Chlorine in the stratosphere

ResumenEste artículo reseña varios aspectos de los compuestos clorados presentes en la estratosfera, que incluyen tanto su papel como agentes químicos como su función de trazadores de los procesos dinámicos. En la estratosfera, el cloro reactivo se libera a partir de los clorofluorocarbonos y otros gases orgánicos que contienen cloro. La mayor parte del cloro reactivo se convierte en compuestos inertes que almacenan cloro, como ClONO2 y HCl. La reactivación del cloro estratosférico ocurre principalmente por reacciones heterogéneas en vórtices polares invernales, en combinación con la luz solar. Los ciclos catalíticos de Cl, ClO, BrO, Cl2O2, ClO2 y otros compuestos como NO, NO2, OH y HO2 destruyen el oxígeno impar (ozono y oxígeno atómico) de la atmósfera. El ciclo del dímero de ClO es particularmente importante en la formación del agujero de ozono, mientras que en latitudes medias el HOCl tiene alguna relevancia. También los eventos de protones solares pueden alterar la química del cloro estratosférico, aunque su efecto de activación o desactivación depende de las condiciones de iluminación. La vida media atmosférica de los clorofluorocarbonos determina la disponibilidad de las sustancias que destruyen el ozono en la estratosfera y depende de la circulación de Brewer-Dobson, que a su vez establece a qué altitudes y por cuánto tiempo está expuesta una porción de aire a la fotoquímica. Por su parte, los gases orgánicos clorados pueden usarse como trazadores para estimar la edad del aire estratosférico y así examinar la circulación de Brewer-Dobson. El uso de métodos complementarios de medición ha sido esencial para ampliar nuestros conocimientos sobre los compuestos clorados en la estratosfera. El ClO se mide principalmente con métodos de percepción remota en las regiones del infrarrojo y de microondas. Las bandas del infrarrojo lejano son ideales para medir el HOCl, pero también se encuentra información sustancial en las regiones de microondas y del infrarrojo medio. El ClONO2 se mide sólo en el infrarrojo térmico, en tanto que el HCl se puede observar en las regiones de microondas y del infrarrojo lejano y medio. Sin embargo, las bandas del HCl en el infrarrojo medio se encuentran en longitudes de onda en que la radiación de cuerpo negro a temperaturas terrestres es tan baja que el HCl sólo se puede detectar mediante la técnica de absorción solar. Los clorofluorocarbonos se miden con mayor exactitud utilizando métodos de muestreo in situ, aunque para lograr una cobertura global se requieren mediciones en el infrarrojo térmico realizadas desde satélites. En términos epistemológicos, la investigación de la química de la estratosfera y el papel específico de los compuestos clorados se ha basado en distintos conceptos científicos como el razonamiento deductivo, el falsacionismo, el razonamiento abductivo y la llamada “solución de enigmas dentro de la ciencia normal”. Sin embargo, la concepción estructuralista de la visión no enunciativa de las teorías es probablemente la que mejor se aplica a la investigación de la química del cloro en la estratosfera.

This paper reviews the various aspects of chlorine compounds in the stratosphere, both their roles as reactants and as tracers of dynamical processes. In the stratosphere, reactive chlorine is released from chlorofluorocarbons and other chlorine-containing organic source gases. To a large extent reactive chlorine is then sequestered in reservoir species ClONO2 and HCl. Re-activation of chlorine happens predominantly in polar winter vortices by heterogeneous reaction in combination with sunlight. Catalytic cycles involving Cl, ClO, BrO, Cl2O2, ClO2, and others like NO, NO2, OH, and HO2 remove odd oxygen (ozone and atomic oxygen) from the atmosphere. Under an ozone hole condition, the ClO dimer cycle is particularly important, while in mid-latitudes the short-lived reservoir HOC1 has some importance. Solar proton events can also affect stratospheric chlorine chemistry, but whether solar protons effectively activate or deactivate chlorine was shown to depend on illumination conditions. The lifetime of chlorofluorocarbons has an impact on the availability of ozone destructing substances in the stratosphere and depends on the Brewer-Dobson circulation which controls at which altitudes and how long an air parcel is exposed to photochemistry. In turn, the chlorine-containing source gases can be used as tracers to constrain the age of stratospheric air and thus to diagnose the Brewer-Dobson circulation. The use of complementary measurement systems was essential to extend our knowledge on chlorine-containing compounds in the stratosphere. ClO is best measured by remote sensing in its rotational bands in the far infrared and microwave region. For HOC1 the far infrared bands are ideal, but some substantial information was also gained with microwave and mid-infrared measurements. ClONO2 is only measured in the thermal infrared, while HCl has a measurable signal in the microwave, far infrared and mid-infrared regions. The mid-infrared HCl lines, however, are situated at wavelengths where blackbody emission at terrestrial temperatures is so low that infrared measurements of HCl are possible only in solar absorption geometry, but not in thermal emission. Chlorine source gases are most accurately measured by air sampling techniques, while global coverage can only be achieved by satellite-borne thermal infrared measurements. In epistemological terms, research on stratospheric chemistry and particularly the role of chlorine compounds used various scientific concepts from deductive reasoning, falsificationism, abductive reasoning and so-called “puzzle-solving within normal science”. The structuralist theory of science with the concept of non-statement view of theories, however, seems to be best applicable to stratospheric chlorine research of the recent decades.