Klimatoptimisten

Susan Solomons forskning pekade på hur CFC orsakade det antarktiska ozonhålet - och visade senare att Montrealprotokollet hjälper till att laga det. Hon är övertygad om att vi också kan göra framsteg när det gäller att ta itu med klimatförändringarna. Förbi

• Amanda Schaffer arkivsida

27 februari 2019

Tony Luong

En natt 1986 stod Susan Solomon, en ung forskare vid US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), i minusgrader på taket av McMurdo Station, USA:s forskningscenter i Antarktis. Solomon justerade speglarna som var monterade där för att fånga månljuset och rikta det till en synlig absorptionsspektrograf i labbet nedan. Hennes mål var att mäta koncentrationerna av olika föreningar i atmosfären ovanför Antarktis, för att förstå det stora hålet i ozonskiktet som hade utvecklats där.

Hon bar inga skyddsglasögon, för hon behövde se väldigt tydligt, och när hon kisade för att se till att månskensstrålarna var rätt vinklade mot spektrografen, tårades hennes ögon något. På ett ögonblick frös hennes tårar mellan övre och nedre ögonlocken på ena ögat och stängde det. Men det var en klar natt, och Solomon var inte villig att gå ifrån möjligheten att samla in vad hon minns som den perfekta måndata. Så hon fortsatte jobba.

Väl inne igen kunde hon öppna ögat igen när hennes tårar smälte. Och de data hon samlade in den natten och över två månader i Antarktis skulle förändra vår förståelse av hur klorfluorkolväten, som släpps ut i atmosfären från köldmedier och en rad andra konsumentprodukter, skadar ozonskiktet, vilket hjälper till att skydda jorden från ultraviolett strålning. Som svar på detta och annat vetenskapligt arbete begränsade och förbjöd sedan ett internationellt avtal användningen av CFC. Trettio år senare var Salomo också den första som tydligt visade att det antarktiska ozonhålet, tack vare denna förändring, sakta har börjat läka.

Det var spännande att komma med en teori om ozonförstörelse 1986 och sedan, 30 år senare, se att vi, människorna på den här planeten, har löst problemet, säger hon.

Återhämtningen av ozonskiktet är det senaste svaret på en global miljökris som vi kan berätta för våra studenter om, säger Ross Salawitch, expert på miljökemi vid University of Maryland.

Solomons erfarenhet har genomsyrat henne med optimism om världens förmåga att möta miljöhot. På MIT, där hon har tjänstgjort på fakulteten sedan 2012, undervisar hon i en klass om vetenskap, politik och miljöpolitik, som kulminerar i en diskussion om klimatförändringar. Hennes elever kommer in och tror inte att vi kan göra något åt ​​miljöproblem, för det är vad de vet, säger hon. De är millennials. De har inte levt igenom den typ av era av beslutsfattare och vetenskapsmän som arbetar tillsammans och får saker gjorda som jag personligen har varit välsignad att få uppleva.

Solomon är snabb med att erkänna att klimatförändringarna innebär tuffare politiska utmaningar än utarmning av ozonskiktet, eftersom konsumtion av fossila bränslen är så integrerad i världsekonomin. Ändå hävdar hon att genom att studera tidigare miljöframgångar kommer hennes elever att förstå vad som faktiskt kommer att behöva hända för att göra framsteg.

Förklarar ozonhålet
Solomon är en upptäcktsresande till temperament och kemist av utbildning. Som barn på nio eller tio år blev hon inspirerad att bli vetenskapsman genom att titta på Jacques Cousteau undervattensvärld . Fascinerad av kemi på gymnasiet, där hon gjorde ett science fair-projekt som analyserade sammansättningen av gasblandningar, studerade hon kemi som en undergrad vid Illinois Institute of Technology i Chicago och sedan atmosfärisk kemi i Berkeley, där hon disputerade 1981. Hon tog sedan en position på NOAA och modellerade störningar i stratosfären.

Det var spännande att komma med en teori om ozonförstörelse 1986 och sedan, 30 år senare, se att vi, människorna på denna planet, har löst problemet.

