Zerstörung des stratosphärischen Ozons
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Last up-date:  26.08.99




Eine schnelle Übersicht

Für eilige Leser ist im folgenden eine Übersicht über das Problem der Ozonzerstörung und des Treibhauseffektes wiedergegeben. Es sei aber davor gewarnt, daß dieser Text die Zusammenhänge nur oberflächlich darstellt. Ein genaues Verständnis allein anhand dieses Textes ist nicht möglich.
 
 

Einleitung

Die Themen “Treibhauseffekt" und “Ozonloch” werden gegenwärtig häufig in den Medien behandelt. Teilweise werden diese Begriffe auch miteinander verwechselt oder in einen Zusammenhang gebracht, der nicht korrekt ist. Hier wird kurz erklärt, was genau unter diesen Begriffen zu verstehen ist. Nicht behandelt wird an dieser Stelle das Ozonproblem am Erdboden (Stichwort: Sommersmog), das mit der hier erläuterten Ozonzerstörung in höheren Bereichen der Atmosphäre nichts zu tun hat.
 
 

Treibhauseffekt

Unter “Treibhauseffekt” faßt die Wissenschaft generell alle Effekte zusammen, die zu einer Erwärmung der irdischen Atmosphäre beitragen. Diese Erwärmung erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie dem, das in einem Treibhaus angewandt wird. In ein gläsernes Treibhaus fällt Licht der Sonne hinein. Dieses Licht wird durch den Erdboden aufgefangen (absorbiert), der sich dadurch erwärmt. Die infolgedessen von dem Erdboden abgegebene Wärmestrahlung ist aber nicht in der Lage, durch das Glas nach außen zu gelangen. Sie bleibt im Glashaus gefangen, weil Glas für Wärmestrahlung undurchlässig ist.

Für die Erde wirkt die Atmosphäre wie die Glasscheibe eines Treibhauses. Genau genommen sind es einige spezielle Gase in der Atmosphäre, die die Wärmestrahlung absorbieren und die dadurch verhindern, daß die Wärme wieder in den Weltraum verloren geht. Dadurch erwärmt sich die Atmosphäre. Die dafür verantwortlichen Gase werden daher auch als Treibhausgase bezeichnet.

Die wichtigsten dieser Treibhausgase sind Wasserdampf (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂). Beide kommen in der Atmosphäre natürlich vor und sorgen dafür, daß wir hier auf der Erde eine mittlere Jahrestemperatur von ca. +15°C haben. Gäbe es die natürlichen Treibhausgase in der heutigen Menge nicht, hätte sich auf der Erde kein Leben entwickeln oder zumindest nicht halten können, da in einem solchen Fall Temperaturen von eher um –15°C vorkommen würden. Insoweit ist der Treibhauseffekt also geradezu erwünscht.

Problematisch verändert wird der Treibhauseffekt aber seit rund hundert Jahren durch die industriellen Aktivitäten des Menschen und durch die Steigerung der privaten Lebensqualität. Dies hat zu einem deutlich vermehrten Ausstoß von Kohlendioxid vor allem durch Verbrennung fossiler Brennstoffe geführt.

Neben Kohlendioxid ist vor allem Methan ein durch den Menschen freigesetztes Treibhausgas. Methan wird überwiegend durch im großen Stil durchgeführten Reisanbau und Rinderzucht freigesetzt. Wasserdampf, der durch technische Prozesse zusätzlich zu den großen natürlich vorhandenen Mengen erzeugt wird, regnet im Rahmen des globalen Wasserhaushaltes relativ schnell aus und ist daher langfristig kein bedeutender anthropogener Beitrag zum Treibhauseffekt.

Die Zunahme des CO₂, des Methans und anderer künstlicher Treibhausgase hat mittlerweile zu einem Anstieg der mittleren Temperaturen von einigen zehntel Grad Celsius geführt. Das klingt wenig, ist aber schon nicht mehr wesentlich weniger als die erdgeschichtlichen Extremwerte von wenigen Graden, die zu ausgeprägten Warmzeiten oder im umgekehrten Fall zu Eiszeiten geführt haben. Die Details des Treibhauseffektes und seiner Auswirkungen auf den Menschen sind im Internet unter der sehr empfehlenswerten (aber englischsprachigen) Adresse der Vereinten Nationen http://www.unep.ch/iucc/fs-indxx.html (Climate Change Fact Sheets) beschrieben.

