Ozonlaag dunt verder uit

Wat iedere leek al wist, wordt nu door meteorologen erkend: de ozonlaag boven het Noordelijk Halfrond wordt dunner. En dat leken het broeikaseffect en het ozongat op een hoop gooien, is ook zo erg niet nu blijkt dat beide gekoppeld zijn.

Op 3 december vorig jaar was er een bescheiden feestje in het hoofdgebouw van het KNMI in De Bilt. Het KNMI had besloten voor het eerst sinds 25 jaar weer eigen ozonmetingen te gaan verrichten en daartoe zouden de gebruikelijke weerballonnen van tijd tot tijd ook met een ozonsonde worden uitgerust. Die middag zou er een omhoog gaan, en voortaan zou dat gemiddeld elke twee weken gebeuren.

Voor de eigenlijke ballonoplating waren er wat lezingen en in de pauze kon men de radiografisch overgeseinde meetresultaten zien van de proefoplating die aan de openbare lancering was voorafgegaan. Verloop van luchtdruk, temperatuur, vochtigheid en ozongehalte met de hoogte tot een plafond van 32 kilometer waar de ballon was geknapt. Duidelijk was dat een week eerder een tong droge ozonrijke stratosferische lucht de troposfeer was binnengedrongen waardoor de ozonwaarden van de troposfeer opeens waren opgelopen.

Een mooiere illustratie van het nut van dit soort onderzoek was nauwelijks denkbaar. Over de uitwisseling van ozon (en andere verbindingen) tussen de ozonarme troposfeer (de luchtlaag tot 12 km hoog) en de ozonrijke stratosfeer (die zich uitstrekt tot 50 km hoog) is nog weinig bekend.

Bekende bonte plaatje

Naast de sondemetingen was voor de aardigheid een grafische weergave gehangen van de ozonmetingen die een van de twee ozonmetende satellieten van de Amerikaanse dienst NOAA naar de aarde zond toen deze een dag eerder Europa passeerde. Het bekende bonte plaatje waarop contrasterende kleuren coderen voor de kolomdiktes ozon (uit te drukken in Dobson-units: DU). Wie toevallig de voor Nederland geldende gemiddelde waarden paraat had (voor begin december zo'n 300 DU) kon zich verbazen over de lage waarde die de zogeheten TOVS-spectrometer van de satelliet op 2 december had gemeten. Nog geen 210 DU.

""De laagste waarde die ooit boven Nederland is gemeten'', zeiden passerende KNMI-ers. ""En zet het in hemelsnaam niet in de krant, want dan kunnen we morgen wel achter de telefoon blijven zitten.''

Men legde uit hoezeer de structuur van de ozonlaag boven het noordelijk halfrond (waar nog nooit een "gat' als boven de zuidpool is gevonden) verschilde van die van het zuidelijk halfrond. Hoe passerende depressies en hoge drukgebieden het patroon beheersten, dat de ozonwaarden van dag tot dag verschilden en dat de ozonlaag allang weer op zijn oude dikte was. De uitschieters hoefden niets te betekenen voor de trend. ""Ooit moet je de laagste waarde meten'', zei de Belgische fysicus dr. D. de Muer die ook wat uitgenodigd.

Zwaveluitstoot

Ook De Muer, verbonden aan het KMI in Ukkel, hield een lezing. De Muer meet al sinds 1970 continu de dikte van de ozonlaag boven Ukkel met behulp van een Dobson-spectrofotometer (die de ozonconcentraties afleidt uit de specifieke absorbtie van het gas in ultraviolet licht) en had onlangs al zijn metingen over die periode opnieuw onder de loep genomen. Gecorrigeerd voor alle storingen die hij kon bedenken en vastgesteld dat de storing van het gas zwaveldioxide (SO2), dat ook absorbeert in het ultraviolet, verreweg de belangrijkste was. Hield hij rekening met de afname van de zwaveluitstoot, zoals die nu op veel plaatsen in West-Europa optreedt, dan bleef geen enkele significante ozontrend over.

Dat is opmerkelijk want de VN-organisatie voor meteorologie WMO had net vastgesteld dat het ozonverlies in de periode 1978-1991 boven gematigde noordelijke breedten zo'n vier procent per decennium was in de winter en maar liefst zeven procent in de zomer. Het gerenommeerde tijdschrift Journal of Geophysical Research heeft De Muers bevindingen op 20 april 1992 gepubliceerd.

Later in december zou De Muer in Ukkel nog een persoonlijke toelichting geven op zijn conclusie. Kritiek van derden dat hij het effect van SO2 zou overschatten (hij zou onrealistisch hoge waarden voor de SO2-concentraties hebben gebruikt) weerlegde hij zonder aarzelen. De SO2-waarden waren langs twee verschillende wegen bepaald en daartussen bestond uitstekende overeenstemming.

