home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Usenet 1994 January / usenetsourcesnewsgroupsinfomagicjanuary1994.iso / answers / ozone-depletion / intro < prev    next >
Text File  |  1993-12-20  |  43KB  |  896 lines

  1. Newsgroups: sci.environment,sci.answers,news.answers
  2. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!nic.hookup.net!europa.eng.gtefsd.com!uunet!boulder!cnsnews!rintintin.Colorado.EDU!rparson
  3. From: rparson@rintintin.colorado.edu (Robert Parson)
  4. Subject: Ozone Depletion FAQ Part I: Introduction to the Ozone Layer
  5. Message-ID: <rparson.756410648@rintintin.Colorado.EDU>
  6. Followup-To: sci.environment
  7. Summary: This is the first of four files dealing with stratospheric
  8.          ozone depletion. It provides scientific background for
  9.          the more detailed questions in the other three parts.
  10. Originator: rparson@rintintin.Colorado.EDU
  11. Keywords: ozone layer cfc stratosphere depletion
  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: Mon, 20 Dec 1993 18:04:08 GMT
  17. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  18. Lines: 875
  19. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.environment:38524 sci.answers:741 news.answers:16035
  20.  
  21. Archive-name: ozone-depletion/intro
  22. Last-modified: 20 December 1993
  23. Version: 3.21
  24.  
  25.  
  26.  This file is posted monthly, usually in the third week of the month.
  27.  It may be obtained by anonymous ftp from rtfm.mit.edu (18.70.0.209):
  28.  
  29.     /pub/usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  30.  
  31.  or from mail-server@rtfm.mit.edu by sending a
  32.  a mail message containing any or all of:
  33.  
  34.     send usenet/news.answers/ozone-depletion/intro
  35.  
  36.  If you want to find out more about the mail server, send a
  37.  message to it containing the word "help".
  38.                                                                     
  39.    
  40. ***********************************************************************
  41. * Copyright 1993 Robert Parson                                        *
  42. *                                                                     *
  43. * This file may be distributed, copied, and archived. All copies      *
  44. * must include this notice and the paragraph below entitled "Caveat". *
  45. * Reproduction and distribution for personal profit is not permitted. *
  46. * If this document is transmitted to other networks or stored         *
  47. * on an electronic archive, I ask that you inform me. I also request  *
  48. * that you inform me before including any of this information         *
  49. * in any publications of your own. Students should note that this     *
  50. * is _not_ a peer-reviewed publication and may not be acceptable as   *
  51. * a reference for school projects; it should instead be used as a     *
  52. * pointer to the published literature. In particular, all scientific  *
  53. * data, numerical estimates, etc. should be accompanied by a citation *
  54. * to the original published source, not to this document.             *
  55. ***********************************************************************
  56.  
  57.  
  58.  This is the first of four FAQ files dealing with stratospheric
  59. ozone depletion. This part deals with basic scientific questions 
  60. about the ozone layer, and serves as an introduction to the
  61. the remaining parts which are more specialized. Part II deals
  62. deals with sources of stratospheric chlorine and bromine,
  63. part III with the Antarctic Ozone Hole, and Part IV with
  64. the properties and effects of ultraviolet radiation. I emphasize
  65. physical and chemical mechanisms rather than biological effects, 
  66. although I make a few remarks about the latter in part IV. For
  67. completeness, some questions have been included in more than
  68. one part.
  69.  
  70. The overall approach I take is conservative. I concentrate on what
  71. is known and on most probable, rather than worst-case, scenarios.
  72. For  example, I have relatively little to say about the effects
  73. of UV radiation on terrestrial plants - this does not mean that the
  74. effects are small, it  means that they are as yet not well
  75. quantified (and moreover, I am not well qualified to interpret the
  76. literature.)  Policy decisions must take into account not only the
  77. most probable scenario, but also a range of less probable ones.
  78. There have been surprises, mostly unpleasant, in this field in the
  79. past, and there are sure to be more in the future.
  80.  
  81. | _Caveat_: I am not a specialist. In fact, I am not an atmospheric
  82. | chemist at all - I am a physical chemist studying gas-phase
  83. | reactions who talks to atmospheric chemists. These files are an
  84. | outgrowth of my own efforts to educate myself about this subject
  85. | I have discussed some of these issues with specialists but I am
  86. | solely responsible for everything written here, including all errors.
  87. | This document should not be cited in publications off the net;
  88. | rather, it should be used as a pointer to the published literature.
  89.  
  90. *** Corrections and comments are welcomed. 
  91.  
  92. - Robert Parson
  93.   Associate Professor
  94.   Department of Chemistry and Biochemistry
  95.   University of Colorado (for which I do not speak)
  96.  
  97.   rparson@rintintin.colorado.edu
  98.   parson_r@cubldr.colorado.edu
  99.  
  100.  
  101. CONTENTS
  102.  
  103. 1.  THE STRATOSPHERE
  104.  
  105.  1.1) What is the stratosphere?
  106.  1.2) How is the composition of air described?
  107.  
  108. 2.  THE OZONE LAYER
  109.                 
  110.  2.1) How is ozone created?
  111.  2.2) How much ozone is in the ozone layer, 
  112.       and what is a "Dobson Unit"?
  113.  2.3) What is the concentration of ozone in the stratosphere?
  114.  2.4) How does the ozone layer work?
  115.  2.5) What sorts of natural variations does the ozone layer show? 
  116.  2.6) What are CFC's?  [See Part II for more detail]
  117.  2.7) How do CFC's destroy ozone? 
  118.  2.8) What about HCFC's and HFCs? Do they destroy ozone?
  119.  2.9) *IS* the ozone layer getting thinner (outside antarctica) ? 
  120.  2.10) Is middle-latitude ozone loss due to CFC emissions?
  121.  2.11) Do Space Shuttle launches damage the ozone layer?
  122.  2.12) Will commercial supersonic aircraft damage the ozone layer?
  123.  2.13) What is being done about ozone depletion, and what can we  
  124.        expect to see?
