. a free chlorine atom and an organic radical, for example:
  271.  
  272.  CFCl3 + hv -> CFCl2 + Cl
  273.  
  274. The chlorine atom can react with methane to give HCl and a methyl
  275. radical:
  276.  
  277.  Cl + CH4 -> HCl + CH3
  278.  
  279.  Alternatively, it can react with ozone and nitrogen oxides:
  280.  
  281.  Cl + O3 -> ClO + O2
  282.  ClO + NO2 -> ClONO2
  283.  
  284.  (There are other pathways, but these are the most important.)
  285.  
  286. The other nascent product (CFCl2 in the above example) undergoes
  287. a complicated sequence of reactions that also eventually leads to
  288. HCl and ClONO2. Most of the inorganic chlorine in the stratosphere
  289. therefore resides in one of these two "reservoirs". The immediate 
  290. cause of the Antarctic ozone hole is an unusual sequence of 
  291. reactions, catalyzed by polar stratospheric clouds, that "empty" 
  292. these reservoirs and produce high concentrations of ozone-destroying 
  293. ClOx radicals. [Wayne] [Rowland 1989, 1991]
  294.  
  295. 2.4) How do we know that CFC's _are_ photolyzed in the stratosphere?
  296.  
  297. The UV photolysis cross-sections for the halocarbons have been
  298. measured in the laboratory; these tell us how rapidly they will
  299. dissociate when exposed to light of a given wavelength and intensity.
  300. We can combine this with the measured intensity of radiation in the
  301. stratosphere and deduce the way in which the mixing ratio of a
  302. given halocarbon should depend upon altitude. Since there is almost 
  303. no 230 nm radiation in the troposphere or in the lowest parts of
  304. the stratosphere, the mixing ratio should be independent of altitude
  305. there. In the middle stratosphere the mixing ratio should drop off
  306. quickly, at a rate which is determined by the photolysis cross-section.
  307. Thus each halocarbon has a characteristic "signature" in its mixing
  308. ratio profile, which can be calculated. Such calculations (first
  309. carried out in the mid 1970's) agree well with the distributions
  310. presented in the next section.
  311.  
  312. There is direct evidence as well. Photolysis removes a chlorine
  313. atom, leaving behind a reactive halocarbon radical. The most likely
  314. fate of this radical is reaction with oxygen, which starts a long
  315. chain of reactions that eventually remove all the chlorine and
  316. fluorine. Most of the intermediates are reactive free radicals, but
  317. two of them, COF2 and COFCl, are fairly stable (they are analogs of
  318. formaldehyde, H2CO) and live long enough to be detected. They
  319. have been found, at precisely those altitudes at which the CFC
  320. mixing ratios are dropping off rapidly (see below).
  321.  
  322. 2.5) How is chlorine removed from the stratosphere?
  323.  
  324. Since the stratosphere is very dry, water-soluble compounds are
  325. not quickly washed out as they are in the troposphere. The
  326. stratospheric lifetime of HCl is about 2 years; the principal
  327. sink is transport back down to the troposphere.
  328.  
  329. 2.6) How is chlorine distributed in the stratosphere?
  330.  
  331. Over the past 20 years an enormous effort has been devoted to
  332. identifying sources and sinks of stratospheric chlorine.  The
  333. concentrations of the major species have been measured as a 
  334. function of altitude, by "in-situ" methods ( e.g. collection
  335. filters carried on planes and balloons) and by spectroscopic
  336. observations from aircraft, balloons, satellites, and the Space 
  337. Shuttle. From all this work we now have a clear and consistent
  338. picture of the processes that carry chlorine through the stratosphere.         
  339.  
  340. Let us begin by asking where inorganic chlorine is found. In the 
  341. troposphere, the HCl mixing ratio decreased markedly with increasing
  342. altitude. In the stratosphere, on the other hand,  it _increases_ with 
  343. altitude, rapidly up to about 35 km, and then more slowly up to 55km
  344. and beyond. This was noticed as early as 1976 [Farmer et al.] 
  345. [Eyre and Roscoe] and has been confirmed repeatedly since. Chlorine
  346. Nitrate (ClONO2), the other important inorganic chlorine compound in 
  347. the stratosphere, also increases rapidly in the lower stratosphere, and
  348. then falls off at higher altitudes.  These results strongly suggest
  349. that HCl in the stratosphere is being _produced_ there, not drifting 
  350. up from below.
  351.  