Was De Muer in zijn genoemde artikel nog voorzichtig geweest over mogelijke SO2-effecten bij andere meetstations, inmiddels had hij vastgesteld dat meer dan de helft van de 140 grondstations die ozonmetingen verrichten in de nabijheid ligt van een stad met meer dan 100.000 inwoners. Ook elders was dus een SO2-effect te verwachten als men er de zwaveluitstoot was gaan beperken. Het Britse station bij Bracknell (bij Londen) had zelfs moeten verhuizen omdat de metingen te zeer door luchtvervuiling gestoord werden. De Muer herhaalde zijn kritiek op de werkwijze van het Ozone Trends Panel van de Nasa die ozontrends berekent uit waarnemingen van de TOMS-spectrometer aan boord van de Nimbus-7 satelliet in combinatie met de metingen van de 140 grondstations. De Ukkelse waarnemingen bleken, zonder overleg, te zijn geredigeerd en zelfs waren waarnemingen opgevoerd op dagen dat helemaal geen metingen waren verricht.

Nog dieper

Dat was december. Op 11 februari publiceerden onderzoekers uit Texas in het tijdschrift Nature een ingezonden brief waarin zij bekend maakten dat de ozon-waarnemingen van de Nimbus-7 (die al sinds 1978 gegevens doorseint en nu op zijn laatste benen loopt) het laatste jaar stelselmatig te hoog uitvallen. Voor de verwerking van de metingen van de TOMS-spectrometer, die het ultraviolet analyseert dat de aarde terugkaatst en dus de ozon "mist' die onder de wolken zit, zijn de laatste jaren voortdurend nieuwe computerprogramma's geschreven, maar de nu optredende afwijkingen waren nog niet verwerkt.

De Texaanse conclusie was dat het ozongat aan de zuidpool (waarvoor de WMO in oktober al een record diepte en omvang meldde) nog dieper was dan aangenomen en dat een net van goed onderhouden grondstations onmisbaar was voor de interpretatie van satellietwaarnemingen. Wat de bijdrage aan het ozononderzoek van satellieten betrof voorzag men de komende tijd belangrijke problemen nu de oude TOMS steeds pijnlijker calibratieproblemen kreeg en de nieuwe Amerikaanse TOMS aan boord van de Russische Meteor-3 satelliet nog onvoldoende was geijkt. De TOVS-spectrometers van de twee NOAA-satellieten (die in het infrarood meten) kunnen subtiele trends niet aantonen.

Op 5 maart maakte de WMO bekend dat ook de ozonwaarden boven het noordelijk halfrond de afgelopen winter een nieuw diepterecord hadden bereikt. Was in het vroege voorjaar van 1992 al een opmerkelijke verdunning opgetreden, in februari van dit jaar was de kolomdikte ozon meer dan 20 procent lager dan het lange-termijn gemiddelde. Inmiddels is die waarde teruggebracht tot 18 procent, maar dat is nog steeds zo hoog dat woordvoerders van het KNMI de verdunning maar voor de helft aan "meteorologsche effecten' durven toeschrijven: afwijkende luchtcirculatie en hardnekkige hogedrukgebieden.

Gecapituleerd

Zeer verrassend is dat ook De Muer de afwijkende ozonwaarden niet langer als een natuurlijke variatie verklaart. ""Na statistische verwerking van de waarnemingen die wij zelf na december hebben gedaan en de satellietwaarnemingen die wij van Nasa en NOAA ontvingen moet ik nu toegeven dat zich in onze meetreeks direct na 1991 een breuk aftekent. Ik kan niet langer volhouden dat het KMI in Ukkel geen afname van de kolomdikte ozon meet.'' Eén van 's werelds meest hardnekkige bestrijders van de opvatting dat de ozonlaag stelselmatig dunner wordt is gecapituleerd. Zelfs het KNMI was er gisteren even stil van.

De WMO geeft in haar persbericht als verklaring voor de ozon-aantasting de doorgaande lozing van chloor- en broomhouden gassen (CFK's en halonen) en verder: ongewone circulatiepatronen in de atmosfeer waardoor tijdens de laatste winters, vooral boven Europa, veel ozonarme lucht uit de subtropen is aangevoerd. Dat is de "meteorologische verklaring' die volgens het KNMI te kort schiet.

