English
Swedish
German

Kungl. Vetenskapsakademien har beslutat att utdela 1995 års Nobelpris i kemi till

Professor Paul Crutzen, Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz, Tyskland (nederländsk medborgare),

Professor Mario Molina, Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences och Department of Chemistry, MIT, Cambridge, MA, USA och

Professor F. Sherwood Rowland, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA, USA

för deras arbeten inom atmosfärkemin, speciellt rörande bildning och nedbrytning av ozon.

Ozonskiktet – biosfärens akilleshäl

Atmosfären runt jorden innehåller små mängder ozon – en gas vars molekyler består av tre syreatomer (O₃). Om allt ozon i atmosfären skulle pressas samman till ett tryck motsvarande det som råder vid jordytan, skulle skiktet bara bli 3 mm tjockt. Men trots att ozon förekommer i så låga halter spelar det en ytterst fundamental roll för livet på jorden. Ozonet, tillsammans med den vanliga syrgasen (O₂), förmår nämligen absorbera den största delen av solljusets ultravioletta strålar och därigenom hindra att denna farliga strålning når jordytan. Utan ett skyddande ozonlager i atmosfä ren skulle djur och växter inte kunna existera, i varje fall inte på land. Det är därför av största vikt att förstå de processer, som reglerar ozonhalten i atmosfären.

Paul Crutzen, Mario Molina och Sherwood Rowland har alla gjort banbrytande insatser för att förklara hur ozon bildas och bryts ned genom kemiska processer i atmosfären. Deras allra viktigaste bidrag är att de därigenom visat hur känsligt ozonskiktet är för påverkan av människans utsläpp av vissa föroreningar. Det tunna ozonskiktet har visat sig vara en akilleshäl, som allvarligt kan skadas genom till synes måttliga förändringar av atmosfärens sammansättning. Genom att förklara de kemiska mekanismer som påverkar ozonskiktets tjocklek och genom att varna för följderna av fortsatta utsläpp av ozonförstörande gaser, har de tre forskarna bidragit till att skona oss alla från ett globalt miljöproblem som skulle kunna få katastrofala konsekvenser.

Hur kunskapen växte fram
Ozon bildas i atmosfären genom att vanliga syremolekyler (O₂) splittras av solens ultravioletta strålning och att de då frigjorda syreatomerna reagerar med det molekylära syret enligt:

O₂ + uv-ljus =>2O
O + O₂ + M =>O₃ + M

där M är en godtycklig luftmolekyl (N₂ eller O₂).

Engelsmannen Sidney Chapman formulerade 1930 den första fotokemiska teorin för såväl bildning som nedbrytning av ozon i atmosfären. Denna teori, som beskrev hur solljuset omvandlar de olika syreformerna i varandra, kunde förklara varför de högsta halterna av ozon förekommer i skiktet mellan 15 och 50 km, det s.k. ozonskiktet (Fig. 1). Senare mätningar visade dock avsevärda avvikelser från Chapmans teori. De beräknade ozonhalterna var avsevärt högre än de observerade. Det måste alltså finnas andra kemiska reaktioner som reducerar ozonhalten. Belgaren Marcel Nicolet bidrog senare med viktig kunskap om hur ozonhalten också påverkas genom reaktioner med väteradikalerna OH och HO₂.

Fig. 1. Temperaturens och ozonhaltens variation upp genom atmosfären

Den som tog nästa fundamentala steg mot en djupare förståelse för ozonskiktets kemi var Paul Crutzen. Han visade år 1970 att kväveoxiderna NO och NO₂ reagerar katalytiskt (utan att själva förbrukas) med ozon och därigenom bidrar till en minskning av ozonhalten.

NO + O₃ => NO₂ + O₂
NO₂ + O => NO + O₂
O₃ + uv-ljus =>O₂ + O
________________________
Nettoresultat: 2O₃ => 3O₂

Dessa kväveoxider bildas i atmosfären genom sönderdelning av dikväveoxid N₂O, som är mer stabil och som härrör från mikrobiologiska omsättningsprocesser i marken. Det samband mellan mikroorganismer i jorden och ozonskiktets tjocklek, som Crutzen påvisade, har kommit att utgöra en av grunderna för de senaste årens snabba utveckling av forskningen om globala biogeokemiska kretslopp.