Gelegentlich wird der Treibhauseffekt auch mit dem globalen Abbau der Ozonschicht in Verbindung gebracht. Diese Darstellungen sind meist falsch. Richtig ist aber, daß die gleichen Stoffe, die für die Ozonzerstörung in der Stratosphäre (siehe unten) verantwortlich sind, auch als Treibhausgase wirken und damit zu einer Erwärmung der Erdatmosphäre beitragen¹. Ihr Beitrag ist im Vergleich zu dem des künstlich freigesetzten Kohlendioxids oder Methans jedoch eher gering. Von Bedeutung ist aber, daß eine Reihe von Ersatzstoffen der ozonzerstörenden Substanzen starke Treibhausgase sind. Diese Ersatzstoffe sind daher sehr kritisch zu beurteilen, und Ziel der internationalen Politik sollte es sein, wenigstens die schlimmsten dieser Ersatzstoffe ebenfalls zu verbieten.

Richtig ist ferner, daß höhere Atmosphärentemperaturen am Erdboden infolge des künstlichen Treibhauseffektes zu niedrigeren Temperaturen in dem Atmosphärenbereich führen, in dem die Ozonzerstörung stattfindet. Dadurch kommt es in polaren Gebieten zu Bedingungen, die die Ausweitung des sogenannten Ozonloches weiter verstärken². Dieser Effekt ist jedoch nur zweitrangig. Auf den globalen Abbau der Ozonschicht ist diese Temperaturabnahme von völlig untergeordneter Bedeutung.

Bezüglich weiterer gegenseitiger Einflüsse des Treibhauseffektes und der Ozonzerstörung sei auf die Internet-Adresse http://www.hagen.de/OZON/ozon_i.htm verwiesen.
 
 
 

Ozonzerstörung in der Stratosphäre

Die Ozonschicht in der Atmosphäre

Ozon (O₃) ist eine chemische Verbindung aus drei Atomen Sauerstoff (O). Im Unterschied dazu besteht der Luftsauerstoff, den alle Lebewesen atmen, aus zwei Sauerstoffatomen (O₂).

Ozon bildet sich in der Atmosphäre mit Hilfe ultravioletter Strahlung (UV) der Sonne aus dem O₂. Die UV-Strahlung ist so energiereich, daß sie den Luftsauerstoff in zwei getrennte Atome Sauerstoff zerlegen kann. Der atomare Sauerstoff ist nun aber äußerst aggressiv und verbindet sich sofort wieder mit anderen Substanzen. Dies kann auch mit O₂ selbst geschehen, so daß sich O₃, also Ozon, bildet. Dieser Vorgang ist so massiv, daß sich in einer Höhe von ca. 15 bis 30 km über dem Erdboden eine ausgeprägte Schicht von Ozonmolekülen bildet, die an der Physik und Chemie der Atmosphäre sehr wesentlich beteiligt ist³. Unterhalb von ca. 15 km ist die UV-Strahlung soweit “verbraucht”, daß sich keine nennenswerte Mengen an Ozon mehr bilden können. Der Atmosphärenbereich, in dem die Ozonschicht vorkommt, wird Stratosphäre genannt. Sie liegt in einem Höhenintervall von ca. 12 bis 50 km.

Die für die Bildung der Ozonschicht benötigte UV-Strahlung der Sonne wird völlig absorbiert und nur ein kleinerer Teil von ihr kann noch den Erdboden erreichen. Auf diesen Umstand hat sich das irdische Leben eingerichtet, denn die Ozonschicht hat es seit Anbeginn des Lebens⁴ gegeben. Eine wesentliche Verringerung der Ozonmengen in dieser Schicht ist daher sehr gefährlich. Dadurch würde ja die Belastung durch UV-Strahlung am Erdboden ansteigen. Dies kann wiederum z.B. zu einem Anstieg von Hautkrebsraten und von Augenkrankheiten sowie zu negativen Auswirkungen auf die Pflanzen führen.