1974 hade kemisterna F. Sherwood Rowland och Mario Molina visat hur klor kunde förstöra ozon. De hade föreslagit en serie gasfasreaktioner där små mängder klor utlöser omvandlingen av stora mängder ozon, eller O3, till vanligt molekylärt syre, O2. Rowland och Molina, som senare var professor vid MIT, hade också identifierat klorfluorkolväten som en källa till klor i atmosfären, som frigjordes när solens energi bröt upp annars stabila CFC-molekyler. (Rowland, Molina och en atmosfärisk kemist vid namn Paul Crutzen delade senare ett Nobelpris för arbete med ozonnedbrytning.) Inledningsvis förutsåg forskarna att ozonskiktet skulle tunnas ut med ungefär 5 till 10 % under loppet av 100 år. På grundval av dessa förutsägelser började beslutsfattare att kräva förändringar i användningen av klorfluorkolväten, och länder förbjöd användningen av dem som drivmedel i aerosolsprayer med början 1978.

Men 1985 upptäckte brittiska forskare att frågan om ozonförstöring utspelade sig på ett sätt som Rowland och Molinas arbete inte hade förutsett. Specifikt identifierade de ett hål i stratosfäriskt ozon som var mycket större än någon hade förväntat sig - och öppnade sig varje vår över Antarktis, vilket ingen teori hade förutspått. Det var en stor succé, säger Solomon, som omedelbart började studera potentiella förklaringar.

Även om forskare förstod hur klor kunde orsaka ozonförstöring, kunde de inte förklara det plötsliga uppkomsten av ozonhålet. De förstod inte heller varför hålet hade visat sig ovanför Antarktis, långt från de viktigaste källorna till CFC-föroreningar.

Avsikten med att lösa mysteriet fokuserade Solomon på det specifika höjdintervallet där reaktionen inträffade och ingick i närvaron av polära stratosfäriska moln - skimrande moln som bildas i stratosfären vid extremt låga temperaturer. (De är mest utbredda i Antarktis, som är mycket kallare än Arktis.) Hon antog att dessa moln gav små, isiga ytor på vilka en avgörande initierande reaktion kunde äga rum när solljuset väl anlände med den antarktiska våren.

Folk trodde att alla reaktioner skulle behöva ske i gasfasen, säger hon. De trodde inte att ytkemi spelade någon roll i stratosfären, och tanken att molnen kunde göra vad som helst var kättersk.

Solomon utvecklade en kvantitativ modell av sin teori, som hon publicerade i Journal of Geophysical Research . Det var inte hela historien, säger hon. Men det hjälpte till att förklara varför ozonhålet dök upp i stratosfären, varför det inträffade nära Sydpolen och varför det hände på våren.

Samtidigt ville Solomon underbygga sin teori med verkliga data. Så 1986 ledde hon en vetenskaplig expedition till Antarktis för att undersöka kemin på egen hand. Eftersom hon visste att solljus bidrar till ozonförstöringsprocessen anlände hon och hennes team till McMurdo Station den augusti, i slutet av den antarktiska vintern, när kontinenten fortfarande var höljd i mörker nästan 24 timmar om dygnet. När solen börjar försöka ta sig över horisonten, runt lunchtid lokal tid, har du timmar och timmar av gryning, så himlen är dessa vackra djuplila och blå och senare röda när solen blir högre, minns hon. Det finns inte mycket vilda djur på vintern, även om sälarna fortfarande drar sig fram och försöker få lite sol, även när det är mörkt.

1986 reste Solomon till Antarktis för att samla in data som backade upp hennes teori om hur ozonförstöring ägde rum och varför det var så uttalat ovanför den kontinenten. National Oceanic and Atmospheric Administration

Salomos team tog med sig ett litet antal vetenskapliga instrument, inklusive en synlig spektrograf, som gjorde det möjligt för dem att analysera ljus från solen, månen och himlen. Genom att mäta hur starkt olika våglängder av ljus absorberades när de passerade genom atmosfären, hoppades gruppen kunna bestämma koncentrationerna av nyckelmolekyler som finns över huvudet. Dessa molekyler omfattade ozon och klordioxid, som bildas indirekt när ozon reagerar med klor. Teamet fick ett byggteam att skära ett hål i taket på en stuga vid McMurdo så att månskenet kunde nå spektrografen, som var inuti. De lät också besättningen bygga den provisoriska plattformen på taket där Salomo stod för att placera speglarna. När vinden snurrade omkring var hon tvungen att stödja dem för hand. Jag var verkligen tvungen att hänga på dem för de skakade, säger hon.

Teamet arbetade 18 till 20 timmar om dagen, särskilt när månen var uppe. Det var helt galet, säger hon. De sov några timmar åt gången på barnsängar och åt en massa smörgåsar. (Det fantastiska är att maten inte förstörs där nere, och det finns inga insekter, säger hon.)

