Det pågår ett lopp högt i atmosfären ovanför Arktis, och ozonskiktet som skyddar jorden från skadlig ultraviolett (UV) strålning kommer att förlora loppet om utsläppen av växthusgaser inte minskas tillräckligt snabbt.

En ny studie från ett internationellt team av forskare, inklusive University of Maryland professor Ross Salawitch, visar att extremt låga vintertemperaturer högt uppe i atmosfären över Arktis blir vanligare och mer extrema på grund av klimatmönster förknippade med global uppvärmning. Studien visar också att de extremt låga temperaturerna orsakar reaktioner bland kemikalier som människor pumpade upp i luften för decennier sedan, leder till större ozonförluster.

De nya rönen ifrågasätter det vanliga antagandet att ozonförlusten skulle stanna inom bara några decennier efter det globala förbudet 2010 mot produktion av ozonnedbrytande kemikalier som kallas klorfluorkolväten (CFC) och haloner.

Studien - som genomfördes gemensamt av UMD, Alfred Wegener-institutets Helmholtz-centrum för polar- och havsforskning, och Finlands meteorologiska institut — publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 23 juni, 2021.

"Vi är i ett slags kapplöpning mellan den långsamma och stadiga minskningen av CFC, som tar 50 till 100 år att försvinna, och klimatförändringar, vilket gör att extrema temperaturer i polarvirveln blir kallare i snabb takt, sa Ross Salawitch, som är professor vid UMD-avdelningen för atmosfärisk och oceanisk vetenskap, Institutionen för kemi och biokemi, och Earth System Science Interdisciplinary Center. "De allt kallare temperaturerna skapar förhållanden som främjar ozonnedbrytning av CFC. Så, även om dessa föreningar sakta försvinner, Det arktiska ozonlaget ökar i takt med att klimatet förändras."

Nya data från studien visade de lägsta polarvirveltemperaturerna i Arktis och de högsta ozonförlusterna någonsin 2020, slog de tidigare rekorden som sattes för nio år sedan 2011.

Den polära virveln är en relativt fristående, lågtryckssystem som bildas i stratosfären - på en höjd av cirka 12 till 50 kilometer (7,5 till 31 miles) - över Arktis varje höst och stannar under varierande varaktighet under vintern till våren. Mönstret av varma och kalla vintertemperaturer i polarvirveln är mycket oregelbundet, så inte varje vinter är extremt kall.

Men trenden mot mer frekventa och mer extrema låga temperaturer i polarvirveln oroar forskarna, eftersom dessa förhållanden främjar bildandet av moln, och som främjar ozonförlust i den polära stratosfären.

Det mesta av kloret och en betydande mängd av bromet i stratosfären kommer från nedbrytningen av CFC, haloner och andra ozonnedbrytande ämnen. Normalt inom den arktiska polära virveln är klor icke-reaktivt, men moln ger de rätta förutsättningarna för kloret att ändra form och reagera med brom och solljus för att förstöra ozon.

Trots drastisk minskning av den industriella produktionen av CFC och haloner sedan Montrealprotokollet 1987 och det globala förbudet som följde 2010, dessa långvariga föreningar är fortfarande rikliga i atmosfären. Enligt World Meteorological Organization, atmosfäriskt klor och brom som produceras av människor förväntas inte falla under 50 % av sina högsta nivåer förrän i slutet av detta århundrade.

För att avgöra vad denna situation betyder för framtiden, forskarna beräknade ozonförlusten fram till år 2100 baserat på den långsiktiga temperaturtrenden i polarvirveln och den förväntade minskningen av klor- och bromföreningar. De baserade sina förutsägelser på resultatet från 53 toppklimatmodeller som används av den mellanstatliga panelen för klimatförändringar.

"Alla utom en av klimatmodellerna vi tittade på visar att exceptionellt kalla vintrar i polarvirveln kommer att bli kallare med tiden, " Salawitch sa. "Och ju mer växthusgasutsläpp det finns, desto brantare trend, vilket innebär en större ozonnedbrytning."

Genom att kombinera dessa prognoser med analyser av meteorologiska data från de senaste 56 åren, forskarna bekräftade att Arktis redan upplever en betydande trend mot lägre stratosfärstemperaturer och tillhörande ökningar av ozonförluster. Vad mer, deras observationer visar att dessa trender sker i takt med de snabbaste klimatmodellerna.

"Vi har sagt att ett tåg kommer i ett antal år nu, sade Salawitch, pekar på forskningsartiklar som han publicerade 2004 och 2006 som visade att extrema vintrar i Arktis började bli kallare. "Vi har nu sett tåget susa förbi med rekordstor ozonförlust 2011 och nu 2020. Så, denna tidning är verkligen en väckarklocka om att något händer i atmosfären som verkligen är viktigt för ozon, och det ser ut som växthusgaser driver den."

Salawitch och hans kollegor förstår ännu inte fullt ut hur ökande utsläpp av växthusgaser och de därmed sammanhängande förändringarna av det globala klimatet orsakar de extrema kalla vintrarna i stratosfärskiktet av polarvirveln. Men några av de bakomliggande mekanismerna är förstådda. Den globala uppvärmningen sker delvis på grund av att växthusgaser fångar upp värme närmare jordens yta, som tillåter kylning av de övre lagren i stratosfären, var ozonskiktet ligger. Uppvärmning på ytan orsakar förändringar i rådande vindmönster, och forskarna föreslår att dessa förändringar också ger lägre temperaturer i polarvirveln.

Forskarna noterar också att de senaste åren har sett en snabb ökning av metan, en kraftfullare växthusgas än koldioxid, i den lägre atmosfären. När denna gas går till stratosfären, det ökar luftfuktigheten, vilket också leder till förhållanden som främjar ozonförstörande kemiska reaktioner i Arktis.

Eftersom ozon filtrerar bort mycket av solens potentiellt skadliga UV-strålning, ett utarmat ozonskikt över Arktis kan resultera i att mer UV-strålning når jordens yta över Europa, Nordamerika och Asien när polarvirveln sjunker söderut.

Men det finns hopp om att undvika framtida ozonnedbrytning, enligt forskarna. Deras studie visar att avsevärda minskningar av växthusgasutsläppen under de kommande decennierna kan leda till en stadig minskning av förhållanden som gynnar stora ozonförluster i den arktiska stratosfären.

Forskningsdokumentet, Klimatförändringar gynnar stora säsongsbetonade förluster av arktiskt ozon, Peter von der Gathen, Rigel Kivi, Ingo Wohltmann, Ross J. Salawitch, Markus Rex, publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 23 juni, 2021.