Gerade dies ist aber der Fall: durch Freisetzung von Substanzen, die als Treibmittel, Kühlmittel und Mittel zur Schaumstofferzeugung verwendet wurden und in Teilen der Welt noch verwendet werden, wird die Ozonschicht merkbar geschwächt.
 
 

Ozonzerstörung

Ozon wird durch natürliche Prozesse auch wieder zerstört. Diese natürliche Zerstörung steht mit der natürlichen Bildung so im Gleichgewicht, daß im Mittel immer gleich viel Ozon in der Ozonschicht vorhanden ist. Diese natürliche Ozonzerstörung erfolgt durch atomaren Sauerstoff oder durch Moleküle, die ein Sauerstoffatom enthalten, z.B. natürlich vorkommendes NO (Stickstoffoxid).

Im Grunde reagiert NO mit dem Ozon so, daß ein Sauerstoffatom des Ozons mit dem einen Sauerstoffatom des NO zu Luftsauerstoff verbunden wird. Dabei wird aus Ozon (O₃) ebenfalls Luftsauerstoff (O₂). Das allein zurückbleibende Stickstoff (N) reagiert sofort wieder mit einem freien Sauerstoffatom, das wie oben geschrieben durch UV-Strahlung entsteht, zu NO. Damit steht NO für die Umwandlung eines weiteren Ozonmoleküls in Luftsauerstoff zur Verfügung.

Am Ende der Zerstörung eines Ozonmoleküls ist also wieder ein NO-Molekül vorhanden. Stoffe, die am Ende einer Reaktion wieder in unveränderter Menge entstehen, werden Katalysator genannt.

Es gibt eine Reihe solcher Katalysatoren, die auf natürlichem Wege Ozon zerstören. Deren Menge ist aber gerade so, daß die natürliche Ozonbildung ausreicht, immer für eine konstante Ozonschicht zu sorgen. Dieser Prozeß ist jedoch sehr empfindlich und kann kaum mehr Katalysatoren der Ozonzerstörung vertragen als die natürlich vorkommenden.

Wie aber mittlerweile unumstritten bewiesen werden konnte, wurden durch menschliche Produkte eine so große Anzahl künstlicher Katalysatoren in die Stratosphäre gebracht, daß die Ozonschicht weltweit dünner wird. Man weiß, daß über unseren Köpfen bereits ein Verlust von einigen Prozenten an Ozon aufgetreten ist. Die Folge ist bereits ein Anstieg der bodennahen UV-Belastung, der von Ort zu Ort auf der Welt variiert. Als Faustformel gilt: jedes Prozent Ozon weniger läßt ca. 2% mehr UV-Strahlen durch.

Was sind nun diese künstlichen Katalysatoren und wie gelangen sie in die Stratosphäre? Ausgangsprodukte sind die sogenannten Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) und Halone⁵. Sie wurden⁶ und werden weltweit in Spraydosen, Feuerlöschern, Kühlaggregaten und bei der Herstellung von Schaumstoffen eingesetzt. Sie sind wegen ihrer Stabilität und Ungiftigkeit bekannt und wurden daher als ideale Substanzen angesehen. Gerade ihre Stabilität führt aber dazu, daß sie nach ihrer Freisetzung in die Atmosphäre am Erdboden nicht zerstört werden oder zumindest sehr langlebig sind. Dadurch ist es ihnen möglich, im Laufe einiger Jahre bis in die Stratosphäre aufzusteigen und sich dabei weltweit gleichmäßig zu verteilen.

Damit gelangen sie natürlich auch in die Ozonschicht. Die solare UV-Strahlung ist dort aber noch nicht so abgeschwächt, wie am Erdboden. Die Folge ist die Zerstörung der FCKW und Halone durch die massive UV-Strahlung. Dabei werden u.a. die Atome Chlor (Cl) und Brom (Br) freigesetzt, die aber auf Grund ihrer chemischen Natur sofort mit freien Sauerstoffatomen (O) zu ClO- und BrO-Molekülen reagieren⁷. ClO und BrO wirken aber ebenso wie NO (siehe oben) als Katalysatoren und zerstören folglich Ozonmoleküle. Als Katalysatoren stehen sie für immer neue Zerstörungsschritte zur Verfügung. Es dauert im Mittel einige Jahre, bis schließlich ein einmal freigesetztes Chlor- oder Brom-Atom durch natürliche Mittel aus der Stratosphäre entfernt wird. Bis dahin wird durch jedes der Atome ein Ozonmolekül nach dem anderen zerstört.