  352. Let us now look at the organic source gases.  Here, the data show
  353. that the mixing ratios of the CFC's and CCl4 are _nearly independent 
  354. of altitude_ in the troposphere, and _decrease rapidly with altitude_ 
  355. in the stratosphere.  The mixing ratios of the more reactive 
  356. hydrogenated compounds such as CH3CCl3 and CH3Cl drop off somewhat
  357. in the troposphere, but also show a much more rapid decrease in
  358. the stratosphere.  The turnover in organic chlorine correlates
  359. nicic chlorine, confirming the
  360. hypothesis that CFC's are being photolyzed as they rise high enough
  361. in the stratosphere to experience enough short-wavelength UV. At
  362. the bottom of the stratosphere almost all of the chlorine is
  363. organic, and at the top it is all inorganic. [Fabian et al. ] 
  364. [Zander et al. 1987] [Zander et al. 1992] [Penkett et al.]
  365.  
  366. Finally, there are the stable reaction intermediates, COFCl and
  367. COF2. These show up in the middle stratosphere, exactly where one
  368. expects to find them if they are produced from organic source gases
  369. and eventually react to give inorganic chlorine.
  370.  
  371. For example, the following is extracted from Tables II and III of
  372. [Zander et al. 1992]; they refer to 30 degrees N Latitude in 1985.
  373. I have rearranged the tables and rounded some of the numbers, and
  374. the arithmetic in the second table is my own.
  375.  
  376.    Organic Chlorine and Intermediates, Mixing ratios in ppbv
  377.  
  378. Alt.,  CH3Cl CCl4 CCl2F2 CCl3F CHClF2 CH3CCl3 C2F3Cl3  ||  COFCl
  379. km
  380. 12.5  .580  .100  .310  .205  .066     .096    .021    ||  .004
  381. 15    .515  .085  .313  .190  .066     .084    .019    ||  .010
  382. 20    .350  .035  .300  .137  .061     .047    .013    ||  .035
  383. 25    .120   -    .175  .028  .053     .002    .004    ||  .077
  384. 30     -     -    .030   -    .042      -       -      ||  .029
  385. 40     -     -     -     -     -        -       -      ||   -
  386.  
  387.  
  388.      Inorganic Chlorine and Totals, Mixing ratios in ppbv
  389.  
  390. Alt., HCl  ClONO2   ClO  HOCl   ||   Total Cl,  Total Cl,  Total Cl
  391.                                 ||   Inorganic   Organic
  392. km                              ||
  393. 12.5   -     -       -     -    ||       -       2.63        2.63
  394. 15    .065   -       -     -    ||     0.065     2.50        2.56
  395. 20    .566  .212     -     -    ||     0.778     1.78        2.56
  396. 25   1.027  .849    .028  .032  ||     1.936     0.702       2.64
  397. 30   1.452 1.016    .107  .077  ||     2.652     0.131       2.78
  398. 40   2.213 0.010    .234  .142  ||     2.607       -         2.61
  399.  
  400. (I have included the intermediate COFCl in the Total Organic column.)
  401.  
  402. This is just an excerpt. The original tables give results every 2.5km 
  403. from 12.5 to 55km, together with a similar inventory for Fluorine.
  404. Standard errors on total Cl were estimated to be 0.02-0.04 ppbv.    
  405.  
  406. Notice that the _total_ chlorine at any altitude is nearly constant
  407. at ~2.5-2.8 ppbv. This is what we would expect if the sequence of
  408. reactions that leads from organic sources to inorganic reservoirs 
  409. was fast compared to vertical transport. Our picture, then, would be
  410. of a swarm of organic chlorine molecules slowly spreading upwards 
  411. through the stratosphere, being converted into inorganic reservoir
  412. molecules as they climb. In fact this oversimplifies things -
  413. photolysis pops off a single Cl atom which does reach its final
  414. destination quickly, but the remaining Cl atoms are removed by a
  415. sequence of slower reactions. Some of these reactions involve
  416. compounds, such as NOx, which are not well-mixed; moreover, 
  417. "horizontal" transport does not really take place along surfaces of 
  418. constant altitude, so chemistry and atmospheric dynamics are in fact 
  419. coupled together in a complicated way.  These are the sorts of issues 
  420. that are addressed in atmospheric models.  Nevertheless, this simple
  421. picture helps us to understand the qualitative trends, and 
  422. quantitative models confirm the conclusions [McElroy and Salawich].
  423.  
  424. We conclude that most of the inorganic chlorine in the stratosphere
  425. is _produced_ there, as the end product of photolysis of the organic
  426. chlorine compounds.
  427.  
  428. 2.7) What happens to the Fluorine from the CFC's?
  429.  
