De chemische samenstelling van de atmosfeer hangt op vele manieren samen met de toestand van het

Transcriptie

1 Troposferisch ozon Twan Noije Henk Eskes Gé Verver Ronald der A en chemische samenstellg de atmosfeer hangt op vele manieren samen met de op mondiale, regionale en lokale schaal. Hier zullen we een aantal aspecten deze teractie bespreken aan de hand verandergen die recente jaren zijn waargenomen de ozonconcentraties boven Europa. Troposferisch ozon is na kooldioxide en methaan belangrijkste broeikasgas. Maar de schattgen de vloed ozon op zitten grote onzekerheden. Een beter begrip troposferisch ozon is daarom groot belang

2 Troposferisch en stratosferisch ozon Het is ten eerste belang onderscheid te maken tussen ozon op verschillende hoogtes. Ozon tussen ongeveer 12 en 50 kilometer boven oppervlak (de stratosferische ozonlaag) is cruciaal belang voor leven op aarde, omdat schadelijke UVstralg de zon tegenhoudt. In de stratosfeer wordt ozon (O 3 ) direct gevormd uit zuurstof (O 2 ) onder vloed zonlicht. menselijke uitstoot chloorfluorkoolstoffen (cfk s) heeft een negatieve vloed op de ozonlaag en is de oorzaak jaarlijks ontstaan ozongat boven de Zuidpool. Na ondertekenen ternationale Protocol Montreal 1987 is de uitstoot cfk s sterk afgenomen, en de verwachtg is dat de stratosferische ozonlaag zich halverwege deze eeuw zal herstellen. Verandergen de ozonconcentraties de troposfeer (tot een hoogte ongeveer 12 km) spelen een belangrijke rol opwarmg de aarde. Ozon wordt niet direct uitgestoten, maar wordt gevormd de troposfeer door oxidatie precursorgassen zoals koolstofmonoxide (CO), methaan (CH 4 ) en andere vluchtige koolwaterstoffen de aanwezigheid stikstofoxiden (NO x ) en zonlicht. toename de emissies deze gassen de twtigste eeuw heeft de hoeveelheid ozon de troposfeer sterk verhoogd. Vooral de hogere troposfeer (tussen 5 en 12 km), waar de temperaturen laag zijn, is ozon een sterk broeikasgas. Volgens de laatste rapportage Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) is de bijdrage troposferisch ozon aan de stralgsforcerg tussen de 0,25 en 0,65 W/m 2, met 0,35 W/m 2 als beste schattg. Recente modelberekengen laten zien dat de toename troposferisch ozon de periode 1890 tot 1990 vooral sterk heeft bijgedragen aan de opwarmg Noordpoolgebied de wter en de lente (ongeveer 0,4-0,5 o C) en vervuilde gebieden Noordelijk Halfrond de zomer (lokaal meer dan 0,5 o C). Directe blootstellg aan verhoogde ozonconcentraties is schadelijk voor mens en natuur. In Europa is er regelgevg rond ozon en worden er grenzen gesteld aan de ozonconcentraties aan de grond. Vooral warme zomers vden er lokaal overschrijdgen plaats, gerelateerd aan de uitstoot ozonprecursorgassen. Vanwege de verticale uitwisselg de atmosfeer, is er sprake een samenhang tussen de concentraties de stratosfeer en de troposfeer enerzijds en de vrije troposfeer en de grenslaag aan de grond anderzijds. Effecten emissiebeleid Europa In Europa is de uitstoot gassen waaruit ozon gevormd kan worden, aanzienlijk gereduceerd sds ed jaren 80. Dit heeft sterk wisselende effecten gehad op de ozonconcentraties Europa. gemeten concentraties op grondniveau laten een gevarieerd beeld zien over de laatste jaar, waarbij de trends sterk afhankelijk zijn de locatie meetstation en seizoen. meeste stations vervuilde gebieden vertonen een verlagg de hoge ozonconcentraties, met name s zomers, en een verhogg de lage concentraties, met name s wters. Dit patroon is kwalitatief overeenstemmg met een afname

