Ozongat boven de Noordpool

Boven de Noordpool is in het voorjaar van 2020 een vrij zeldzaam ozongat ontstaan. Een ozongat boven de Noordpool is in veel opzichten vergelijkbaar met het ozongat dat jaarlijks in het voorjaar boven de Zuidpool ontstaat.

Polaire vortex 
Een ozongat ontstaat door een plotseling versnelde ozonafbraak in delen van de polaire stratosfeer. Om precies te zijn, in de koude luchtlagen van de stratosfeer tussen de 10 en 50 kilometer hoogte die tijdens de poolnacht geïsoleerd worden van de rest van de atmosfeer door de polaire vortex. De polaire vortex is een gebied met ronddraaiende winden die de scheiding vormen tussen koude lucht binnenin de vortex en warmere lucht buiten de vortex.

Het temperatuurverschil tussen de koude en warme lucht zorgt voor een drukverschil, wat leidt tot wind. Dankzij de draaiing van de aarde gaat die wind circuleren, en voorkomt dat warmere lucht met de koude lucht kan mengen. De ingevangen koude lucht nabij de pool kan tijdens de polaire winter afkoelen tot onder de -80°C.

Stabiele vortex tot in het voorjaar
Hoewel elke winter zich een vortex vormt zowel boven de Zuidpool als de boven de Noordpool, zijn er grote verschillen tussen beiden. De vortex rond de Zuidpool vormt zich elk jaar en is groot en stabiel. De Antarctische vortex breekt meestal pas op in november – dat is twee maanden na de overgang van winter naar lente (21 september op het zuidelijk halfrond). De geïsoleerde koude omgeving levert ideale omstandigheden voor grootschalige en snelle ozonafbraak tijdens het voorjaar, waarover later meer.

De vortex rond de Noordpool is veel minder stabiel en ook kleiner van omvang. In de helft van de jaren verdwijnt de vortex al in februari en maar zelden blijft de vortex bestaan tot voorbij de overgang van winter naar lente (21 maart). Dat de vortex rond de Noordpool veel minder stabiel is, hangt samen met de geografie en het daar aan gekoppelde meer variabele dagelijks weer. Dankzij bergketens en land-zee overgangen is het winterweer op de noordelijke breedtegraden meer variabel dan op het zuidelijk halfrond waar de vortex rond het continent van Antarctica waait. De variabiliteit van het weer verstoort de vortex voortdurend. Dit zorgt ervoor dat de vortex minder sterk en groot kan worden. Regelmatig wordt de vortex zo onstabiel door wat bekend staat als een plotselinge stratosferische opwarming dat ze volledig opbreekt. De temperatuur binnen de vortex neemt dan binnen enkele dagen toe met tientallen graden Celsius. In 2020 bleek de vortex echter uitzonderlijk stabiel.

Versnelde ozonafbraak 
De grootschalige versnelde ozonafbraak in de koude poollucht wordt veroorzaakt door ingewikkelde chemische processen. In de basis zijn nodig: een stabiele vortex, lage temperaturen, ozonafbrekende stoffen (met name vrije chloor- en broomverbindingen) en zonlicht. Normaal gesproken vormen de ozonafbrekende stoffen stabiele verbindingen met andere stoffen.

Aanhoudend lage temperaturen binnen de vortex zorgen er voor dat die stabiele verbindingen zich niet kunnen vormen. Alles wat er dan nodig is voor snelle ozonafbraak is dan een klein beetje zonlicht, als motor voor versnelde (‘katalytische’) ozonafbraak. Maar ook weer niet teveel zonlicht, omdat dan andere chemische processen op gang komen die ervoor zorgen dat het vrije chloor weer reageert tot stabiele chemische verbindingen: als het echt goed voorjaar begint te worden boven de Noordpool is er zoveel zonlicht dat in de stratosfeer methaan (CH4) afgebroken gaat worden. Daar komt waterstof bij vrij. De vrije waterstof bindt gemakkelijk met het aanwezige chloor tot stabiel zoutzuur (HCl). Dit proces zet een natuurlijke rem op de katalytische ozonafbraak. 