  125.  
  126. 3. REFERENCES 
  127. _________________________________________________________________
  128.  
  129.  
  130. 1.  THE STRATOSPHERE
  131.  
  132. 1.1) What is the stratosphere?
  133.  
  134. The stratosphere extends from about 15 km to 50 km. In the
  135. stratosphere temperature _increases_ with altitude, due to the
  136. absorption of UV light by oxygen and ozone.  This creates a global
  137. "inversion layer"  which impedes vertical motion into and within 
  138. the stratosphere.  The word "stratosphere" is related to the word
  139. "stratification" or layering.
  140.  
  141. The stratosphere is often compared to the "troposphere", which is
  142. the atmosphere below about 15 km.  The precise location of the
  143. boundary between these regions, called the tropopause, varies
  144. between ~10 and ~17 km, depending upon latitude and season. The
  145. prefix "tropo" refers to change:  the troposphere is the part of
  146. the atmosphere in which weather occurs.  This results in relatively
  147. rapid mixing of tropospheric air. [Wayne] [Wallace and Hobbs]
  148.  
  149.  
  150. 1.2) How is the composition of air described? 
  151.     (What is a 'mixing ratio'?)
  152.  
  153. The density of the air in the atmosphere depends upon altitude, and
  154. in a complicated way because the temperature also varies with
  155. altitude.  It is therefore awkward to report concentrations of
  156. atmospheric species in units like g/cc or molecules/cc.  Instead,
  157. it is convenient to report the fraction of molecules - the
  158. number of molecules of a given component in a small volume,
  159. relative to the total number of molecules in that volume. Chemists
  160. usually call this a mole fraction, but atmospheric scientists have
  161. taken to calling it a "mixing ratio".  Typical units for trace
  162. species are parts-per-billion by volume (ppbv). ( 'By volume' 
  163. reflects "Avogadro's Law": for an ideal gas mixture, equal volumes 
  164. contain equal numbers of molecules.) [Wayne] [Graedel and Crutzen]
  165.  
  166.  
  167. 2. THE OZONE LAYER
  168.  
  169. 2.1) How is ozone created?
  170.  
  171.  Ozone is formed naturally in the upper stratosphere by
  172. short-wavelength UV radiation. Wavelengths less than ~240
  173. nanometers  are absorbed by oxygen  molecules, which dissociate to
  174. give O atoms. The O atoms combine with other O2  molecules to form
  175. ozone: 
  176.  
  177.  O2 + hv -> O + O  (wavelength < 240 nm)
  178.  O + O2 -> O3
  179.  
  180.  
  181. 2.2) How much ozone is in the ozone layer?
  182.       (What is a "Dobson Unit"?)
  183.  
  184.  A Dobson Unit (DU) is a convenient scale for measuring the total
  185. amount of ozone occupying a column overhead.  If the ozone layer
  186. over the US were compressed to 0 degrees Celsius and 1 atmosphere
  187. pressure, it would be about 3 mm thick. So, 0.01 mm thickness at 0
  188. C and 1 at is defined to be 1 DU; this makes the ozone layer over
  189. the US come out to ~300 DU. In absolute terms, 1 DU is about 2.7 x
  190. 10^16  molecules/cm^2. 
  191.  
  192. The unit is named after G.M.B. Dobson, who carried out pioneering 
  193. studies of atmospheric ozone between ~1920-1960. Dobson designed
  194. the standard instrument used to measure ozone from the ground. The
  195. Dobson spectrometer measures the intensity solar UV radiation at
  196. four wavelengths, two of which are absorbed by ozone and two of
  197. which are not. These instruments are still in use in many places,
  198. although they are gradually being replaced by the more elaborate
  199. Brewer spectrometers. Today ozone is measured in many ways, from
  200. aircraft, balloons, satellites, and space shuttle missions, but the
  201. worldwide Dobson network is the only source of long-term data. A
  202. station at Arosa in Switzerland has been measuring ozone since the
  203. 1920's, and some other stations have records that go back nearly as
  204. long (although many were interrupted during World War II). The 
  205. present worldwide network went into operation in 1956-57.
  206.  
  207.  
  208. 2.3) What is the concentration of ozone in the stratosphere?
  209.  
  210.  In absolute terms: about 10^12 molecules/cm^3 at 15 km, rising to
  211. nearly 10^13 at 25 km, then falling to 10^11 at 45 km.
  212.  
  213.  In relative terms: ~0.5 parts per million (ppmv) at 15 km, rising 
  214. to 8 ppmv at ~35 km, falling to ~3 ppmv at 45 km.
  215.  
  216.  Even in the thickest part of the layer, ozone is a trace gas.
  217.  
  218.  
  219. 2.4) How does the ozone layer work?
  220.  
  221.  UV light with wavelengths between 240 and 320 nm is absorbed by
  222. ozone, giving an O atom and and O2 molecule. The O atom soon
  223. encounters another O2 molecule, however (at all times,
  224. the concentration of O2 far exceeds that of O3), and recreates O3:
  225.  
  226.  O3 + hv -> O2 + O
  227.  O + O2 -> O3
  228.  
  229.  Thus _ozone absorbs UV radiation without itself being consumed_; 
  230. the net result is to convert UV light into heat. Indeed, this is
  231. what causes the temperature of the  stratosphere to increase with
  232. altitude, giving rise to the inversion layer that traps molecules 
  233. in the troposphere. The ozone layer isn't just _in_ the stratosphere;
  234. the ozone layer is responsible for the _existence_ of the stratosphere.
  235.  
  236. Ozone _is_ destroyed if an O atom and an O3 molecule meet:
  237.  
  238.  O + O3 -> 2 O2  ("recombination").
  239.  
  240. This reaction is slow, however, and if it were the only mechanism 
  241. for ozone loss, the ozone layer would be about twice as thick
  242. as it is. Certain trace species, such as the oxides of Nitrogen (NO
  243. and NO2), Hydrogen (H, OH, and HO2) and chlorine (Cl, ClO and ClO2)
  244. can catalyze the recombination.  The present ozone layer is a
  245. result of a competition between photolysis and recombination;
  246. increasing the recombination rate, by increasing the
  247. concentration of catalysts, results in a thinner ozone layer.