3 In Bilt wordt sds december 1992 wekelijks een ozonsonde opgelaten die de ozonconcentratie meet af de grond tot de stratosfeer samen met meteorologische grootheden als temperatuur, luchtvochtigheid en wdsnelheid. lkerfiguur toont de waargenomen gemiddelde verticale verdelg ozon boven de Bilt, waarbij langs de horizontale as de partiële druk ozon is weergegeven. datapunten geven de gemiddelde waarden over de volledige jaren 1993 tot en met 2007 en de foutenbalken de standaardafwijkgen de onderliggende jaargemiddelde waarden. seizoensgemiddelde verdelgen over de periode december 1992 tot en met november 2007 zijn aangegeven met stippellijnen. rechterfiguur toont de bijbehorende jaar- en seizoensgemiddelde trends de mengverhoudg ozon. Hoogte km waarnemgen laten een toename de jaargemiddelde mengverhoudg zien de lagere stratosfeer (12-20 km) met een maximum meer dan 1% per jaar tussen 12 en 15 km. Boven Bilt heeft dit heeft echter niet geleid tot een vergelijkbare toename de troposfeer. Tussen 5 en 12 km is namelijk geen significante veranderg de jaargemiddelde mengverhoudg opgetreden. In de lagere troposfeer wordt wel weer een positieve trend gevonden. Tussen 2 en 5 km is de jaargemiddelde mengverhoudg met ongeveer 0,5% per jaar toegenomen. Aan de grond loopt dit op tot bijna 2% per jaar gemiddeld en meer dan 2% per jaar de lente, herfst en wter. Alleen de zomer is de trend hier niet significant. verandergen de grenslaag en de lagere troposfeer zijn voor een belangrijk deel gevolg een afname de emissies ozonprecursorgassen de omgevg Bilt. Gemiddelde verticale verdelg ozon boven Bilt ( ) Leaire trend de mengverhoudg ozon boven Bilt ( ) Hoogte km december-januari-februari maart-april-mei juni-juli-augustus september-oktober-november trend de jaargemiddelden december-januari-februari maart-april-mei juni-juli-augustus september-oktober-november gehele jaar en spreidg vd jaargemiddelden O 3 [mpa] trend [%/jaar] Box 4.1 Waargenomen trends de ozonconcentraties boven Bilt