De spektrala data som Solomon och hennes team samlade in gav stöd för teorin att klor som ursprungligen låsts upp i klorfluorkolväten frigörs genom en ytreaktion mellan saltsyra och klornitrat på polära stratosfäriska moln.

Det kloret i sin tur reagerar med ozon för att producera klormonoxid och fortsätter att utarma ozonet. För att ytterligare stödja hennes teori fann Salomons expedition att stratosfärens koncentrationer av saltsyra var låga och de av klormonoxid och klordioxid var höga. (De använde också ballonger för att mäta koncentrationer av ozon direkt och fann att det också var allvarligt utarmat i stratosfären, som förväntat.) Följande år återvände Solomon till McMurdo Station för att samla in mer data. Ett team från NASA, som inkluderade Jim Anderson, flög också från Punta Arenas, Chile, in i det antarktiska ozonhålet för att mäta de kemiska föreningar som finns.

Under en uppföljande expedition 1987 fick hon också tid att besöka kejsarpingviner. På sitt kontor på NOAA poserade hon senare bredvid en jordklot som visar Antarktis.

I slutändan, säger Solomon, stämde varje enskild mätning upp och berättade historien på samma sätt, vilket bevisade att klorfluorkolväten var ansvariga för hålet.

Solomons framgång med att identifiera den initierande reaktionen som ägde rum på dessa polära stratosfäriska moln var nyckelbidraget, säger Anderson, nu professor i fysikalisk kemi vid Harvard, och det var väldigt, väldigt viktigt.

1987 tog ett internationellt avtal kallat Montrealprotokollet upp problemet som hotar ozonskiktet. Inledningsvis gick 46 länder överens om att frysa klorfluorkolväten på sina nuvarande nivåer. Därefter beslutade de att fasa ut föreningarna helt, först i den utvecklade världen och sedan i den utvecklade världen. År 2015 hade avtalet undertecknats av alla medlemmar i FN, totalt 197 undertecknare. Vi var i princip tvungna att återuppfinna hur vi gjorde luftkonditionering och kylning över hela världen, säger Marylands Ross Salawitch. Det krävde ett enormt globalt samarbete. Avtalet var också framgångsrikt eftersom det uppmuntrade utvecklingsländerna att delta på ett sätt som skulle gynna dem. Tack vare stor diplomati från utrikesdepartementet, tillägger han, var det inte bara den första världen som sa: 'Du måste göra det här på ett dyrare sätt.' Istället var det 'Varför bygger du inte dina egna fabriker – vi delar kunskap med dig och du kan delta i denna nya och växande marknad för ersättningsgaser.'

Utvärdera forskning om klimatförändringar
Med tiden riktade Solomon också sin uppmärksamhet mot klimatförändringarna och studerade hur klorfluorkolväten och ozon fångar värme i troposfären (det atmosfäriska lagret mellan marken och stratosfären), där ozon anses vara en förorening eftersom det bidrar till smog. 1994 deltog hon i Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), och var medförfattare till en rapport om strålningskraft, vilket är balansen mellan energin som kommer in i jordens atmosfär från solen och energin som strålar tillbaka ut i rymden. Hon fortsatte att spela en konsekvent roll i IPCC såväl som i separata internationella bedömningar av ozon. År 2002 blev hon inbjuden att fungera som vetenskaplig chef för IPCC:s rapport om globala klimatförändringar. Jag visste att det skulle bli ett enormt arbete och skulle exponera mig för den politiska sfären på ett mycket mer intimt sätt, säger Solomon. Men hon gick med på att göra det för att hon visste att få länder att samarbeta om klimatpolitiken skulle bero på en gemensam förståelse av den involverade vetenskapen: Om vi ​​har vår egen vetenskap och saudierna och kineserna och ryssarna har var sin egen vetenskap, är chansen att diplomater som kommer överens om något kommer att bli ganska små.

Susan Solomon kom på att de polära stratosfäriska molnen ovanför Antarktis gav den isiga yta som behövdes för att starta kedjan av kemiska reaktioner som skapade ett hål i ozonskiktet. Tony Luong

I sin roll i IPCC-rapporten arbetade Solomon med cirka 150 av de bästa klimatforskarna i världen och hjälpte till att syntetisera aktuell forskning relaterad till klimatförändringar. Att hitta områden för samförstånd krävde en blandning av vetenskap och diplomati. Du är där uppe och ringer till Sverige och Botswana och USA och vem som helst, och de gör sina poänger, och du måste se till att allt de föreslår stämmer överens med vetenskapen, säger hon. Du försöker göra det tydligare och tydligare, särskilt för en bred publik. Och om det inte är vad de försöker göra och de försöker spela spel, måste du stänga av det på ett graciöst sätt.

