A. Tabazadeh*,†, K. Drdla*, M. R. Schoeberl‡, P. Hamill§, e OB Toon¶
+ Affiliazioni Autore
*National Aeronautics e Space Administration Ames Research Center, Divisione Scienze della Terra, MS: 245-4, Moffett Field, California 94.035; ‡Aeronautica e amministrazione nazionale Spaziale Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, §Dipartimento di Fisica, Stato di San Jose Università, San Jose, CA 95.192, e ¶Laboratorio per e Spazio, Fisica dell'Atmosfera in programma e Oceanic Atmospheric Science, University of Colorado, Boulder, CO 80.309
A cura di Karl K. Turekian, Yale University, New Haven, CT, e approvato 20 dic 2001 (ricevuto per la revisione 2 ottobre 2001)
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Astratto
record di profondità ottica indicano che gli aerosol da grandi eruzioni vulcaniche spesso producono nuvole che hanno superficie superiore ai tipici stratosferico artico nubi polari (PSC). Una nube chimica-modello traiettoria viene utilizzato per studiare come gli aerosol vulcanici possono incidere primavera artica processi di perdita di ozono, come ad esempio l'attivazione di cloro e di denitrificazione, in un inverno freddo all'interno della attuale gamma di variabilità naturale. Diversi studi indicano che può aumentare la denitrificazione grave perdita di ozono artico fino al 30%. Mostriamo grandi particelle che causano PSC denitrificazione in una stratosfera nonvolcanic non può formare in modo efficiente in un ambiente vulcanico. Tuttavia, gli aerosol di origine vulcanica, quando presente a basse altitudini, dove Artico PSC non può costituire, può estendere il raggio verticale della perdita di ozono chimici nella bassa stratosfera. trasformazione chimica sugli aerosol vulcanico over un raggio di 10 km Altezza potrebbe incrementare gli attuali livelli della colonna perdita di ozono primavera fino al 70% indipendente di denitrificazione. Climate modelli predicono che stratosfera the lower is as raffreddamento uno dei gas a effetto serra result built-up in troposfera. L'entità di perdita di ozono colonna calcolata qui per l'Artico l'inverno 1999-2000, in un vulcanico stato assunto, è simile a quello previsto per un futuro più fredda stratosfera nonvolcanic nel decennio 2010.
Eruzioni con un indice di esplosività vulcanica (VEI) di 4 o più iniezioni di produrre significativi stratosferico (1, 2). L'anidride solforosa (2), la componente più importante atmosferico delle emissioni vulcaniche, è convertito in forma di aerosol di solfato dopo l'iniezione nella stratosfera. Più di 100 eruzioni con VEIS ≥ 4 si pensa che si sono verificati negli ultimi 500 anni (1). Tuttavia, solo circa la metà delle grandi eruzioni sono ricchi di zolfo (2, 3). Sia El Chichon 1982 (VEI = 4) (4) e 1991 mt. Pinatubo (VEI = 5) (5), eruzioni sono state ricche di zolfo, che produce nubi vulcaniche nella stratosfera, che durò per un certo numero di anni (6). D'altra parte, lo zolfo relativamente povero di eruzione del Monte. St. Helens (VEI = 5) (2, 7) nel 1980 hanno contribuito molto poco di massa per l'aerosol di solfato di livello stratosferico (6). Il fatto che milioni di tonnellate. Helens 'pennacchio San stato emesso ad un angolo anche ridotto la quantità di possibili iniezioni stratosferico da questo vulcano. Tuttavia, ricco di grandi eruzioni solfato sono comuni (6). Pertanto, è importante capire in quale misura tali eruzioni possono incidere the strato di ozono artica in prossimi 30 anni o poco più, i livelli di cloro while still antropiche si sufficiently alta [≈ 3 parti per miliardi di euro nel volume (ppbv)] a causare gravi ozono esaurimento (8, 9).
simulazioni di modello (10) hanno dimostrato che la rapida crescita del Antartico "il buco dell'ozono precoce" nei primi anni 1980 possono essere stati influenzati (in parte) da una serie di grandi eruzioni vulcaniche. L'obiettivo di questo studio è di esplorare come una grande eruzione potrebbe incidere Artico processi di perdita di ozono, quali l'attivazione di cloro e denitrificazione, in un anno freddo within l'attuale gamma di variabilità naturale. Si prevede che il clima artica potrebbe be più fredde in futuro a causa delle emissioni di gas a effetto serra e il loro accumulo nella troposfera inferiore (8). Così, abbiamo anche studiare come una grande eruzione potrebbe incidere possibile perdita di ozono in un clima più freddo artico.