Det först uppmärksammade hotet: överljudsflygplanen
Kväveoxidernas förmåga att bryta ned ozon uppmärksammades också tidigt av den amerikanske forskaren Harold Johnston, som gjort omfattande laboratoriestudier av kväveföreningarnas kemi. Han pekade år 1971 på det hot mot ozonskiktet som den då planerade flottan av överljudsplan (SST-plan, Super Sonic Traffic) skulle kunna utgöra. Sådana flygplan skulle nämligen komma att släppa ut kväveoxider mitt i ozonskiktet på 20 km höjd. En mycket intensiv debatt bland såväl forskare som tekniker och beslutsfattare grundade på Crutzens och Johnstons arbeten uppstod. Det blev också början till en intensiv satsning på forskning om atmosfärens kemi som lett till stora framsteg under senare år. (Att planerna på en stor SST-flotta senare inställdes berodde inte bara på miljöriskerna).

Sprayburkar och kylskåp skadar ozonskiktet
Nästa stora framsteg i kunskapen om ozonkemin kom 1974 när Mario Molina och Sherwood Rowland publicerade sin uppmärksammade artikel i tidskriften Nature om hotet mot ozonskiktet från CFC -gaser (från engelskans chlorofluorocarbons, “freoner”), vilka användes bl.a. som drivgas i sprayflaskor, som kylmedium i bl. a. kylskåp och vid tillverkning av skumplast. Molina och Rowland byggde sina slutsatser på två viktiga bidrag av andra forskare:

– James Lovelock (England), hade nyligen utvecklat en förfinad teknik att mäta ytterst låga halter av organiska gaser i atmosfären (elektronfångardetektorn). Med hjälp av denna kunde han nu påvisa att, de uteslutande av människan producerade, CFC-gaserna redan förekom spridda i hela atmosfären.

– Richard Stolarski and Ralph Cicerone (USA) hade visat att fria kloratomer i atmosfären genom katalytiska reaktioner kan bryta ned ozon på liknande sätt som kväveoxiderna.

Molina och Rowland insåg att de kemiskt sett mycket stabila CFC-gaserna så småningom skulle komma att transporteras upp till ozonskiktet och där mötas av ett så intensivt uv-ljus att de skulle sönderdelas i sina beståndsdelar. En av beståndsdelarna är klor. De beräknade att om människans användning av CFC-gaser skulle fortsätta i oförändrad omfattning skulle ozonskiktet efter ett antal årtionden avta med flera procent. Deras förutsägelse väckte en enorm uppmärksamhet. CFC-gaserna hade ju fått många tekniska användningar och ansågs just genom sin kemiska stabilitet och sin giftfrihet vara idealiska ur miljösynpunkt. Många var kritiska till Molinas och Rowlands beräkningar, ännu flera blev allvarligt oroade över möjligheten av ett uttunnat ozonskikt. I dag vet vi att de hade i allt väsentligt rätt. Det skulle t.o.m. visa sig att de underskattade risken.

Ozonhålet över Antarktis
Molinas och Rowlands rapport ledde till vissa begränsningar av CFC-utsläppen under slutet av 1970-talet och början av 1980-talet. Inte förrän 1985, när den verkliga chocken kom, blev det riktig fart på de internationella förhandlingarna om utsläppsbegränsningar. Då uppmärksammade engelsmannen Joseph Farman och hans kolleger en drastisk uttunning av ozonskiktet över Antarktis: “ozonhålet” (Fig. 2). Uttunningen var, i alla fall periodvis, långt större än tidigare beräkningar av CFC-effekten. Debatten bland forskarna blev nu intensiv. Var det en naturligt betingad klimatvariation eller var det en kemisk nedbrytning orsakad av oss människor? Tack vare banbrytande forskningsinsatser från flera forskare, däribland såväl Crutzen, Molina och Rowland som Susan Solomon och James Anderson, båda från USA, har bilden nu klarnat. Uttunningen beror huvudsakligen på ozonets kemiska reaktioner med klor och brom från industriellt tillverkade gaser.

Fig. 2. Ozonskiktets tjocklek (månadsmedelvärden för oktober) över Halley Bay på Antarktis. Notera den drastiska uttunningen sedan slutet av 1970-talet.

Den överraskande snabba uttunningen av ozonskiktet över Antarktis kunde inte förklaras med transporteffekter eller med kemiska reaktioner i gasfasen. Det måste således finnas en alternativ mekanism som påskyndar ozonets nedbrytning. Crutzen och andra identifierade denna mekanism som kemiska reaktioner på ytan av molnpartiklar i stratosfären. Att just Antarktis är speciellt utsatt hänger samman med de rådande extremt låga temperaturerna, som leder till kondensation av vatten och salpetersyra till “polar stratospheric clouds” (PSCs). De ozonnedbrytande kemiska reaktionerna förstärks kraftigt genom närvaron av molnpartiklar. Denna insikt har lett till en spännande ny gren av atmosfärkemin: “heterogena” kemiska reaktioner på partikelytor.