  430. Most of it ends up as Hydrogen Fluoride, HF. The total amount of HF
  431. in the stratosphere increased by a factor of 3-4 between 1978 and
  432. 1989 [Zander et al., 1990] [Rinsland et al.]; the relative increase 
  433. is larger for HF than for HCl (a factor of 2.2 over the same period)
  434. because the natural source, and hence the baseline concentration,
  435. is much smaller. For the same reason, the _ratio_ of HF to HCl has
  436. increased, from 0.14 in 1977 to 0.23 in 1990. The fluorine budget, 
  437. as a function of altitude, adds up in much the same way as the 
  438. chlorine budget. [Zander et al. 1992].
  439. There are some discrepancies in the lower stratosphere; model
  440. calculations predict _less_ HF than is actually observed.
  441.  
  442.  
  443. 2.8) Summary of the Evidence
  444.  
  445.  a. Inorganic chlorine, primarily of natural origin, is efficiently
  446.  removed from the troposphere; organic chlorine, primarily 
  447.  anthropogenic, is not, and in the upper troposphere organic 
  448.  chlorine dominates overwhelmingly.
  449.  
  450.  b. In the stratosphere, organic chlorine decreases with altitude, 
  451.  since at higher altitudes there is more short-wave UV available to
  452.  photolyze it. Inorganic chlorine _increases_ with altitude. 
  453.  At the bottom of the stratosphere essentially all of the chlorine
  454.  is organic, at the top it is all inorganic, and reaction 
  455.  intermediates are found at intermediate altitudes.
  456.  
  457.  c. Both HCl and HF in the stratosphere have been increasing steadily,         
  458.  in a correlated fashion, since they were first measured in the 1970's.
  459.  
  460.  
  461. 3.  BROMINE
  462.  
  463. 3.1) Is bromine important to the ozone destruction process?
  464.  
  465. Br is present in much smaller quantities than Cl, but it is
  466. much more destructive on a per-atom basis.  There is a large
  467. natural source; manmade compounds contribute about 40% of the total.
  468.  
  469. 3.2) How does bromine affect ozone?
  470.  
  471. Bromine concentrations in the stratosphere are ~150 times smaller
  472. than chlorine concentrations.  However, atom-for-atom Br is 10-100
  473. times as effective as Cl in destroying ozone.  (The reason for this
  474. is that there is no stable 'reservoir' for Br in the stratosphere
  475. - HBr and BrONO2 are very easily photolyzed so that nearly all of
  476. the Br is in a form that can react with ozone.  Contrariwise, F is
  477. innocuous in the stratosphere because its reservoir, HF, is
  478. extremely stable.) So, while Br is less important than Cl, it must
  479. still be taken into account.  Interestingly, the principal
  480. pathway by which Br destroys ozone also involves Cl: 
  481.  
  482.      BrO + ClO -> Br + Cl + O2
  483.      Br + O3 -> BrO + O2
  484.      Cl + O3 -> ClO + O2
  485.    ----------------------------------     
  486.    Net:    2 O3 -> 3 O2
  487.  
  488. [Wayne p. 164] [Solomon] 
  489.  
  490. so reducing stratospheric chlorine concentrations will, as a
  491. side-effect, slow down the bromine pathways as well.
  492.  
  493.  
  494. 3.3) Where does the bromine come from?
  495.  
  496. The largest source of stratospheric Bromine is methyl bromide,
  497. CH3Br.  Much of this is naturally produced in the oceans and in 
  498. wildfires [Mano and Andreae], but 30 - 60% is manmade [Khalil et al.] 
  499. It is widely used as a fumigant.
  500.  
  501. Another important source is the family of "halons", widely used in fire 
  502. extinguishers.  Like CFC's these compounds have long atmospheric 
  503. lifetimes (72 years for CF3Br) and very little is lost in the 
  504. troposphere.  [Wayne p. 167].  At the bottom of the stratosphere
  505. the total Br mixing ratio is ~20 parts-per-trillion (pptv), of which ~
  506. 8 pptv is manmade.  [AASE] Uncertainties in these numbers are relatively 
  507. larger than for Cl, because the absolute quantities are so much smaller, 
  508. and we should expect to see these estimates change. Halons have been 
  509. restricted under the Montreal Protocol, and regulations on methyl 
  510. bromide use are under consideration.
  511.  
  512.  
  513. 4. COMMONLY ENCOUNTERED OBJECTIONS
  514.  
  515. 4.1) CFC's are 4-8 times heavier than air, so how can they reach
  516.  the stratosphere?
  517.  
  518.  This is answered in Part I of this FAQ, section 1.3. Briefly,
  519.  atmospheric gases do not segragate by weight in the troposphere
  520.  and the stratosphere, because the mixing mechanisms (convection,
  521.  "eddy diffusion") do not distinguish molecular masses. 