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Effetti vulcanica Aerosol
aerosol vulcanici a freddo temperature polari sono altrettanto efficienti come nubi stratosferiche polari (PSC) per l'attivazione di specie cataliticamente cloro che distruggono le molecole di ozono (9, 10). Il vantaggio di aerosol vulcanici oltre PSC (in particolare nella regione artica) è che possono attivare notevoli quantità di cloro a temperature più alte (≈ 200 K), soprattutto perché sono composte da aerosol di solfato, che non evaporano al di sopra del punto di condensazione del PSC [ tipicamente 195 K a ≈ 50 millibar (mbar; 1 mbar = 102 Pa)]. Inoltre, gli aerosol vulcanico può aumentare l'entità di attivazione di cloro inferiore di circa 17 km, dove PSC in genere non può persistere nella regione artica. Così, aerosol vulcanico è possibile estendere la (verticale altitudini <17 km) e orizzontale (aree con temperature> 195 K) serie di attivazione di cloro nella stratosfera artica.
A differenza della Antartico (dove fa freddo ogni inverno), l'Artico clima invernale nella stratosfera è molto variabile (8, 11, 12). Alcuni inverni sono freddi artici e altri sono caldi. Non c'è modo di determinazione quantitativa in tempo inverni che in futuro sarà freddo. dati osservativi (9, 11) indicano che l'ozono perdita significativa nella regione artica si verifica solo in inverni freddi, e vulcani possono aumentare notevolmente la perdita migliorando la scala spaziale su cui le molecole di ozono può ottenere distrutto nella stratosfera.
Le recenti eruzioni vulcaniche ricche di zolfo non hanno notevolmente influenzato la primavera perdita di ozono artico per diverse ragioni. Dopo l'eruzione di El Chichon nel 1982, i livelli di cloro nella stratosfera di origine antropica non erano ancora sufficienti (8) a causa dello strato di ozono nella grande caldo (≈ 10 K più calda l'Antartide) relativamente stratosfera artica. Dopo il Monte 1991. eruzione del Pinatubo, livelli di cloro erano grandi abbastanza per portare alla deplezione dell'ozono sostanziale nell'Artico. In effetti, l'abbondanza colonna di ozono marzo (in media da 63 ° a 90 ° di latitudine nord, rif. 11) dal 1990 al 1996 sono più bassi nel 1993, nonostante questo inverno non era la più persistenti o Arctic inverno più freddo nella prima metà degli anni 1990 (12). mappe di proiezione polare del totale colonna abbondanza media di ozono marzo 1993 mostrano una perdita di ozono moderata su una vasta area attorno al polo nord (coerente con la distribuzione emisferiche di particelle vulcaniche), mentre le perdite di ozono superiore nel freddo inverno nonvolcanic 1996 sono limitati alle una piccola zona relativamente ad est del polo nord (coerente con il PSC distribuzione localizzata in un anno nonvolcanic) (11). Così, i vulcani hanno il potenziale per aumentare in modo significativo la copertura areale della perdita di ozono nella regione artica. Nel 1993 la mancanza di persistenza vortice artico in primavera (12) può aver impedito aerosol Pinatubo di causare distruzione dell'ozono di più durante questo anno. Di seguito, si stima quanto possibile perdita di ozono colonna può avvenire all'interno di una stabile e Artico vortice freddo in un anno vulcanica.
Nella fig. 1, la modifica della profondità di aerosol stratosferico ottico (SAOD) nel tempo è indicato per gli ultimi 150 anni (6). Gli aumenti SAOD da un fattore di circa 10-100, dopo grandi eruzioni vulcaniche. SAODs vulcanico in un anno (e qualche anno dopo l'eruzione) sono simili (o più) in grandezza a profondità ottica di PSC tipica dell'Artico. variazioni di aerosol stratosferico in profondità ottica di un'influenza significativa sulla chimica eterogenea che porta alla riduzione dell'ozono, perché le superfici delle particelle sono direttamente proporzionali alla profondità ottica. Qui di seguito si considera come la presenza continua di origine vulcanica, come le condizioni nuvoloso nell'Artico possono influenzare i processi di perdita di ozono di primavera (13-18) in un anno freddo come l'inverno del 1999-2000.
