Ozonabbau

Größte Ausdehnung des antarktischen Ozonlochs am 24. September 2006...

...und zweitgrößte Ausdehnung am 6. September 2000 (Quelle: NASA).

Als Ozonloch wird eine ungewöhnlich starke, geographisch abgegrenzte Abnahme der Ozonschicht bezeichnet, die auf chemischen Abbauprozessen beruht. Das Ozonloch wurde Ende der 1970er Jahre zunächst nur über der Südpolarregion, später (1992) auch über der Nordpolarregion beobachtet. Natürliche geringfügige Schwankungen in der Ozonschicht, die vermutlich durch die Sonnenaktivität hervorgerufen werden, sind schon länger bekannt.

Der Abbau des Ozons wird durch gasförmige Halogenverbindungen verursacht. Es gibt zwar auch natürliche Quellen, doch wird das gegenwärtige Ozonloch nach heutigem Wissensstand durch die vom Menschen zusätzlich in die Atmosphäre gebrachten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) verursacht.

Der Abbau der Ozonschicht hat negative Folgen für Mensch und Umwelt, da UV-Strahlung nicht mehr in vollem Umfang absorbiert wird.

Ursachen

Bereits 1974 warnten Mario J. Molina und Frank Sherwood Rowland vor den negativen Auswirkungen von anthropogenen Fluorchlorkohlenwasserstoffen auf die Ozonschicht, was 1985 durch die Entdeckung des Ozonlochs bestätigt wurde. 1995 bekamen die beiden Forscher dafür zusammen mit Paul J. Crutzen (der den Einfluss der Polaren Stratosphärenwolken dabei klärte^[1]) den Nobelpreis für Chemie^[2].

In der oberhalb der Troposphäre liegenden Stratosphäre (ab ca. 8 km über den Polen) sammeln sich ozonschädigende Gase. Wegen getrennter Temperaturverhältnisse und Strömungskreisläufe in beiden Schichten können in die Stratosphäre gelangte Stoffe nicht mehr verschwinden. Die Grenzregion zwischen Stratosphäre und Troposphäre bildet eine Barriere (Tropopause).

Die in die Stratosphäre eingetragenen Stoffe reagieren mit dort befindlichem Ozon. Dieses wird aufgespalten, wobei verschiedene chemische Verbindungen entstehen. Dadurch nimmt die Menge des Ozons in der Stratosphäre ab, und damit kann die Ozonschicht ihre schützende Funktion zunehmend weniger erfüllen. Ein einzelnes Chloratom kann bis zu 100.000 Ozonmoleküle zerstören.

Natürliche Halogenverbindungen

Meersalz (NaCl) ist wasserlöslich und wird aus der Atmosphäre ausgewaschen, bevor es die Stratosphäre erreicht.

Pflanzen liefern dagegen einen messbaren Beitrag an ozonschädigenden Verbindungen. Kreuzblütengewächse produzieren Methylbromid. Allein der Raps produziert 6600 Tonnen im Jahr, dies ist ein Anteil von 15 % dessen, was immer noch industriell hergestellt wird. Immergrüne Bäume und Kartoffeln synthetisieren dagegen Methylchlorid^[3].

Auch bei Vulkanausbrüchen entweichen Halogenverbindungen: Während Chlorwasserstoff größtenteils wie Meersalz ausgewaschen wird, können Bromverbindungen die Ozonschicht zumindest lokal beeinträchtigen. Bei einem Ausbruch eines Supervulkans kommt es zu einer massiven Schädigung der Ozonschicht^[4]. Der letzte fand vor 74.000 Jahren statt.

Der chemische Ablauf des Ozonabbaus

Das Ozon der Stratosphäre entsteht in einer durch Ultraviolettstrahlung hervorgerufenen Gleichgewichtsreaktion, die als Ozon-Sauerstoff-Zyklus bezeichnet wird. Radikale greifen in diese Gleichgewichtsreaktion ein, indem sie katalytisch alternative Reaktionspfade zugänglich machen, welche vorwiegend den Ozonabbau begünstigen. Der Abbau des Ozons durch Radikal X• erfolgt dabei durch den folgenden katalytischen Kreisprozess.

X• + O₃ → XO• + O₂

XO• + O → X• + O₂

(O₃ + UV-Strahlung → O₂ + O (λ<340nm))

Der Ablauf sei im Folgenden beispielhaft an Chlor dargestellt; allerdings reagieren auch andere Halogene (Fluor, Brom) sowie diverse molekulare Radikale (z. B. Stickstoffmonoxid NO) auf diese oder ähnliche Weise.

