Das Ozonloch über der Antarktis

Raum-zeitliche Variabilität, Ursache und Auswirkungen auf die Biosphäre


Hausarbeit (Hauptseminar), 2007

34 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

0. Einleitung

1. Das Ozon in der Stratosphäre
1.1. Ozonverteilung in der Atmosphäre
1.2. Was ist Ozon?
1.3. Entdeckung des Ozonlochs

2. Das Ozonloch über der Antarktis
2.1. Allgemeines zur Antarktis
2.2. Entdeckung des antarktischen Ozonlochs
2.3. Der „Ozonkiller“ FCKW
2.4. Entstehung des antarktischen Ozonlochs
2.5. Aktuelle Situation

3. Auswirkungen des antarktischen Ozonlochs auf die Biosphäre
3.1. auf den Menschen
3.2. auf Flora und Fauna

4. Maßnahmen gegen den Ozonrückgang in der Stratosphäre - Das Montreal Protokoll

5. Schluss

Literaturverzeichnis:

Abbildungsverzeichnis

0. Einleitung

Ist das Ozonloch immer noch eine Bedrohung für uns? Die breite Öffentlichkeit hat sich, der Berichterstattung der Medien folgend, mit dem Gedanken beruhigt, dass FCKW und Ozonzerstörung eher ein Problem der 1980er und 1990er Jahre gewesen waren, inzwischen aber weitgehend gelöst sind. Jedoch hat das Rekord-Ozonloch über der Antarktis im Jahr 2006 deutlich das Gegenteil bewiesen. Ozonloch und Ozonabbau in der Stratosphäre nehmen immer noch zu. Inzwischen ist auch klar, dass sich die Ozonschicht noch nicht bis zum erwarteten Zeitpunkt in 20 oder 30 Jahren erholen wird.

Die größten Ausmaße des Ozonabbaus werden jedes Jahr im Frühling über dem antarktischen Kontinent sichtbar. Die Ursache dieses Ozonlochs, dessen raum-zeitliche Variabilität und die Auswirkungen auf die Biosphäre stellen das Thema meiner Arbeit dar.

Das Ozon, von dem hier die Rede ist, befindet sich in der Stratosphäre, in einer Höhe von 12 bis 50 Kilometern über der Erde. Auch in der Troposphäre gibt es ein Ozonproblem, das jedoch auf die unerwünschte Zunahme des Ozons zurückzuführen ist. Dieses Ozonproblem hat mit dem der Stratosphäre zunächst nichts zu tun. Es kann die Ozonabnahme in der Stratosphäre auch nicht ausgleichen. In dieser Arbeit wird nur das Ozon der Stratosphäre behandelt. Dazu möchte ich als erstes eine kleine Einführung geben.

1. Das Ozon in der Stratosphäre

1.1. Ozonverteilung in der Atmosphäre

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Lage der Ozonschicht in der Atmosphäre

Die vertikale Ozonverteilung in der Atmosphäre ist sehr ungleich. Nur 10 % des Ozons befinden sich in der Troposphäre, 90 % dagegen in der Stratosphäre in der Höhe von 12 bis 50 Kilometern (vgl. Abb.1). 75 % der gesamten Ozonmenge sind allein auf einen Höhenbereich von 15 bis 30 Kilometer konzentriert und bilden die Ozonschicht. Würde man das gesamte Ozon der Erdatmosphäre in eine Schicht bei dem an der Erdoberfläche existierenden Normaldruck zusammenpressen, so würde diese nur drei Millimeter dick sein (vgl. Abb.2).[1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2 : Schematische Darstellung der Ozonverteilung

Aber obwohl Ozon nur in solch geringen Mengen in der Atmosphäre vorkommt, ist es für das Leben auf der Erde von grundlegender Bedeutung. Denn das Ozon ist in der Lage, den größten Teil der ultravioletten Strahlung der Sonne zu absorbieren und verhindert dadurch, dass diese gefährliche Strahlung die Erdoberfläche erreicht. Ohne diese schützende Ozonschicht könnten weder Tiere noch Pflanzen existieren und das Leben, so wie wir es kennen, wäre nicht möglich.

