A túlvilágba: módosított kém sík, hogy kiderüljön, hogy a heves viharok új veszélyt jelentenek-e az ózonrétegre

A túlvilágba: módosított kém sík, hogy kiderüljön, hogy a heves viharok új veszélyt jelentenek-e az ózonrétegre

Írta: Eli KintischApr. 2019. január 25, 14:00

Az AK-47-ös fegyverekkel őrzött tizenévesek őrizetbe álltak, amikor a Lockheed pilóta Ron Williams NASA kutatási repülőgépet taxizott egy kifutópályára Punta Arenasban, Chile déli csúcsán. A repülőgép hosszú, vitorlázó szárnyai módosították az ER-2 néven ismert Lockheed U-2 kém repülőgépet, üzemanyaggal és tudományos műszerekkel. Nem sokkal a felszállás után Williams figyelte, ahogy a pilótafülke feletti ég kékről lila és fekete színre változik, számtalan fényes csillaggal. Az alábbiakban megjelent a Föld görbülete. Williams felmászott a túlvilágba, a hideg, száraz alsó sztratoszféra szívébe, körülbelül 18 kilométernyire.

1987 augusztus volt, Augusto Pinochet diktátor még mindig uralta Chilet. Williams Patagóniába utazott, hogy segítsen a kutatóknak a közeli Antarktisz felett az égbolt aggasztó fejlõdésének kipróbálásában. Az ipari vegyi anyagok által kiváltott reakciók szerint a Föld ózonrétegében lyukat ejtettek, amely megóvja az életet a káros ultraibolya (UV) sugárzástól.

A repülések veszélyesek voltak - emlékeztet James Anderson légköri vegyész a Harvard Egyetemen. Az ER-2 fedélzetén volt egy 150 kg-os hangszere, amely szimatolni fogja a túlvilág vékony levegőjét az ózonpusztító vegyi anyagokkal szemben, mivel Williams 8 órán keresztül magasra jeges semmiből fakadt. Ha az egymotoros sugárhajtómű leesett, a mentés nem volt biztos. És csak a híres repülőgép leszállás a hírhedten szeles Punta Arenas repülőtéren kaland lehet. "A legrosszabb az volt a gondolat, hogy a hangszerem nem fog működni - mondja Anderson -, mivel a pilóta kockáztatta az életét."

Végül a Williams és más pilóták által az Antarktisz felett 1987-ben összegyűjtött mérések ikonikus és befolyásossá váltak. A tudósok és az újságírók "dohányzó pisztolynak" hívták őket, bizonyítva, hogy a hűtőszekrényekben, permetező kannákban és ipari folyamatokban használt klórozott vegyületek megsemmisítették a sztratoszféra ózonját. Az eredmények hozzájárultak a Montreali Jegyzőkönyv jóváhagyásának útjához, amely egy globális paktum, amely fokozatosan megszüntette az ózonpusztító vegyületeket. Azóta a vegyi anyagok szintje a légkörben csökkent, lehetővé téve az Antarktisz feletti ózonréteg lassú helyreállítását.

Több mint három évtizeddel később a NASA ER-2 újból készül felszállni a túlvilágra az ózonréteg esetleges új veszélyének felkutatása céljából. És Anderson ismét a vizsgálat középpontjában áll. De ezúttal a repülésekre a Déli-sarktól messze, az Egyesült Államok alföldjén kerül sor. A tudósok azt sugallják, hogy a magas nyári zivatarok a vizet és a szennyező anyagokat magasan a sztratoszférába engedik, ahol katalizálhatják az ózon pusztulását. A kutatók attól tartanak, hogy a probléma súlyosbodhat, amikor a bolygó felmeleged.

Egyes kutatók szerint a félelmek túlterheltek. A műholdatok még nem fedezték fel az ózonréteg egészségének az Egyesült Államokban bekövetkező csökkenését, és még nem állnak rendelkezésre bizonyítékok sem a talaj szintjén megnövekedett UV-szintről, sem az UV-expozícióhoz kapcsolódó emberi rákok, például bőrrák növekedéséről.