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Figura 1 L'aerosol stratosferici ottico di profondità (a λ = 0.55 micron), nel corso del tempo negli ultimi 150 anni (i dati riportati sono presi dalla Tabella 1 in rif. 6). Anche indicati sono calcolati ottico profondità CPS sulla base di Stratospheric Aerosol di misura (SAM) II profili di estinzione aerosol (a 1 micron) nella regione artica (28). La profondità CPS portata ottica Arctic mostrato deriva da profili verticali estinzione nell'Artico quando i profili di temperatura sono (ben) al di sotto del punto di condensazione di PSC con almeno un km di altitudine gamma 4.
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Modello Simulazioni
Recentemente, abbiamo dimostrato (13) che il PSC osservate particelle grandi (14) che causano denitrificazione in un ambiente nonvolcanic forma più probabile da parte di nucleazione omogenea di diidrato di acido nitrico (NAD) i cristalli (19) nel onnipresente sottoraffreddata soluzione ternari (STS) gocce di H2SO4/ HNO3/ H2O nella stratosfera. Nucleate cristalli NAD possono poi trasformarsi in stalla acido nitrico triidrato di più (NAT) fase, causando più di denitrificazione (13). Nella fig. 2 variazioni di temperatura in saturazione NAD e dei tassi di nucleazione sono indicati sia per nonvolcanic e vulcanico condizioni. Fig. 2 mostra che la composizione ricca di solfato (vedi figura 10 in rif. 20) di goccioline STS in un anno vulcanico limita la portata di saturazione NAD, S (≈ 1), che provoca NAD tassi di produzione di particelle di un calo di quasi un fattore di 10 (13). Si noti che per temperature superiori a 192 K, i tassi di nucleazione NAD in condizioni vulcaniche sono più veloci rispetto a quelle calcolate per uno Stato nonvolcanic (a causa di più alti livelli di volume di aerosol). Tuttavia, i tassi di congelamento NAD sono troppo lento a temperature superiori a 192 K a causa di denitrificazione significativo (13). Di seguito microfisica utilizzare un modello per studiare come il cambiamento nei tassi di produzione di particelle di NAD influenzerà il processo di denitrificazione in condizioni vulcaniche.
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Figura 2 Modellato variazioni nel rapporto di saturazione NAD e tasso di nucleazione in funzione della temperatura a 50 mbar. I calcoli per un ambiente nonvolcanic sono state eseguite a 50 mbar (≈ 20 km) per HNO3, H2O e H2SO4 rapporti di miscelazione di 10 ppbv, 5 e 0,17 ppmv ppbv, rispettivamente. Per i calcoli di origine vulcanica, solfato di miscelazione volume il rapporto è stato aumentato a 20 ppbv (29).
Abbiamo usato un accoppiata microfisica traiettoria chimica modello (15, 16) per valutare gli effetti delle perturbazioni vulcanica sulla perdita di ozono artico processi in corso ed eventualmente le condizioni più fredde futuro (13, 17, 18, 21). Nella fig. 3 vortice-media campi denitrificazione (incastri) sono indicati per l'inverno del 1999-2000 per quattro casi. Come mostrato (13, 17, 18), denitrificazione è aumentata in un più freddo (da 4 K) nonvolcanic atmosfera. La maggior parte delle denitrificazione in un'atmosfera nonvolcanic è causata dalla sedimentazione di grandi NAD (o NAT) particelle (13). In un ambiente vulcanico, i campi di denitrificazione sono inferiori di circa il 30-60% in grandezza rispetto ai valori nonvolcanic. Inoltre, più del 70% di denitrificazione in un anno vulcanica avviene per sedimentazione delle particelle relativamente grandi STS. Così il campo di temperatura ristretta di stabilità delle particelle NAD (NAD è stabile quando S > 1, fig. 2) in un anno vulcanico limita l'efficacia di grandi NAD (o NAT) particelle per causare denitrificazione sostanziali. Un certo numero di set di dati di osservazione (22-24), dopo l'eruzione del Monte. Pinatubo PSC indicano che tendono a restare in forma STS in una nube vulcanica, sostenendo i risultati dei nostri calcoli che è più difficile per NAD a formare le particelle in modo efficiente, crescere e denitrify l'atmosfera in un anno vulcanica.
