Vanaf de jaren 60 maken weersatellieten grootschalige observatie van wolkenpatronen en atmosferische samenstelling mogelijk en klinken de laatste woorden van Schmidt: “Van onmiddellijk belang voor het weer is in het algemeen slechts de troposfeer!”, al snel prehistorisch in de oren.
Door de geweldige stappen in de techniek, die metingen mogelijk maakte waar Schmidt alleen maar van kon dromen, is de wetenschap van de atmosfeer steeds belangrijker voor het milieuonderzoek, waaronder de ontdekking van het Antarctische ozongat en de invloed van CFK’s. Tegenwoordig is atmosferische wetenschap een multidisciplinair vakgebied dat meteorologie, chemie, fysica en oceanografie combineert om klimaatverandering, luchtvervuiling en weersystemen te begrijpen.
Op deze ontegenzeggelijk juiste samenvatting is echter een uitzondering. Hoog boven ons hoofd bevindt zich een vrijwel onbereikbare zone van de atmosfeer: de mesosfeer. Voor vliegtuigen en weerballonnen is het te hoog, voor satellieten juist te laag. Daardoor is deze luchtlaag al decennialang een blinde vlek voor de wetenschap en wordt binnenskamers daarom ook wel aangeduid als de ‘Ignorosphere’.
Aanleiding voor deze blog is dat dit binnenkort lijkt te veranderen. Onderzoekers van Harvard en de University of Chicago hebben ultralichte membranen ontwikkeld die passief kunnen zweven in de mesosfeer. Het geheim zit hem in de zogenaamde fotoforese, een natuurkundig effect waarbij deeltjes op avontuur gaan wanneer ze aan een sterke lichtbron worden blootgesteld. Het zonlicht maakt de ene kant van het object warmer dan de andere, waardoor gasmoleculen harder tegen de warme zijde botsen. In de extreem lage luchtdruk van de mesosfeer, die zich op 50 tot 100 kilometer hoogte bevindt, levert dit een subtiele maar constante stuwkracht op. Als het object licht genoeg is, dan komt het geheel in beweging. “Normaal is dit effect zo zwak dat je het niet merkt”, legt hoofdonderzoeker Ben Schafer uit. “Maar door onze structuren extreem licht te maken, wordt de fotoforetische kracht groter dan hun gewicht, waardoor ze daadwerkelijk kunnen vliegen.”
Is dat van belang? Ja, zeker. Het beeld wat Schmidt schetste in 1963 wordt ook in de huidige meteorologie stevig omarmd, maar klopt het ook wel?
Door de historische ontwikkeling van de meteorologische wetenschap is men gewend om van beneden (het Aardoppervlakte) naar boven (top van de atmosfeer) te kijken en vandaar uit te redeneren. De afkoeling van de troposfeer, de opwarming van de stratosfeer (door ozon); de afkoeling van de mesosfeer en vervolgens de opwarming in de thermosfeer (ionisering moleculen).
Dit vertroebelt naar mijn mening de werkelijke processen zoals deze plaatsvinden in de atmosfeer en een gedegen studie van de mesosfeer zou hier wel veel meer duidelijkheid over kunnen bieden. Want wat weten we wel?
De mesosfeer bevindt zich in het onderste gedeelte van de ionosfeer. De zgn. D-laag. De ionosfeer wordt over het algemeen opgedeeld in drie, soms vier lagen, die dankzij hun belang voor de voortplanting van radiogolven goed zijn bestudeerd. Hoewel de grenzen fluctueren als gevolg van zonneactiviteit en atmosferische omstandigheden, worden de belangrijkste lagen vaak aangeduid met D, E en F.
De website van het weerstation in Julianadorp geeft een korte beschouwing over de aard van deze verschillende lagen:
“D-regio: gelegen tussen ongeveer 48 km tot 90 km boven het aardoppervlak. De D-laag is de binnenste laag. Ionisatie is hier te wijten aan Lyman-serie-alfa-waterstofstraling, een golflengte van 121,6 nanometer (nm) waardoor stikstofmonoxide (NO) ioniseert. Bovendien kunnen zonnevlammen harde röntgenstralen generen die N2 en O2 ioniseren. De recombinatiesnelheden zijn hoog in de D-laag, dus er zijn veel meer neutrale luchtmoleculen dan ionen.