  248.  
  249. Putting the pieces together, we have the set of reactions proposed
  250. in the 1930's by Sidney Chapman:
  251.  
  252.  
  253.  O2 + hv -> O + O  (wavelength < 240 nm)  : creation of oxygen atoms
  254.  O + O2 -> O3                             : formation of ozone
  255.  O3 + hv -> O2 + O (wavelength < 320 nm)  : absorption of UV by ozone
  256.  O + O3 -> 2 O2                           : recombination .
  257.   
  258.  Since the photolysis of O2 requires UV radiation while
  259. recombination does not, one might guess that ozone should increase
  260. during the day and decrease at night. This has led some people to
  261. suggest that the "antarctic ozone hole" is merely a result of the
  262. long antarctic winter nights. This inference is incorrect, because
  263. the recombination  reaction requires oxygen atoms which are also
  264. produced by photolysis. Throughout the stratosphere the
  265. concentration of O atoms is orders of magnitude smaller than the
  266. concentration of O3 molecules, so _both_ the production and the
  267. destruction of ozone by the above mechanisms shut down at night. 
  268. In fact, the thickness of the ozone layer varies very little from
  269. day to night. 
  270.  
  271. (The unusual catalytic cycles that operate in the antarctic ozone 
  272. hole do not require O atoms; however, they still require light to
  273. operate because they also include photolytic steps).
  274.  
  275.  
  276. 2.5) What sorts of natural variations does the ozone layer show?
  277.  
  278.  There are substantial variations from place to place, and from
  279. season to season. There are smaller variations on time scales of
  280. years and more.
  281.  
  282.  a. Regional and Seasonal Variation
  283.  
  284.  Since solar radiation makes ozone, one expects to see the
  285. thickness of the ozone layer vary during the year. This is so,
  286. although the details do not depend simply upon the amount of solar
  287. radiation received at a given latitude and season - one must also
  288. take into account the dynamics of the atmosphere. (Remember that
  289. both production and destruction of ozone require solar radiation.)
  290.  
  291.  The ozone layer is thinnest in the tropics, about 260 DU, almost
  292. independent of season. Away from the tropics seasonal variations
  293. become important, but in no case (outside the Antarctic ozone hole)
  294. does the layer become appreciably thinner than in the tropics. For
  295. example:
  296.  
  297.     Location                          Column thickness, Dobson Units
  298.  
  299.                                         Jan     Apr     Jul     Oct
  300.  
  301.  Huancayo, Peru (12 degrees S) :        255     255     260     260
  302.  Aspendale, Aus. (38 degrees S):        300     280     335     360
  303.  Arosa, Switz.  (47 degrees N):         335     375     320     280
  304.  St. Petersburg, FSU (60 degrees N):    360     425     345     300
  305.  
  306.  These are monthly averages. Interannual standard deviations amount
  307. to ~5 DU for Huancayo, 25 DU for St. Petersburg. [Rowland 1991]. 
  308. Notice that the highest ozone levels are found in the _spring_, 
  309. not, as one might guess, in summer, and the lowest in the fall,
  310. not winter. Most of the ozone is created over the tropics, and then
  311. is carried to higher latitudes by prevailing winds (the general
  312. circulation of the stratosphere.) [Brasseur and Solomon]
  313.  
  314. The antarctic ozone hole, discussed in detail in Part III, falls
  315. far outside this range of natural variation. Mean October ozone
  316. at Halley Bay on the Antarctic coast was 117 DU in 1993, down 
  317. from 321 DU in 1956.
  318.  
  319.  
  320. b. Year-to-year variations.
  321.  
  322.  Since ozone is created by solar UV radiation, one expects to see
  323. some correlation with the 11-year solar sunspot cycle. Higher
  324. sunspot activity corresponds to more solar UV and hence more rapid
  325. ozone production. This correlation has been verified, although
  326. its effect is small, about 2% from peak to trough averaged over the
  327. earth, about 4% in polar regions. [Stolarski et al.]
  328.  
  329.  Another natural cycle is connected with the "quasibiennial 
  330. oscillation", in which tropical winds in the lower stratosphere
  331. switch from easterly to westerly every 26 months. This leads to
  332. variations of the order of 3% at a given latitude, although the
  333. effect tends to cancel when one averages over the entire globe.
  334.  
  335.  Episodes of unusual solar activity ("solar proton events") can
  336. also affect ozone levels, as can major volcanic eruptions such as
  337. Agung in 1963, El Chichon in 1982, and Pinatubo in 1991. (The
  338. principal mechanism for this is _not_ injection of chlorine into
  339. the stratosphere, as discussed in  Part II, but rather the
  340. injection of sulfate aerosols which change the radiation balance in
  341. the stratosphere by scattering light, and which convert
  342. inactive chlorine compounds to active, ozone-destroying forms.)
  343. These are all small effects, however, (a few % at most), and
  344. persist for short periods, 1-2 years or less.
  345.  
  346.  
  347.  2.6) What are CFC's?
  348.  
  349.  CFC's - ChloroFluoroCarbons - are a class of volatile organic 
  350. compounds that have been used as refrigerants, aerosol propellants,
  351. foam blowing agents, and as solvents in the electronic
  352. industry. They are chemically very unreactive, and hence safe to
  353. work with. In fact, they are so inert that the natural reagents
  354. that remove most atmospheric pollutants do not react with them, so
  355. after many years they drift up to the stratosphere where short-wave
  356. UV light dissociates them. CFC's were invented in the 1928, but
  357. only came into large-scale production after 1950. Since that year,
  358. the total amount of chlorine in the stratosphere has increased by
  359. a factor of 4. [Solomon] 
  360.  
  361. The most important CFC's for ozone depletion are:
  362.  