Die Bildung der Ozonschicht hängt von zwei Faktoren ab. Zum einen bedarf es der Anwesenheit von molekularem Sauerstoff (O2), der durch grüne Pflanzen im Meer und auf dem Land gebildet wird. Der O2-Anteil liegt in der Mesosphäre bei etwa 21 %. Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck und mit ihm auch die Anwesenheit von O2 ab. Zum anderen ist das Einwirken energiereicher UV-C-Strahlung für die Ozonbildung essentiell. Diese Strahlung wird in der Atmosphäre absorbiert und nimmt mit zunehmender Eindringtiefe zur Erdoberfläche hin ab. Da diese beiden Faktoren gegenläufig sind, sind die Bedingungen für die Ozonschicht nur in einem schmalen Bereich der Atmosphäre optimal. Aber auch horizontal ist die Ozon-Verteilung zwischen dem Äquator und den Polen sehr unterschiedlich. Verantwortlich dafür sind unterschiedliche Strahlungsvorgänge und dynamische Prozesse. Aufgrund der höheren Sonneneinstrahlung wird über dem Äquator mehr Ozon gebildet, das jedoch von dort zum größten Teil in Richtung der Pole transportiert wird.[2]

Der vertikale Temperaturverlauf bewirkt eine Anreicherung jener Gase in der Stratosphäre, welche die Ozonschicht angreifen. Wenn diese Gase einmal in der Stratosphäre angelangt sind, können sie nicht mehr in die Troposphäre zurücksinken, weil es in der oberen Schicht wärmer ist als in der unteren. Sie können nur noch durch die UV-Strahlung der Sonne abgebaut werden.[3] Wie das alles, sowohl auf natürlichem, als auch anthropogen beeinflusstem Wege funktioniert, sollen die nächsten Kapitel erklären.

1.2. Was ist Ozon?

Ozon ist ein natürliches Spurengas in der Atmosphäre und besteht aus drei Sauerstoffatomen (O). Im Gegensatz zum zweiatomigen Luftsauerstoff (O2) kommt Ozon normalerweise nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Damit Ozon gebildet werden kann, muss zunächst ein Sauerstoffatom aus dem Luftsauerstoff oder anderen sauerstoffhaltigen Molekülen abgespalten werden. Dies ist aufgrund deren chemischen Stabilität mit erheblichem Energieaufwand verbunden. Somit kann Ozon nur dort entstehen, wo es elektrische Ladungen (wie z.B. Blitze) oder energiereiche Strahlung, wie die UV-Strahlung der Sonne gibt. Das ist am oberen Rand der Atmosphäre, der Stratosphäre, der Fall. Die O2-Moleküle absorbieren das Sonnenlicht im Wellenlängenbereich unterhalb von 240 Nanometern. Die aufgenommene Energie ist so groß, dass die Molekülbindung zerbricht und O-Atome frei werden. Diesen Prozess nennt man Photodissoziation.

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Diese Atome treffen innerhalb kürzester Zeit auf N2- und O2-Moleküle. Während bei der Begegnung mit Stickstoff die O-Atome nur abgelenkt werden, bildet sich im Stoß mit O2 Ozon.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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Abb. 3: Schematische Darstellung des Ozonmoleküls

Das durch die Reaktionen (1) und (2) erzeugte Ozon ist in der Lage bereits Licht mit Wellenlängen kleiner als 1100 Nanometer zu absorbieren. Außerdem kann es in der Stratosphäre auch die solare UV-Strahlung mit Wellenlängen zwischen 170 und 325 Nanometern herausfiltern. Infolge der dadurch aufgenommenen Energie wird das Ozon-Molekül wieder zerstört.

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Durch diesen natürlichen Abbauprozess des Ozons wird die Erdoberfläche vor der gefährlichen solaren UV-Strahlung < 320 nm abgeschirmt. Dabei wird Ozon erst deutlich wirksam bei Wellenlängen < 290 nm, so dass noch ausreichend UV-Strahlung die Erdoberfläche erreichen kann.

Die in (2) und (3) erzeugten Sauerstoffatome können auch direkt mit Ozon reagieren und es dabei zerstören.