Die Menge und die Effektivität der aus den FCKWs und Halonen freigesetzten Ozonkiller Chlor und Brom ist so massiv, daß sich bereits eine deutlich meßbare Reduktion der Ozonmengen in der Stratosphäre ergeben hat. Die bis heute in die Atmosphäre gelangten Ozonkiller (FCKW und Halone) werden ihren Zerstörungsprozeß im Mittel noch etwa 30 Jahren fortsetzen. Technische Mittel, dies zu verhindern, gibt es nicht. Nur die natürlichen Reinigungskräfte der Atmosphäre sind in der Lage, das Chlor und das Brom (und Jod) langfristig zu entfernen. Wenn man ab sofort jeden Eintrag von FCKW und Halonen verhindern könnte, würde die vollständige Reinigung aber noch mindestens 50 Jahre dauern, und die Ozonschicht würde dann vielleicht in etwa 100 Jahren wieder die Stärke wie vor 50 Jahren erreichen können.

Leider sind die weltweiten Abkommen zum Schutz der Ozonschicht jedoch immer noch so angelegt, daß den Entwicklungsländern – und dazu gehören auch solche Massenländer wie Indien und China – Produktion und Verwendung von FCKWs und Halonen erlaubt ist. Ein völliger Stop der Freisetzung von FCKW und Halonen und der Ozonzerstörung ist also noch nicht in Sicht.

Neben den FCKWs und Halonen wird in letzter Zeit auch die Bedeutung des künstlichen zusätzlichen Eintrages von Stickoxiden (NO u.a.) für das Ozongleichgewicht diskutiert. Wie oben beschrieben wurde, kann NO Ozon katalytisch zerstören. Insbesondere Überschallflugzeuge wie die Concorde, aber auch andere Flugzeuge, führen zu einer Erhöhung der Konzentrationen des Stickoxids in der Stratosphäre. Die geplante Flotte von hochfliegenden schnellen Stratosphärenflugzeugen ist daher als äußerst kritisch zu beurteilen.

Es wurde auch auf die landwirtschaftliche Düngung als eine weitere bedeutende anthropogene Quelle der Stickoxide hingewiesen. Neben dem Gewässerschutz ist dies also ein weiterer Grund, wenigstens Überdüngung zu vermeiden.

Weitere Details über die Prozesse der Ozonzerstörung und über die Auswirkungen einer dünneren Ozonschicht können im Internet unter http://www.hagen.de/OZON/ozon_i.htm nachgelesen werden.
 
 

Ozonloch

Das Ozonloch entsteht im Frühjahr der Süd-Halbkugel über dem Südpol und ist durch einen auf das Frühjahr beschränkten extremen Ozonverlust in der polaren Stratosphäre gekennzeichnet. In den unteren Höhenbereichen der Ozonschicht wird das Ozon mittlerweile vollständig zerstört. Am Ende jeden Frühlings bricht schließlich ozonreiche Luft aus dem Norden in die Antarktisgebiete ein und füllt das Ozonloch wieder mit Ozon auf. In den letzten Jahren mehren sich Hinweise auf die Entwicklung solcher Ozonlöcher auch über dem Nordpol in den Monaten Februar und März.

Bereits 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, daß sie als Abbauprodukte der künstlichen Treibgase, Kühlmittel und anderer chemischer Stoffe identifizierten, entsteht danach direkt in der Ozonschicht und kann dort sofort die Ozonmoleküle angreifen (siehe oben).

