Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

2.3Umweltbelastung und Umweltschutz
2.3.3Störungen des
Gleichgewichtes in der Atmosphäre
  • Ozon Teil I
    (Geschichte,
    Bedeutung)

Ozon in der Stratosphäre Teil I

a) Entstehung – Bedeutung – Variation

Die fortschreitende Veränderung der Ozonschicht
galt bis vor kurzem als vom Menschen verursacht: Die allgemeine Lehrmeinung
ist: FCKW ausschließlich
aus menschlicher Produktion zerstören durch Chlorabspaltung die Ozonschicht
.
Diese Aussage wurde 1995 mit einem Nobelpreis geehrt und als Konsequenz
die technische Produktion der FCKW verboten. Seit dieser Zeit gilt es
als erwiesen, daß der Mensch seine Lebensgrundlage zerstört,
da Ozon gleichzeitig noch als “Treibhausgas” wirken und an der
Erderwärmung beteiligt sein soll.
Die zu Grunde liegende Annahme FCKW und Halogenalkane
seien rein menschliche Erfindungen hat sich jedoch als falsch erwiesen;

man hat schlicht die natürlichen Quellen ignoriert, die jährlich
hunderte Millionen Tonnen Halogenalkane in die Atmosphäre emittieren.

Neueste Erkenntnisse zeigen weiterhin, daß viele
natürliche Faktoren wie Wetter, Breitengrad und kosmische Strahlung
wesentlich stärkere Einflüsse auf die Ozonschicht haben als
bisher bekannt. Die nachfolgende Abhandlung will einen Beitrag leisten,
die Zusammenhänge aufzuklären.

Ozon
spielte bis in die 70er Jahre keine Rolle in der
öffentlichen und wissenschaft-lichen Diskussion.
Die Chemiker kannten Ozon (O3) als
starkes
Oxidationsmittel
, das schon bei Zimmertemperatur
leicht zerfällt, in geringster Konzentration riechbar ist ( ab 20
µg/m3) und konzentriert intensiv blau gefärbt ist.

In größere Mengen (ab
ca. 200 µg/m3) ist es ein Reizgas und erzeugt Atembeschwerden,
Nasenbluten und Kopfschmerzen, wie man gängigen Chemiebüchern
entnehmen kann. (z. B. Hoffmann/Rüdorf, Anorganische Chemie 19. Auflage
1963) Es kann durch Reaktion von 1 Molekül O2 mit einem
Atom O mit einer Ausbeute von ca. 15% hergestellt werden und dient zur
Desinfektion von z. B. Schlachthäusern,
Trinkwasser
oder
Schwimmbädern
, da es fast alle Bakterien
tötet.

ozonator - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Wie entsteht Ozon?

Ozon ensteht durch ultraviolette Strahlung, an elektrostatischen
Ladungsträgern und Entladungen. Es bildet sich bei Sonnenlicht unter
der Sonnenbank, bei Entladungen durch Blitze
und Lichtbögen, bei Elektromotoren
in Haushaltsgeräten – und bei Kopierern und Laserdruckern, da diese
mit hohen elektrostatischen Ladungen arbeiten. Die Entstehung von bodennahem
Ozon an sonnigen Tagen wird durch Stickoxide aus Auspuffgasen und organischen
Lösungsmitteldämpfen beschleunigt.

Seit 1880 wußte man von der UV-Absorption des
Ozon
und seit 1913 kennt man die Bildung von Ozon in der Atmosphäre.

Ozonzyklus
(Chapman-Zyklus) in der Atmosphäre

O2 + UV-Licht
(< 242 nm)
=> 2O

O + O2 + M => O3
+ M

M ist ein anderes Molekül (O2,
N2);
O• = Radikal (Teilchen mit ungepaartem Elektron in energetisch
angeregtem Zustand)

 

Das gebildete Ozon kann nun wieder UV-Licht absorbieren
(UV-B und UV-C):

O3 + UV-Licht
( 200 – 300 nm = UVB/C)=> O2 + O

So schließt sich der Kreislauf wieder. Der
globale Austausch zwischen O2 und Ozon beträgt ca. 300
Millionen Tonnen/Tag.

Blitze, NOx und Ozon

Seit ein paar Jahren kennt man auch eine andere Art der
Ozonentstehung mit Hilfe von Blitzen und NOx (NO, NO2):

ozonnox - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Dabei entsteht in der oberen Troposphäre
weitaus mehr Ozon als durch z.B. menschliche Aktivitäten.