År 2007 producerade gruppen en bok i textboksstorlek, som Solomon håller ovanför sitt skrivbord, och som fick uppmärksamhet för att för första gången konstatera att uppvärmningen är otvetydig. (Solomon kom själv med den formuleringen, baserat på forskarnas grundliga granskning av forskningen.) Den sa också att det mesta av uppvärmningen de senaste 50 åren mycket troligt berodde på mänsklig aktivitet. (Rapporten definieras mycket sannolikt som att slutsatsen var 90% säker.) Året då rapporten publicerades delade IPCC och tidigare vicepresidenten Al Gore på Nobels fredspris för sina insatser. Ett foto på Solomons kontor visar Gore och medlemmar av IPCC-gruppen träffa president George W. Bush i Oval Office.

Under åren som följde fortsatte Solomon att arbeta med klimatförändringarna. 2009 publicerade hon en artikel som visar att en del av effekterna av koldioxid, som tar lång tid att försvinna från atmosfären, förmodligen är oåterkalleliga. Andra forskare hade genomfört en uppsättning experiment som modellerade där kolet som för närvarande finns i atmosfären skulle hamna om utsläppen stannade. Efter att ha undersökt detta arbete märkte Solomon att jordens yttemperatur i alla modeller inte minskade nämnvärt på tusen år, även i frånvaro av nya koldioxidutsläpp. På en mänsklig tidsskala är tusen år ganska nära oåterkalleligt, säger hon. Jag insåg att den historien inte hade berättats tillräckligt tydligt i en enkel tidning. Jag ville också förstå varför det var sant.

Hon drog slutligen slutsatsen att nyckelfaktorn var havet, som är långsamt att värma men lagrar värme - och därför värmer atmosfären - under långa perioder. Dessutom fann hennes team att även utan ytterligare utsläpp av koldioxid skulle även havsnivåerna fortsätta att stiga i hundratals år. Och hennes labb vid MIT skulle senare nå en liknande slutsats för även kortlivade växthusgaser som metan. Hennes forskning väcker frågor om huruvida sårbara önationer och kustbefolkningar fortfarande kan räddas från konsekvenserna av klimatförändringarna.

Det kommer mer havsnivåhöjning för Florida – och på andra håll i världen – även om vi slutar släppa ut, säger hon.

I annat klimatrelaterat arbete undersökte Solomon och hennes team hur vulkanutbrott påverkar ozonnedbrytningen. 2011 fann de att även utbrott som bara verkar orsaka skada på lokal nivå kan fortfarande slänga in tillräckligt med svavel i stratosfären för att sätta det i cirkulation där, där det kan få globala konsekvenser. Solomon var den första som tittade på effekterna av mindre vulkanutbrott på klimatet, säger Catherine Wilka, en fjärdeårs doktorand i Salomos labb, och nu har vår grupp utökat det för att titta på effekterna av dessa utbrott på ozonets kemi . Som det visar sig finns det inte mycket väder i stratosfären, så lätta, små partiklar från vulkanutbrott tenderar att stanna där under lång tid. De ger mer yta för de reaktioner som utlöser ozonnedbrytning, liknande de processer som Solomon identifierade för decennier sedan på polära stratosfäriska moln.

Vad skulle Salomo göra?
Här är hennes råd om hur man gör framsteg i att tackla den globala uppvärmningen.