E-regio: gelegen tussen ongeveer 90 en 150 kilometer. Deze laag draagt bij aan de reflectie van middelfrequente en sommige kortegolfsignalen en kan sporadische versterkingen vertonen als gevolg van lokale gebieden met een hoge elektronendichtheid.
F-regio: zich uitstrekkend vanaf ongeveer 150 kilometer hoogte en overdag vaak verdeeld in de F1- en F2-lagen. De F2-laag, gelegen tussen ongeveer 200 en 400 kilometer, is het belangrijkst voor hoogfrequente communicatie over lange afstanden vanwege de hoge elektronendichtheid en de persistentie gedurende de nacht.
Deze lagen reageren dynamisch op zonnecycli, geomagnetische stormen en seizoensvariaties. Tijdens perioden van intense zonneactiviteit kan verhoogde ionisatie de radiocommunicatie over lange afstanden verbeteren, maar ook satellietsystemen verstoren.
Boven de F-laag neemt het aantal zuurstofionen af en worden lichtere ionen zoals waterstof en helium dominant. Dit gebied boven de piek van de F-laag en onder de plasmasfeer wordt de ionosfeer aan de bovenzijde genoemd.”
Karakteristieken van de ionosfeer
Zoals in het onderstaande plaatje duidelijk is te zien, is deze laag ei-vormig, vanwege het belang van zonnestraling op de ionosfeer. Gedurende de dag-periode is deze laag duidelijk dikker dan gedurende de nacht. Overdag kan de temperatuur hier wel honderden graden warmer zijn dan gedurende de nacht en warme lucht zet uit…
De ionosfeer bevindt zich op een hoogte tussen de 50 en 1000 kilometer. De temperatuur in dit gebied is extreem variabel en kan sterk schommelen afhankelijk van de hoogte, de zonneactiviteit en het moment van de dag. Over het algemeen ligt de temperatuur hier tussen de -73 (nacht) en + 1700 °C (overdag).
Eigenlijk is het dus zo dat de zonnestraling de (hele) thermosfeer flink beïnvloedt. En dat geldt dus ook voor de bespiegelingen over mesosfeer. Wanneer we nu het bekende meteorologische beeld eens omdraaien (we kijken nu vanuit de zon naar de Aarde) dan zien we dit gebeuren in de atmosfeer:
De temperatuur van de thermosfeer daalt naarmate we dalen. Dat klinkt logisch. De meest agressieve zonnestraling wordt aan de top van de ionosfeer afgebroken, door de ionisering van de lichte moleculen die hier aanwezig zijn. Dieper in deze laag zal de zonnestraling minder UV-c (de meest energierijke vorm van ultraviolet licht (100-280 nm)) stralen bevatten en dus zal de opwarming van dezelfde lichte moleculen hier steeds minder groot zijn.
Maar de temperatuur klimt weer wanneer we in de mesosfeer geraken. En daar zijn ook goede redenen voor te verzinnen. Meteorieten verpulveren wanneer ze in de mesosfeer geraken. Door de enorme wrijvingsenergie, die hier pas optreedt vanwege het toegenomen aantal moleculen en atomen, warmen de meteorieten zodanig op dat ze uiteenvallen tot kosmisch stof, met hoge gehalten metalen als ijzer, natrium, magnesium en aluminium. Dit levert dus moleculen en atomen op die in de bovenliggende lagen niet aanwezig zijn en die dus opnieuw aangeslagen kunnen worden en zo voor een nieuwe opwarming kunnen zorgen.
Aan de top van de mesosfeer (50 tot 80 km hoogte) wordt zelfs een afzonderlijke ‘natriumlaag’ benoemd. Deze atomen en moleculen zijn hier ‘nieuw’ en deze deeltjes kunnen hier pas door de (uv-) zonnestraling worden geioniseerd, waardoor deze voor een flinke opwarming kunnen zorgen.