De az elmúlt 2 évtized során a megállapítások folyamatos csepegtetése azt sugallta, hogy a hipotézist érdemes megvizsgálni. Az egyik ilyen felfedezés az volt a felfedezés, hogy az Egyesült Államok középső részén a sztratoszféra zsebek váratlanul hideg és nedvesek - alapvető feltételeket teremtve az ózonkárosodáshoz. A tavalyi évben a NASA bejelentette, hogy ötéves, 30 millió dolláros erőfeszítést fog finanszírozni, ez év kezdetétől annak ellenőrzésére, hogy a középnyugati viharok megváltoztatják-e a sztratoszféra felépítését. A nyári sztratoszféra dinamikája és kémiája (DCOTSS) projekt célja az ózonréteg potenciális veszélyeinek megvilágítása az Egyesült Államok központi részén, ahol 100 millió embert véd a rákot okozó UV-sugarak ellen.

A tudósok "alapvető felelősséggel tartoznak a probléma teljes megértéséért" - mondja Anderson. Hozzáteszi, hogy az emberi egészségre gyakorolt ​​hatás jelentős lehet az Egyesült Államok középnyugati részén és azon túl lakóinak.

Van logika az ég rendjéhez. A légkör alig 10 kilométerére, a troposzféra meleg hőmérséklettel, nedves idővel és szinte minden életével büszkélkedhet. De az élet függ a sztratoszférától is, a troposzféra feletti rétegtől, amely magában foglalja a Föld durván 20 kilométer vastag, UV-elnyelő ózonrétegét.

Az ózon nagyjából felét tömeg szerint a sztratoszféra 10 kilométeres részén található. Az ott levegő rendkívül száraz, a vízgőz-koncentráció mindössze 3–5 milliomod rész - míg a troposzféra szintje ezerszor magasabb. Az alsó tengerszint feletti magasságból származó nedvesség általában nem éri el a sztratoszférát, mivel a levegő lehűl, miközben felemelkedik, és így a vízgőz felhőkké alakul ki, és jó eső van a sztratoszféra alatt. "Olyan, mint egy hidegcsapda" - mondja Ken Bowman, a Texas A&M Egyetem légköri tudósa, a DCOTSS fő kutatója.

Ózonpusztítás Aktiválás Klór-hidrogén-nitrogén-oxigén-ciklus ismétlések Klór-nitrát Sósav Salétromsav Napfény ózon-oxigén-oxigén Klórinemonoxid Klórinatom-oxigénatom Klór-gáz a túlvilágba A jövő évben a NASA kutatási jetje az Egyesült Államok potenciális fenyegetése fölé kerül a sztratoszférába az Egyesült Államok potenciális veszélyeire. réteg, amely blokkolja a veszélyes ultraibolya sugárzást. A nyári sztratoszféra dinamikája és kémiája (DCOTSS) projekt meg fogja vizsgálni, hogy az erős viharok növelik-e a sztratoszférában a nedvességet és a szennyező anyagokat, elősegítve az övezeteket pusztító reakciókat. Troposzünet (14 km) Troposzféra (0–14 km) Ózonréteg (14–38 km) Stratoszféra (14–50 km) Túlfutás felül Túlzott nedvességtartalmú sztratoszféra Szemmelés túllépésDCOTSS kutatók nyomon követik a viharok túllépését és az ER- 2, hogy megtudja, mennyi nedvességet és szennyeződést vezetnek be a sztratoszférába. ... és egy nedvesebb sztratoszféravíz, amely felgyorsíthatja az ózonpusztulást, a sztratoszféra elérheti a tropopause „túllépő” gördülési zavarokat. Szulfát keresése… A DCOTSS egyik célja a szulfát aeroszolok mérése, amelyek szintén lehetővé teszik az zónákat pusztító reakciókat. A vízcseppek természetes és ipari forrásokból származnak. Hogyan éri el a klór az ózonot? A Sunlight képes aktiválni azokat a reakciókat, amelyek felszabadítják a klórt az ipari vegyi anyagokból származó szennyező anyagokból. Egy klóratom képes katalizálni 10 000 ózonmolekula megsemmisítését. A melegebb, viharosabb világ? A melegedő bolygó hevesebb és gyakoribb viharokat fog előidézni, a modellek azt sugallják, hogy potenciálisan hozzájárulhatnak az ózon pusztulásához. Egy hatalmas gyöngy Nyáron az észak-amerikai monszon egy hatalmas légköri pezsgőfürdőt hoz létre, amely az ózonpusztító vegyületeket elkülöníti. A NASA ER-2Ez a módosított kém sík akár 20 000 méterre is felszállhat, lehetővé téve a részecskék, gázok, nedvesség és még nagyobb minták mintáját a sztratoszférában.
C. BICKEL / TUDOMÁNY