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Die Reaktionen (1) bis (4) sind auch als Chapman-Zyklus bekannt. In diesem Reaktionssystem kommen nur die Komponenten der Atmosphäre vor, die aus Sauerstoff bestehen, da Chapman davon ausging, dass Ozon nur aus der Reaktion zwischen Sauerstoffmolekülen und –atomen entstehen kann.[4]

Auch Stickstoff und Wasserstoff greifen in die natürliche Ozonchemie ein. Die Bildung des Ozons nach Reaktion (1) erfolgt also in Konkurrenz zu anderen Reaktionen.

Von Bedeutung ist vor allem die Reaktion des natürlichen Quellgases Distickstoffoxid (N2O, Lachgas) mit atomarem Sauerstoff (5), die der Stratosphäre Sauerstoff entzieht, der somit nicht mehr für die Ozonproduktion zur Verfügung steht. Ohne diese Reaktion wäre etwa 25 % mehr Ozon in der Stratosphäre vorhanden.

N2O + O à NO + NO (5)

Durch Photolyse von Wasserdampf (H2O) entsteht in der Stratosphäre das OH-Radikal. OH und NO zersetzen ebenfalls auf natürlichem Wege das Ozon.

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und:

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OH und NO wirken dabei als Katalysatoren, da sie jeweils am Ende der Verlustreaktion (6,7) und (8,9) wieder zur Verfügung stehen.

Die Reaktionen (1) und (2) auf der einen Seite und die konkurrierenden Reaktionen (3) bis (9) auf der anderen, halten sich gegenseitig in einem sensiblen Gleichgewicht, so dass unter natürlichen Bedingungen immer eine bestimmte Menge Ozon in der Stratosphäre vorhanden ist. Anthropogene Emissionen verschieben dieses natürliche Gleichgewicht immer stärker, was zu einem übermäßigen Ozonabbau führt.[5]

1.3. Entdeckung des Ozonlochs

Im Mittel kommt Ozon in einer Konzentration von etwa 310 DU in der Atmosphäre vor. Von einem Ozonloch spricht man, wenn der Wert unter 200 DU sinkt (siehe Kasten 1). Bei geringeren Ozonkonzentrationen in der Stratosphäre dringt mehr schädigende UV-Strahlung zur Erde durch.

Kasten 1: Dobson-Einheiten (Dobson Unit, DU)[5]

„Bei der Ableitung der Dobson Units geht man gedanklich von einer Säule aus, die aus der Atmosphäre „herausgeschnitten“ wurde und die vom Erdboden bis zur Obergrenze der Atmosphäre reicht. Das Ozon in dieser Luftsäule wir auf Atmosphärendruck komprimiert. Die Höhe dieser Ozonsäule liefert den Zahlenwert für die Ozonmenge in DU. 1 mm Schichthöhe entspricht einem Wert von 100 DU “ (vgl. Abb. 2).

Nachdem Chapman 1930 die erste photochemische Theorie für die Bildung und den Abbau des Ozons in der Atmosphäre formulierte und somit die Erklärung lieferte, wieso die höchsten Ozongehalte in der Ozonschicht vorkommen, zeigten spätere Messungen deutliche Abweichungen von seiner Theorie. Die von ihm berechneten Ozongehalte waren weitaus höher als die in der Realität vorhandenen. Es musste also andere chemische Reaktionen geben, die den Ozongehalt reduzierten. Der Belgier Marchel Nicolet trug später mit zur Erklärung bei, indem er zeigte, wie der Ozongehalt durch Reaktionen mit den durch chemische Zerlegung von Wasserdampf und Methan entstandenen Wasserstoffradikalen OH und HO2, beeinflusst wird (vgl. Kap. 1.2.). In den späten 1950er Jahren fand Dobson heraus, dass in der Antarktis im Frühling – also in der Jahreszeit, in der dort das Ozonloch entsteht – der natürliche Ozongehalt der Stratosphäre ca. 30 bis 40 % geringer ist, als der in der arktischen Frühjahrs-Stratosphäre. In dem Jahrzehnt war allerdings die Stratosphäre noch nicht durch menschliche Treibgasemissionen beeinflusst. Es handelt sich also um eine natürliche Differenz der arktischen und antarktischen Frühlingswerte der Ozondichten. Die Ursache für diesen natürlichen Unterschied ist auch verantwortlich für die heute beobachtete stark variierende Ausprägung des Ozonloches am Südpol. Darauf wir jedoch in Kapitel 2.4. genauer eingegangen.[7]