Efter att ha visat hur CFC låg bakom det antarktiska ozonhålet, observerade Susan Solomon hur diplomater och vetenskapsmän från hela världen samarbetade för att ta itu med det. Hon identifierade tre faktorer – hon kallar dem de tre Ps – som måste stämma för att möjliggöra framsteg med miljöproblem. 1. Det måste vara personligt. Människor behöver känna att problemet påverkar dem i deras dagliga liv. Hon säger att det börjar hända med klimatförändringarna, åtminstone i vissa delar av världen - men ännu inte i den utvecklade världen i den utsträckning som skulle driva poängen hem. 2. Det måste vara märkbart. Vi gör ett bättre jobb på smog och surt regn och andra problem vi kan se med egna ögon, säger hon. Önationer som redan hanterar stigande havsnivåer, minskande färskvattentillgångar och effekterna av hårdare orkaner är mer motiverade att ta itu med klimatförändringarna idag än större nationer där klimatförändringarna har haft mindre synliga effekter. 3. Strategin måste vara praktisk. Människor måste tro att lösningar finns och är genomförbara. Det finns för mycket av en uppfattning där ute att alternativen till fossila bränslen är helt opraktiska, säger hon. Jag ser fler och fler bevis för att så inte är fallet. Sammanfattning: att framgångsrikt ta itu med klimatförändringarna kommer att kräva mer innovation – och en bredare förståelse för hur allvarligt problemet är. Alternativ som vind, vattenkraft och sol är redan billigare än fossil på vissa ställen, men inte överallt, säger Solomon. Men eftersom forskare fokuserar på att minimera koldioxidutsläpp och förbättra metoder för att fånga och lagra ren energi, säger hon, är det också viktigt att engagera sig i ett bredare samtal om klimatförändringar: Människor måste förstå problemet bättre, för att kunna ha en gemensam diskussion om klimatförändringar. vad som är i riskzonen och vad vi som samhälle tycker om hur stor risk är för mycket.

Potential för positiv förändring
2016 publicerade Solomon det första papper som visade tydliga tecken på att det antarktiska ozonskiktet börjar läka, tack vare minskade utsläpp av klorfluorkolväten. Det betyder att mänskliga befolkningar kommer att ha bättre skydd mot ultraviolett strålning, som är känd för att orsaka grå starr, hudcancer och andra sjukdomar. Och även om bilden av ozonåterhämtning kompliceras av effekterna av de senaste vulkanutbrotten, visade Solomons papper att om vi tar bort den effekten, är ozonnedbrytningen inte lika illa som den brukade vara, säger Salawitch. Dussintals andra papper har nu tillhandahållit bekräftande bevis, tillägger han, och vi kan göra ganska definitiva uttalanden om att det antarktiska ozonhålet är på väg mot återhämtning.

Ozonåtervinning är faktiskt en av de miljömässiga framgångshistorier som Solomon lyfter fram i sin undervisning. Megan Lickley, SM ’12, en doktorand på fjärde året som arbetar med Solomon, säger att de pratar mycket om huruvida tidigare framgångar är användbara för att förstå vad som kan hända med klimatförändringar, dagens mest pressande fråga. Hon tillägger att Solomon är engagerande och oerhört bra på att få folk att prata om sina tolkningar av policyargument och vad som kan göras i framtiden.

Om vi ​​har vår egen vetenskap och saudierna och kineserna och ryssarna har var sin vetenskap, kommer chanserna att diplomaterna kommer överens om något att vara ganska små.

De senaste nyheterna relaterade till globala klimatförändringar har varit dystra – från den snabba höjningen av havsnivån till katastrofala skogsbränder i Kalifornien. USA:s regering fjärde nationella klimatbedömningen , släppt av Trump-administrationen på fredagen av Thanksgiving-helgen 2018, varnade att om betydande steg inte tas för att minska utsläppen kommer världen att uppleva allt farligare värmeböljor, bränder, översvämningar och orkaner. Dessa händelser kommer sannolikt att orsaka missväxt, tätare skogsbränder och allvarliga störningar i leveranskedjor och handel. Tillsammans skulle förändringarna kunna minska USA:s BNP enbart med 10 % till 2100.

Men även inför nedslående data fortsätter Solomon att fokusera på att ta reda på hur man fixar saker. Hon berättar för sina elever att framsteg i klimatförändringarna beror på att få människor att förstå hur problemet kommer att påverka dem personligen – och att tro att det finns praktiska lösningar. Och hon är hoppfull om de framsteg hon ser.

Klimatförändringarna kommer inte att lösas förrän alternativa energier blir mer allmänt antagna, men de har redan antagits i en otroligt häpnadsväckande takt, säger hon. Visserligen går det kanske inte så snabbt som det skulle behöva vara för att hålla temperaturen på en och en halv grad – det skulle verkligen vara Herkules. Men vi kan böja uppvärmningskurvan.

Solomon konstaterar att även om sol- och vindkraft ännu inte är konkurrenskraftiga i många delar av USA, på många andra ställen blir alternativ för ren energi billigare än fossila bränslen. Visst finns det mycket mer att göra. Innovation måste fortsätta att sänka kostnaderna för ren energi och förbättra batteritekniken som behövs för att lagra den. Och utmaningen att konvertera befintlig infrastruktur till renare kraftkällor kommer att bli enorm.

Det kommer inte att vara omedelbart, men det händer, säger hon. Saker och ting förändras i rätt riktning.

Dölj