  522.  
  523. 4.2) CFCs are produced in the Northern Hemisphere, so how do they get
  524.  down to the Antarctic?
  525.  
  526. Vertical transport into and within the stratosphere is slow.  It
  527. takes more than 5 years for a CFC molecule released at sea level to
  528. rise high enough in the stratosphere to be photolyzed.  North-South
  529. transport, in both troposphere and stratosphere, is faster - there is 
  530. a bottleneck in the tropics (it can take a year or two to get across
  531. the equator) but there is still plenty of time.  CFC's are distributed 
  532. almost uniformly as a function of latitude, with a gradient of ~10%
  533. from Northern to Southern Hemispheres. [Singh et al.]. [Elkins et al.]
  534.  
  535. 4.3) Sea salt puts more chlorine into the atmosphere than CFC's.
  536.  
  537. True, but not relevant because this chlorine is in a form (HCl) that
  538. is rapidly removed from the troposphere. Even at sea level there is
  539. more chlorine present in organic compounds than in HCl, and in the
  540. upper troposphere and lower stratosphere organic chlorine dominates 
  541. overwhelmingly. See section 2.1 above.
  542.  
  543. 4.4) Volcanoes put more chlorine into the stratosphere than CFC's.
  544.  
  545. Short Reply: False. Volcanoes account for at most a few percent 
  546. of the chlorine in the stratosphere.
  547.  
  548. Long reply:  This is one of the most persistent myths in this
  549. area. As is so often the case, there is a seed of truth at the
  550. root of the myth.  Volcanic gases are rich in Hydrogen Chloride, HCl. 
  551. As we have discussed, this gas is very soluble in water and is 
  552. removed from the troposphere on a time scale of 1-7 days, so we can
  553. dismiss quietly simmering volcanoes as a stratospheric source, just 
  554. as we can neglect sea salt and other natural sources of HCl. (In fact
  555. tropospheric HCl from volcanoes is neglible compared to HCl from
  556. sea salt.) However, we cannot use this argument to dismiss MAJOR
  557. volcanic eruptions, which can in principle inject HCl directly into
  558. the middle stratosphere.
  559.  
  560. What is a "major" eruption?  There is a sort of "Richter scale" for
  561. volcanic eruptions, the so-called "Volcanic explosivity index" or
  562. VEI.  Like the Richter scale it is logarithmic; an eruption with a
  563. VEI of 5 is ten times "bigger" than one with a VEI of 4. To give a
  564. sense of magnitude, I list below the VEI for some familiar recent
  565. and historic eruptions:
  566.  
  567. Eruption           VEI             Stratospheric Aerosol,
  568.                                    Megatons (Mt)
  569.  
  570. Kilauea             0-1            -
  571. Erebus, 1976-84     1-2            -
  572. Augustine, 1976     4              0.6 
  573. St Helen's, 1980    5 (barely)     0.55 
  574. El Chichon, 1982    5              12
  575. Pinatubo, 1991      5-6            20 - 30
  576. Krakatau, 1883      6              50 (est.)
  577. Tambora, 1815       7              80-200 (est.)
  578.  
  579. [Smithsonian] [Symonds et al.] [Sigurdsson] [Pinatubo] [WMO 1988]
  580. [Bluth et al.] 
  581.  
  582. Roughly speaking, an eruption with VEI>3 can penetrate the
  583. stratosphere. An eruption with VEI>5 can send a plume up to 25km,
  584. in the middle of the ozone layer. Such eruptions occur about once
  585. a decade. Since the VEI is not designed specifically to measure a
  586. volcano's impact on the stratosphere, I have also listed the total
  587. mass of stratospheric aerosols (mostly sulfates) produced by the
  588. eruption. (Note that St. Helens produced much less aerosol than El
  589. Chichon - you may remember that St. Helens blew out sideways, dumping
  590. a large ash cloud over eastern Washington, rather than ejecting its
  591. gases into the stratosphere.) Passively degassing volcanoes such as 
  592. Kilauea and Erebus are far too weak to penetrate the stratosphere, but 
  593. explosive eruptions like El Chichon and Pinatubo need to be considered 
  594. in detail. 
  595.  