Kis mennyiségű vízgőz csúszik be a sztratoszférába az Egyenlítő közelében. Ott a trópusi hő üst hajtja levegőt a tropopause-en, a troposzféra és a sztratoszféra közötti határon. Ezt a levegőt a legtöbb - de alapvetően nem minden - nedvességétől megfosztottuk, amely azután a pólusok felé sodródik. (A sztratoszférában található egyéb víz a metán és a hidrogén lebomlásából származik.)

A pólusok közelében ez a víz jégkristályokká fagylik le, amelyeket sztratoszférikus felhőknek nevezett bizarr ködökben találunk. Ezeket a kristályokat hosszú ideje úgy gondolják, hogy elengedhetetlenek az antarktiszi ózonlyukért felelős klór-katalizált reakciók megindításához. (Ezekben a reakciókban a klórgyökök az ózon oxigénatomjainak hármasát dioxigénné alakítják.) De 2000-ben, az Svédország feletti ER-2 missziók során az eszközök felfedték, hogy az ózonpusztító reakciók előfordulhatnak mindenütt jelen lévő cseppek jelenlétében is, amelyeket szulfát-aeroszoloknak neveznek. mindkét természetes forrásból, például vulkánokból és fosszilis tüzelőanyagok égetéséből. A laboratóriumi kísérletek később azt mutatták, hogy a vízgőz elősegítheti a folyamatot a szulfátcseppek hígításával, megszabadítva őket az ózonpusztító reakciók további katalizálásához. Az eredmények meglepetés - mondja Anderson. De "Abban az időben azt gondoltuk, hogy ez egy tudományos kérdés" - mondja, mert a kutatók még nem fedezték fel ilyen nedves, ózon-barát körülményeket a sztratoszférában.

Aztán egy véletlenszerű felfedezés sorozat arra utalt, hogy a középtér feletti sztratoszféra nedvesebb, mint a tudósok gondolták. Például a léggömb- és műholdas mérések szerint a Délkelet-Ázsia és Észak-Amerika sztratoszféra néhány milliomodrésznél több vizet tartalmaz, mint a világ más tájain.

Észak-Amerikában a kutatók feltételezték, hogy a forrás túlméretezett zivatar. Noha a legtöbb mennydörgés csak a troposzféra tetejére emelkedik, majd az ismert üllő alakba terjed, néhány különösen erős vihar túllép, és nedves levegőt fecskendez a sztratoszférába.

A radar adatai azt mutatják, hogy több mint 45 000 túllépés - a sztratoszférába emelkedő vihar (pontok) - évente fordul elő az Egyesült Államok központi részén.

(MAP) C. BICKEL / TUDOMÁNY ; (ADATOK) J. COONEY et al ., A geofizikai kutatás naplója: ATMOSPHERES, VOL. 123., 329., 2018

Például 2005-ben egy WB-57-nek nevezett átalakított bombázó kutatási repüléseket hajtott végre az Texas alsó sztratoszférájában, amikor csupán néhány héten belül műszerei több vízgőz-hullámot észleltek. "Évtizedek óta repülünk [ezekkel a repülésekkel], és nem láttam ilyen hullámokat. Hirtelen egy rövid kampányban hármat láttunk." - mondja Thomas Hanisco, a NASA légitársasági tudósát a NASA Goddard űrrepülési központjáról Greenbeltben, Maryland-ben. Később a vízben lévő kémiai izotópok elemzésével kimutatta, hogy a gőz a közelmúltban jégrészecskék volt, amelyeket viharok vettek el. Bowman hasonló felfedezést tett a sztratoszférikus nedvességről 2008-ban egy kísérlet során, amelyben nagyszabású keringési mintákat tanulmányoztak - gondoljuk a sugárfolyamot vagy a kontinens méretű légköri hullámokat - egy G5 sugárhajtású fedélzeten Colorado felett.

