Den 16 september 1987, Politiker och forskare från hela världen samlades vid International Civil Aviation Organizations högkvarter i Montreal, förbereder sig på att vidta åtgärder om dagens mest akuta ämne:Utarmning av jordens skyddande ozonskikt.

Två år tidigare, forskare från British Antarctic Survey hade häpnat världen med det första dokumentet som visade att atmosfärens ozonnivåer över Antarktis sjönk i en häpnadsväckande hastighet under våren på södra halvklotet. Strax efter den brittiska tidningen, NASA visade bilder från sin Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) som inte bara bekräftade de fallande ozonnivåerna, men visade också att omfattningen var bredare än någon insåg. "Ozonhålet, "som den svårt utarmade regionen kallades, var lika stor som hela den antarktiska kontinenten.

Vissa forskare hade varnat sedan 1970-talet för att kemikalier som kallas klorfluorkolväten (CFC) utgjorde ett hot mot ozonskiktet, men ingen visste säkert vad som fick ozonhålet att utvecklas. Upptäckten brådskar diskussionen:Hur kunde världen reparera ozonskiktet innan det var för sent?

Ozon – en kemikalie gjord av tre syreatomer – finns mestadels i ett lager cirka 8-30 miles över jordens yta, i stratosfären. Det absorberar skadlig ultraviolett (UV) strålning från solen, skärmar växter, djur och människor från skador som sträcker sig från skördöd till hudcancer.

"Om det inte fanns något ozonskikt, solen skulle sterilisera jordens yta, sa Paul Newman, chefsforskare för geovetenskaper vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Den 16 september 1987, Newman var en ung atmosfärsforskare vid Goddard, analyserar data som kommer tillbaka från Antarctic Airborne Ozone Expedition (AAOE) – där en annan NASA-forskare, Susan Strahan, stod tillsammans med sina kollegor och tittade på en anslagstavla i Punta Arenas, Chile. Strahan analyserade atmosfärisk kemidata från den eleganta, långvingat ER-2-plan som flyger in i den antarktiska polarvirveln för att mäta ozon och kemikalier som kan reagera med det.

Dagens data skulle ge den berömda "smoking gun plot":Data som visar att som en kemikalie som kallas klormonoxid ökade i den antarktiska stratosfären, ozon minskat. Det var känt att klormonoxid fanns i atmosfären, men hade tidigare endast observerats vid lägre koncentrationer än vad AAOE-teamet mätte – dessa nivåer kom från en komplex uppsättning kemiska reaktioner som inträffade i Antarktis efter nedbrytningen av CFC genom UV-strålning i stratosfären. Uppgifterna motbevisade andra teorier och gav forskare bevis på att CFC orsakade ozonhålet.

Strahan och hennes kollegors data skulle inte publiceras förrän senare, men i slutet av den dagen 1987, Tjugosju nationer gick med på Montrealprotokollet om ämnen som bryter ned ozonskiktet:"Kanske det enskilt mest framgångsrika internationella avtalet hittills, " sa FN:s förre generalsekreterare Kofi Annan 2003. Montrealprotokollet skapade en tidtabell för kontroll av produktion och konsumtion av CFC. Under de närmaste åren, vetenskapen om ozonnedbrytning var mer fast etablerad, tillverkare introducerade ersättningskemikalier som var säkrare för miljön, och Montrealprotokollet stärktes flera gånger för att stoppa storskalig produktion och användning av CFC och relaterade molekyler.

Den långa resan mot återhämtning hade börjat.

I dag, Newman och Strahan är ledare inom atmosfärsvetenskap och sitter båda på NASA Goddard:Newman som chefsforskare för geovetenskaper och medordförande för Scientific Assessment Panel (SAP) till Montrealprotokollet, Strahan som huvudforskare för Universities Space Research Association. Och idag, de håller båda ett öga på jordens atmosfär, fortsätta NASA:s långvariga forskning och övervakningsinsatser om stratosfäriskt ozon (som går tillbaka till 1970-talet) in i framtiden.

CFC:Fara på höga höjder

CFC var inte alltid skurken i den här historien. Uppfanns för användning som köldmedium på 1920-talet, CFC representerade ett tekniskt genombrott:de var mångsidiga, men ännu viktigare, de var varken giftiga eller brandfarliga. Äldre kylkemikalier var dödliga om de läckte; CFC skadade inte människors hälsa eller reagerade med andra kemikalier i den lägre atmosfären.

Problemet är att medan CFC är inerta vid ytan, berättelsen förändras i stratosfären.

"CFC släpps ut på ytan. Vi gör ett kylskåp, och föreningen läcker ut, ", sade Strahan. "Utsläppen börjar i troposfären (det atmosfäriska lagret närmast jordens yta) och arbetar sig upp till stratosfären."