  596. Before 1982, there were no direct measurements of the amount of HCl
  597. that an explosive eruption put into the stratosphere.  There were,
  598. however, estimates of the _total_ chlorine production from an
  599. eruption, based upon such geophysical techniques as analysis of
  600. glass inclusions trapped in volcanic rocks.  [Cadle] [Johnston]
  601. [Sigurdsson] [Symonds et al.] There was much debate
  602. about how much of the emitted chlorine reached the stratosphere;
  603. estimates ranged from < 0.03 Mt/year [Cadle] to 0.1-1.0 Mt/year
  604. [Symonds et al.].  During the 1980's emissions of CFC's and related
  605. compounds contributed >1.2 Mt of chlorine per year to the
  606. atmosphere. [Prather et al.] This results in an annual flux of >0.3
  607. Mt/yr of chlorine into the stratosphere. The _highest_ estimates
  608. ofvolcanic emissions - upper limits calculated by assuming that
  609. _all_ of the HCl from a major eruption reached and stayed in the
  610. stratosphere - were thus of the same order of magnitude as human
  611. sources.  (There is NO support whatsoever for the claim - found in
  612. Dixy Lee Ray's _Trashing the Planet_  - that a _single_ recent
  613. eruption produced ~500 times as much chlorine as a year's worth of
  614. CFC production. This wildly inaccurate number appears to have arisen
  615. from an editorial mistake in a scientific encyclopedia.)
  616.  
  617. It is very difficult to reconcile these upper limits with the
  618. altitude and time-dependence of stratospheric HCl. The volcanic
  619. contribution to the upper stratosphere should come in sudden bursts
  620. following major eruptions, and it should initially be largest in
  621. the vicinity of the volcanic plume. Since vertical transport in the
  622. stratosphere is slow, one would expect to see the altitude profile
  623. change abruptly after a major eruption, whereas it has maintained
  624. more-or-less the same shape since it was first measured in 1975. 
  625. One would also not expect a strong correlation between HCl and
  626. organochlorine compounds if volcanic injection were contributing
  627. ~50% of the total HCl.  If half of the HCl has an inorganic origin,
  628. where is all that _organic_ chlorine going? 
  629.  
  630. The issue has now been largely resolved by _direct_ measurements of
  631. the stratospheric HCl produced by El Chichon, the most important
  632. eruption of the 1980's, and Pinatubo, the largest since 1912. It
  633. was found that El Chichon injected *0.04* Mt of HCl [Mankin
  634. and Coffey].  The much bigger eruption of Pinatubo produced less
  635. [Mankin, Coffey and Goldman], - in fact the authors were not sure
  636. that they had measured _any_ significant increase. Analysis of
  637. ice cores leads to similar conclusions for historic eruptions
  638. [Delmas]. The ice cores show significantly enhanced levels of
  639. sulfur following major historic eruptions, but no enhancement in
  640. chlorine, showing that the chlorine produced in the eruption did
  641. not survive long enough to be transported to polar regions. It is
  642. clear, then, that even though major eruptions produce large amounts
  643. of chlorine in the form of HCl, most of that HCl either never
  644. enters the stratosphere, or is very rapidly removed from it.
  645.  
  646. Recent model calculations [Pinto et al.] [Tabazadeh and Turco]
  647. have clarified the physics involved.  A volcanic plume contains
  648. approximately 1000 times as much water vapor as HCl. As the plume
  649. rises and cools the water condenses, capturing the HCl as it does
  650. so and returning it to the earth in the extensive rain showers that
  651. typically follow major eruptions. HCl can also be removed if it
  652. is adsorbed on ice or ash particles. Model calculations show that
  653. more than 99% of the HCl is removed by these processes, in good
  654. agreement with observations.
  655.  
  656. ------------------------------------------------------------------
  657. In summary:
  658.  
  659.  * Older indirect _estimates_ of the contribution of volcanic
  660.    eruptions to stratospheric chlorine gave results that ranged  
  661.    from much less than anthropogenic to somewhat larger than 
  662.    anthropogenic. It is difficult to reconcile the larger estimates 
  663.    with the altitude distribution of inorganic chlorine in the 
  664.    stratosphere, or its steady increase over the past 20 years.  
  665.    Nevertheless, these estimates raised an important scientific 
  666.    question that needed to be resolved by _direct_ measurements 
  667.    in the stratosphere. 
  668.  
  669.  * Direct measurements on El Chichon, the largest eruption of
  670.    the 1980's, and on Pinatubo, the largest since 1912, show
  671.    that the volcanic contribution is small. 
  672.  
  673.  * Claims that volcanoes produce more stratospheric chlorine than
  674.    human activity arise from the careless use of old scientific
  675.    estimates that have since been refuted by observation.
  676.  
  677.  * Claims that a single recent eruption injected ~500 times a year's 
  678.    CFC production into the stratosphere have no scientific basis
  679.    whatsoever.
  680.  