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Figura 3 Vortex-media campi di denitrificazione computerizzata (incastri) e la colonna di profili di ozono in unità Dobson (DU) per temperature corrispondenti alle Artico inverno 1999-2000 e un inverno più freddo che è di 4 K (uno). Un DU è pari a 2,7 × 1016 molecole di ozono in un 1 centimetro2 colonna che si estende dalla superficie fino alla parte superiore dell'atmosfera (≈ 100 km di altezza). Un tipico testa della colonna di ozono contiene circa 300 UI di molecole di ozono. (b) le perdite di ozono per le temperature come in uno , ma con gli aerosol vulcanici inclusa. Abbiamo aumentato il volume Rapporto di miscelazione solfato (29) nel modello da 0,17 ppbv (nonvolcanic) a 20 ppbv (vulcaniche) per tenere conto di effetti di aerosol vulcanico sull'ozono. Abbiamo utilizzato la microfisica integrato e Aerosol Chimica su traiettorie (IMPACT) in un modello tridimensionale in modalità quasi (15, 16) per ottenere i risultati mostrati. Quasi 3.000 i punti iniziali sono stati distribuiti in modo uniforme (in entrambe le direzioni orizzontale e verticale) all'interno del vortice artico su 15 Gennaio 2000 ≈ tra 450 e 700 di superficie K. Avanti e indietro traiettorie diabatic sono state eseguite da ciascun punto di inizializzazione (sulla base del Meteorological Office Regno Unito insieme di dati) per ottenere circa 3.000-lungo inverno la temperatura particella d'aria e le storie di posizione. refs See. 20 e 21 per l'inizializzazione del ozono, HNO3, reattiva e di altri profili fase gas all'inizio dell'inverno. I risultati mostrati sono i valori medi calcolati per tutte le traiettorie trova nel vortice. Il totale delle perdite di ozono colonna e quelle attribuite al denitrificazione e lavorazione dei prodotti chimici addizionali per aerosol vulcanici sono segnati anche per nonvolcanic (uno) e vulcanico (b) i casi, rispettivamente. Siamo convinti che tutte le particelle NAD convertire in NAT subito dopo nucleazione. Per le condizioni vulcaniche, denitrificazione ha avuto alcun effetto sensibile sulla colonna di perdita di ozono totale.
Nella fig. 3, simulazioni del vortice-media cambiamenti cumulativi nel ozono colonna totale causata da entrambi denitrificazione e vulcanico effetti aerosol sono mostrati più di 3 mesi per le temperature che si sono verificati nell'inverno del 1999-2000. Per tutti i casi, denitrificazione ha poco effetto sulla colonna di perdita di ozono totale attraverso 1 ° marzo. Il totale delle perdite di ozono colonna per i casi di origine vulcanica sono superiori di un fattore di circa 2 a metà (1 febbraio) e tardivo (1 marzo), l'inverno in confronto con i valori nonvolcanic. Se il vortice persiste in primavera (1 aprile), poi perdite consistenti di ozono, raggiungendo valori Antartico (8-10), potrebbe verificarsi sia in una più fredda (da 4 K) stratosfera nonvolcanic oa una qualsiasi delle due scenari vulcanici. Potenzialmente, un stratosfera artica denitrificato all'inizio della primavera è creata appositamente per la distruzione dell'ozono, perché l'azoto reattivo in grado di mediare la perdita di ozono (con sequestro di cloro attivo) è stato rimosso dalla stratosfera. In effetti, un certo numero di studi hanno dimostrato che denitrificazione massiccia nell'Artico può aumentare la perdita di ozono di circa il 30% in un nonvolcanic stratosfera (17, 18), che è in accordo con i risultati di fig. 3. Tuttavia, gli effetti dell'ozono sulla denitrificazione diventa insignificante in un vulcanico stratosfera, perché la costante presenza di simili condizioni nuvoloso fornisce un simile ambiente antartico, dove denitrificazione è stato anche dimostrato di avere un effetto trascurabile sulla perdita di ozono (10). Nel complesso, abbondanze aerosol superiore in scenari vulcanici portare ad una maggiore perdita di ozono, perché modellata colonna concentrazioni di cloro attivo (non mostrato) sono superiori di circa il 30% (tutto pieno inverno a primavera) e persistono a valori elevati per periodi più lunghi di quelli calcolati per gli scenari nonvolcanic .