När väl CFC diffunderar över skyddet av ozonskiktet, UV-strålning bryter isär dem, frigör mycket reaktiva kloratomer. I början, dessa reagerar med andra kemikalier för att skapa saltsyra och klornitrat - kallade "reservoargaser, " sa Strahan, eftersom de vanligtvis lagrar klor i stabila molekyler.

Men polarområdena stödjer kemiska reaktioner som inte kunde hända någon annanstans på jorden. Polarvintrarnas intensiva kyla tillåter bildandet av tunna moln, trots låg luftfuktighet. Och de polära virvelvindarna omger den antarktiska regionen, fångar kemikalierna inom dess gränser. Saltsyra och klornitrat reagerar på ytorna av dessa tunna molnpartiklar för att frigöra det reaktiva kloret igen, och när solen kommer tillbaka på våren, UV-strålningen initierar de katalytiska klor-ozon-reaktionerna som förstör ozonskiktet. En kloratom kan förstöra tusentals ozonmolekyler – och med miljontals ton CFC pumpade in i atmosfären från 1920-talet till början av 1990-talet, det antarktiska polarområdet bar den största skadan.

"Om vi ​​inte hade gjort något, om Montrealprotokollet inte hade undertecknats, vid den här tiden skulle saker och ting ha varit ganska katastrofala, ", sade Newman. "Ozonnivåerna skulle vara långt ner; UV-nivåerna skulle vara mycket högre. På grund av ökad UV-strålning på ytan, vi skulle ha haft globala skördeförluster, människor skulle solbränna snabbare och hudcancer skulle öka. Matpriserna skulle skjuta i höjden; världens fattiga människor skulle ha lidit mycket."

Första stegen till återhämtning

I dag, 33 år senare, ozonhålet visar sina första tecken på återhämtning. Strahan och hennes kollega Anne Douglass publicerade en av de första studierna 2018 som bekräftade att klorhalterna i atmosfären sjunker i takt med minskad ozonnedbrytning över Antarktis – ett bevis på att Montrealprotokollet fungerar.

Dessa första hoppfulla tecken representerar en global framgångssaga:Politiker, forskare och företag runt om i världen gick samman för att hitta en lösning på ett akut problem. Mycket av de data som bemyndigade dessa beslut kom från NASA-forskare och instrument. Pågående mark- och rymdbaserad övervakning av ozon och andra spårgaser, av NASA och andra institutioner, kommer att hjälpa till att informera utvecklingen av miljöpolicyer utformade för att säkerställa att nivåerna fortsätter att utvecklas i en positiv riktning även mitt i andra förändringar, såsom jordens uppvärmning klimat.

"Om du inte vet hur mycket ozon som finns där uppe, du vet inte om det blir bättre eller värre, " sa Strahan. "Om det förändras, var det naturlig variation eller orsakades det av människor? Att ha en lång dataregistrering av ozon och andra gaser som är direkt relaterade till dess kemi är verkligen viktigt."

I dag, NASA övervakar ozon från rymden med hjälp av Microwave Limb Sounder (MLS) och Ozon Monitoring Instrument ombord på sin rymdfarkost Aura, och MLS mäter också spårgaser som innehåller klor. Strahan och Douglass studie 2018 använde MLS-mätningar av saltsyra, en form som klor tar efter att förstöra ozon, för att beräkna total stratosfäriskt oorganiskt klor ovanför Antarktis. Oorganiska klorföreningar som saltsyra har inga kolmolekyler, vilket gör det möjligt för forskare att skilja mellan dem och klor som fortfarande är bunden i CFC.

Dessutom, Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III mäter ozon och spårgaser från sin utsiktspunkt ombord på den internationella rymdstationen, och NASA-NOAA Ozone Mapping Profiler Suite ombord på Suomi-NPP-satelliten mäter både totala kolumn-ozon- och ozonprofiler. Dessa instrument hade föregångare på tidigare NASA-satelliter, och de — tillsammans med rymden, luft- och markmätningar från partnerorganisationer som National Oceanic and Atmospheric Administration och globala partners – kommer att hjälpa forskare att hålla reda på ozonhålets återhämtning.

"När det kommer till ett tydligt tecken på att ozonhålet försvinner, det kan fortfarande dröja ett par decennier innan vi kan slå upp och säga att det är mindre varje år än det var i början av 2000-talet, ", sa Strahan. "De flesta år sedan dess, det har varit lite mindre, men ibland får vi ett riktigt kallt år och ett stort hål igen. Vi kommer att ha den typen av variation framöver, men när vi väl kommer till 2040 eller så, det blir så mycket mindre klor att hålen blir mindre även under kalla år. Det kommer att bli långt, guppig väg, men vi är på väg åt rätt håll. Vi behöver bara ha tålamod och fortsätta det goda arbetet."