Met behulp van zeldzame zuurstofmoleculen die gevangen zitten in luchtbellen in oud ijs en sneeuw, Amerikaanse en Franse wetenschappers hebben een al lang bestaande vraag beantwoord:in hoeverre zijn de "slechte" ozonniveaus sinds het begin van de industriële revolutie gestegen?

"We hebben kunnen volgen hoeveel ozon er in de oude atmosfeer was, " zei Laurence Yeung, geochemicus van Rice University, de hoofdauteur van een studie die vandaag online is gepubliceerd in Natuur . "Dit is nog niet eerder gedaan, en het is opmerkelijk dat we het überhaupt kunnen."

Onderzoekers gebruikten de nieuwe gegevens in combinatie met ultramoderne atmosferische chemiemodellen om vast te stellen dat ozonniveaus in de lagere atmosfeer, of troposfeer, sinds 1850 met een bovengrens van 40% zijn gestegen.

"Deze resultaten laten zien dat de beste modellen van vandaag oude troposferische ozonniveaus goed simuleren, " zei Yeung. "Dat versterkt ons vertrouwen in hun vermogen om te voorspellen hoe de troposferische ozonniveaus in de toekomst zullen veranderen."

Het door Rice geleide onderzoeksteam bestaat uit onderzoekers van de Universiteit van Rochester in New York, het Instituut voor Milieugeowetenschappen van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) aan de Université Grenoble Alpes (UGA), CNRS's Grenoble Images Speech Signal and Control Laboratory aan de UGA en het French Climate and Environmental Sciences Laboratory van zowel CNRS als de French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA) aan de Université Versailles-St Quentin.

"Deze metingen beperken de hoeveelheid opwarming veroorzaakt door antropogene ozon, " zei Yeung. Bijvoorbeeld, hij zei dat het meest recente rapport van het Intergouvernementeel Panel voor Klimaatverandering (IPCC) schat dat ozon in de lagere atmosfeer van de aarde vandaag 0,4 watt per vierkante meter stralingsforcering bijdraagt ​​aan het klimaat van de planeet, maar de foutmarge voor die voorspelling was 50%, of 0,2 watt per vierkante meter.

"Dat is echt een grote foutbalk, " Zei Yeung. "Het hebben van betere pre-industriële ozonschattingen kan die onzekerheden aanzienlijk verminderen.

"Het is net als raden hoe zwaar je koffer is als er een toeslag geldt voor tassen van meer dan 50 pond, " zei hij. "Met de oude foutbalken, je zou zeggen, 'Ik denk dat mijn tas tussen de 20 en 60 pond weegt.' Dat is niet goed genoeg als je de boete niet kunt betalen."

Ozon is een molecuul dat drie zuurstofatomen bevat. Geproduceerd in chemische reacties met zonlicht, het is zeer reactief, gedeeltelijk vanwege zijn neiging om een ​​van zijn atomen op te geven om een ​​stabieler zuurstofmolecuul te vormen. Het grootste deel van de ozon op aarde bevindt zich in de stratosfeer, die meer dan vijf mijl boven het aardoppervlak is. Stratosferische ozon wordt soms "goede" ozon genoemd omdat het de meeste ultraviolette straling van de zon blokkeert, en is dus essentieel voor het leven op aarde.

De rest van de ozon op aarde ligt in de troposfeer, dichter bij het oppervlak. Hier, de reactiviteit van ozon kan schadelijk zijn voor planten, dieren en mensen. Daarom wordt troposferische ozon soms "slechte" ozon genoemd. Bijvoorbeeld, ozon is een hoofdbestanddeel van stedelijke smog, die zich nabij het grondniveau vormt in door de zon verlichte reacties tussen zuurstof en verontreinigende stoffen uit uitlaatgassen van motorvoertuigen. De Environmental Protection Agency beschouwt blootstelling aan ozonniveaus van meer dan 70 delen per miljard gedurende acht uur of langer als ongezond.

"Het ding met ozon is dat wetenschappers het pas een paar decennia in detail hebben bestudeerd, " zei Yeung, een assistent-professor van de aarde, milieu- en planetaire wetenschappen. "Tot de jaren zeventig wisten we niet waarom ozon zo overvloedig aanwezig was in luchtvervuiling. Toen begonnen we te herkennen hoe luchtvervuiling de atmosferische chemie veranderde. Auto's dreven ozon op leefniveau op."

Terwijl de vroegste metingen van ozon in de troposfeer dateren uit de late 19e eeuw, Yeung zei dat die gegevens in strijd zijn met de beste schattingen van de moderne atmosferische chemiemodellen.