De ozonlaag, die door Schmidt (en de meteorologische wetenschap vanaf de jaren zestig) nog als dominant opwarmingsgas wordt benoemd, kan hier nauwelijks voor enige opwarming van betekenis zorgen.
Maar dieper in de mesosfeer zal ook de betekenis van deze deeltjes voor de opwarming weer afnemen, wat dus (net zoals in de bovenliggende thermosfeer) zorgt voor afkoeling. We zijn dan gekomen bij de onderste grens van de stratosfeer.
De rol van ozon komt pas tot uitdrukking in deze veel lagere luchtlagen. De ozonlaag wordt pas tussen de 15 en 30 km hoogte gevonden, in de stratosfeer, waar de atmosfeer dus weer afkoelt en ozon zorgt hier, zoals uit de onderstaande afbeelding blijkt, alleen maar voor een geringe afbuiging van de algehele afkoelingstrend.
Waarom de atmosfeer vervolgens weer opwarmt in de troposfeer is elders op deze webpaginas uitgebreid behandeld en een verklaring hiervoor kan bijvoorbeeld hier en hier worden gevonden, maar het voert te ver om dat in dit kader uitgebreid te behandelen.
Ongeveer 90% van de ozon kan dus worden aangetroffen in de stratosfeer en wordt over het algemeen als ‘goede ozon’ gezien, wat ons beschermt tegen (a en b-) UV-straling.
Heel anders wordt echter aangekeken tegen het ozon (10%) wat op lagere hoogtes wordt aangetroffen, in onze eigen troposfeer: Buienradar meldt bijvoorbeeld:
“Ook in de lagere luchtlagen (troposfeer) komt dus ozon voor. Hier wordt de stof veelal gevormd door luchtverontreiniging in combinatie met Uv-straling van de zon. Vooral de stikstofgassen die ontstaan door verbranding van fossiele brandstoffen, de industrie en landbouw gaan een chemische reactie aan zodra er UV-straling van de zon bij komt kijken. Hierdoor ontstaat troposferische ozon. Troposferisch ozon is een onderdeel van luchtvervuiling die we ook wel smog noemen (smoke+fog) en zijn we liever kwijt dan rijk. Het vormt een gezondheidsrisico voor mens en natuur. Je ziet dit regelmatig ontstaan in de zomer tijdens lange, hete periodes en het RIVM waarschuwt hier dan voor.”
°De dalende luchtbeweging van het hogedrukgebied veroorzaakt grote concentraties vervuiling in de onderste luchtlagen. Door UV-straling wordt stikstofdioxide omgezet in ozon in de troposfeer.”
Ook het Compendium voor de leefomgeving heeft weinig op met de ozon in de troposfeer (zie link):
“De ozonvormende stoffen komen tegenwoordig vooral in de [troposfeer] door activiteiten van de mens. In bevolkte gebieden leidt de uitstoot van vluchtige organische stoffen en stikstofoxiden door bijvoorbeeld verkeer, industrie en consumenten tot extra ozonvorming. Er is ook een bijdrage van natuurlijke processen, zoals de emissie van ozonvormende stoffen door (naald)bomen.”
Maar is dat ook terecht?
Er is een toename van de UV-straling op Aarde en volgens onder meer de veel te vroeg overleden William Ball (zie link) werd dit veroorzaakt door een paradoxale ontwikkeling in de stratosfeer. Hoewel in de bovenste luchtlagen van de stratosfeer de ozonlaag, inderdaad, waarschijnlijk door het Montreal protecol, met een verbod op ozon afbrekende stoffen, een herstel toont, neemt het ozongehalte van de lagere luchtlagen van de stratosfeer nog steeds af. Dit resulteert nog steeds in een afname van de stratosferische ozonlaag tussen de 60° Zuider- en 60° Noorderbreedte. Inderdaad daar waar het meeste leven op Aarde plaatsvindt.
Dat het gehalte ozon in zijn totaliteit niet afneemt, komt volgens Ball et al. door een toename van troposferisch ozon, wat compenseert voor de stratosferische afname.
