Op 16 september 1987, beleidsmakers en wetenschappers van over de hele wereld verzamelden zich op het hoofdkantoor van de International Civil Aviation Organization in Montreal, voorbereidingen treffen om actie te ondernemen op het meest urgente onderwerp van de dag:aantasting van de beschermende ozonlaag van de aarde.

Twee jaar eerder, onderzoekers van de British Antarctic Survey hadden de wereld verbluft met het eerste artikel dat aantoonde dat de atmosferische ozonniveaus boven Antarctica tijdens de lente op het zuidelijk halfrond met een verbazingwekkende snelheid daalden. Kort na de Britse krant NASA toonde beelden van zijn Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) die niet alleen de dalende ozonniveaus bevestigden, maar toonde ook aan dat de omvang breder was dan iemand zich realiseerde. Het "ozongat, " zoals de ernstig uitgeputte regio werd genoemd, was zo groot als het hele Antarctische continent.

Sommige wetenschappers hadden sinds de jaren 70 gewaarschuwd dat chemicaliën, chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's) genaamd, een bedreiging vormden voor de ozonlaag, maar niemand wist zeker wat de oorzaak was van het ontstaan ​​van het ozongat. De ontdekking gaf urgentie aan de discussie:hoe kon de wereld de ozonlaag herstellen voordat het te laat was?

Ozon - een chemische stof gemaakt van drie zuurstofatomen - wordt meestal gevonden in een laag ongeveer 8-30 mijl boven het aardoppervlak, in de stratosfeer. Het absorbeert schadelijke ultraviolette (UV) straling van de zon, afschermende planten, dieren en mensen tegen schade variërend van gewassterfte tot huidkanker.

"Als er geen ozonlaag was, de zon zou het aardoppervlak steriliseren, " zei Paul Newman, hoofdwetenschapper voor aardwetenschappen bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

Op 16 sept. 1987, Newman was een jonge atmosferische wetenschapper bij Goddard, het analyseren van gegevens die terugkomen van de Antarctic Airborne Ozone Expedition (AAOE) - waar een andere NASA-wetenschapper, Susan Strahan, stond met haar collega's naar een prikbord in Punta Arenas te kijken, Chili. Strahan analyseerde atmosferische chemiegegevens van de slanke, ER-2-vliegtuig met lange vleugels dat in de poolvortex van Antarctica vliegt om ozon en chemicaliën te meten die ermee kunnen reageren.

De gegevens van die dag zouden het beroemde "rokende wapenplot" opleveren:de gegevens die aantonen dat een chemische stof genaamd chloormonoxide toenam in de Antarctische stratosfeer, ozon daalde. Het was bekend dat chloormonoxide in de atmosfeer aanwezig was, maar waren eerder alleen waargenomen bij lagere concentraties dan het AAOE-team had gemeten - deze niveaus kwamen van een complexe reeks chemische reacties die op Antarctica plaatsvonden na de afbraak van CFK's door UV-straling in de stratosfeer. De gegevens weerlegden andere theorieën en gaven wetenschappers bewijs dat CFK's het ozongat veroorzaakten.

De gegevens van Strahan en haar collega's zouden pas later worden gepubliceerd, maar tegen het einde van die dag in 1987, zevenentwintig landen stemden in met het Montreal Protocol inzake stoffen die de ozonlaag afbreken:"Misschien wel de meest succesvolle internationale overeenkomst tot nu toe, " zei voormalig secretaris-generaal van de Verenigde Naties Kofi Annan in 2003. Het Montreal Protocol creëerde een tijdschema voor het beheersen van de productie en consumptie van CFK's. In de komende jaren, de wetenschap van de aantasting van de ozonlaag was steviger verankerd, fabrikanten introduceerden vervangende chemicaliën die veiliger waren voor het milieu, en het Protocol van Montreal werd verschillende keren aangescherpt om een ​​einde te maken aan de grootschalige productie en het gebruik van CFK's en verwante moleculen.

De lange reis naar herstel was begonnen.

Vandaag, Newman en Strahan zijn leiders in de atmosferische wetenschap en zitten beide bij NASA Goddard:Newman als hoofdwetenschapper voor aardwetenschappen en co-voorzitter van het Scientific Assessment Panel (SAP) bij het Montreal Protocol, Strahan als hoofdwetenschapper voor de Universities Space Research Association. En vandaag, ze houden allebei de atmosfeer van de aarde in de gaten, voortzetting van NASA's langlopende onderzoeks- en monitoringinspanningen op stratosferisch ozon (die teruggaan tot de jaren 1970) in de toekomst.

CFK's:gevaar op grote hoogte

CFK's waren niet altijd de slechterik in dit verhaal. Uitgevonden voor gebruik als koelmiddel in de jaren '20, CFK's waren een technologische doorbraak:ze waren veelzijdig, maar belangrijker, ze waren niet giftig of ontvlambaar. Oudere koelchemicaliën waren dodelijk als ze lekten; CFK's waren niet schadelijk voor de menselijke gezondheid en reageerden niet met andere chemicaliën in de lagere atmosfeer.

Het probleem is dat hoewel CFK's aan de oppervlakte inert zijn, het verhaal verandert in de stratosfeer.

"CFK's worden uitgestoten aan de oppervlakte. We maken een koelkast, en de verbinding lekt uit, " zei Strahan. "De emissies beginnen in de troposfeer (de atmosferische laag die zich het dichtst bij het aardoppervlak bevindt) en werken zich een weg omhoog naar de stratosfeer."