Zunächst werden die FCKW durch die UV-B-Strahlung aufgespalten und es entstehen Halogen-Radikale (R = Molekülrest).

R-Cl + UV-Licht → R• + Cl• (λ<220nm)

Dieses Chlorradikal entzieht dem Ozon eines seiner Sauerstoffatome und reagiert damit zu ClO•:

Cl• + O₃ → ClO• + O₂

ClO• ist selbst wieder ein Radikal; trifft dies nun auf ein weiteres Ozonmolekül, wird diesem ebenfalls ein Sauerstoffatom entzogen und es entstehen zwei Sauerstoffmoleküle, das Chlorradikal wird wieder frei und steht für weitere Reaktionen zur Verfügung:

ClO• + O₃ → Cl• + 2 O₂

Ozon wird auf diese Weise in normalen molekularen Sauerstoff O₂ umgewandelt. Bei dieser Reaktion tritt das Chloratom nur als Katalysator auf, ein Chloratom kann deshalb bis zu 100.000 Ozonmoleküle zerstören.

Dies ist der hauptsächliche Abbauzyklus; daneben laufen jedoch noch vielfältige weitere Reaktionen ab, die ebenfalls zur Schädigung der Ozonschicht beitragen bzw. dies unterstützen, z. B. Reaktion von Halogenoxiden mit Sauerstoffradikalen:

O₂ + UV-Licht → 2 O (λ<240nm)

2 O + O₂ → O₃ + O

ClO• + O → Cl• + O₂

Ein Chlorradikal kann den katalytischen Zyklus viele Male durchlaufen und dabei bis zu 100.000 Ozonmoleküle zerstören. Der Zyklus kann nur abgebrochen werden, wenn zwei Radikale miteinander reagieren und so genannte Reservoirspezies bilden:

ClO• + ClO• → Cl₂ + O₂ oder

ClO• + NO₂• → ClONO₂

Unter den besonderen Bedingungen der Polarnacht, d. h. Finsternis und sehr tiefe Temperaturen, können sich die Reservoirspezies zu beachtlichen Konzentrationen ansammeln. Durch die Kälte können sich einige Substanzen in der Stratosphäre verflüssigen und sogar gefrieren, es entstehen polare Stratosphärenwolken (Polar Stratospheric Clouds, PSC), die für die Entstehung des Ozonlochs von großer Bedeutung sind. An den Kristallen der PSC laufen Reaktionen ab, bei denen Stickstoffoxide aus der Luft in die Kristalle übergehen, so dass nur die weitaus aggressiveren Chlorverbindungen in der Luft bleiben:

ClONO_2(g) + H₂O_(s) → HOCl_(g) + HNO_3(s).

(g bedeutet gasförmig, s (von solid) bedeutet fest)

Wenn zum Ende der Polarnacht die Sonne aufgeht, werden diese Chlorverbindungen vom Licht gespalten und plötzlich stehen sehr viele freie Chlorradikale zur Verfügung, die Ozonmoleküle zerstören können. Erst nach und nach verdampfen die PSC und bringen die Stickstoffverbindungen zurück in die Luft, die mit den Chlorradikalen neue Reservoirspezies bilden können und so den Ozonabbau dämpfen.

Erscheinungsbild an Südpol und Nordpol

Ozonschichtdicke 1979 und 2007

Ausdehnung des Ozonlochs über dem Südpol von 1957 bis 2001

Mittlerweile wird die weltweite Ausdünnung der Ozonschicht durch Satellitenüberwachung gemessen.

Zwischen 1996 und 2002 ist die Zerstörung der Ozonschicht Messungen zufolge (Messzeitraum 1978 bis 2002) nicht weiter vorangeschritten, was sich besonders mit ersten Erfolgen des Montreal-Protokolls erklären lässt.

Im Jahre 2005 wurde über der Antarktis jedoch der drittniedrigste je gemessene Stand an Ozon nach 2000 und 2003 ermittelt. Im Jahr 2006 verschlechterten sich die Werte weiter, mit einer Ausdehnung von 27,45 Millionen Quadratkilometern erreichte das Ozonloch über dem Südpol seine bisher größte Ausdehnung.