4 de lokale uitstoot. In brongebieden leidt dat namelijk tot een verlagg de ozonproductie, die vooral de zomer plaatsvdt, maar ook tot een afname de verwijderg ozon door reactie met stikstofmonoxide (NO), die vooral de wter belang is. Het KNMI-terre Bilt is een voorbeeld een locatie die sterk beïnvloed wordt door emissies uit de nabije omgevg (zie box 4.1). Achtergrondconcentraties gemeten trends kunnen echter slechts gedeeltelijk worden verklaard door de afname de lokale emissies. Ook de achtergrondconcentratie Europa, dat wil zeggen de concentratie die niet door lokale bronnen wordt beïnvloed, is veranderd. ze vertoont een jaarlijkse cyclus met een maximum de lente en een mimum de zomer. Metgen de achtergrondconcentratie Mace Head aan de westkust Ierland vertonen een toename de hoeveelheid ozon die af de Atlantische Oceaan wordt aangevoerd. Over de afgelopen twtig jaar ( ) is de mengverhoudg ozon (dit is aantal moleculen ozon op totale aantal moleculen een volume lucht) toegenomen met 0,31 ± 0,12 ppb (parts per billion) per jaar. Op een gemiddelde 38,4 ppb over deze periode, komt dit overeen met een relatieve toename 0,81 ± 0,31 procent per jaar. Omdat de toename sterkst is de lente en de wter en zwakst de zomer, is ook de amplitude de jaarlijkse cyclus toegenomen. In feite is de achtergrondconcentratie toegenomen tot ed jaren 90 en lijkt deze zich hierna m of meer te hebben gestabiliseerd. Ook op grotere hoogten vertonen de ozonconcentraties boven Europa een opwaartse trend de jaren 90, met name s wters. Dit blijkt uit de meetreeksen de bergstations Jungfraujoch de Zwitserse Alpen (3580 m boven zeeniveau) en Zugspitze Zuid-Beieren (2962 m), uit de met sondes gemeten verticale profielen boven Payerne Zwitserland, en uit vliegtuigmetgen boven Frankfurt en Parijs. Oorzaken de waargenomen verandergen de ozonconcentratie Mogelijk hebben verschillende factoren bijgedragen aan de toename troposferisch ozon boven Europa de jaren 90. belangrijkste zullen we hieronder bespreken. Intercontentaal transport ozon en ozonprecursorgassen zoals NO x, CO en koolwaterstoffen uit Noord- Amerika en mdere mate uit Azië draagt belangrijke mate bij aan de achtergrondconcentraties boven Europa, met name de lente. Verandergen transport ozon en ozonprecursorgassen uit Noord-Amerika lijken echter ondergeschikt belang voor begrijpen de trend ozon. antropogene emissies ozonprecursorgassen Noord- Amerika zijn relatief stabiel gebleven of licht afgenomen de jaren 90. Ook de mogelijkheid dat transport over de Atlantische Oceaan naar Europa effectiever is geworden de jaren 90, kan worden uitgesloten. In de lente hangt dit transport namelijk samen met de sterkte de Noord-Atlantische Oscillatie (NAO), een grootschalig wdpatroon. NAO-dex, die de sterkte de westenwd aangeeft, is echter afgenomen sds beg jaren 90. In Azië zijn de antropogene emissies de afgelopen jaar enorm snel gegroeid, met name Cha. Satellietmetgen laten een verdubbelg zien de hoeveelheid stikstofdioxide de troposfeer boven Cha tussen

5 1996 en 2005, vergelijkbaar met de economische groei (zie box 4.2). toename de emissies Cha heeft echter slechts een beperkte vloed gehad op de ozonconcentraties Europa. Op basis modelberekengen zou een verdubbelg de antropogene emissies Oost-Azië (clusief die Japan en Korea) een toename de mengverhoudg ozon op grondniveau Europa opleveren maximaal ongeveer 1 ppb de lente veel mder dan de waargenomen toename. In en vertonen de metgen extra hoge ozonconcentraties door de vloed bosbranden Canada en Siberië, waarbij grote hoeveelheden CO 2 en ozonprecursorgassen zijn vrijgekomen. grootste branden vonden plaats Siberië de zomer en herfst 1998, 2002 en Canadese branden zijn weliswaar veel kleer Satellietmetgen spelen een belangrijke rol bij de bepalg de concentraties sporengassen de atmosfeer. Instrumenten zoals GOME (Global Ozone Monitorg Experiment) op de ERS-2-satelliet ESA, SCIAMACHY op ESA-Envisat, en OMI (Ozone Monitorg Instrument) op EOS-Aura NASA zijn staat om luchtvervuilg dicht bij oppervlak te meten. en KNMI leveren hierbij een belangrijke bijdrage. OMI is een s-fs strument en KNMI heeft de wetenschappelijke leidg over OMI-project. eerste figuur geeft de mondiale verdelg stikstofdioxide (NO 2 ) de troposfeer weer voor jaar 2007, gemeten door OMI-strument. Rood en geel corresponderen met hoge concentraties. ze komen algemeen voor geïndustrialiseerde gebieden, grote steden en gebieden met een grote bevolkgsdichtheid, waar relatief veel stikstofoxiden (NO x is NO en NO 2 ) worden uitgestoten. Blauwe kleuren corresponderen met lage concentraties schone gebieden. tweede figuur laat de verandergen de hoeveelheid NO 2 de troposfeer zien de periode 1996 tot en met 2005, afgeleid uit de satellietmetgen GOME en SCIAMACHY. rode gebieden laten een sterke toename zien, de blauwe gebieden een afname. witte gebieden corresponderen met een gerge toe- of afname, of met lage concentraties. Gebieden grijs hebben geen significante trend opgeleverd. Voor de donkergrijze gebieden waren niet genoeg metgen beschikbaar om een tijdserie troposferisch NO 2 uit te construeren. Vooral Oost-Azië en Cha laten een enorme toename NO 2 zien, welke wordt veroorzaakt door een toename de uitstoot NO x. trend boven Cha komt gemiddeld genomen overeen met een verdubbelg de uitstoot 10 jaar. ze sterke toename stikstofoxiden leidt tot een toename de regionale ozonproductie. Een deel geproduceerde ozon wordt over grote afstanden getransporteerd en draagt bij aan de ozonconcentraties boven de VS en Europa, waar de hoeveelheid NO 2 de troposfeer juist is afgenomen door lokale reducties de uitstoot NO x Box 4.2 Verandergen de hoeveelheid stikstofdioxide de troposfeer, gemeten met satellieten