Zodra CFK's boven de bescherming van de ozonlaag diffunderen, UV-straling breekt ze uit elkaar, waarbij zeer reactieve chlooratomen vrijkomen. Aanvankelijk, deze reageren met andere chemicaliën om zoutzuur en chloornitraat te creëren - zogenaamde "reservoirgassen, "Strahan zei, omdat ze chloor doorgaans opslaan in stabiele moleculen.

Maar de poolgebieden ondersteunen chemische reacties die nergens anders op aarde zouden kunnen plaatsvinden. De intense kou van poolwinters maakt de vorming van dunne wolken mogelijk, ondanks lage luchtvochtigheid. En de polaire vortexwinden omcirkelen het Antarctische gebied, het vangen van de chemicaliën binnen zijn grens. Zoutzuur en chloornitraat reageren op de oppervlakken van deze dunne wolkdeeltjes om het reactieve chloor weer vrij te maken, en wanneer de zon terugkeert in de lente, de UV-straling zet de katalytische chloor-ozonreacties op gang die de ozonlaag vernietigen. Eén chlooratoom kan duizenden ozonmoleculen vernietigen - en met miljoenen tonnen CFK's die van de jaren '20 tot het begin van de jaren '90 in de atmosfeer zijn gepompt, het Antarctische poolgebied droeg de dupe van de schade.

"Als we niets hadden gedaan, als het Montreal Protocol niet was ondertekend, tegen die tijd zou alles rampzalig zijn geweest, " zei Newman. "Ozonniveaus zouden veel lager zijn; UV-niveaus zouden veel hoger zijn. Door de verhoogde UV-straling aan het oppervlak, we zouden wereldwijde oogstverliezen hebben gehad, mensen zouden sneller verbranden en huidkanker zou toenemen. De voedselprijzen zouden omhoog schieten; de arme mensen van de wereld zouden enorm hebben geleden."

Eerste stappen naar herstel

Vandaag, 33 jaar later, het ozongat vertoont zijn eerste tekenen van herstel. Strahan en haar collega Anne Douglass publiceerden in 2018 een van de eerste onderzoeken die bevestigen dat de chloorniveaus in de atmosfeer in gelijke mate dalen met de verminderde aantasting van de ozonlaag boven Antarctica - een bewijs dat het Montreal Protocol werkt.

Deze eerste hoopvolle signalen vertegenwoordigen een wereldwijd succesverhaal:beleidsmakers, wetenschappers en bedrijven over de hele wereld bundelden hun krachten om een ​​oplossing te vinden voor een urgent probleem. Veel van de gegevens die deze beslissingen mogelijk maakten, waren afkomstig van NASA-wetenschappers en -instrumenten. Doorlopende monitoring op de grond en in de ruimte van ozon en andere sporengassen, door NASA en andere instellingen, zal helpen bij de ontwikkeling van milieubeleid dat is ontworpen om ervoor te zorgen dat de niveaus in een positieve richting blijven evolueren, zelfs te midden van andere veranderingen, zoals het opwarmende klimaat van de aarde.

"Als je niet weet hoeveel ozon daarboven is, je weet niet of het beter of slechter wordt, "zei Strahan. "Als het verandert, was het natuurlijke variabiliteit of werd het veroorzaakt door mensen? Het hebben van een lange gegevensrecord van ozon en andere gassen die rechtstreeks verband houden met de chemie ervan is erg belangrijk."

Vandaag, NASA bewaakt ozon vanuit de ruimte met behulp van de Microwave Limb Sounder (MLS) en Ozone Monitoring Instrument aan boord van zijn Aura-ruimtevaartuig, en de MLS meet ook sporengassen die chloor bevatten. De studie van Strahan en Douglass uit 2018 gebruikte MLS-metingen van zoutzuur, een vorm die chloor aanneemt na het vernietigen van ozon, om het totale anorganische chloor in de stratosfeer boven Antarctica te berekenen. Anorganische chloorverbindingen zoals zoutzuur hebben geen koolstofmoleculen, waardoor onderzoekers onderscheid kunnen maken tussen hen en chloor dat nog steeds in CFK's zit.

Aanvullend, het Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III meet ozon en sporengassen vanuit zijn uitkijkpunt aan boord van het internationale ruimtestation, en de NASA-NOAA Ozone Mapping Profiler Suite aan boord van de Suomi-NPP-satelliet meet zowel de totale kolomozon als de ozonprofielen. Deze instrumenten hadden voorlopers op eerdere NASA-satellieten, en zij - samen met de ruimte, lucht- en grondmetingen van partnerorganisaties zoals de National Oceanic and Atmospheric Administration en wereldwijde partners zullen wetenschappers helpen het herstel van het ozongat te volgen.

"Als het gaat om een ​​duidelijk teken dat het ozongat aan het verdwijnen is, het kan nog een paar decennia duren voordat we omhoog kunnen kijken en zeggen dat het elk jaar kleiner is dan in het begin van de jaren 2000, "Zei Strahan. "De meeste jaren sindsdien, het is een beetje kleiner geweest, maar af en toe hebben we een heel koud jaar en weer een groot gat. We zullen dat soort variabiliteit in de toekomst hebben, maar als we 2040 of zo zijn, er zal zoveel minder chloor zijn dat de gaten zelfs in koude jaren kleiner zullen zijn. Het zal een lange, hobbelige weg, maar we gaan de goede kant op. We moeten gewoon geduld hebben en doorgaan met het goede werk."