Ozonskiktet och klimatet
Ozonproblemet har också intressanta kopplingar till frågan om hur människan påverkar klimatet. Ozon är, liksom bl.a. koldioxid och metan, en växthusgas som bidrar till att höja temperaturen vid jordytan (även CFC-gaserna har en sådan effekt). Modellberäkningar har visat att klimatet är speciellt känsligt för förändringar av ozonhalten i de lägre luftlagren (troposfären). Här har ozonhalten ökat markant under det senaste århundradet, framför allt på grund av utsläpp av kväveoxider, kolmonoxid och gasformiga kolväten från bilar och industriella processer samt från förbränning av biomassa i tropikerna. Den förhöjda ozonhalten i lägre luftlager är också ett miljöproblem genom de skador den kan orsaka på grödor och på människors hälsa. Paul Crutzen har varit den ledande forskaren i världen när det gäller att klarlägga de kemiska mekanismer som är avgörande för ozonhalten i dessa nivåer.

Vad kan vi vänta oss i framtiden?
Tack vare den goda vetenskapliga förståelsen av ozonproblemet – till mycket stor del Crutzens, Molinas och Rowlands förtjänst! – har man kunnat fatta långtgående internationella beslut om förbud mot utsläpp av ozonförstörande gaser. Ett protokoll till skydd av ozonskiktet förhandlades fram i FNs regi och undertecknades i Montreal i Kanada 1987. Den senaste skärpningen av Montrealprotokollet innebär att de farligaste gaserna är total förbjudna från och med 1996 (u-länderna har några år till på sig att införa ozonvänliga ersättningsämnen). På grund av att det tar en viss tid för de ozonförstörande gaserna att nå upp till ozonskiktet måste vi räkna med att ozonuttunningen, inte bara över Antarktis utan även över delar av norra halvklotet, kommer att kunna förvärras under ytterligare några år. Om förbuden efterlevs bör ozonskiktet långsamt börja läka efter sekelskiftet (Fig. 3). Det kommer dock att ta minst 100 år innan det är helt återställt.

Fig. 3. Förändringen av klorhalten i stratosfären fram till idag och tre olika framtidsscenarier: a) Utan utsläppsbegränsningar b) Begränsningar enligt det ursprungliga Montrealprotokollet från 1987 c) De nu internationellt överenskomna utsläppsbegränsningarna. Klorhalten är ett mått på ozonförstöringens storlek.

Lästips

Dotto, L. and Schiff, H. I., The ozone war, Doubleday, Garden City, New York, 1978.

Graedel, T. E. and Crutzen, P.J., Atmosphere, climate and change. Scientific American Library, 1995.

Gribbin, J., The hole in the sky, Corgi Books, London, 1988.

Ozonskiktet, Faktablad från Naturvårdsverket, Februari 1992.

Rodhe, H. och Bolin, B., Luftföroreningar, I Tidens miljöbok – En forskarantologi, Tidens förlag, 1992.

Rowland, F. S. and Molina, M. J., Ozone depletion: 20 years after the alarm, Chemical and Engineering News 72, 8-13, 1994

Scientific assessment of ozone depletion 1994, WMO Report 37, World Meteorological Organization and United Nations Environment Programme, Geneva, 1995.

Toon, O. B. and Turco, R. P., Polar stratospheric clouds and ozone depletion, Scientific American 264, 68-74, 1991.

Wayne, R. P. Chemistry of Atmospheres, Oxford Science Publications, 1993.

WMO and the ozone issue, World Meteorological Organization, Report 778, 1992.

Paul Crutzen född 1933 i Amsterdam. Nederländsk medborgare. Doktorsgrad i meteorologi vid Stockholms universitet 1973. Ledamot bl.a. av Kungl. Vetenskapsakademien, Ingenjörsvetenskapsakademien och Academia Europea.

Professor Paul Crutzen
Max-Planck-Institut für Chemie
P.O. Box 3060
D-55020 Mainz, Tyskland

Mario Molina född 1943 i Mexico City, Mexico. PhD i fysikalisk kemi vid University of California, Berkeley. Ledamot av US National Academy of Sciences.

Professor Mario Molina
Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences
MIT 54 – 1312
Cambridge, MA 02139, USA

F. Sherwood Rowland född 1927 i Delaware, Ohio, USA. Doktorsgrad i kemi vid University of Chicago 1952. Ledamot av American Academy of Arts and Sciences och US National Academy of Sciences, där han f.n. är Foreign Secretary.

Professor F. Sherwood Rowland
Department of Chemistry
University of California
Irvine, CA 92717, USA