  363.   CF2Cl2 (CFC-12),
  364.   CFCl3 (CFC-11), and
  365.   CF2ClCFCl2 (CFC-113).
  366.  
  367.  In discussing ozone depletion, "CFC" is occasionally used to 
  368. refer to a somewhat broader class of chlorine-containing organic
  369. compounds that have similar properties - unreactive in the
  370. troposphere, but readily  photolyzed in the stratosphere. These
  371. include:
  372.  
  373.  HydroChloroFluoroCarbons such as CHClF2 (HCFC-22),
  374.  Carbon Tetrachloride, CCl4,
  375.  Methyl Chloroform, CH3CCl3,
  376.  and Methyl Chloride, CH3Cl.
  377.  
  378.  (The more careful publications always use phrases like "CFC's and
  379. related organochlorine compounds", but this gets tedious.)
  380.  
  381.  Only methyl chloride has a large natural source; it is produced 
  382. biologically in the oceans and chemically from biomass burning. 
  383. The CFC's and CCl4 are nearly inert in the troposphere, and have
  384. lifetimes of 50-200+ years.  Their major "sink" is photolysis by UV
  385. radiation. [Rowland 1989, 1991] The hydrogen-containing halocarbons
  386. are more reactive, and are removed in the troposphere by reactions
  387. with OH radicals. This process is slow, however, and they live long
  388. enough (1-20 years) for a large fraction to reach the stratosphere.
  389.  
  390.  Most of Part II is devoted to stratospheric chlorine chemistry;
  391. look there for more detail.
  392.  
  393.  
  394. 2.7) How do CFC's destroy ozone?
  395.  
  396.  CFC's themselves do not destroy ozone; certain of their decay
  397. products do.  After CFC's are photolyzed, most of the chlorine
  398. eventually ends up as Hydrogen Chloride, HCl, or Chlorine Nitrate,
  399. ClONO2. These are called "reservoir species" - they do not
  400. themselves react with ozone. However, they do decompose to some
  401. extent, giving, among other things, a small amount of atomic
  402. chlorine, Cl, and Chlorine Monoxide, ClO, which can catalyze the 
  403. destruction of ozone by a number of mechanisms. The simplest is:
  404.  
  405.   Cl + O3 -> ClO + O2  
  406.  
  407.   ClO + O -> Cl + O2 
  408.  
  409.  Net effect: O3 + O -> 2 O2  
  410.  
  411.  
  412.  Note that the Cl atom is a _catalyst_ - it is not consumed by the 
  413. reaction. Each Cl atom introduced into the stratosphere can
  414. destroy tens of thousands of ozone molecules before it is removed.
  415. The process is even more dramatic for Bromine - it has no stable
  416. "reservoirs", so the Br atom is always available to destroy ozone.
  417. Each Br atom can destroy _millions_ of ozone molecules before it is
  418. removed. On the other hand, chlorine and bromine concentrations  in
  419. the stratosphere are very small in absolute terms. The mixing ratio
  420. of chlorine from all sources in the stratosphere is about 3 parts
  421. per billion, (most of which is in the form of CFC's that have not
  422. yet fully decomposed) whereas ozone mixing ratios are measured in
  423. parts per million.  Bromine concentrations are about 100 times
  424. smaller still. (See Part II.)
  425.  
  426.  The complete chemistry is very complicated - more than 100
  427. distinct species are involved. The rate of ozone destruction at any 
  428. given time and place depends strongly upon how much Cl is present
  429. as Cl or ClO, and thus upon the rate at which Cl is released from
  430. its reservoirs.  This makes quantitative _predictions_ of future
  431. ozone depletion difficult. [Rowland 1989, 1991] [Wayne]
  432.  
  433.  
  434. 2.8) What about HCFC's and HFC's? Do they destroy ozone?
  435.  
  436.  HCFC's (hydrochlorofluorocarbons) differ from CFC's in that only
  437. some, rather than all, of the hydrogen in the parent hydrocarbon
  438. has been replaced by chlorine or fluorine. The most familiar
  439. example is CHClF2, known as "HCFC-22", used as a refrigerant and 
  440. in many home air conditioners (auto air conditioners use CFC-12). 
  441. The hydrogen atom makes the molecule susceptible to attack by the
  442. hydroxyl (OH) radical, so a large fraction of the HCFC's are
  443. destroyed before they reach the stratosphere. Molecule for
  444. molecule, then, HCFC's destroy much less ozone than CFC's, and 
  445. they were suggested as CFC substitutes as long ago as 1976. 
  446.  
  447. The impact of a compound on stratospheric ozone is usually
  448. measured by its "ozone depletion potential", defined as the
  449. steady-state limit of the amount of ozone destroyed by the
  450. halocarbon, relative to the amount destroyed by CFC-12. HCFC's
  451. generally have ozone depletion potentials around 0.01-0.1, so that
  452. in the long time limit a typical HCFC will have destroyed 1-10% as
  453. much ozone as CFC-12. This measure can sometimes be misleading,
  454. however. Since the HCFC's are more reactive in the troposphere,
  455. fewer of them reach the stratosphere. However, they are also more
  456. reactive in the stratosphere, so they release their chlorine more
  457. quickly. Just as short-lived radioisotopes are more intensely 
  458. radioactive than long-lived ones, those HCFC's that do reach the
  459. stratosphere deplete ozone more quickly than CFC's. The short-term 
  460. effects are therefore larger than one would predict from the ozone 
  461. depletion potential alone, and the long-term effects correspondingly 
  462. smaller. This must be taken into account when substituting HCFC's 
  463. for CFC's. [Solomon and Albritton]
  464.  
  465.  HFC's, hydrofluorocarbons, contain no chlorine at all, and hence
  466. have an ozone depletion potential of zero. The most familiar
  467. example is CF3CH2F, known as HFC-134a, which is being used in some
  468. automobile air conditioners and refrigerators. HFC-134a is more
  469. expensive and more difficult to work with than CFC's, and while it
  470. has no effect on stratospheric ozone it is a greenhouse gas (though
  471. somewhat less potent than the CFC's). Some engineers have argued that
  472. non-CFC fluids, such as propane-isobutane mixtures, are better 
  473. substitutes for CFC-12 in auto air conditioners than HFC-134a. 