Molinas und Rowlands Arbeit, die 1995 schließlich mit einem Nobelpreis gewürdigt wurde, fand damals noch kein großes Interesse. Zu dieser Zeit war das heute die Medien mobilisierende Ozonloch noch nicht entdeckt und niemand hatte mit solch krassen Effekten gerechnet. Daher war es eine Sensation, als man am Südpol erstmals das Ozonloch entdeckte und damit die Arbeiten von Molina und Rowland über den globalen Ozonabbau bestätigt wurden. Das war aber erst 10 Jahre nach ihrer ersten Veröffentlichung der Fall!

Wie heute bekannt ist, trat das Ozonloch mindestens seit Ende der siebziger Jahre regelmäßig auf. Aber erst im Winter 1981 fiel dem britischen Wissenschaftler Joseph Farman bei seinen Messungen über der britischen Antarktisstation Halley Bay das Ozondefizit dieses Jahres auf. Als er daraufhin nochmals diese Beobachtungen mit seinen Aufzeichnungen der früheren Jahre verglichen hatte, erkannte er, daß sich das antarktische stratosphärische Ozon bereits seit mehreren Jahren ausdünnte, und zwar verstärkt immer in den Frühjahrsmonaten des Südpols. Von Frühjahr zu Frühjahr waren in der Regel zunehmend größere Ozonverluste zu bemerken.

Im Frühjahr 1984 ergaben dann die Messungen von einer zweiten britischen Forschungsstation aus, daß die Ozondichten über der Südspitze von Argentinien ebenfalls ungewöhnlich niedrig waren. Das Ozonloch hatte nun solche geometrischen Ausmaße angenommen, daß es sich erstmals in diesem Frühjahr zeitweise bis hin nach Feuerland erstreckte.

Daraufhin veröffentlichte der Brite Farman 1984 seine Befunde und stieß zunächst auf Zweifel in der Fachwelt. Denn seit Ende der siebziger Jahre war ein Satellit der NASA im Erdorbit, der Ozon vermessen konnte und in dessen Meßdaten sich keine Hinweise auf ein Ozonloch zeigten. Die NASA-Wissenschaftler überprüfte aber wegen der Farman-Veröffentlichung ihre Datensätze per Hand. Normalerweise wurden die Meßdaten automatisch durch einen Computer analysiert. Um dem Computer aber den Unterschied zwischen Fehlmessungen und richtigen Werten beizubringen, hatte man ihn instruiert, alle Werte unterhalb eines Schwellwertes als falsch auszusondern. Das jährlich auftretende Ozonloch war aber bereits so extrem, daß in ihm weniger Ozon als dieser Schwellwert vorhanden war. Der Computer sonderte die Daten über das Ozonloch also als Fehlwerte immer wieder aus. Dies fiel niemandem auf, da keiner an eine so massive Zerstörung der Ozonschicht glaubte; jeder hatte so niedrige Ozonwerte einfach für unmöglich gehalten.

Was sind nun die Besonderheiten, die zur Entstehung eines Ozonloches führen? In der polaren wie in der übrigen Stratosphäre wird die Ozonschicht zunächst nach dem im vorangegangen Abschnitt beschriebenen Muster zerstört. Im Frühjahr der Südhalbkugel, also Ende August bis November, treten wegen der kalten und langdauernden Polarnacht besondere Bedingungen über der Antarktis auf, die den Ozonabbau extrem beschleunigen und dort zu einem Ozonloch führen. In einem Ozonloch ist die Wirkung von Chlor und Brom auf das Ozon extrem verstärkt, und die anthropogene Ozonzerstörung wird dadurch wie mit einer Lupe hervorgehoben. Der wesentliche Grund dieses beschleunigten Ozonverlustes ist die Bildung von Eiswolken in der polaren Stratosphäre, die im Frühjahr nach der langen Polarnacht ausreichend kalt dafür ist. Diese Eiswolken vervielfachen durch ihre pure Anwesenheit die Wirkung des Chlors und des Broms⁸ (Details sind im WWW unter http://www.hagen.de/OZON/ozon_i.htm behandelt).

