Bulele de aer străvechi răspund la întrebarea despre nivelurile de ozon după Revoluția Industrială

Folosind molecule de oxigen rare prinse în bule de aer în gheață și zăpadă vechi, S.U.A. iar oamenii de știință francezi au răspuns la o întrebare de lungă durată: Cât au crescut nivelurile de ozon „proaste” de la începutul Revoluției Industriale?

zăpada

„Am reușit să urmărim cât de mult ozon exista în atmosfera antică”, a declarat geochimistul Universității Rice Laurence Yeung, autorul principal al unui studiu publicat online online în Nature. „Acest lucru nu s-a făcut până acum și este remarcabil că putem face asta deloc.”

Cercetătorii au folosit noile date în combinație cu modele de chimie atmosferică de ultimă generație pentru a stabili că nivelurile de ozon din atmosfera inferioară sau troposferă au crescut cu o limită superioară de 40% începând cu 1850.

„Aceste rezultate arată că cele mai bune modele de astăzi simulează bine nivelurile de ozon troposferic vechi”, a spus Yeung. „Acest lucru ne întărește încrederea în capacitatea lor de a prezice modul în care se vor schimba nivelurile de ozon troposferic în viitor”.

Echipa de cercetare condusă de Rice include investigatori de la Universitatea din Rochester din New York, Institutul de Geoștiințe de Mediu al Centrului Național Francez pentru Cercetări Științifice (CNRS) de la Universitatea din Grenoble Alpi (UGA), Laboratorul de semnal și control vocal al imaginilor Grenoble din CNRS la UGA și Laboratorul francez de științe climatice și de mediu atât al CNRS, cât și al Comisiei franceze pentru energii alternative și energie atomică (CEA) de la Université Versailles-St Quentin.

"Aceste măsurători constrâng cantitatea de încălzire cauzată de ozonul antropic", a spus Yeung. De exemplu, el a spus că cel mai recent raport al Grupului interguvernamental pentru schimbări climatice (IPCC) a estimat că ozonul din atmosfera inferioară a Pământului contribuie astăzi cu 0,4 wați pe metru pătrat de forță radiativă la climatul planetei, dar marja de eroare pentru această predicție a fost de 50%, sau 0,2 wați pe metru pătrat.

"Aceasta este o bară de eroare foarte mare", a spus Yeung. „O estimare mai bună a ozonului preindustrial poate reduce semnificativ aceste incertitudini.

„Este ca și cum ai ghici cât de grea este valiza ta atunci când există o taxă pentru sacii de peste 50 de lire sterline”, a spus el. „Cu vechile bare de eroare, ai spune:„ Cred că geanta mea este între 20 și 60 de lire sterline ”. Acest lucru nu este suficient de bun dacă nu vă puteți permite să plătiți penalizarea ".

Ozonul este o moleculă care conține trei atomi de oxigen. Produs în reacții chimice care implică lumina soarelui, este foarte reactiv, în parte datorită tendinței sale de a renunța la unul dintre atomii săi pentru a forma o moleculă de oxigen mai stabilă. Majoritatea ozonului Pământului se află în stratosferă, care este la mai mult de cinci mile deasupra suprafeței planetei. Ozonul stratosferic este uneori numit ozon „bun”, deoarece blochează majoritatea radiațiilor ultraviolete ale soarelui și, prin urmare, este esențial pentru viața de pe Pământ.

Restul ozonului Pământului se află în troposferă, mai aproape de suprafață. Aici, reactivitatea ozonului poate fi dăunătoare plantelor, animalelor și oamenilor. De aceea, ozonul troposferic este uneori numit ozon „rău”. De exemplu, ozonul este o componentă primară a smogului urban, care se formează aproape de nivelul solului în reacțiile luminate de soare între oxigenul și poluanții din evacuarea autovehiculelor. Agenția pentru Protecția Mediului consideră că expunerea la niveluri de ozon mai mari de 70 de părți pe miliard timp de opt ore sau mai mult este nesănătoasă.

„Lucrul despre ozon este că oamenii de știință au studiat-o în detaliu doar de câteva decenii”, a spus Yeung, profesor asistent de Pământ, științe ale mediului și planetei. "Nu știam de ce ozonul era atât de abundent în poluarea aerului până în anii 1970. Atunci am început să recunoaștem modul în care poluarea aerului schimbă chimia atmosferică. Mașinile conduceau ozon la nivelul solului".

În timp ce primele măsurători ale ozonului troposferic datează de la sfârșitul secolului al XIX-lea, Yeung a spus că aceste date intră în conflict cu cele mai bune estimări din modelele moderne de chimie atmosferică de astăzi.