Fig. 4 mostra la dipendenza della differenza di altitudine nella perdita di ozono tra una colonna e un anno nonvolcanic vulcanica. Come mostrato in fig. 4, latitudini alte nubi vulcaniche estesa ad alta quota dopo due recenti eruzioni importanti. Inoltre, aerosol vulcaniche si estendono fino al livello tropopausa, dove PSC sono generalmente non si trova nella bassa stratosfera artica caldo. E 'interessante notare che circa 60 unità Dobson (DU, fig. 4) della perdita di ozono totale attribuito ad aerosol vulcanico (≈ 100 DU, fig. 3 b) si verifica ad altitudini inferiori a circa 17 km dove tipica PSC Artico non possono persistere per lungo tempo. In realtà, quasi un terzo della colonna dello strato di ozono totale è causata da effetti aerosol vulcanico a quote inferiore a circa 17 km [60 DU (Fig. 4) / 212 totale perdita DU (Fig. 3)]. Un'analisi simile di misurare i profili verticali di ozono in Antartide mostrano che gli aerosol Pinatubo riduzione dell'ozono aumentata nel 1992 e nel 1993, causando la perdita di ozono aggiuntivi nel 10 - a 12 km range di altitudine, dove è spesso troppo caldo per PSC per la forma sulla south palo (25, 26).
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Figura 4 La differenza nella colonna di perdita di ozono totale tra un vulcanico e un anno nonvolcanic. Le linee sono ottenuti sottraendo i profili vulcanica (linee rosse in fig. 3 b) dai profili nonvolcanic (linee rosse in fig. 3 uno) in fig. 3. Mostrato anche la parte superiore sono osservate altezze degli aerosol pennacchio vulcanico a gennaio (dopo l'anno di ogni eruzione vulcano) sulla base del Stratospheric Aerosol di misura (SAM) II (usato per El Chichon) e nella stratosfera di aerosol e gas Experiment (SAGE) II ( utilizzati per mt. Pinatubo) di dati. L'altezza di picco segnato dello strato di aerosol vulcanico si ottiene sottraendo la media vulcanico estinzione profilo aerosol dal nonvolcanic profilo medio di estinzione negli anni quiescente. Poiché sia il SAM II e dei dati SAGE II si sono limitati a latitudini di sotto di circa 70 ° N, abbiamo fatto una traiettoria modello di dispersione plume (30) (inizializzato su 5/3/1999 e 6/15/1999 al El Chichon e il Monte . posizioni Pinatubo, rispettivamente) per indagare il grado di dispersione pennacchio vulcanico all'interno della regione artica. I risultati delle simulazioni indicano che la traiettoria entro 3 mesi di ciascuna eruzione simulata, materiale vulcanico sarebbe stato ampiamente diffuso nella regione artica, nel 1999, raggiungendo latitudini per quanto riguarda il Polo Nord.
