美国和法国科学家利用困在旧冰雪中的气泡中的稀有氧分子回答了一个长期存在的问题：自工业革命开始以来，臭氧水平增加了多少?
“我们已经能够追踪古代大气中有多少臭氧，”赖斯大学地球化学家劳伦斯杨说，他是今天在线发表在“ 自然”杂志上的一项研究的主要作者。“以前没有这样做，我们可以做到这一点非常值得注意。”
研究人员使用在与国家的最先进的大气化学模型组合的新的数据，建立在低层大气中，或对流层臭氧的水平，已自1850年增长了40%的上限。
“这些结果表明，今天最好的模型很好地模拟了古老的对流层臭氧水平，”杨说。“这增强了我们对预测未来对流层臭氧水平如何变化的能力的信心。”
赖斯领导的研究团队包括纽约罗切斯特大学，法国国家科学研究中心(CNRS)格勒诺布尔阿尔卑斯大学(UGA)环境地球科学研究所，美国国家科学研究中心格勒诺布尔图像语音信号和控制实验室的调查员。法国气候与环境科学实验室的CNRS和法国替代能源和原子能委员会(CEA)在凡尔赛 - 圣昆廷大学。
“这些测量结果限制了人为臭氧引起的变暖量，”Yeung说。例如，他说政府间气候变化专门委员会(IPCC)的最新报告估计，今天地球低层大气中的臭氧对地球气候的每平方米辐射强度贡献0.4瓦，但该预测的误差范围很大。是50%，或每平方米0.2瓦。
“这是一个非常大的错误吧，”杨说。“拥有更好的工业化前臭氧估计值可以显着减少这些不确定性。
“这就像猜测你的行李箱有多重，当收取超过50磅的行李时，”他说。“有了旧的错误栏，你会说，'我认为我的行李在20到60磅之间。' 如果你付不起罚款，这还不够好。“
臭氧是一种含有三个氧原子的分子。在涉及太阳光的化学反应中产生，它具有高反应性，部分原因是它倾向于放弃其中一个原子以形成更稳定的氧分子。地球臭氧的大部分位于平流层，距地球表面5英里以上。平流层臭氧有时被称为“好”臭氧，因为它会阻挡太阳的大部分紫外线辐射，因此对地球上的生命至关重要。
地球臭氧的其余部分位于对流层，靠近地表。在这里，臭氧的反应性可能对植物，动物和人类有害。这就是为什么对流层臭氧有时被称为“坏”臭氧。例如，臭氧是城市烟雾的主要成分，它在氧气和机动车尾气污染物之间的阳光照射驱动反应中形成接近地面的水平。环境保护局认为暴露于臭氧水平超过70十亿分之八小时或更长时间是不健康的。
“关于臭氧的事情是科学家们几十年来一直在详细研究它，”地球，环境和行星科学助理教授Yeung说。“直到20世纪70年代，我们还不知道为什么臭氧在空气污染方面如此丰富。那时我们开始认识到空气污染如何改变大气化学。汽车正在推动地面臭氧。”
虽然对流层臭氧的最早测量可以追溯到19世纪后期，但杨说，这些数据与当今最先进的大气化学模型的最佳估计相冲突。
“大多数旧数据来自淀粉纸测试，其中纸张在与臭氧反应后会改变颜色，”他说。“测试不是最可靠的 - 例如颜色变化取决于相对湿度 - 但他们认为，在过去的一个世纪里，地面臭氧可能会增加到300%。相比之下，今天是最好的计算机模型显示更温和的增长25-50%。这是一个巨大的差异。
“那里没有其他数据，因此很难知道哪个是正确的，或者两者是否正确，而且这些特定的测量结果不是整个对流层的良好基准，”Yeung说。“很长一段时间以来，社区一直在努力解决这个问题。我们希望找到可以解决这个未解决问题的新数据。”
但是，查找新数据并不简单。“臭氧本身过于活跃，无法保存在冰雪中，”他说。“因此，我们寻找臭氧的尾迹，它留下的氧分子痕迹。
“当太阳照耀下，臭氧和氧气分子在大气层中不断被制造和破坏，同样的化学成分，”Yeung说。“过去几年我们的研究工作已经找到了一种天然存在的化学物质'标记'：聚集在一起的稀有同位素的数量。”
Yeung的实验室专门研究和解释这些大气中这些丛生同位素的发生。它们是具有通常原子数的分子 - 两个用于分子氧 - 但它们具有取代常见原子的那些原子的稀有同位素。例如，自然界中超过99.5%的氧原子具有8个质子和8个中子，总原子质量数为16.每1000个氧原子中只有两个是较重的同位素氧-18，其含有两个额外的中子。一对这些氧-18原子称为同位素团块。
任何空气样本中的绝大多数氧分子都含有两个氧-16。一些罕见的例外将包含一种罕见的氧-18原子，更罕见的仍然是氧-18s对。
Yeung的实验室是世界上为数不多的可以测量给定空气样本中究竟有多少氧-18对的实验室之一。他说，分子氧中的这些同位素团块大量不同，这取决于臭氧和氧气化学发生的位置。由于较低的平流层非常冷，与对流层中的相同反应相比，臭氧/氧化学形成的氧-18对的可能性略有增加且可预测。在对流层中，温度较高的地方，臭氧/氧气化学产生的氧气-18对略少。
随着1850年左右工业化的开始和化石燃料的燃烧，人类开始向低层大气中添加更多的臭氧。Yeung及其同事推断，对流层臭氧比例的增加应该留下一个可识别的痕迹 - 对流层中氧-18对的数量减少。
研究人员使用来自南极洲和格陵兰岛的冰芯和冷杉(尚未形成冰的压缩雪)，从工业化时代到现在，建立了氧气-18对分子氧的记录。证据证实了对流层臭氧的增加和近期大气模型预测的增加幅度。
“我们将增幅限制在40%以下，而最全面的化学模型预测约为30%，”Yeung说。
“最令人兴奋的方面之一是冰芯记录与模型预测的匹配程度如何，”他说。“这是我们进行测量的一个案例，并且独立地，模型产生的东西与实验证据非常接近。我认为它显示了大气和气候科学家在能够准确预测人类如何改变地球的大气层 - 特别是它的化学性质。“