Använda sällsynta syremolekyler fångade i luftbubblor i gammal is och snö, Amerikanska och franska forskare har svarat på en långvarig fråga:Hur mycket har "dåliga" ozonnivåer ökat sedan starten av den industriella revolutionen?

"Vi har kunnat spåra hur mycket ozon det fanns i den antika atmosfären, " sa Rice University geokemist Laurence Yeung, huvudförfattaren till en studie publicerad online idag i Natur . "Det här har inte gjorts tidigare, och det är anmärkningsvärt att vi kan göra det överhuvudtaget."

Forskare använde de nya uppgifterna i kombination med toppmoderna atmosfäriska kemiska modeller för att fastställa att ozonnivåerna i den lägre atmosfären, eller troposfären, har ökat med en övre gräns på 40 % sedan 1850.

"Dessa resultat visar att dagens bästa modeller simulerar gamla troposfäriska ozonnivåer väl, ", sa Yeung. "Det stärker vårt förtroende för deras förmåga att förutsäga hur troposfäriska ozonnivåer kommer att förändras i framtiden."

Det Rice-ledda forskarteamet inkluderar utredare från University of Rochester i New York, det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (CNRS) Institute of Environmental Geosciences vid Université Grenoble Alpes (UGA), CNRS Grenoble Images Speech Signal and Control Laboratory vid UGA och French Climate and Environmental Sciences Laboratory av både CNRS och den franska kommissionen för alternativa energier och atomenergi (CEA) vid Université Versailles-St Quentin.

"Dessa mätningar begränsar mängden uppvärmning som orsakas av antropogent ozon, " sa Yeung. Till exempel, han sa att den senaste rapporten från Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) uppskattade att ozon i jordens lägre atmosfär idag bidrar med 0,4 watt per kvadratmeter av strålningskraft till planetens klimat, men felmarginalen för den förutsägelsen var 50 %, eller 0,2 watt per kvadratmeter.

"Det är ett riktigt stort felfält, "Yeung sa. "Att ha bättre förindustriella ozonuppskattningar kan avsevärt minska dessa osäkerheter.

"Det är som att gissa hur tung din resväska är när det finns en avgift för väskor över 50 pund, " sa han. "Med de gamla felfälten, du skulle säga, "Jag tror att min väska väger mellan 20 och 60 pund." Det är inte tillräckligt bra om du inte har råd att betala straffavgiften."

Ozon är en molekyl som innehåller tre syreatomer. Produceras i kemiska reaktioner som involverar solljus, den är mycket reaktiv, delvis på grund av dess tendens att ge upp en av dess atomer för att bilda en mer stabil syremolekyl. Största delen av jordens ozon finns i stratosfären, som är mer än fem miles över planetens yta. Stratosfäriskt ozon kallas ibland "bra" ozon eftersom det blockerar det mesta av solens ultravioletta strålning, och är därför nödvändig för livet på jorden.

Resten av jordens ozon ligger i troposfären, närmare ytan. Här, ozons reaktivitet kan vara skadlig för växter, djur och människor. Det är därför troposfäriskt ozon ibland kallas "dåligt" ozon. Till exempel, ozon är en primär komponent i urban smog, som bildas nära marknivå i solbelysta reaktioner mellan syre och föroreningar från motorfordons avgaser. Naturvårdsverket anser att exponering för ozonnivåer över 70 delar per miljard under åtta timmar eller längre är ohälsosam.

"Grejen med ozon är att forskare bara har studerat det i detalj i några decennier, sade Yeung, en biträdande professor i jorden, miljö- och planetvetenskap. "Vi visste inte varför ozon var så rikligt med luftföroreningar förrän på 1970-talet. Det var då vi började inse hur luftföroreningar förändrade atmosfärens kemi. Bilar körde upp marknära ozon."

Medan de tidigaste mätningarna av troposfäriskt ozon dateras till slutet av 1800-talet, Yeung sa att dessa data strider mot de bästa uppskattningarna från dagens toppmoderna atmosfärskemimodeller.