Seit einigen Jahrzehnten wird ein zunehmender Verlust des stratosphärischen Ozons beobachtet. Die Ozonschicht wird nachhaltig zerstört. Diese Zerstörung ist nachweislich eine Folge künstlicher Produkte, die der Mensch produziert und in die Atmosphäre eingebracht hat. Bei deren Abbau entstehen Stoffe, die Ozon zerstören. Dieser anthropogenen Ozonzerstörung steht keine ausgleichende, zusätzliche Produktion des Ozons gegenüber. Die Natur ist nicht in der Lage, diesen anthropogenen Ozonverlust durch einen Kompensationsprozess aufzufangen.

1974 wiesen Mario Molina und Sherwood Rowland in einem Artikel in der Zeitschrift Nature erstmals auf die Zerstörung der Ozonmoleküle in der Atmosphäre durch Chlor-Atome (Cl) hin. Das Chlor, das sie als Abbauprodukt aus künstlichen Treibgasen, Kühlmitteln und anderen chemischen Stoffen aus menschlichen Quellen identifizierten, entsteht demnach bei der Zerlegung der FCKWs durch die UV-Strahlung der Sonne direkt in der Ozonschicht und kann dort sofort die Ozonmoleküle angreifen.[8]

In Abb. 4 kann man erkennen, wofür diese anthropogen produzierten FCKW-Gase in Nordamerika benutzt wurden. Der größte Anteil wird demnach aus Isoliermaterialien (30 %) und Kühlanlagen (43 %) freigesetzt.

[...]


[1] Vgl. Häckel (1999)

[2] Vgl. Bayerisches Landesamt für Umwelt: Ozonschicht und Ozonloch; http://www.lfu.bayern.de/umweltwissen/doc/uw_48_ozonschicht_ozonloch.pdf; Häckel (1999)

[3] Vgl. Energie-Wissen: Besorgnis wegen Ausdünnung des Ozons in der Stratosphäre; http://udo-leuschner.de/basiswissen/SB126-07.htm

[4] Gesamter Absatz vgl. Fabian (1995)

[5] Vgl. Röth (1994): S. 39ff.; University of Cambridge, Center for Atmospheric Science: Ozon Hole Tour; http://www.atm.ch.cam.ac.uk

[6] Vgl. Bayerisches Landesamt für Umwelt: Ozonschicht und Ozonloch; http://www.lfu.bayern.de/umweltwissen/doc/uw_48_ozonschicht_ozonloch.pdf

[7] Vgl. University of Cambridge, Center for Atmospheric Science: Ozon Hole Tour; http://www.atm.ch.cam.ac.uk; Ozon: http://region.hagen.de/OZON

[8] Vgl. University of Cambridge, Center for Atmospheric Science: Ozon Hole Tour; http://www.atm.ch.cam.ac.uk; Ozon: http://region.hagen.de/OZON

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Details

Titel
Das Ozonloch über der Antarktis
Untertitel
Raum-zeitliche Variabilität, Ursache und Auswirkungen auf die Biosphäre
Hochschule
Universität Regensburg  (Institut für Geographie)
Veranstaltung
Hauptseminar Umweltforschung
Note
1,0
Autor
Jahr
2007
Seiten
34
Katalognummer
V155881
ISBN (eBook)
9783640688128
Dateigröße
682 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Ozonloch, Antarktis, Ozon, FCKW, Brom, Halone, Biosphäre, Montreal Protokoll, Polar Stratospheric Clouds, Stratosphäre, Vortex
Arbeit zitieren
Magistra Artium Bettina Müller (Autor:in), 2007, Das Ozonloch über der Antarktis, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/155881

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