Waarnemingen ozongat boven de Noordpool in 2020 in perspectief
Dankzij de stabiele Arctische stratosferische vortex kon katalytische ozonafbraak in het voorjaar van 2020 gestaag zijn werk doen.  Dit is duidelijk te zien in de veel lagere waardes die door satellietinstrumenten zijn gemeten voor de totale ozonkolom in maart 2020 ten opzichte van maart 2019.


De waargenomen dikte van de ozonlaag boven de Noordpool in maart 2020 vergeleken met 2019 en de periode 2009-2018 (maandgemiddelden). Bron: KNMI

De waarden in 2020 zijn zelfs lager dan sinds 1979 is waargenomen. Alleen in 1997 en 2011 was de vortex stabiel genoeg om tot in maart aanwezig te zijn. Dat zijn dan ook de twee jaren die er duidelijk uitsteken als we de gemiddelde ozonkolommen in maart boven de Noordpool vergelijken vanaf 1979 tot en met 2018. 

Wetenschappers van het Europese weercentrum (ECMWF) hebben hun modelresultaten vergeleken met metingen van weerballonnen. Een weerballon opgelaten op Spitsbergen op 25 maart 2020 laat duidelijk de hoogtes zien waarop katalytische ozonafbraak heeft plaatsgevonden. Er is een grote hap genomen uit ozon tussen 100 hPa en 30 hPa, of 16-24 kilometer hoogte. Er is lokaal tot 90 procent van de ozon verdwenen.


Ballonmetingen laten zien dat op een hoogte rond 50 hPa (ruim 20 km) een forse hap uit de ozonlaag is genomen. De hoogte waarop dit gebeurt valt samen met de extreem koude luchtlagen. (Bron: ECMWF/Antje Inness)

Het chemische proces kan gevolgd dankzij de Microwave Limb Sounder (MLS), een Amerikaans satellietinstrument. Als we naar de MLS metingen in 2020 kijken, dan is te zien dat vanaf half maart binnen ongeveer 10 dagen vrijwel al het actieve chloor (ClO) is omgezet in een niet-reactieve reservoirstof (HCl). De chemische processen werken op het noordelijk en zuidelijk halfrond hetzelfde. Overigens, al in 2011 waarschuwden wetenschappers dat, omdat het herstel van de ozonlaag traag verloopt, het niet ondenkbaar was dat een vergelijkbare situatie zich boven de Noordpool nog wel eens voor zou kunnen doen. Voor de wetenschap is het Arctische ozongat van 2020 dus niet echt verrassend.


Satellietmetingen van chlooroxide (ClO) en zoutzuur (HCl) op 50 hPa hoogte (18 km) boven de Noordpool voor elke 5 dagen tussen 1 en 31 maart 2020. Witte lijnen zijn contouren indicatief voor de locatie van polaire vortex (Bron: MLS/JPL)

Hoewel de omstandigheden voor ozonafbraak in 2020 zeer gunstig waren- en ozonafbraak het einde van de chemische cyclus gehaald heeft- is toch niet alle ozon afgebroken (maximaal 90 procent). Eerder in 2018 bleek ook boven de Zuidpool dat vrijwel alle ozon afgebroken was, maar niet alles meer, hoewel de omstandigheden er wel naar waren. Kijken we twintig jaar terug in de tijd op het hoogtepunt van ozonafbraak, dan werd boven Antarctica vrijwel elk jaar tussen 15-20 kilometer hoogte vrijwel alle ozon afgebroken.

Dat het niet meer lukt om alle ozon af te breken binnen de beperkt beschikbare tijd zou een volgende mijlpaal kunnen zijn op weg naar herstel van de ozonlaag. De hoeveelheid ozonafbraak wordt immers ook bepaald door de hoeveelheid ozonafbrekende stoffen. Hoe minder daarvan, hoe langzamer de ozonafbraak gaat. Momenteel is de hoeveelheid ozonafbrekende stoffen al met ongeveer 20 procent gedaald ten opzicht van het maximum rond het jaar 2000. Het uitzonderlijke en ongebruikelijke ozongat bewijst, een beetje tegen ons gevoel in, dat het langzaam de goede kant op gaat met de ozonlaag.

Bron: KNMI.nl