"De flesta av dessa äldre data kommer från tester av stärkelsepapper där papperet ändrar färg efter att ha reagerat med ozon, " sa han. "Testerna är inte de mest tillförlitliga - färgförändringen beror på relativ fuktighet, till exempel – men de föreslår, ändå, att marknära ozon kunde ha ökat med upp till 300 % under det senaste århundradet. I kontrast, dagens bästa datormodeller föreslår en mer måttlig ökning med 25-50%. Det är en enorm skillnad.

"Det finns helt enkelt inga andra uppgifter där ute, så det är svårt att veta vad som är rätt, eller om båda är rätt och de specifika mätningarna inte är ett bra riktmärke för hela troposfären, "Yeung sa. "Samhället har kämpat med denna fråga under lång tid. Vi ville hitta ny data som kunde göra framsteg på detta olösta problem."

Hitta nya data, dock, är inte okomplicerat. "Ozon är för reaktivt, av sig själv, att bevaras i is eller snö, " han sa så, vi letar efter ozonets kölvatten, spåren den lämnar efter sig i syremolekyler.

"När solen skiner, ozon- och syremolekyler tillverkas och bryts ständigt i atmosfären av samma kemi, "Yeung sa. "Vårt arbete under de senaste åren har hittat en naturligt förekommande "tag" för den kemin:antalet sällsynta isotoper som klumpas ihop."

Yeungs labb är specialiserat på att både mäta och förklara förekomsten av dessa klumpade isotoper i atmosfären. De är molekyler som har det vanliga antalet atomer - två för molekylärt syre - men de har sällsynta isotoper av dessa atomer som ersätts i stället för de vanliga. Till exempel, mer än 99,5 % av alla syreatomer i naturen har åtta protoner och åtta neutroner, för en total atommassa på 16. Endast två av varje 1, 000 syreatomer är den tyngre isotopen oxygen-18, som innehåller ytterligare två neutroner. Ett par av dessa syre-18 atomer kallas en isotopklump.

De allra flesta syremolekyler i ett luftprov kommer att innehålla två oxygen-16s. Några få sällsynta undantag kommer att innehålla en av de sällsynta syre-18 atomerna, och ännu sällsynta kommer att vara paren av oxygen-18.

Yeungs labb är ett av få i världen som kan mäta exakt hur många av dessa syre-18-par som finns i ett givet luftprov. Han sa att dessa isotopklumpar i molekylärt syre varierar i överflöd beroende på var ozon och syrekemi förekommer. Eftersom den nedre stratosfären är väldigt kall, oddsen för att ett syre-18-par kommer att bildas från ozon/syre-kemi ökar något och förutsägbart jämfört med samma reaktion i troposfären. I troposfären, där det är varmare, ozon/syre-kemi ger något färre syre-18 par.

Med början av industrialiseringen och förbränningen av fossila bränslen runt 1850, människor började tillföra mer ozon till den lägre atmosfären. Yeung och kollegor resonerade att denna ökning av andelen troposfäriskt ozon borde ha lämnat ett igenkännligt spår - en minskning av antalet syre-18 par i troposfären.

Med hjälp av iskärnor och firn (komprimerad snö som ännu inte har bildat is) från Antarktis och Grönland, forskarna konstruerade ett register över syre-18 par i molekylärt syre från förindustriell tid till nutid. Bevisen bekräftade både ökningen av troposfäriskt ozon och storleken på ökningen som hade förutspåtts av nya atmosfäriska modeller.

"Vi begränsar ökningen till mindre än 40%, och den mest omfattande kemiska modellen förutspår ungefär 30 %, " sa Yeung.

"En av de mest spännande aspekterna var hur väl iskärnrekordet matchade modellförutsägelser, " sa han. "Det här var ett fall där vi gjorde en mätning, och självständigt, en modell producerade något som var i mycket nära överensstämmelse med de experimentella bevisen. Jag tror att det visar hur långt atmosfärs- och klimatforskare har kommit i att kunna förutsäga exakt hur människor förändrar jordens atmosfär - särskilt dess kemi."