  681. ---------------------------------------------------------------
  682.  
  683. To conclude, we need to say something about Mt. Erebus.  In an
  684. article in _21st Century_ (July/August 1989), Rogelio Maduro
  685. claimed that this Antarctic volcano has been erupting constantly
  686. for the last 100 years, emitting more than 1000 tons of chlorine
  687. per day. This claim was repeated in Dixy Lee Ray's books.
  688. "21st Century" is published by Lyndon LaRouche's political
  689. eps a low profile
  690. in the magazine.  Mt. Erebus has in fact been simmering quietly for
  691. over a century but the estimate of 1000 tons/day of HCl only applied
  692. to an especially active period between 1976 and 1983.  Moreover that 
  693. estimate [Kyle et al.] has been since been reduced to 167 tons/day
  694. (0.0609 Mt/year). By late 1984 emissions had dropped by an order of 
  695. magnitude, and have remained at low levels since; HCl emissions
  696.  _at the crater rim_ were 19 tons/day (0.007 Mt/year) in 1986, 
  697. and 36 tons/day (0.013 Mt/year) in 1991. [Zreda-Gostynska et al.] 
  698. Since this is a passively degassing volcano (VEI=1-2 in the active 
  699. period), very little of this HCl reaches the stratosphere. The
  700. Erebus plume never rises more than 0.5 km above the volcano, 
  701. and in fact the gas usually just oozes over the crater rim. Indeed, 
  702. one purpose of the measurements of Kyle et al. was to explain high 
  703. Cl concentrations in Antarctic snow. The only places where I have 
  704. ever seen Erebus described as a source of stratospheric chlorine is 
  705. in LaRouchian publications and in articles and books that,
  706. incredibly, consider such documents to be reliable sources.
  707.  
  708. 4.5) Space shuttles put a lot of chlorine into the stratosphere.
  709.  
  710. Simply false. In the early 1970's, when very little was known about
  711. the role of chlorine radicals in ozone depletion, it was suggested
  712. that HCl from solid rocket motors might have a significant effect
  713. upon the ozone layer -  if not globally, perhaps in the immediate
  714. vicinity of the launch. It was immediately shown that the effect
  715. was negligible, and this has been repeatedly demonstrated since.
  716. Each shuttle launch produces about  68 metric tons of chlorine as
  717. HCl; a full year's worth of shuttle and solid rocket launches
  718. produces about 725 tons. This is negligible compared to chlorine
  719. emissions in the form of CFC's and related compounds (1.2 million 
  720. tons/yr in the 1980's, of which ~0.3 Mt reach the stratosphere each
  721. year). It is also negligible in comparison to natural sources, which 
  722. produce about 75,000 tons per year. [Prather et al.] [WMO 1991].
  723.  
  724. See also the sci.space FAQ, Part 10, "Controversial Questions".
  725.  
  726.  
  727. 5.  REFERENCES FOR PART II
  728.  
  729. A remark on references: they are neither representative nor
  730. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  731. problems. For the most part I have limited myself to papers that
  732. are (1) widely available (if possible, _Science_ or _Nature_ rather
  733. than archival sources such as _J. Geophys. Res._) and (2) directly
  734. related to the "frequently asked questions".  (In this part, I have
  735. had to refer to archival journals more often than I would have
  736. liked, since in many cases that is the only place where the
  737. question is addressed in satisfactory detail.) Readers who want to
  738. see "who did what" should consult the review articles listed below,
  739. or, if they can get them, the extensively documented WMO reports.
  740.  
  741.  
  742. Introductory Reading:
  743.  
  744. [Graedel and Crutzen] T. E. Graedel and P. J. Crutzen,
  745.  _Atmospheric Change: an Earth System Perspective_, Freeman, 1993.
  746.  
  747. [Rowland 1989] F. S. Rowland, "Chlorofluorocarbons and the
  748. depletion of stratospheric ozone", _Am. Sci._ _77_, 36, 1989.
  749.  
  750. --------------------------------
  751. Books and Review Articles:
  752.  
  753. [Brasseur and Solomon] G. Brasseur and S. Solomon, _Aeronomy of 
  754. the Middle Atmosphere_, 2nd Edition, D. Reidel, 1986.
  755.  
  756. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich, "Changing
  757. Composition of the Global Stratosphere", _Science_ _243, 763, 1989.
  758.  
  759. [Rowland 1991] F. S. Rowland, "Stratospheric Ozone Depletion",
  760. _Ann. Rev. Phys. Chem._ _42_, 731, 1991.
  761.  
  762. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative
  763.  understanding of Antarctic ozone depletion",
  764.  _Nature_ _347_, 347, 1990.