Más tanulmányok szerint a túllépések gyakoribbak voltak, mint a kutatók rájöttek. Egy évtizeddel ezelőtt Bowman úgy vélte, hogy az Egyesült Államokban a túllépések száma "évente néhány". De az igazi szám inkább napi 250, mint tavasszal és nyáron - mondta Cameron Homeyer meteorológus, a normani Oklahoma Egyetem. A Homeyer által kifejlesztett technikával az egyik Bowman hallgató kombinálta a 3D-s radar adatait, amelyeket általában az időjárás-előrejelzéshez használták, és amelyeket 125 Nemzeti Meteorológiai Szolgáltató állomás gyűjtött 2004 és 2013 között. Több mint 400 000 túllépést végzett az Egyesült Államok kontinentális térségében abban a 10 éves időszakban. . "Minden szakaszban meglepődtünk, hogy ezek a viharok gyakoribbak és intenzívebbek, mint amire számítottunk." - mondja Homeyer.

A harmadik kutatási vonal az Egyesült Államok középső részén az alsó sztratoszféra azon tapaszait fedezte fel, amelyek sokkal hidegebbek voltak a vártnál, potenciálisan teremtve az ózonpusztítás feltételeit. Például 2013-ban az ER-2 repülések az Alföld fölött a világ világai olyan hőmérsékleteket mértek, amelyek 73 ° C-nullánál alacsonyabbak voltak, 15 ° C-kal hidegebbek, mint egy általánosan használt modell feltételezte. Ez a hőmérséklet-csökkenés 100-szor felgyorsíthatja az ózonréteget lebontó reakciókat - írta Anderson és munkatársai 2017-ben a Nemzeti Tudományos Akadémia folyóiratában . Ez részben azért van, mert a hideg miatt több vízgőz kondenzálódik folyadékká, lehetővé téve ezáltal a szulfát-aeroszolok további hígítását és a reakciók katalizálását. A kutatás szerint mindössze 3 ° C-os hűtés képes átalakítani a sztratoszférát az ózon biztonságos menedékéből egy ölő zónává. "Ez a kémiai reakció a legérzékenyebb a hőmérsékletre, amellyel valaha szembesültem" - mondja Anderson.

2017-ben az ilyen eredmények arra késztették Andersont és az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémia további 14 tagját, hogy kérjék a NASA-t és az akadémiát, hogy tegyék prioritásként a fenyegetés felmérését. "A sztratoszférikus rendszer a jelentős ózoncsökkentés csúcsán helyezkedik el" - figyelmeztette a tudósok az akadémiára küldött levelükben.

Tavaly ősszel a NASA bejelentette, hogy a DCOTSS projektet választotta az öt küldetés egyikéhez, amelyet 30 javaslat közül választottak ki suborbital kutatási programjára. A magas repülésű ER-2 három 8 hetes terepi kampánya, amely elérheti a 20.000 métert, a projekt középpontjában áll. A Kansas Salinában lévő bázisról a repülőgép 2020-ban és 2021-ben keresztezi az Alföldet, lehetővé téve a kutatók számára, hogy példátlan részletességgel dokumentálják a túlvilág és az alacsonyabb magasságok körülményeit. "Az irónia" - mondja Bowman -, hogy "jobban ismerjük a pólusok feletti sztratoszférát, mint a középtávot."

Az ER-2 pilótáknak túlnyomásos öltözetet kell viselniük, hogy túléljék a kutatási sugárhajtómű által elért nagyon magas tengerszint feletti magasságot.

