In ons zonnestelsel is de aarde de enige planeet met een ozonlaag. Ook is de aarde de enige met leven. Deze twee feiten zijn met elkaar verbonden. Zo’n 3 miljard jaar geleden ontstond er leven op aarde. Dat was anaëroob, zonder zuurstof, plantaardig en produceerde zuurstof als afvalproduct. Leven was toen alleen mogelijk in de oceaan, op een diepte van ongeveer 10 meter. Dit komt omdat de zonnestraling veel harde ultraviolet straling bevat, die schadelijk is voor levende organismen.
Langzaam steeg de concentratie van het afvalproduct zuurstof. Door ontleding daarvan onder invloed van zonlicht ontstond ozon. Dit absorbeert de schadelijke ultraviolet (UV-B) straling. Het ontstaan van ozon, en daarmee de stratosferische ozonlaag (met een maximum van ozon op zo’n 25 km hoogte), is noodzakelijk voor leven op het oppervlak van de aarde. Dat zuurstof de bron is van stratosferisch ozon werd voor het eerst in 1930 beschreven. Maar hoewel de theorie de verdeling van de ozonconcentratie vanaf het aardoppervlak goed beschreef, gaven de metingen een veel lagere concentratie aan. Er ontbrak iets aan de theorie.
1. Satellietopname van het ozongat van oktober 2000. De ozonwaarden zijn weergegeven in Dobson eenheden. Bron: KNMI
Afbraakreactie
De jonge Nederlander Paul Crutzen, werkzaam als programmeur, aan de universiteit van Stockholm, was gefascineerd door dit probleem. Hij beredeneerde dat de oorzaak zou moeten liggen in een afbraakreactie door een stof die van nature in de stratosfeer voorkomt. Hij identificeerde NO, afkomstig van N2O, lachgas, als de schuldige.
In 1970 publiceerde Crutzen een zes pagina’s lang artikel met de titel ‘The influence of nitrogen oxides on the atmospheric ozone content’. De resultaten van deze nieuwe theorie kwamen wel goed met de waarnemingen overeen. Een artikel dat ook een goed voorbeeld was van de manier van werken en wetenschap bedrijven in het nog jonge vakgebied van de atmosferische chemie, waarin nog veel ruimte is voor intuïtie en verrassingen.
Paul Crutzen in 1996 Bron: KNAW archief
Het artikel toonde aan dat geringe concentraties van NO tot een aanzienlijke lagere evenwichtsconcentratie van ozon kunnen leiden. Deze gedachte leidde er in 1974 toe dat Molina en Rowland opperden dat chloorafkomstig van CFK’s, chloorfluorkoolwaterstoffen, op vergelijkbare wijze als NO ozon zou kunnen afbreken. Het verschil is dat NO voor meer dan 90% van natuurlijke oorsprong is, terwijl chloor voor meer dan 90% door de mens in de atmosfeer wordt gebracht.
Dit alles leidde tot wetenschappelijke aandacht voor stratosferisch ozon en tot heftige politieke discussies. Die kwamen in een stroomversnelling na de ontdekking van het zogenoemde ozongat boven de zuidpool. Hoewel dit ozongat volkomen onverwacht was, leidden analyses van Crutzen e.a. tot min of meer sluitende verklaringen.
Het ozongat: verloop van de partiële ozondruk als functie van de hoogte op twee data.
Chloor
De afbraak door chloor wordt versterkt door chemische processen die zich af spelen op de druppeltjes van poolwolken, die gevormd worden bij zeer lage temperaturen. Bij het begin van de poollente, wanneer de zon opgaat, treedt een zeer plotselinge afbraak van ozon op (zie fig. 3). Dit dramatische verschijnsel, en het identificeren van chloor als oorzaak, leidde tot een versnelling van de politieke besluitvorming en het verbieden van de verdere productie van CFK’s.
Het werk van Crutzen, en Molina en Rowland heeft aan het begin gestaan van veel baanbrekend onderzoek. In 1995 ontvingen Crutzen, Molina en Rowland de Nobelprijs voor chemie.
Zie ook:
- De ozonlaag in het laboratorium
- Ozon-vernietiger chloorperoxide waargenomen in stratosfeer
- Nobelprijs chemie 1995
Literatuur:
John Gribbin Om het behoud van de ozonlaag, Pudoc, Wageningen (1992). P. Crutzen The influence of nitrogen oxigen oxides on the atmospheric ozone content, Quart. J. R. Met. Soc. 96 (1970), pp. 320-325. S.E. Manahan, Environmental Chemistry, Lewis, Boca Raton (7th Ed. 2000). S.E. Manahan, Fundamentals of Environmental Chemistry, Lewis, Boca Raton (2001). P. Fabian, The Handbook of Environmental Chemistry, Vol. 4 Air Pollution, Lewis, Boca Raton (1999). E.R. Weiner, Applications of Environmental Chemistry: a Practical Guide for Environmental Professionals, Lewis, Boca Raton (2000).
KNAW
Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).