Dat de WMO als eerste verklaring voor de zo plotseling optredende verdunning van de ozonlaag boven het noordelijk halfrond de CFK's en halonen opvoert is wonderlijk, om niet te zeggen: onbevredigend. In de uitstoot van deze gassen heeft zich de laatste jaren immers geen abrupte verandering voorgedaan. In wetenschappelijke literatuur wordt juist uitdrukkelijk een onderscheid gemaakt tussen plotseling optredende aantastingen en meer geleidelijke invloeden. Tot die laatste rekent men dan het stijgende aanbod van CFK's en halonen en andere antropogene chloorverbindingen, de toename van het methaan- en N2O- (lachgas) gehalte van de troposfeer en de produktie van NOx van hoog vliegende vliegtuigen. (NOx, ook van natuurlijke oorsprong, speelt een sleutelrol in de zogeten katalytische afbraak van ozon in de lage stratosfeer. Ook het KNMI is betrokken bij een onderzoek naar de invloed van vliegtuig-NOx).

Ook het - versterkte - broeikaseffect, dat gepaard gaat met een afkoeling van de stratosfeer, zou een flink effect hebben op het evenwicht tussen de tientallen reacties die van invloed zijn op de ozonconcentratie. Het oordeel over het het netto-effect van al deze invoeden wisselt van jaar tot jaar.

De lijst van incidentele invloeden omvat de 11-jarige zonnecyclus die verantwoordelijk is voor een sterk wisselend aanbod van ultraviolette straling (van rechtstreekse invloed op de fotodissociatie van zuurstof en ozon, maar ook op de temperatuur van de stratosfeer) en variaties van 2 tot 3 procent in ozondiktes teweeg brengt en de grillige solar proton events: korte perioden waarin de zon veel geladen deeltje uitstoot die vooral op hoge breedten extra NOx doen ontstaan (met evenredige aantasting van ozon). De zogeheten quasi-biennial oscillation, een ritmische omkering van de windrichting in de lage stratosfeer boven de tropen met een cyclus van 26 maanden, kan de ozonwaarden met 2,5 procent doen veranderen. In de jaren vijftig en zestig moet een belangrijk incidenteel effect zijn uitgegaan van de bovengrondse kernproeven, al wordt veel daarvan nog steeds niet begrepen. Belangrijk is dat de reikwijdte van al deze incidenten redelijk bekend is.

Vulkaanuitbarstingen

Dat geldt niet voor de grote vulkaanuitbarstingen van de laatste tijd, zoals die van El Chichòn (Mexico) en vooral de Pinatubo op de Filippijnen. Dat vulkanen grote, maar lastig te meten, hoeveelheden chloor, NOx en SO2-druppeltjes (sulfaat-aerosol) rechtstreeks in de stratosfeer kunnen blazen was al lang bekend, maar die wetenschap kreeg extra betekenis toen in 1987 de rol van de zogeheten polar stratospheric clouds (PSC's) in de ozonafbraak boven de polen werd aangetoond.

PSC's zijn uitgestrekte en ijle wolken van ijskristallen die zich 's winters in de stratosfeer boven de polen ontwikkelen. Er worden inmiddels drie typen onderscheiden, maar een belangrijk gemeenschappelijk kenmerk van de wolken is dat de ijskiemen vooral ontstaan op sulfaat-aerosol (zodat vulkaanuitbarstingen van invloed zijn op hun vorming) en dat ze meer of minder grote hoeveelheden nitraat bevatten. Ze beheersen daarmee de NOx-huishouding van de stratosfeer boven de polen. Bovendien is uit laboratoriumwerk gebleken dat aan het oppervlak van de ijskristallen chemische reacties plaatsvinden die zonder ijs vrijwel niet optreden. Dat is de "heterogene chemie' die de laatste vijf jaar intense aandacht heeft. Zolang de poolnacht duurt heeft het moleculaire chloor (Cl2) dat in dit proces onder meer vrij komt weinig invloed op de afbraak van ozon, maar dat verandert als het Cl2 bij het aanbreken van de lente onder invloed van ultraviolette straling in atomen uiteenvalt.

Inmiddels is bekend dat ook aan het oppervlak van de SO2-druppeltjes zelf een heterogene chemie plaats vindt die verwant is aan die van de PSC's maar dus niet beperkt blijft tot de poolgebieden.

Kort samengevat is de huidige hypothese dat sulfaat-aerosol de ongunstige invloed van chloor en broom in de stratosfeer doorslaggevend versterkt. (Vóór men het effect van de heterogene chemie kende was met de beste wil van de wereld geen groter ozonverlies door CFK-produktie dan één procent per decennium te berekenen. Goedbeschouwd was alle CFK-commotie voor 1987 voorbarig.) Omdat ook van nature chloor in de stratosfeer terecht komt valt niet uit te sluiten dat ook vroeger wel sterke ozonverdunningen voorkwamen. Dat verklaart de grote belangstelling voor de (schaarse) historische ozonmetingen.