Der Grund, warum das Ozonloch am Südpol so viel ausgeprägter ist als am Nordpol, liegt in der Form des Antarktischen Kontinents begründet. In der Polarnacht, wenn keine Sonnenstrahlung auf die Erde fällt, bildet sich ein Kaltluftgebiet, der so genannte Polarwirbel. Da der Antarktische Kontinent im Wesentlichen rund ist und kaum höhere Gebirge aufweist, wird der Polarwirbel an seinen Rändern auch nur wenig gestört, und in seinem Inneren können sehr tiefe Temperaturen erreicht werden (bis unter 188 K, das entspricht −85 °C). Am Nordpol sind die Verhältnisse insofern anders, als der entstehende Polarwirbel durch die Überströmung der Gebirge der hohen nördlichen Breiten gestört wird. Wärmere Luft wird eingemischt, und die Temperaturen können nie soweit absinken, wie für die Entstehung von polaren Stratosphärenwolken (Polar Stratospheric Clouds, PSC) nötig wäre. Ohne PSC können aber die Stickstoffverbindungen nicht aus der Luft entfernt werden, und der Ozonabbau bei Sonnenaufgang wird wesentlich gedämpft.

Folgen für Mensch und Umwelt

Wegen der Zerstörung der Ozonschicht gelangt mehr UV-Licht auf die Erdoberfläche, was beim Menschen zu Hautschäden bis hin zum Hautkrebs führen kann. Bei fehlender Ozonschicht droht sogar Erblindung innerhalb weniger Stunden.

Niedrigere Ernteerträge werden ebenfalls erwartet.

Schließen des Ozonlochs

1990 kam es zu einem vollständigen FCKW-Verbot. 1994 wurde der Höhepunkt des Abbaus der Ozonschicht festgestellt. Seitdem schließt sich das Ozonloch langsam wieder.^[5]

Abschätzungen über die Geschwindigkeit, mit der sich das Ozonloch auf natürliche Weise wieder schließt, variieren um ein bis zwei Jahrzehnte. Die NASA schätzt, dass über der Antarktis erst 2068 der Zustand vor der menschlich bedingten Ausdünnung wiederhergestellt sein wird.^[6] Die Weltorganisation für Meteorologie ging 2006 davon aus, dass sich die Ozonschicht über der Antarktis in den nächsten 20 Jahren nur unwesentlich erholen wird und zwischen 2060 und 2075 der Zustand von vor 1980 wiederhergestellt ist – 10 bis 25 Jahre später, als man noch 2002 annahm. Über der Arktis ist in kalten Wintern der nächsten 15 Jahre mit größeren Ozonverlusten zu rechnen, der Zustand von vor 1980 wird voraussichtlich bis 2050 wieder erreicht.^[7]

Literatur

• Eike Roth: Globale Umweltprobleme – Ursachen und Lösungsansätze, Friedmann Verlag, München 2004, ISBN 3-933431-31-X
• World Meteorological Organization, Scientific assessment of ozone depletion: 2002, Global Ozone Research and Monitoring Project - Report No. 47, 498pp., Geneva 2003, ISBN 92-807-2261-1
• Martin Dameris, Thomas Peter, Ulrich Schmidt, Reinhard Zellner: Das Ozonloch und seine Ursachen, in: Chemie in unserer Zeit 2007, 41, 152–168; doi:10.1002/ciuz.200700418.

Weblinks

• Landkarten & Stadtplan Index / Thema: Ozonloch Liste mit vielen Links zum Theme Ozonschicht und Ozonloch
• Centre for Atmospheric Science, Universität Cambridge, GB: Ozonloch - Geschichte und Wissenschaft
• Umweltministerium Bayern: Stratosphärische Ozonschicht und Ozonloch (PDF)
• Das Umweltlexikon von Thomas Seilnacht zum Thema Ozon und Ozonloch
• Earth Probe TOMS - Datenarchiv der NASA zum Ozonloch
• Täglich aktualisierte Karten der Ozonverteilung auf der nördlichen Halbkugel (engl.), vom "Ozone Mapping Centre" der World Meteorological Organization
• Presseerklärung zur Nobelpreisverleihung an Mario J. Molina, Frank Sherwood und Paul J. Crutzen

Siehe auch

• Atmosphärenchemie

Quellen

1. ↑ GEO kompakt Nr, 9, Die Grundlagen des Wissens: Rätsel über dem Südpol,Text: Jürgen Bischoff
2. ↑ Spektrum der Wissenschaft: Mechanismen des Ozonschwunds in der Stratosphäre Dezember 1995 (Monatsspektrum)
3. ↑ Spektrum der Wissenschaft: Umweltgifte vom Gabentisch der Natur, Juni 2005
4. ↑ Spektrum der Wissenschaft: Die Urgewalt der Supervulkane, August 2006
5. ↑ taz, Paul Crutzen über das Ozonloch: Knapp am Untergang vorbei, 13.09. 2007, siehe [1]
6. ↑ NASA (2006): Scientists find Antarctic Ozone Hole to Recover Later Than Expected, NASA Earth Observatory News Archive, 29. Juni, siehe online
7. ↑ WMO/UNEP (2006): Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006