NASA / STU BROCE

A NASA négy ER-2 pilóta számára a repülések kockázatosabb utakat jelentenek. A pilóták a repülőgép elődjét, az U-2-t, a Sárkánylányt, a szexista figurát nevezték el, amely a kézműves nehéz temperamentumára utal. Például annak elkerülése érdekében, hogy a sík leálljon vagy destabilizáló sokkhullámokat hozzon létre, az ER-2 pilótáknak a "koporsó saroknak" nevezett szűk sebességtartományban kell maradniuk. Még a tapasztalt pilóták is elveszíthetik az irányítást; a hidegháború alatt számos finom U-2-es esett az égből.

A sarkvidéki régiókban a sztratoszféra szélsőséges hőmérséklete és szél fokozta a veszélyeket. Mielőtt Williams 1987-ben az Antarktisz fölé repült volna, például egy brit meteorológus azt jósolta, hogy óránként 231 kilométer szélben fog tartani és az ER-2 szokásos működési környezetén kívül a hőmérsékletet is meghaladja. Williams szkeptikus volt, és fogadott a tudósnak egy üveg üveg skótot, hogy tévedett. A pilóta látványos módon elvesztette a fogadást, és legalább egy repüléssel korán véget ért, miután hideggel találkozott, olyan szélsőséges, hogy attól tartott, hogy az üzemanyag lefagy.

A DCOTSS projekt pilótainak enyhébb feltételeket kell látniuk. De a projekt tudományos eredményei ugyanolyan fontosnak bizonyulhatnak. Középpontban az adatok gyűjtése lesz az észak-amerikai monszun anticiklonról, amely egy olyan kontinens méretű légköri gér, amely részben a nedves nyári levegőt korlátozza Észak-Amerika felett. A melegvizes meleg, nedves levegő táplálja a Mexikói-öbölből, amely a Közép-Nyugat felé tart, és olyan zivatarokat ad, amelyek a világ heves esőin, villámlásánál és a konvekciónál elég erősek ahhoz, hogy a tropopauzát átszúrják. "Észak-Amerika valóban egyedülálló az intenzív konvekció szempontjából" - mondja Anderson. A sztratoszférában feltételezi, hogy az eredmény potenciális "fotokémiai szakaszos reaktor" az ózon elpusztítására.

A DCA-kutatók a kutatási cikluson belül meg akarják határozni, hogy mennyi víz és más anyag lép be a sztratoszférába, és követni tudják sorsukat. Ehhez az ER-2 eszközöket hordoz a víz, a vegyi anyagok nyomainak, az ózon, az aeroszolok és a fizikai paraméterek, például a légnyomás és a hőmérséklet mérésére. A kutatók radar- és műholdas adatokat fognak használni a túllépések követésére, majd elküldik az ER-2-t, hogy üldözzék őket. A repülőgépek nem engedik, hogy közvetlenül repüljenek az erőteljes felfelé, de "megjósolhatjuk, hova megy az a levegő, miután belépett a sztratoszféraba, és elindulhatunk mintához" - mondja Bowman.

A kutatók ózonpusztító vegyi anyagokat, például klórt és ként keresnek, amelyeket a sztratoszférába engedtek. Az expressz vonat nagy magasságba való eljuttatásával ezek a vegyi anyagok elkerülhetik a tisztítási folyamatokat az alsó légkörben, ahol a napfény és a hidroxilcsoportoknak nevezett vegyületek széttörhetik őket. "Nem sokat tudunk az itt található sztratoszféra meteorológiájáról és kémiájáról, mert még nem mentünk fel, mielőtt megnéztük" - mondja Bowman.

A módosított U-2 kém repülőgép segít a kutatóknak az ózonréteg fenyegetéseinek felmérésében az Egyesült Államokban.