So schlimm das Ozonloch auch sein mag: es hatte doch etwas Gutes. Durch den öffentlichen Schock, der durch das Ausmaß der Ozonzerstörung im Ozonloch und durch das offensichtliche Übersehen der Ozonzerstörung durch die meisten Forscher und Politiker ausgelöst wurde, wurde eine schnelle Abfolge von Maßnahmen auch zum Schutz der globalen Ozonschicht eingeleitet. Da in der globalen Ozonschicht der Ozonabbau weniger offensichtlich war, stritt man sich lange, ob der beobachtete Verlust nicht einfach eine natürliche Schwankung der Ozonschicht sei. Diese Frage war spätestens nach der Klärung der Ozonlochchemie Makulatur.

Am Ende der Diskussionen stand ein Verbot der FCKW und Halone im Rahmen des Montrealer Protokolls, leider aber mit Ausnahmeregeln für Entwicklungsländer. Begleitet und vorbereitet wurden die politischen Aktivitäten durch intensive internationale wissenschaftliche Forschungen, die zu einem abgerundeten Bild über die Ozonzerstörung in der Stratosphäre geführt haben.

Bereits 1988 initiierte die Bundesrepublik Deutschland ein nationales Ozonforschungsprojekt, das in eine internationale Kooperation eingebunden ist. Ziel ist die Untersuchung des Ozonabbaues über der Nordhalbkugel der Erde, insbesondere auch über den Nordpolargebieten. Diesmal war man rechtzeitig am Ball, anders als beim Ozonloch über dem Südpol: der Weg hin zu einem nördlichen Ozonloch wurde von Anfang an mit verfolgt. 1992 wurden Verluste um 20% in hohen nördlichen Breiten beschrieben, wobei lokal in Rußland maximale Verluste um 40 bis 45% vorgefunden wurden, und im Frühjahr 1997 und 1998 konnten Zustände beobachtet werden, die bereits nahe an ein regelrechtes Ozonloch am Nordpol heranreichten.

Die Zukunft wird zeigen, ob die internationalen Schutzmaßnahmen ausreichen werden, wenigstens ein Ozonloch über den dicht besiedelten Gebieten der Nordhalbkugel oberhalb 50 – 60 °N zu vermeiden. Im Moment entwickelt sich die Lage noch von Jahr zu Jahr immer mehr hin auch zu einem arktischen Ozonloch.
 

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Fußnoten:

** © by Dr. R. Gerndt, 1998.
Der Autor ist nicht verantwortlich für Äußerungen, die an anderer Stelle desjenigen Mediums gemacht werden, in dem dieser Artikel erscheint. Ebenso wird die Verantwortung für unabgestimmte Änderungen an dem Manuskript abgelehnt. Dieser Artikel darf ohne ausdrückliche Zustimmung des Autors nicht reproduziert werden. Eine komplette Darstellung der Ozonzerstörung ist unter ozon_i.htm im Internet zu finden.

¹Diese “Ozon-Zerstörer” werden gelegentlich verwirrenderweise auch Treibgase genannt, weil sie neben anderen bedeutenden Anwendungen früher auch in Spraydosen als Treibgase verwendet wurden. Sie sind also Treibgase und Treibhausgase.

²Niedrigere Temperaturen in der Stratosphäre erlauben vermehrte Eiswolkenbildung. Eiswolken verstärken den Ozonabbau. Die Eiswolken können sich aber nur in Polargebieten in den Polarwintern bilden.

³Zu den Details der Schichtbildung sind Informationen im Internet unter ozon_i.htm vorhanden.

⁴zumindest des Lebens auf dem Festland

⁵Halone enthalten im Gegensatz zu den FCKW zusätzlich zu Chlor oder Fluor Brom und manchmal Jod.

⁶In Industrieländern sind FCKWs und Halone mittlerweile verboten.

⁷Diese Atome, wie auch das Fluor (F), gehören zur chemischen Gruppe der Halogene, also der Salzbildner. Cl ist in seiner Verbindung mit Natrium das einfache Kochsalz. Fluor ist bei der Ozonzerstörung wegen der Eigenschaften des Fluors von keiner Bedeutung.

⁸ Die katalytische Zerstörung des Ozons läuft an der Oberfläche der Eiskristalle schneller ab, als nur im Gasraum der Atmosphäre. Nebenbei: es handelt sich nicht um Wassereis, sondern im wesentlichen um Salpetersäureeis.
 
 

Ozone Depletion Sites (1996-1999)
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