6 Vervolg Box 4.2 Verandergen de hoeveelheid stikstofdioxide de troposfeer gemeten met satellieten

7 omg geweest, maar hebben een relatief grotere vloed gehad op de ozonconcentraties Mace Head. toename de emissies scheepvaart is ook belang. huidige bijdrage scheepvaart aan de mengverhoudg ozon Mace Head wordt geschat op ongeveer 6 ppb de zomer en 1 ppb de wter. Gemiddeld over jaar is deze bijdrage zo n 2,5 ppb. Uitgaande een groei scheepverkeer ongeveer 2% per jaar, levert dit een toename de jaargemiddelde mengverhoudg Mace Head 0,05 ppb per jaar. toename scheepvaart kan dus slechts een kle gedeelte de waargenomen trend verklaren. mengverhoudg methaan is sds 1990 met ongeveer 2% toegenomen tot 1751 ppb 1999 en is daarna vrijwel constant gebleven. In modelstudies leidt een reductie de huidige mengverhoudg methaan met 20% tot een afname de jaargemiddelde mengverhoudg ozon op grondniveau Europa met ongeveer 1,2 ppb, waarbij de impact s zomers grootst is. Omgerekend naar de 2%-stijgg die de jaren 90 is waargenomen, levert dat slechts een margale toename de ozonconcentratie deze periode. Een andere factor die uit een aantal recente studies naar voren is gekomen, is dat sds midden de jaren 90 een versterkg de grootschalige circulatie de stratosfeer heeft plaatsgevonden. ze circulatie transporteert ozon de tropen, waar veel ozon wordt gevormd, naar hogere geografische breedtes en lagere delen de stratosfeer, waar uitwisselg met de troposfeer plaatsvdt. Een vergelijkg metgen ozonsondes boven Payerne en Hohenpeissenberg (Zuid- Duitsland) en de bovengenoemde bergstations Jungfraujoch en Zugspitze over de periode heeft laten zien dat er de wter en de lente een significante correlatie bestaat tussen de ozonconcentraties de vrije troposfeer en de lagere stratosfeer. Ook ozonsondes opgelaten boven Canada laten sterk oplopende ozonconcentraties zien de troposfeer en de lagere stratosfeer (beneden ongeveer 19 km) tussen 1993 en Bovendien vertonen de vrije troposfeer en de lagere stratosfeer vergelijkbare trends en een significante correlatie de tijd. Vliegtuigmetgen boven de Noord-Atlantische Oceaan laten een vergelijkbare correlatie zien. ze waarnemgen wijzen erop dat ten mste een deel de toename troposferisch ozon op gematigde noordelijke breedten en Noordpoolgebied is toe te schrijven aan een toename de ozonconcentraties de lagere stratosfeer sds midden de jaren 90. Overigens is de laatstgenoemde toename toe te schrijven aan een versterkg de stratosferische circulatie en niet aan een algemeen herstel de ozonlaag door verandergen de chemie de stratosfeer. Conclusie en vooruitzicht gemeten trends de ozonconcentraties boven Europa kunnen slechts gedeeltelijk worden verklaard door verandergen de emissies ozonprecursorgassen and buiten Europa. Het lijkt erop dat een versterkg de stratosferische circulatie een belangrijke oorzaak is geweest de toename de ozonconcentraties de vrije troposfeer sds de jaren 90. meeste modellen voorspellen dat de opwarmg de aarde de stratosferische circulatie en daarmee de stroom ozon uit de stratosfeer verder zal versterken. Daar staat tegenover dat de afbraak ozon de troposfeer onder vloed zonlicht, die vooral boven de tropische oceanen plaatsvdt, de toekomst sneller zal verlopen door een hogere luchtvochtigheid. Ook de frequentie en omg bosbranden, de natuurlijke emissies methaan en andere ozonprecursorgassen, en de productie stikstofoxiden de hogere troposfeer door bliksem kunnen veranderen onder vloed verandergen mondiale, maar de uitwerkgen deze koppelgen tussen de chemie de atmosfeer en zijn nog onvoldoende bekend. Een warmer Europa kan ook bijdragen