NASA Photo / Carla Thomas

Számos légköri tudós egyetért a DCOTSS projekt értékével. "Túl keveset tudunk a sztratoszféráról, ezért azt tanulmányozni kell" - mondja David Fahey, aki a Nemzeti Óceáni és Légköri Igazgatóság laboratóriumát működteti Boulderben, Colorado. De ő és mások szkeptikusak abban, hogy a középszint feletti ózonréteg közvetlen veszélyt jelent. Például egy, a Geophysical Research Letters által 2013-ban közzétett tanulmányban a kutatók nem tudták megismételni az Észak-Amerika feletti nedves, hideg sztratoszférikus körülmények korábbi megállapításait, amelyek szükségesek az ózonkárosodás kiváltásához. A NASA Aura műholdja által összegyűjtött nyolcéves napi nedvesség- és hőmérsékleti adatokra alapozott tanulmány szintén alacsony ózonmennyiséget jelentett a troposzférikus levegőben, amelyet a túllépések okoztak. Ha a DCOTSS tudósai csökkentett ózonszintet találnak a viharok túllépésekor, akkor az ózonszegény levegő befecskendezése lehet az oka a pusztító kémianak.

A 2013. évi cikk szerzői kijelentették, hogy Anderson és mások munkája „azt javasolta”, hogy lehet, amit a szerzők a nyári ózonszint „riasztó csökkentésének” jellemeznek. De ezeket a csökkentéseket "a jelenlegi helyzetben nem láthatjuk" - zárták le a szerzők. És Fahey szerint ha a közepes szélességű ózonkárosodás "rosszabbodni fog, akkor még hosszú utat kell megtenni".

Anderson megjegyzi, hogy soha nem használta a „riasztó csökkentések” kifejezést, és azt állítja, hogy a 2013. évi cikkben használt műholdas adatok nem elég érzékenyek vagy részletesek, hogy felfedjék a vonatkozó mechanizmusokat. De aggódik a jövő miatt. "Késő lesz" - attól tart, ha a fellépés késleltetésre kerül, amíg "ténylegesen meg nem mérhető az ózon csökkenése és az UV sugárzás növekedésének növekedése [a középszinteknél]". A globális felmelegedés felgyorsíthatja a veszteségeket. A melegedés mind az alsó, mind a felső légkörben növeli a nedvességet, ez a tendencia várhatóan fokozódni fog, és azt jelentheti, hogy erősebb zivatarok pumpálják ezt a nedvességet a sztratoszférába. Ezenkívül a kutatások kimutatták, hogy bár a domináns melegítőgázok, szén-dioxid és metán melegítik az alsó légkört, a sztratoszférában a napenergiát sugározják az űrbe, lehűtve az ég azon részét - ami szintén elősegítheti az ózonpusztulást. A DCOTSS projekt által összegyűjtött adatoknak segíteniük kell annak meghatározását, hogy a forgatókönyv már megtörtént-e.

A közegészségügyi tisztviselők okosak lennének, ha figyelni nem akarják az eredményeket - mondta Paul Nghiem, a seattle-i washingtoni egyetem dermatológusa, a bőrrák szakértője, aki nemrégiben kezdett együttműködni Andersonnal. Ha az eredmények azt sugallják, hogy a helyi időjárási viszonyok, mint például a nagy viharok, rövid távra csökkenthetik a sztratoszférikus ózon csökkenését és az ultraibolya sugárzás csúcsait, akkor a napsugárzás korlátozására vonatkozó figyelmeztetéseket "jobban össze kell kapcsolni az időjárás valós idejű közvetlen mérésével". Nghiem mondja.

Az 1980-as évek veteránjai arra törekednek, hogy meggyőzzék a kormányokat arról, hogy az antarktiszi ózonlyuk figyelmet igényel, és érdeklődéssel figyeli a DCOTSS-t. "" A Punta Arenasból származó adatok valószínűleg a legjobb példa az alapvető tudományokra ... belemennek a politikába "- mondja Robert Watson, a NASA nyugdíjas tudósa, aki az 1987-es chilei expedíciót vezette. Most, ő és Anderson szerint, a kérdés az, hogy a politikai döntéshozók ismét hajlandóak-e meghallgatni, ha a kutatók bizonyítékot találnak a túlvilágban rejlő új veszélyről.

* Pontosítás, április 26, 11:30: Ez a történet frissítésre került, hogy tisztázza a 2013. évi geofizikai áttekintő levelek tanulmányának leírását és Anderson válaszát.