  474.  
  475.  
  476. 2.9) *IS* the ozone layer getting thinner (outside antarctica) ?
  477.  
  478.  So it seems, although so far the effects are small. After
  479. carefully accounting for all of the known natural variations, a
  480. net decrease of about 3% per decade for the period 1978-1991
  481. remains.  This is a global average over latitudes from 66 degrees
  482. S to 66 degrees N (i.e. the arctic and antarctic are _excluded_ in
  483. calculating the average). The depletion increases with latitude,
  484. being somewhat larger in the Southern Hemisphere. There is no
  485. significant depletion in the tropics; over the US, Europe, and
  486. Australia 4%/decade is typical. The depletion is larger in the
  487. winter months, smaller  in the summer. [Stolarski et al.] 
  488.  
  489.  The following table, extracted from a much more detailed one in
  490. [Herman et al.], illustrates the seasonal and regional trends in
  491. _percent per decade_ for the period 1979-1990:
  492.  
  493.  Latitude      Jan     Apr     Jul     Oct      Example
  494.  
  495.   65 N        -3.0    -6.6    -3.8    -5.6      Iceland
  496.   55 N        -4.6    -6.7    -3.1    -4.4      Moscow, Russia
  497.   45 N        -7.0    -6.8    -2.4    -3.1      Minneapolis, USA
  498.   35 N        -7.3    -4.7    -1.9    -1.6      Tokyo
  499.   25 N        -4.2    -2.9    -1.0    -0.8      Miami, FL, USA
  500.    5 N        -0.1    +1.0    -0.1    +1.3      Somalia
  501.    
  502.    5 S        +0.2    +1.0    -0.2    +1.3      New Guinea
  503.   25 S        -2.1    -1.6    -1.6    -1.1      Pretoria, S.Africa
  504.   35 S        -3.6    -3.2    -4.5    -2.6      Buenos Aires 
  505.   45 S        -4.8    -4.2    -7.7    -4.4      New Zealand
  506.   55 S        -6.1    -5.6    -9.8    -9.7      Tierra del Fuego
  507.   65 S        -6.0    -8.6   -13.1   -19.5      Palmer Peninsula 
  508.  
  509. (These are longitudinally averaged satellite data, not individual
  510. measurements at the places listed in the right-hand column. There
  511. are longitudinal trends as well.)
  512.  
  513.  Since 1991 these trends have accelerated. Satellite and
  514. ground-based measurements now show a remarkable decline for 1992
  515. and early 1993, a full 4% below the average value for the 
  516. preceding twelve years and 2-3% below the _lowest_ values observed
  517. in the earlier period. In Canada the spring ozone levels were 11-17% 
  518. below normal [Kerr et al.], and there is evidence that this depletion 
  519. has persisted into the summer months. This decline overwhelms the
  520. effect of the solar cycle; 1991 was a solar maximum, while the 1992
  521. results are already below those for the 1986 solar minimum.
  522. Sulfate aerosols from the July 1991 eruption of Mt. Pinatubo may
  523. be the cause of this latest spike; these aerosols can convert 
  524. inactive "reservoir" chlorine into active ozone-destroying forms,
  525. and can also interfere with the production and transport of ozone
  526. by changing the solar radiation balance in the stratosphere.
  527. Another cause may be the unusually strong arctic polar vortex in
  528. 1992-93, which made the arctic stratosphere more like the antarctic
  529. than is usually the case. [Gleason et al.] [Waters et al.] 
  530.  
  531.  
  532. 2.10) Is the middle-latitude ozone loss due to CFC emissions?
  533.  
  534. That's the majority opinion, although not everyone agrees. The
  535. present effects are too small to allow a watertight case to be
  536. made (as _has_ been made for the far larger, but localized,
  537. depletions in the Antarctic Ozone hole; see Part III.). Other
  538. possible causes are being investigated. To quote from [WMO 1991],
  539. p. 4.1:
  540.  
  541.  "The primary cause of the _Antarctic ozone hole_ is firmly
  542. established to be halogen chemistry....There is not a full
  543. accounting of the observed downward trend in _global ozone_.
  544. Plausible mechanisms include heterogeneous chemistry on sulfate
  545. aerosols [which convert reservoir chlorine to active chlorine -
  546. R.P.] and the transport of chemically perturbed polar air to middle
  547. latitudes.  Although other mechanisms cannot be ruled out, those
  548. involving the catalytic destruction of ozone by chlorine and
  549. bromine appear to be largely responsible for the ozone loss and 
  550. _are the only ones for which direct evidence exists_."
  551.  
  552.  (emphases mine - RP)
  553.  
  554.  The recent UARS measurements of ozone and ClO in the Northern
  555. Hemisphere find a correlation between enhanced ClO and depleted
  556. ozone, which further supports this hypothesis. [Waters et al.]
  557.  
  558.  One must remember that there is a natural 10-20 year time lag
  559. between CFC emissions and ozone depletion. Ozone depletion today is
  560. (probably) due to CFC emissions in the '60's and '70's. Present
  561. controls on CFC emissions are designed to avoid possibly large
  562. amounts of ozone depletion 30 years from now, not to remediate the
  563. depletion that has taken place up to now.
  564.  
  565.  
  566. 2.11) Do Space Shuttle launches damage the ozone layer?
  567.  
  568. No. In the early 1970's, when very little was known about the role
  569. of chlorine radicals in ozone depletion, it was suggested that HCl
  570. from solid-fueled rocket motors might have a significant effect upon 
  571. the ozone layer - if not globally, perhaps in the immediate vicinity
  572. of the launch. It was quickly shown that the effect was negligible,
  573. and this has been repeatedly demonstrated since. Each shuttle
  574. launch produces about 68 metric tons of chlorine as HCl; a full
  575. year's worth of shuttle and solid-fueled rocket launches produces 
  576. about 725 tons. This is negligible compared to chlorine emissions in
  577. the form of CFC's and related compounds (1.2 million tons/yr in
  578. the 1980's, of which ~0.3 million tons reach the stratosphere each 
  579. year. It is also negligible in comparison to natural sources, which 
  580. produce about 75,000 tons per year. [Prather et al.] [WMO 1991].