8 aan relatief vaker voorkomen weersomstandigheden die ozonsmog kunnen veroorzaken (zie box 4.3). Klimaatveranderg vormt daarmee een belangrijke, maar onzekere factor voor onze toekomstige luchtkwaliteit. Omgekeerd levert troposferisch ozon een belangrijke bijdrage aan broeikaseffect. studie die KNMI maakt de processen die de ozonconcentratie bepalen is belang voor kwantificeren de forcerg en verkleen de onzekerheden daar. luchtkwaliteit boven Europa wordt sterk beïnvloed door de meteorologische omstandigheden. Vooral hoge temperaturen en sterke zonne-stralg spelen een belangrijke rol bij de vormg ozonsmog. Met name gedurende warme, zonnige periodes de zomer kan de ozonconcentratie daardoor sterk toenemen. In de figuren zijn de maximale ozonconcentraties weergegeven op 27 juli 2006 en Een concentratie 100 microgram ozon per kubieke meter lucht komt overeen met een mengverhoudg ongeveer 50 ppb. In de Europese regelgevg omtrent luchtkwaliteit zijn de formatieen waarschuwgsdrempel vastgesteld op respectievelijk 180 µg/m 3 (oranje) en 240 µg/m 3 (rood). ozonconcentraties zijn berekend met Franse luchtkwaliteitsmodel CHIMERE, en onafhankelijke metgen aan de grond laten vergelijkbare concentraties zien. In de periode juli 2006 was erg warm en zonnig West-Europa, omstandigheden die hebben geleid tot relatief hoge ozonconcentraties. Dit tegenstellg tot dezelfde periode 2007, een koele zomer. afname emissies precursorgassen Europa zal naar verwachtg leiden tot een verlagg de hoge ozonwaarden en een vermderg aantal overschrijdgen de Europese normen de zomer. Hogere zomertemperaturen door veranderg zouden dit effect echter deels teniet kunnen doen. VERDER LEZEN Voor de bijdrage troposferisch ozon tot de opwarmg de aarde de vorige eeuw, zie Shdell, D., G. Falvegi, A. Lacis, J. Hansen, R. Ruedy, E. Aguilar (2006), Role of tropospheric ozone creases 20th-century climate change, Journal of Geophysical Research, 111, D08302, doi: /2005JD Mace Head-metgen zijn beschreven rwent, R.G., P.G. Simmonds, A.J. Manng, en T.G. Spa, Trends over a 20-year period from 1987 to 2007 surface ozone at the atmospheric research station, Mace Head, Ireland, Atmospheric Environment, 41, Voor een analyse de trends ozonconcentraties Europa sds 1990, zie Jonson, J.E., D. Simpson, H. Fagerli, en S. Solberg (2006), Can we expla the trends European ozone levels?, Atmospheric Chemistry and Physics, 6, laatste zichten over de bijdragen tercontentaal transport aan de ozonconcentraties boven Europa zijn samengevat 2007-rapport de Task Force on Hemispheric Transport of Air Pollution (HTAP), te vden op: Box 4.3 relatie tussen luchtkwaliteit en