In het overzichtsartikel hierover (zie link) wat hij in samenwerking met twintig andere onderzoekers schreef, wordt geconcludeerd:
“Momenteel reproduceren modellen de hier vastgestelde afname van de ozonconcentratie in de lagere stratosfeer niet op een robuuste manier. Het is echter van cruciaal belang dat de oorzaken hiervoor worden geidentificeerd, zowel om toekomstige veranderingen te voorspellen als om te bepalen of het mogelijk is verdere afnames te voorkomen.”
Maar het onderzoek van Ball suggereert ook nog iets anders; is troposferische ozon dan dus ook nog nuttig? Het onderzoek van Bera al al. (zie link) uit 2021 lijkt hiervoor een stevige bevestiging te geven.
Het artikel concludeert naar aanleiding van een groot aantal meetreeksen, zowel voor de COVID-peride als tijdens deze periode, onder meer:
“De snelle wereldwijde verspreiding van COVID-19 heeft geleid tot een aanzienlijke afname van het wegverkeer, het toerisme en de industriële activiteiten. Tijdens deze noodsituatie is de beperkte interactie tussen mens en natuur een zegen gebleken voor de gezondheid van het milieu. De variatie in atmosferische Ozon kan de UV-index (UVI) in elk gebied van de aarde beïnvloeden. Het doel van deze studie is om de variatie in de UV-index boven de megasteden van India te onderzoeken in relatie tot de veranderingen in het troposferische O3-niveau tijdens de COVID-19-lockdown. Meteorologische en milieugegevens (temperatuur in °C, windstoten in km/u, windsnelheid in km/u, relatieve luchtvochtigheid in %, luchtdruk in mb en bewolking in okta) van vier geselecteerde megasteden in India zijn tijdens en vóór de lockdownperiode verzameld om inzicht te krijgen in de variatie van de UV-index en de troposferische O3. De beschrijvende statistische toepassingen, zoals standaarddeviatie, standaardfouten en K-means clustering, zijn uitgevoerd met behulp van standaard statistische software.
In de huidige studie is de t-test gebruikt om het significantieniveau van oppervlakte-ozon (O3) en de UV-Index (UVI) te bepalen tijdens de periode vóór de lockdown (2019) en tijdens de lockdown (2020). De resultaten tonen aan dat de vier grote megasteden in India, namelijk New Delhi, Mumbai, Calcutta en Madras, een sterke afname van de UVI hebben ervaren, terwijl het troposferische O3-niveau licht is gestegen tijdens de lockdown.
De hogere accumulatie van O3 in de lagere atmosfeer van de vier megasteden tijdens de lockdown overschrijdt de toegestane limiet niet. De overmaat aan O3 heeft aanzienlijk bijgedragen aan het vasthouden van schadelijke UV-straling, waardoor de UVI in deze zwaarst vervuilde megasteden van India is gedaald. Tegelijkertijd vermindert de sterke afname van NOx tijdens de lockdown de titratie-impact op O3, en dit mechanisme helpt om het ozonconcentratieniveau te herstellen.
Het unieke van deze studie wordt benadrukt door de feitelijke situatie met betrekking tot de afname van de UV-index en de toename van de troposferische O3-concentratie tijdens de lockdownfase. Deze studie draagt zeker bij aan het opstellen van nieuw milieubeleid, wetten en regelgeving om de gezondheid van het gehele milieu te herstellen.”
Dit roept natuurlijk vragen op. Is de ozon in de atmosfeer inderdaad een product van onze verontreiniging van de atmosfeer of is deze ozon enkel een uitbreiding van de ozonlaag van de stratosfeer, ontstaan door een reactie tussen UV-straling en zuurstof, waardoor de schadelijke UV-straling wordt afgebroken?
Troposferische Ozon
De hoeveelheid ozon boven Nederland blijft nu al jaren gelijk volgens het RIVM. (zie link)
Gesteld wordt: “De dikte van de ozonlaag is wereldwijd de afgelopen 25 jaar met 5% afgenomen. De ozonlaag is vooral dunner geworden in de periode 1980-1990. Sinds het begin van de jaren negentig is de dikte stabiel gebleven op dit lagere niveau.”