  581.  
  582. See also the sci.space FAQ, Part 10, "Controversial Questions".
  583.  
  584.  
  585. 2.12) Will commercial supersonic aircraft damage the ozone layer?
  586.  
  587. Short answer:  Probably not. This problem is very complicated,
  588. and a definite answer will not be available for several years, 
  589. but model calculations indicate that a fleet of high-speed civil
  590. transports would deplete the ozone layer by <1%. [WMO 1991]
  591.  
  592. Long answer (this is a tough one):
  593.  
  594. Supersonic aircraft fly in the stratosphere. Since vertical
  595. transport in the stratosphere is slow, the exhaust gases from a
  596. supersonic jet can stay there for two years or more. The most
  597. important exhaust gases are the nitrogen oxides, NO and NO2,
  598. collectively referred to as "NOx". NOx is produced from ordinary
  599. nitrogen and oxygen by electrical discharges (e.g. lightning) and
  600. by high-temperature combustion (e.g. in automobile and aircraft
  601. engines). 
  602.  
  603.  The relationship between NOx and ozone is complicated. In
  604. the troposphere, NOx _makes_ ozone, a phenomenon well known to
  605. residents of Los Angeles and other cities beset by photochemical
  606. smog. At high altitudes in the troposphere, similar chemical
  607. reactions produce ozone as a byproduct of the oxidation of methane;
  608. for this reason ordinary subsonic aircraft actually increase the
  609. thickness of the ozone layer by a very small amount.  
  610.  
  611.  Things are very different in the stratosphere. Here the principal
  612. source of NOx is nitrous oxide, N2O ("laughing gas"). Most of the
  613. N2O in the atmosphere comes from bacteriological decomposition of
  614. organic matter - reduction of nitrate ions or oxidation of ammonium
  615. ions. (It was once assumed that anthropogenic sources were negligible
  616. in comparison, but this is now known to be false. The total 
  617. anthropogenic contribution is now estimated at 8 Tg (teragrams)/yr,
  618. compared to a natural source of 18 Tg/yr. [Khalil and Rasmussen].)
  619. N2O, unlike NOx, is very unreactive - it has an atmospheric lifetime 
  620. of more than 150 years - so it reaches the stratosphere, where most of
  621. it is converted to nitrogen and oxygen by UV photolysis.  However,
  622. a small fraction of the N2O that reaches the stratosphere reacts 
  623. instead with oxygen atoms (to be precise, with the very rare
  624. electronically excited singlet-D oxygen atoms), and this is the
  625. major natural source of NOx in the stratosphere. About 1.2 million 
  626. tons are produced each year in this way.  This source strength
  627. would be matched by 500 of the SST's designed by Boeing in the late
  628. 1960's, each spending 5 hours per day in the stratosphere. (Boeing
  629. was intending to sell 800 of these aircraft.) The Concorde, a
  630. slower plane, produces less than half as much NOx and flies at a
  631. lower altitude; since the Concorde fleet is small, its contribution
  632. to stratospheric NOx is not significant. Before sending large
  633. fleets of high-speed aircraft into the stratosphere, however, one
  634. should certainly consider the possible effects of increasing the
  635. rate of production of an important stratospheric trace gas by as
  636. much as a factor of two. [CIC 1975]
  637.  
  638. (Aside: subsonic aircraft do sometimes enter the stratosphere;
  639. however they stay very low and do not appreciably affect its
  640. chemistry.) 
  641.  
  642. In 1969, Paul Crutzen discovered that NOx could be an efficient 
  643. catalyst for the destruction of stratospheric ozone:
  644.       
  645.        NO + O3  -> NO2 + O2
  646.        NO2 + O -> NO + O2
  647. -------------------------------
  648.  net:  O3 + O -> 2 O2
  649.  
  650. This sequence was rediscovered two years later by H. S. Johnston,
  651. who made the connection to SST emissions.  Until then 
  652. it had been thought that the radicals H, OH, and HO2
  653. (referred to collectively as "HOx") were the principal catalysts
  654. for ozone loss; thus, investigations of the impact of aircraft
  655. exhaust on stratospheric ozone had focussed on emissions of water
  656. vapor, a possible source for these radicals. (The importance of
  657. chlorine radicals, Cl, ClO, and ClO2, referred to as - you guessed
  658. it - "ClOx", was not discovered until 1973.) It had been
  659. shown - correctly, as it turns out - that water vapor injection was
  660. unimportant for determining the ozone balance.  The discovery of 
  661. the NOx cycle threw the question open again.
  662.  
  663.  Beginning in 1972, the U.S. National Academies of Science and
  664. Engineering and the Department of Transportation sponsored an
  665. intensive program of stratospheric research. [CIC 1975] It soon
  666. became clear that the relationship between NOx emissions and the
  667. ozone layer was very complicated.  The stratospheric lifetime of
  668. NOx is comparable to the timescale for transport from North to
  669. South, so its concentration depends strongly upon latitude.  Much
  670. of the NOx is injected near the tropopause, a region where
  671. quantitative modelling is very difficult, and the results of
  672. calculations depend sensitively upon how troposphere-stratosphere
  673. exchange is treated. Stratospheric NOx chemistry is _extremely_
  674. complicated, much worse than chlorine chemistry. Among other
  675. things, NO2 reacts rapidly with ClO, forming the inactive chlorine
  676. reservoir ClONO2 - so while on the one hand increasing NOx leads
  677. directly to ozone loss, on the other it suppresses the action
  678. of the more potent chlorine catalyst. And on top of all of this, the
  679. SST's always spend part of their time in the troposphere, where NOx
  680. emissions cause ozone increases. Estimates of long-term ozone
  681. changes due to large-scale NOx emissions varied markedly from year
  682. to year, going from -10% in 1974, to +2% (i.e. a net ozone _gain_)
  683. in 1979, to -8% in 1982. (In contrast, while the estimates of the
  684. effects of CFC emissions on ozone also varied a great deal in these
  685. early years, they always gave a net loss of ozone.) [Wayne]
  686.  