Dat meteorologische effecten, zoals veranderde circulatiepatronen, ongewone uitgestrektheid, intensiteit en frequentie van gebieden met hoge luchtdruk, een groot lokaal effect hebben op de kolomdiktes ozon is evident omdat ze de verdeling van ozonarme lucht uit de tropen en ozonrijke lucht van hogere breedte bepalen. Aangenomen wordt dat ze bovendien een mondiaal effect hebben omdat ze ook van invloed zijn op de aanvoer van tal van reactieve verbindingen uit de troposfeer naar de stratosfeer. (Naast de genoemde verbindingen valt nog te denken aan zout en methylchloride uit de oceanen.)

Broeikaseffect

Hier tekent zich een koppeling af tussen het broeikaseffect (opwarming van de troposfeer en afkoeling van de stratosfeer door stijgende concentraties CO2, N2O, methaan en enige andere gassen) en de ozonaantasting die het maken van lange-termijn voorspellingen uitzonderlijk moeilijk maakt. Nog steeds bestaat er immers weinig overeenstemming tussen de uitspraken van de diverse klimaatmodellen over de gevolgen van een verdubbeling van het CO2-gehalte.

Als illustratie mag dienen dat tot voor kort werd aangenomen dat het broeikaseffect de ozonaantasting zou afremmen. Een verdubbeling van het CO2-gehalte zou de kolomdiktes ozon met wel 9 procent kunnen doen toenemen. Maar Britse meteorologen maakten onlangs in Nature (19 november) bekend dat zij van een 2xCO2-situatie (in de tweede helft van de volgende eeuw voorzien), en de daarmee samenhangende afkoeling van de stratosfeer, een beduidende uitbreiding van de polaire ijswolken (PSC's) boven de noordpool verwachten. Dat zou de kans op een ozongat boven de noordpool vergroten.

Met de niet langer te ontkennen teruggang in de ozonlaag - hoe groot het menselijk aandeel daarin ook moge zijn - stijgt de belangstelling voor de effecten die daarvan zijn te verwachten. Meteorologen tonen zich het meest bezorgd over de veranderingen in de stratosfeer zelf. De karakteristieke stabiliteit en temperatuurgradiënt van de stratosfeer wordt voornamelijk door ozon bepaald.

Tot op zekere hoogte is het een geruststellende gedachte dat nog steeds geen mondiale stijging van de intensiteit van de gevaarlijke UV-B-straling op zeeniveau is gemeten. Daar moet dan aan worden toegevoegd dat de lopende UV-B-metingen nog zeer rudimentair zijn, zoals behalve De Muer ook onderzoekers van het RIVM in Bilthoven onderstrepen. Het RIVM heeft onlangs een gevoelige meting over het hele UV-spectrum operationeel gemaakt. Vast staat wel dat "onder' het Antarctische ozongat in oktober een verdubbeling van de UV-B intensiteit werd gemeten. Ook onder de dunne ozonplekken die Nederland regelmatig passeren is een verhoogde UV-B intensiteit gemeten, als tenminste op dat moment de zon scheen. Een behoorlijk wolkendek kan meer dan de helft van de UV-B-straling tegenhouden en een geringe trendmatige toename van de bewolkingsgraad zou dus een extra aanbod UV-B makkelijk teniet doen.

Men dient daarbij te beseffen dat het aanbod aan UV-B per dag geweldige fluctuaties vertoont en dat de op te lopen dosis UV-B moeiteloos is te beperken door niet urenlang in de zomerzon te gaan liggen of vakanties aan tropen of subtropen (waar de ozonlaag van nature dun is en de zon hoog aan de hemel staat) te verminderen. Bedacht moet worden dat een uitspraak als: de kans op diverse soorten huidkanker neemt toe met twee tot vijf procent als de belasting met UV-B met 2 procent stijgt (als uitvloeisel van 1 procent ozonverlies) simpelweg is afgeleid van een epidemiologisch onderzoek naar de frequentie van huidkanker in de Verenigde Staten. De kans op huidkanker in de meest noordelijke staten bleek er de helft te zijn van die in de meest zuidelijke staten. Of, zoals het wel geformuleerd is: het effect van één procent ozonverlies komt overeen met dat van een verplaatsing van twintig kilometer in de richting van de evenaar.

Voor de algen in de polaire zeeën staat een dergelijke gang naar de tropen natuurlijk niet open. Voortdurend is er de afgelopen jaren op gewezen dat dit plankton, de basis van diverse voedselketens, door een extra aanbod van UV-B in zijn groei zou worden aangetast. Vorig jaar is daarvoor belangrijk experimenteel bewijs geleverd. In het tijdschrift Science (21 feb. '92) berichtten Amerikaanse onderzoekers dat in oktober 1990 onder het Antarctische ozongat een groeiremming werd waargenomen die soms opliep tot 6 à 12 procent.

Chemistry of atmospheres. R.P.Wayne. Clarendon Press. Oxford, 1991

"Polar stratospheric clouds and ozone depletion.' Scientific American, juni 1991.