Maar wanneer troposferisch ozon inderdaad ontstaat als compensatie voor het verlies van ozon in de lagere stratosfeer dan is dit inderdaad iets wat met onze huidige meetmethoden niet zou opvallen. We kunnen immers alleen een zgn. ‘Dobson-kolom’ meten (dus de totale hoeveelheid ozon in de atmosfeer) en we kunnen plaatselijk (in de leefomgeving) metingen doen, die we in een computer model kunnen invoeren.
En hoe zit het dan eigenlijk met dat troposferische ozon in Nederland?
Zoals hierboven al uiteen gezet; troposferisch ozon wordt eigenlijk alleen als product van luchtverontreiniging gezien en de afname van ozon wordt dan ook gevierd als een stevig succes wat door onze milieumaatregelen is bereikt.
In de Atlas voor de leefomgeving (zie link) kunnen, door het aanklikken van “bekijk de kaart”, de ozonwaarden per locatie en tijd worden teruggevonden en bijvoorbeeld voor vandaag (tweede pinksterdag, 25 mei 11:00 uur) zien we het volgende:
Voor bijvoorbeeld het verschil tussen het havengebied en een plaats in de buurt van Zwolle zijn de volgende verschillen te vinden:
Vreemd, overal matig (het is vandaag een mooie zonnige dag), behalve in het Rotterdamse havengebied, waar het ozongehalte ineens ‘goed’ wordt bevonden.
Dit sluit toch echt beter aan bij de theorie dat ozon hier wordt afgebroken door vervuiling door stikstofoxiden. De UV-versterking die hierdoor kan worden verwacht gaat hier dus volkomen onopgemerkt zorgen voor een groot aantal nadelige gevolgen die al eerder heb beschreven (zie link).
En hoe zit dat dan in de tijd? Omdat de afname van ozon wordt gevierd als milieu-succes, is dit vrij goed gedocumenteerd:
De richtwaarde bedraagt 120 µg/m³ voor de hoogste 8-uursgemiddelde van ozonconcentratie per dag op één meetlocatie. In 2024 werd de richtwaarde op twee meetstations in totaal 16 dagen overschreden, zie figuur ‘Overschrijding richtwaarde ozon’. Dit is het hoogste aantal overschrijdingsdagen van alle meetlocaties in dat jaar.
Maar het is dus duidelijk dat ons succes ten aanzien van de afbraak van ozon in Nederland onder meer gepaard is gegaan met een spectaculaire toename in het aantal gevallen huidkanker. Omdat de bovenstaande tijdelijke piek van 2019 correspondeert met een dipje in (o.a.) de huidkanker incidentie, is het wellicht handig om deze grafiek hier nogmaals in te voegen.
Zijn de factoren die zorgen voor de afbraak van de laagste niveaus van de stratosfeer (de “goede ozon”), die William Ball heeft opgemerkt, wellicht dezelfde als die zorgen voor de afbraak van ozon in de troposfeer, zoals geïdentificeerd in het bovenstaande artikel over de steden van India?
Ik ben geneigd om te zeggen dat hier wel heel veel argumenten voor spreken.
Consequent?
Als laatste, voor degenen die zich zorgen maken over de consequente lijn in mijn blogpagina’s en die mijn blog serie over de stratosfeer (zie link en link en link) en ook in dit artikel weer, in strijd achten met de rest van mijn blogs en websites over het belang van de biosfeer voor het klimaat (zie link en link), is het van belang dat de plagen die ik beschrijf gaan over organismen (o.a. het sargossa-wier) die uiterst goed bestand zijn tegen uv-straling.
Het sargossa wier wordt tegenwoordig zelfs beschouwd als mogelijke natuurlijke bron voor zonnebrandcrème, zie link).
Daarnaast is het zo dat een ander modern plaagorganisme, de teek (zie link), heel goed tegen uv-straling bestand is, terwijl dat zeker niet het geval is bij de organismen (nematoden) die er normaliter zorgen dat de omvang van deze populatie binnen de perken blijft.
Ja dus, deze “klimaatverandering” is dus een probleem. Kooldioxide heeft er eigenlijk niet veel mee van doen…