„Majoritatea acestor date mai vechi provin din teste de hârtie cu amidon, în care hârtia își schimbă culorile după ce reacționează cu ozonul”, a spus el. „Testele nu sunt cele mai fiabile - schimbarea culorii depinde de umiditatea relativă, de exemplu -, dar sugerează, totuși, că ozonul de la nivelul solului ar fi putut crește cu până la 300% în ultimul secol. În schimb, cele mai bune modele de computer de astăzi sugerează o creștere mai moderată de 25-50%. Aceasta este o diferență uriașă.

„Nu există alte date acolo, așa că este greu de știut care este corect sau dacă ambele sunt corecte și măsurătorile respective nu sunt un punct de referință bun pentru întreaga troposferă”, a spus Yeung. "Comunitatea s-a luptat cu această întrebare de multă vreme. Am vrut să găsim date noi care ar putea progresa în această problemă nerezolvată".

Găsirea de noi date nu este însă simplă. „Ozonul este prea reactiv, în sine, pentru a fi conservat în gheață sau zăpadă”, a spus el. „Deci, căutăm trezia ozonului, urmele pe care le lasă în urmă în moleculele de oxigen.

"Când soarele strălucește, moleculele de ozon și oxigen sunt în mod constant produse și sparte în atmosferă de aceeași chimie", a spus Yeung. „Munca noastră din ultimii ani a găsit o„ etichetă ”naturală pentru acea chimie: numărul de izotopi rari care sunt grupați.”

Laboratorul lui Yeung este specializat atât în ​​măsurarea, cât și în explicarea apariției acestor izotopi aglomerați în atmosferă. Sunt molecule care au numărul obișnuit de atomi - doi pentru oxigenul molecular - dar au izotopi rari ai acelor atomi substituiți în locul celor obișnuiți. De exemplu, mai mult de 99,5% din toți atomii de oxigen din natură au opt protoni și opt neutroni, pentru un număr total de masă atomică de 16. Doar doi din 1000 de atomi de oxigen sunt izotopul mai greu oxigen-18, care conține doi neutroni suplimentari. O pereche din acești atomi de oxigen-18 se numește un grup de izotopi.

Marea majoritate a moleculelor de oxigen din orice probă de aer vor conține doi oxigen-16. Câteva excepții rare vor conține unul dintre atomii de oxigen-18 rare, iar mai rare vor fi în continuare perechile de oxigen-18.

Laboratorul lui Yeung este unul dintre puținele din lume care poate măsura exact câte dintre aceste perechi de oxigen-18 sunt într-o probă dată de aer. El a spus că aceste grupuri de izotopi din oxigenul molecular variază din abundență în funcție de locul în care apare ozonul și chimia oxigenului. Deoarece stratosfera inferioară este foarte rece, șansele ca o pereche de oxigen-18 să se formeze din chimia ozonului/oxigenului cresc ușor și previzibil în comparație cu aceeași reacție din troposferă. În troposferă, unde este mai cald, chimia ozonului/oxigenului produce puțin mai puține perechi de oxigen-18.

Odată cu apariția industrializării și arderea combustibililor fosili în jurul anului 1850, oamenii au început să adauge mai mult ozon în atmosfera inferioară. Yeung și colegii săi au argumentat că această creștere a proporției de ozon troposferic ar fi trebuit să lase o urmă recunoscută - o scădere a numărului de perechi de oxigen-18 din troposferă.

Utilizând miezuri de gheață și firn (zăpadă comprimată care nu a format încă gheață) din Antarctica și Groenlanda, cercetătorii au construit o înregistrare a perechilor de oxigen-18 în oxigen molecular din perioada preindustrială până în prezent. Dovezile au confirmat atât creșterea ozonului troposferic, cât și amploarea creșterii prezise de modelele atmosferice recente.

„Constrângem creșterea la mai puțin de 40%, iar cel mai cuprinzător model chimic prezice în jur de 30%”, a spus Yeung.

„Unul dintre cele mai interesante aspecte a fost cât de bine s-a potrivit rezultatul modelului de gheață cu predicțiile modelului”, a spus el. „Acesta a fost un caz în care am făcut o măsurare și, în mod independent, un model a produs ceva care a fost în acord foarte strâns cu dovezile experimentale. Cred că arată cât de departe au ajuns oamenii de știință din atmosferă și climă pentru a putea prezice cu exactitate cum sunt oamenii schimbând atmosfera Pământului - în special chimia sa ".