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Atmosferica Implicazioni
Negli ultimi anni pochi (13, 17, 18, 21) una serie di studi hanno attirato l'attenzione sui possibili effetti dei cambiamenti climatici sulla fascia d'ozono artico. In sintesi, il riscaldamento del pianeta superficie a causa dei gas serra di origine antropica (8, 21), nella bassa troposfera sta portando ad un raffreddamento nella stratosfera. Questo raffreddamento può aumentare la estensione spaziale e temporale delle attività PSC nel nord. Più caldo, più a lungo nel tempo le condizioni può portare a enormi denitrificazione Artico (13, 17, 18), con importanti implicazioni per la perdita di ozono nel periodo cornice decennio 2010 (21). Qui mostriamo che la perdita di ozono gravi si può verificare ora (in questo decennio) in un anno vulcanica con un clima simile a quello artico freddi inverni degli anni 1990 con un vortice moderatamente stabile che persiste in primavera. Per esempio, fig. 3 mostra che il totale perdita di ozono colonna nella primavera del 2000 avrebbe potuto essere fino al 70% [212 perdita DU (Fig. 3 b) / 126 perdita DU (Fig. 3 uno)] maggiore se vulcanico aerosol erano presenti all'interno del vortice polare artico. Inoltre, c'è poco cambia molto nella colonna perdita di ozono totale tra un ambiente vulcanico con temperature di 1999-2000 (212 DU) e quella in cui 1999-2000 le temperature sono abbassati a 4 K (224 DU). Così, vulcanico effetti degli aerosol sul ozono artico sono relativamente insensibili a temperatura e un vulcano forte può causare grandi dello strato di ozono in un inverno freddo all'interno della gamma attuale del (osservate12, 27) variabilità.
I nostri calcoli indicano che la primavera colonna perdita di ozono artico nel corso di un anno vulcanica freddo potrebbe avvicinarsi valori misurati all'interno del Antartico "buco dell'ozono" (8-10). Fig. 1 mostra che nel corso degli ultimi 150 anni, 9 eruzioni vulcaniche hanno prodotto nuvole che otticamente più spesso Artico PSC, e 13 eruzioni che sono state prodotte le nuvole spesse come PSC Artico. nubi vulcaniche da ogni eruzione tendono a durare più di un anno. Completamente 47 anni negli ultimi 150 hanno avuto nubi vulcaniche come otticamente spessa come PSC, mentre 13 anni hanno avuto molto più spesso di nubi PSC. C'è stato solo un periodo di tempo lungo (1915-1963) senza alcuna significativa presenza di nubi vulcaniche (Fig. 1). Dato che la metà degli inverni artici erano fredde negli ultimi dieci anni (12, 27), la probabilità annuale per il verificarsi di un anno vulcanico freddo è di circa il 15% [50% di probabilità per un anno freddo artico × 31% (47/150 ) probabilità per una torbida anno] vulcanica. Quindi, è possibile per ≈ 5 inverni artici nei prossimi tre decenni, ad essere freddo e vulcanica. Pertanto, un vulcanico "buco dell'ozono" è probabile che si verifichi nella regione artica durante i pochi prossimi decenni prima che recupera cloro ai suoi livelli preindustriali (8, 21). Se un periodo di elevata attività vulcanica (1883-1893 o 1902-1912, fig. 1) coincide con un periodo di inverni freddi artici (come il 1994-1995 a 1996-1997, rif. 27), poi una primavera di ozono artico buco " "può riapparire per un certo numero di anni consecutivi, simile al modello visto in Antartide ogni primavera dal 1980 (8). Così, la comprensione e il monitoraggio degli effetti delle grandi eruzioni vulcaniche in materia di ozono sono essenziali per elaborare strategie di mitigazione per far fronte dello strato di ozono grave scenari possibili nella regione artica nei pochi decenni dopo.
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Ringraziamenti
Questo lavoro è stato sostenuto dal Programma di Scienze della Terra della National Aeronautics and Space Administration. AT riconosce il sostegno di un Early Career Award presidenziale.
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Note a piè
↵ † A chi le richieste di ristampa dovrebbe essere affrontato. E-mail: atabazadeh@mail.arc.nasa.gov.
Questo documento è stato presentato direttamente (Track II) all'ufficio PNAS.
Abbreviazioni:
ROAD,
Indice di esplosività vulcanica;
ppbv,
parti per miliardo in volume;
PSC,
nubi polari stratosferiche;
NAD,
diidrato di acido nitrico;
NAT
acido nitrico triidrato;
STS,
ternario soluzione sottoraffreddati;
Contiene
Dobson unità;
SAOD,
aerosol stratosferici profondità ottica
Copyright © 2002, L'Accademia Nazionale delle Scienze
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Gli articoli citando questo articolo
S. Tilmes, R. R. Muller , Muller, and R. e R. Salawitch Salawitch
La sensibilità di Ozone Depletion Polar a programmi proposti per Geoingegneria
Scienza 2.008 320 (5880) 1201-1204
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