  687. The discovery of the Antarctic ozone hole added a new piece to the
  688. puzzle. As described in Part III, the ozone hole is caused by
  689. heterogeneous chemistry on the surfaces of stratospheric cloud
  690. particles. While these clouds are only found in polar regions,
  691. similar chemical reactions take place on sulfate aerosols which are
  692. found throughout the lower stratosphere. The most important of the
  693. aerosol reactions is the conversion of N2O5 to nitric acid:
  694.  
  695.  N2O5 + H2O -> 2 HNO3 (catalyzed by aerosol surfaces)
  696.  
  697. N2O5 is in equilibrium with NOx, so removal of N2O5 by this
  698. reaction lowers the NOx concentration.  The result is that in the
  699. lower stratosphere the NOx catalytic cycle contributes much less to
  700. overall ozone loss than the HOx and ClOx cycles. Ironically, the
  701. same processes that makes chlorine-catalyzed ozone depletion so
  702. much more important than was believed 10 years ago, also make
  703. NOx-catalyzed ozone loss less important. 
  704.  
  705. In the meantime, there has been a great deal of progress in
  706. developing jet engines that will produce much less NOx - up to a
  707. factor of 10 - than the old Boeing SST. The most recent model
  708. calculations indicate that a fleet of the new "high-speed civil
  709. transports" would deplete the ozone layer by less than 1%. Caution
  710. is still required, since the experiment has not been done - we have
  711. not yet tried adding large amounts of NOx to the stratosphere. The
  712. forecasts, however, are good. [WMO 1991, Ch. 10]
  713.  
  714. ..................................................................
  715. _Aside_: One sometimes hears that the US government killed the SST
  716. project in 1971 because of concerns raised by H. S. Johnston's work 
  717. on NOx. This is not true. The US House of Representatives had already
  718. voted to cut off Federal funding for the SST when Johnston began
  719. his calculations. The House debate had centered around economics and 
  720. the effects of noise, especially sonic booms, although there were 
  721. some vague remarks about "pollution" and one physicist had testified
  722. about the possible effects of water vapor on ozone. 
  723. About 6 weeks after both houses had voted to cancel
  724. the SST, its supporters succeeded in reviving the project in the
  725. House. In the meantime, Johnston had sent a preliminary report to
  726. several professional colleagues and submitted a paper to _Science_.
  727. A preprint of Johnston's report leaked to a small California
  728. newspaper which published a highly sensationalized account. The
  729. story hit the press a few days before the Senate voted, 58-37, not
  730. to revive the SST. (The previous Senate vote had been 51-46 to
  731. cancel the project. The reason for the larger majority in the
  732. second vote was probably the statement by Boeing's chairman that at
  733. least $500 million more would be needed to revive the program.)
  734. ....................................................................
  735.  
  736.  
  737.  2.13) What is being done about ozone depletion?
  738.  
  739.  The 1987 Montreal Protocol specified that CFC emissions should be
  740. reduced by 50% by the year 2000 (they had been _increasing_ by 3%
  741. per year.)  This agreement was amended in London in 1990, to state
  742. that production of CFC's, CCl4, and halons should cease entirely by
  743. the year 2000.  Restrictions have also been applied to other Cl
  744. sources such as methylchloroform. (The details of the protocols are
  745. complicated, involving different schedules for different compounds,
  746. delays for developing nations, etc.) The phase-out schedule was
  747. accelerated by four years by the 1992 Copenhagen agreements. A
  748. great deal of effort has been devoted to recovering and recycling
  749. CFC's that are currently being used in closed-cycle systems.
  750.  
  751.  Recent NOAA measurements [Elkins et al.] show that the _rate of 
  752. increase_ of halocarbon concentrations in the atmosphere has decreased
  753. markedly since 1987, by a factor of 4 for CFC-11 and a factor of 2
  754. for CFC-12. It appears that the Protocols are being observed. Under 
  755. these conditions total stratospheric chlorine is predicted to peak 
  756. in the first decade of the 21st century, and to slowly decline 
  757. thereafter.
  758.  
  759.  Model calculations predict that ozone levels, averaged over the
  760. year and over the Northern hemisphere, will fall to about 4% below
  761. 1980 levels in the first decade of the 21st century if the
  762. protocols are obeyed. Very little depletion is expected in the
  763. tropics, so correspondingly larger losses - more than 6% - are
  764. expected at middle and high latitudes. These same models have
  765. systematically _underestimated_ ozone depletion in the past, so
  766. significantly larger losses are expected. In fact, 4% global
  767. year-averaged ozone depletion was _already_ measured in 1993 [
  768. Gleason et al.] although this may be a transient caused by 
  769. Mt. Pinatubo's eruption in July 1991. After 2010 the ozone layer 
  770. will slowly recover over a period of 20 years or so, although the 
  771. form of the recovery is strongly model-dependent. [WMO 1991]
  772. I have no results at hand for the southern hemisphere; if current
  773. trends continue ozone depletion will be more serious there. The
  774. antarctic ozone hole is expected to last until 2050 or so. This
  775. does not take into account the possibility of global warming,
  776. which by cooling the stratosphere could make ozone depletion more
  777. serious both at mid latitudes and in polar regions.
  778.  
  779.  Some scientists are investigating ways to replenish stratospheric
  780. ozone, either by removing CFC's from the troposphere or by tying up
  781. the chlorine in inactive compounds. This is discussed in Part III.
  782.  
  783. ___________________________________________________________________
  784.  
  785. 3.  REFERENCES FOR PART I
  786.  