  765.  
  766. [Wallace and Hobbs] J. M. Wallace and P. V. Hobbs,
  767. _Atmospheric Science: an Introductory Survey_, Academic Press, 1977.
  768.  
  769. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 
  770.         2nd.  Ed., Oxford, 1991.
  771.  
  772. [WMO 1988] World Meteorological Organization, 
  773. _Report of the International Ozone Trends Panel_, Report # 18
  774.  
  775. [WMO 1991] World Meteorological Organization, 
  776. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991_, Report # 25 
  777. -----------------------------
  778.  
  779. More specialized articles:
  780.  
  781. [AASE] End of Mission Statement, second airborne arctic
  782. stratospheric expedition, NASA 30 April 1992.
  783.  
  784. [Bluth et al.] G. J. S. Bluth, C. C. Schnetzler, A. J. Krueger,
  785. and L. S. Walter, "The contribution of explosive volcanism to
  786. global atmospheric sulphur dioxide concentrations",
  787.  _Nature_ _366_, 327, 1993.
  788.  
  789. [Cadle] R. Cadle, "Volcanic emissions of halides and sulfur
  790. compounds to the troposphere and stratosphere", J. Geophys. Res. 
  791. _80_, 1651, 1975]
  792.  
  793. [Delmas] R. J. Delmas, "Environmental Information from Ice Cores",
  794. _Reviews of Geophysics_ _30_, 1, 1992.
  795.  
  796. [Elkins et al.] J. W. Elkins, T. M. Thompson, T. H. Swanson,
  797. J. H. Butler, B. D. Hall, S. O. Cummings, D. A. Fisher, and 
  798. A. G. Raffo, "Decrease in Growth Rates of Atmospheric 
  799. Chlorofluorocarbons 11 and 12", _Nature_ _364_, 780, 1993.
  800.  
  801. [Eyre and Roscoe] J. Eyre and H. Roscoe, "Radiometric measurement
  802. of stratospheric HCl", _Nature_ _266_, 243, 1977.
  803.  
  804. [Fabian et al. 1979] P. Fabian, R. Borchers, K.H. Weiler, U.
  805. Schmidt, A. Volz, D.H. Erhalt, W. Seiler, and F. Mueller,
  806. "Simultaneously measured vertical profile of H2, CH4, CO, N2O,
  807. CFCl3, and CF2Cl2 in the mid-latitude stratosphere and
  808. troposphere", J. Geophys. Res.  _84_, 3149, 1979.
  809.  
  810. [Fabian et al. 1981] P. Fabian, R. Borchers, S.A. Penkett, and
  811. N.J.D. Prosser, "Halocarbons in the Stratosphere", _Nature_ _294_,
  812. 733, 1981.
  813.  
  814. [Farmer et al.] C.B. Farmer, O.F. Raper, and R.H. Norton,
  815. "Spectroscopic detection and vertical distribution of HCl in the
  816. troposphere and stratosphere", Geophys. Res. Lett. _3_, 13, 1975.
  817.  
  818. [Harris et al.] G.W. Harris, D. Klemp, and T. Zenker, 
  819. "An Upper Limit on the HCl near-surface mixing ratio over the
  820. Atlantic", J. Atmos. Chem. _15_, 327, 1992.  
  821.  
  822. [Johnston] D. Johnston, "Volcanic contribution of chlorine to the
  823.  stratosphere: more significant to ozone than previously
  824. estimated?" _Science_ _209_, 491, 1980.
  825.  
  826. [Khalil et al.] M.A.K. Khalil, R. Rasmussen, and R. Gunawardena, 
  827. "Atmospheric Methyl Bromide: Trends and Global Mass Balance"
  828.  J. Geophys. Res. _98_, 2887, 1993.
  829.  
  830. [Kyle et al.] P.R. Kyle, K. Meeker, and D. Finnegan, 
  831. "Emission rates of sulfur dioxide, trace gases, and metals from 
  832.  Mount Erebus, Antarctica", _Geophys. Res. Lett._ _17_, 2125, 1990.
  833.  
  834. [Mankin and Coffey] W. Mankin and M. Coffey, "Increased
  835. stratospheric hydrogen chloride in the El Chichon cloud",
  836. _Science_ _226_, 170, 1983.
  837.  
  838. [Mankin, Coffey and Goldman] W. Mankin, M. Coffey and A. Goldman, 
  839. "Airborne observations of SO2, HCl, and O3 in the stratospheric
  840. plume of the Pinatubo volcano in July 1991", Geophys. Res. Lett.
  841. _19_, 179, 1992.