"De meeste van die oudere gegevens zijn afkomstig van tests op zetmeelpapier waarbij het papier van kleur verandert na reactie met ozon, " zei hij. "De tests zijn niet de meest betrouwbare - de kleurverandering hangt af van de relatieve vochtigheid, bijvoorbeeld, maar ze suggereren, hoe dan ook, dat ozon op leefniveau in de afgelopen eeuw tot 300% zou kunnen zijn gestegen. In tegenstelling tot, de beste computermodellen van vandaag suggereren een meer gematigde stijging van 25-50%. Dat is een enorm verschil.

"Er zijn gewoon geen andere gegevens, dus het is moeilijk om te weten wat juist is, of als beide gelijk hebben en die specifieke metingen geen goede maatstaf zijn voor de hele troposfeer, Yeung zei. "De gemeenschap worstelt al heel lang met deze vraag. We wilden nieuwe gegevens vinden die vooruitgang konden boeken bij dit onopgeloste probleem."

Nieuwe gegevens vinden, echter, is niet rechtlijnig. "Ozon is te reactief, op zichzelf, te bewaren in ijs of sneeuw, "zei hij. "Dus, we zoeken naar het kielzog van ozon, de sporen die het achterlaat in zuurstofmoleculen.

"Als de zon schijnt, ozon- en zuurstofmoleculen worden constant gemaakt en afgebroken in de atmosfeer door dezelfde chemie, "Zei Yeung. "Ons werk van de afgelopen jaren heeft een natuurlijk voorkomend 'label' voor die chemie gevonden:het aantal zeldzame isotopen dat samengeklonterd is."

Het lab van Yeung is gespecialiseerd in het meten en verklaren van het voorkomen van deze samengeklonterde isotopen in de atmosfeer. Het zijn moleculen met het gebruikelijke aantal atomen - twee voor moleculaire zuurstof - maar ze hebben zeldzame isotopen van die atomen die zijn vervangen in plaats van de gewone. Bijvoorbeeld, meer dan 99,5% van alle zuurstofatomen in de natuur heeft acht protonen en acht neutronen, voor een totaal atomair massagetal van 16. Slechts twee van elke 1, 000 zuurstofatomen zijn de zwaardere isotoop zuurstof-18, die twee extra neutronen bevat. Een paar van deze zuurstof-18-atomen wordt een isotoopklomp genoemd.

De overgrote meerderheid van zuurstofmoleculen in een luchtmonster zal twee zuurstof-16's bevatten. Een paar zeldzame uitzonderingen bevatten een van de zeldzame zuurstof-18-atomen, en nog zeldzamer zullen de paren zuurstof-18's zijn.

Het laboratorium van Yeung is een van de weinige ter wereld die precies kan meten hoeveel van deze zuurstof-18-paren zich in een bepaald luchtmonster bevinden. Hij zei dat deze isotoopklonten in moleculaire zuurstof in overvloed variëren, afhankelijk van waar ozon- en zuurstofchemie plaatsvindt. Omdat de lagere stratosfeer erg koud is, de kans dat een zuurstof-18-paar wordt gevormd uit de ozon/zuurstofchemie neemt licht en voorspelbaar toe in vergelijking met dezelfde reactie in de troposfeer. In de troposfeer, waar het warmer is, ozon/zuurstofchemie levert iets minder zuurstof-18-paren op.

Met het begin van de industrialisatie en de verbranding van fossiele brandstoffen rond 1850, mensen begonnen meer ozon toe te voegen aan de lagere atmosfeer. Yeung en collega's redeneerden dat deze toename van het aandeel ozon in de troposfeer een herkenbaar spoor had moeten achterlaten - een afname van het aantal zuurstof-18-paren in de troposfeer.

Met behulp van ijskernen en firn (samengeperste sneeuw die nog geen ijs heeft gevormd) uit Antarctica en Groenland, de onderzoekers construeerden een record van zuurstof-18-paren in moleculaire zuurstof van pre-industriële tijden tot heden. Het bewijs bevestigde zowel de toename van ozon in de troposfeer als de omvang van de toename die was voorspeld door recente atmosferische modellen.

"We beperken de stijging tot minder dan 40%, en het meest uitgebreide chemische model voorspelt ongeveer 30%, ' zei Yeung.

"Een van de meest opwindende aspecten was hoe goed het ijskernrecord overeenkwam met modelvoorspellingen, " zei hij. "Dit was een geval waarin we een meting deden, en zelfstandig, een model produceerde iets dat zeer nauw overeenkwam met het experimentele bewijs. Ik denk dat het laat zien hoe ver atmosferische en klimaatwetenschappers zijn gekomen om nauwkeurig te voorspellen hoe mensen de atmosfeer van de aarde veranderen, met name de chemie ervan."