  787. A remark on references: they are neither representative nor
  788. comprehensive. There are _hundreds_ of people working on these
  789. problems. Where possible I have limited myself to papers that
  790. are (1) available outside of University libraries (e.g. _Science_ 
  791. or _Nature_ rather than archival journals such as _J. Geophys. Res._) 
  792. and (2) directly related to the "frequently asked questions". 
  793. I have not listed papers whose importance is primarily historical.
  794. Readers who want to see "who did what" should consult the review 
  795. articles listed below, or, if they can get them, the WMO reports 
  796. which are extensively documented.
  797.  
  798.  
  799. Introductory Reading:
  800.  
  801. [Graedel and Crutzen] T. E. Graedel and P. J. Crutzen, 
  802. _Atmospheric Change: an Earth System Perspective_, Freeman, NY 1993.
  803.  
  804. [Rowland 1989] F.S. Rowland, "Chlorofluorocarbons and the depletion
  805. of stratospheric ozone", _American Scientist_ _77_, 36, 1989.
  806.  
  807. [Zurer] P. S. Zurer, "Ozone Depletion's Recurring Surprises
  808. Challenge Atmospheric Scientists", _Chemical and Engineering News_,
  809. 24 May 1993,  pp. 9-18.
  810.  
  811. ----------------------------
  812. Books and Review Articles:
  813.  
  814. [Brasseur and Solomon] G. Brasseur and S. Solomon, _Aeronomy of 
  815. the Middle Atmosphere_, 2nd. Edition, D. Reidel, 1986
  816.  
  817. [CIC 1975] Climate Impact Committee, National Research Council,
  818. _Environmental Impact of Stratospheric Flight_, National Academy of
  819. Sciences, 1975.
  820.  
  821. [Johnston 1992] H. S. Johnston, "Atmospheric Ozone", 
  822. _Annu. Rev. Phys. Chem._ _43_, 1, 1992.
  823.  
  824. [McElroy and Salawich] M. McElroy and R. Salawich, 
  825. "Changing Composition of the Global Stratosphere", 
  826. _Science_ _243, 763, 1989.
  827.  
  828. [Rowland 1991] F. S. Rowland, "Stratospheric Ozone Depletion", 
  829. _Ann. Rev. Phys. Chem._ _42_, 731, 1991.
  830.  
  831. [Solomon] S. Solomon, "Progress towards a quantitative understanding
  832.  of Antarctic ozone depletion", _Nature_ _347_, 347, 1990.
  833.  
  834. [Wallace and Hobbs] J. M. Wallace and P. V. Hobbs,
  835. _Atmospheric Science: an Introductory Survey_, Academic Press, 1977.
  836.  
  837. [Wayne] R. P. Wayne, _Chemistry of Atmospheres_, 
  838.  2nd.  Ed., Oxford, 1991.
  839.  
  840. [WMO 1988] World Meteorological Organization, 
  841. _Report of the International Ozone Trends Panel_, 
  842.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #18.
  843.  
  844. [WMO 1989] World Meteorological Organization, 
  845. _Scientific Assessment of Stratospheric Ozone: 1991_
  846.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #20.
  847.  
  848. [WMO 1991] World Meteorological Organization, 
  849. _Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1991_
  850.  Global Ozone Research and Monitoring Project - Report #25.
  851.  
  852. -----------------------------------
  853. More Specialized:
  854.  
  855. [Elkins et al.] J. W. Elkins, T. M. Thompson, T. H. Swanson,
  856. J. H. Butler, B. D. Hall, S. O. Cummings, D. A. Fisher, and 
  857. A. G. Raffo, "Decrease in Growth Rates of Atmospheric 
  858. Chlorofluorocarbons 11 and 12", _Nature_ _364_, 780, 1993.
  859.  
  860. [Gleason et al.] J. Gleason, P. Bhatia, J. Herman, R. McPeters, P.
  861. Newman, R. Stolarski, L. Flynn, G. Labow, D. Larko, C. Seftor, C.
  862. Wellemeyer, W. Komhyr, A. Miller, and W. Planet, "Record Low Global
  863. Ozone in 1992", _Science_ _260_, 523, 1993.
  864.  
  865. [Herman et al.] J. R. Herman, R. McPeters, and D. Larko,
  866.  "Ozone depletion at northern and southern latitudes derived
  867.  from January 1979 to December 1991 TOMS data",
  868.  J. Geophys. Res. _98_, 12783, 1993.
  869.  
  870. [Kerr et al.] J. B. Kerr, D. I. Wardle, and P. W. Towsick,
  871. "Record low ozone values over Canada in early 1993",
  872. Geophys. Res. Lett. _20_, 1979, 1993.
  873.  
  874. [Khalil and Rasmussen] M.A.K. Khalil and R. Rasmussen, "The Global
  875.  Sources of Nitrous Oxide", _J. Geophys. Res._ _97_, 14651, 1992.
  876.  
  877. [Prather et al. ] M. J. Prather, M.M. Garcia, A.R. Douglass, C.H.
  878. Jackman, M.K.W. Ko, and N.D. Sze, "The Space Shuttle's impact on
  879. the stratosphere", J. Geophys. Res. _95_, 18583, 1990.
  880.  
  881. [Solomon and Albritton] S. Solomon and D.L. Albritton,
  882. "Time-dependent ozone depletion potentials for short- and long-term
  883. forecasts", _Nature_ _357_, 33, 1992.
  884.  
  885. [Stolarski et al.]  R. Stolarski, R. Bojkov, L. Bishop, C. Zerefos,
  886.  J. Staehelin, and J. Zawodny, "Measured Trends in Stratospheric
  887. Ozone",  Science _256_, 342 (17 April 1992)
  888.  
  889. [Waters et al.] J. Waters, L. Froidevaux, W. Read, G. Manney, L.
  890. Elson, D. Flower, R. Jarnot, and R. Harwood, "Stratospheric ClO and
  891. ozone from the Microwave Limb Sounder on the Upper Atmosphere
  892. Research Satellite", _Nature_ _362_, 597, 1993.
  893.  
  894.  
  895.  
  896.