  842.  
  843. [Mano and Andreae] S. Mano and M. O. Andreae, "Emission of Methyl
  844. Bromide from Biomass Burning", _Science_ _263_, 1255, 1994.
  845.  
  846. [Penkett et al.] S.A. Penkett, R.G. Derwent, P. Fabian, R.
  847. Borchers, and U. Schmidt, "Methyl Chloride in the Stratosphere",
  848. _Nature_ _283_, 58, 1980.
  849.  
  850. [Pinatubo] Special Mt. Pinatubo issue, Geophys. Res. Lett. _19_,
  851. #2, 1992. 
  852.  
  853. [Pinto et al.] J. Pinto, R. Turco, and O. Toon, "Self-limiting
  854. physical and chemical effects in volcanic eruption clouds", 
  855.  J. Geophys. Res. _94_, 11165, 1989.
  856.  
  857. [Prather et al. ] M. J. Prather, M.M. Garcia, A.R. Douglass, C.H.
  858. Jackman, M.K.W. Ko, and N.D. Sze, "The Space Shuttle's impact on
  859. the stratosphere", J. Geophys. Res. _95_, 18583, 1990.
  860.  
  861. [Sigurdsson] H. Sigurdsson, "Evidence of volcanic loading of the 
  862.  atmosphere and climate response",  _Palaeogeography,
  863. Palaeoclimatology, Palaeoecology_ _89_, 277 (1989).
  864.  
  865. [Rinsland et al.] C. P. Rinsland, J. S. Levine, A. Goldman, 
  866. N. D. Sze, . K. W. Ko, and D. W. Johnson, "Infrared measurements 
  867. of HF and HCl total column abundances above Kitt Peak, 1977-1990: 
  868. Seasonal cycles, long-term increases, and comparisons with model 
  869. calculations", J. Geophys. Res. _96_, 15523, 1991.
  870.  
  871. [Singh et al.] H. Singh, L. Salas, H. Shigeishi, and E. Scribner,
  872. "Atmospheric Halocarbons, hydrocarbons, and sulfur hexafluoride
  873. global distributions, sources, and sinks", _Science_ _203_, 899, 1974.         
  874.  
  875. [Smitobal Volcanism:1975-85_, p 14.
  876.  
  877. [Symonds et al.] R. B. Symonds, W. I. Rose, and M. H. Reed, 
  878. "Contribution of Cl and F-bearing gases to the atmosphere by
  879. volcanoes", _Nature_ _334_, 415 1988.  
  880.  
  881. [Tabazadeh and Turco] A. Tabazadeh and R. P. Turco, "Stratospheric
  882. Chlorine Injection by Volcanic Eruptions: HCl Scavenging and
  883. Implications for Ozone", _Science_ _260_, 1082, 1993. 
  884.  
  885. [Vierkorn-Rudolf et al.] B. Vierkorn-Rudolf. K. Bachmann, B.
  886. Schwartz, and F.X. Meixner, "Vertical Profile of Hydrogen Chloride
  887. in the Troposphere", J. Atmos. Chem.  _2_, 47, 1984.
  888.  
  889. [Zander et al. 1987] R. Zander, C. P. Rinsland, C. B. Farmer, and
  890. R. H. Norton, "Infrared Spectroscopic measurements of halogenated
  891. source gases in the stratosphere with the ATMOS instrument", J.
  892. Geophys. Res. _92_, 9836, 1987.
  893.  
  894. [Zander et al. 1990] R. Zander, M.R. Gunson, J.C. Foster, C.P.
  895. Rinsland, and J. Namkung, "Stratospheric ClONO2, HCl, and HF
  896. concentration profiles derived from ATMOS/Spacelab 3 observations
  897. - an update", J. Geophys. Res.  _95_, 20519, 1990.
  898.  
  899. [Zander et al. 1992] R. Zander, M. R. Gunson, C. B. Farmer, C. P.
  900. Rinsland, F. W. Irion, and E. Mahieu, "The 1985 chlorine and
  901. fluorine inventories in the stratosphere based on ATMOS observations
  902. at 30 degrees North latitude",  J. Atmos. Chem. _15_, 171, 1992.
  903.  
  904. [Zreda-Gostynska et al.] G. Zreda-Gostynska, P. R. Kyle, and
  905. D. L. Finnegan, "Chlorine, Fluorine and Sulfur Emissions from
  906. Mt. Erebus, Antarctica and estimated contribution to the antarctic
  907. atmosphere", _Geophys. Res. Lett._ _20_, 1959, 1993.
  908.  
  909.  
  910.  
  911.  
  912.  
  913.