Lichtabs - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Man sieht, daß die Atmosphäre die UV-C Strahlung
schon in 100 Km Höhe absorbiert und daß Ozon in der Stratosphäre
die UV-B-Strahlung und Teile des UV-A-Lichtes verschluckt (insgesamt bis
zu 98% UVB/C)). Dabei muß man jedoch wissen, daß die Ozonschicht
nicht gleichmäßig dick ist (siehe weiter unten). Daraus resultiert
die Tatsache, daß die UVB-Intensität am Äquator ca. 5000%
höher ist als an den Polen.

Bei der Absorption der UV-Strahlung wird Wärme
frei, die die Stratosphäre aufheizt
(Abb.
21
).

Die Menge des atmosphärischen Ozons wird heute zu
Ehren von G.M.B. Dobson in Dobson-Einheiten
(DU) gemessen. Dieser Forscher trug durch intensive Messungen in den 20er
und 30er Jahren Wesentliches zu unserem heutigen Kenntnisstand bei. Space
Zwischen 1970 und 1980 wurde ein Zusammenhang zwischen FCKW
und der Ozonschicht postuliert und seit 1979 wird die Ozonschicht per
Satellit mit Meßgeräten wie z. B. TOMS
(Total Ozone Mapping Spectrometer) oder GOME ( Global Ozone Monitoring
Experiment, 1995) gemessen.

Ozon ist in der Atmosphäre nicht
gleichmäßig verteilt
sondern findet sich normalerweise
nur in der Stratosphäre (10 – 50km) am
dichtesten in ca. 20-25 km Höhe. In Bodennähe kommt Ozon praktisch
nicht vor. Man kann z. B. es kurz nach einem Blitzeinschlag in dessen
Nähe riechen. Das seit einigen Jahren in Bodennähe besonders
im Sommer auftretende Ozon hat mit dem in der Stratosphäre
nichts zu tun und entsteht durch Verbrennungsprozesse.

atmosp1 - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

In Abb.
23
ist die Ozonverteilung in der Stratosphäre
zu sehen. (in ppm = Parts per Million; 10 ppm = 0,001%) Das Ozon umgibt
die Erde in einer ungleichmäßig dicken Schicht (siehe

Abb. 24).

ozonva - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Die Ozonmenge in DU ist die gesamte Menge Ozon einer
imaginären Säule, die von der Erdoberfläche bis zum Ende
der Atmosphäre reicht ( 100 DU = 1mm bei 1bar, 0°C). Genaueres
siehe : http://www.atm.ch.cam.ac.uk/tour/dobson.html;

1985 veröffentlichten Forscher der britischen Antarktisstation
Halley ihre Entdeckung: das Ozonloch
über der Antarktis.
Es war damals eine wissenschaftliche
Sensation. Eigentlich ist es kein Loch sondern eine Ausdünnung der
Ozonmenge.

In Abb. 26 ist die Veränderung
des Ozonlochs über der Antarktis und der Nordhalbkugel dargestellt
(Messung per Satellit seit ca. 1970).

ozonar - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

_tomsmar - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

In Arosa (Schweiz) wird seit 1926 weltweit die
längste Messung der stratospärischen Ozonschicht vorgenommen.
Frühere Ozondaten sind nicht bekannt. Das offizielle Meßdiagramm
sieht wie in
Abb. 26 dargestellt
aus.
Die daraus abgeleitete allgemeine
Meinung, die Ozonkonzentration sei bis dato linear und seit 1970 fallend
ist jedoch falsch
. Abb.
26
zeigt auch die tatsächliche Variation
in Form einer parabolen Trendlinie, d.h. auch zu Beginn des 20. Jahrhunderts
war die Ozonkonzentration ebenfalls niedriger.

Seit 1988 konnte man auch über der Nordhalbkugel
eine Ozonausdünnung messen. 1995 erhielten die Wissenschaftler Molina,
Rowland
und Crutzen
den Nobelpreis für die “Aufklärung” der chemischen
Vorgänge um die Zerstörung der Ozonschicht durch Chlor aus
FCKW.
Das Auftreten von HF und FCKW in der antarktischen Stratosphäre
wurde als klares Zeichen menschlicher Beeinflussung gesehen. Seit damals
war man überzeugt, der Mensch sei allein an der Zerstörung der
stratosphärischen Ozonschicht schuld.
Diese Untersuchungen bezogen sich jedoch nur auf einen kleinen Meßzeitraum
hauptsächlich seit Beginn der Satellitenmessungen 1970. Inzwischen
hat man neue und viel mehr Daten gewonnen.

Zweifel an diesen Behauptungen kamen auf,
als man eine vom
Wetter,
der Temperatur, der Jahreszeit (siehe unten) bzw. dem
11-jährigen
Sonnenfleckenzyklus
pulsierende und von der
kosmischen Strahlung
abhängende Ozonveränderung nachweisen konnte. Die Wirkung ist
millionenmal stärker
als bisher angenommen. Auch hatte man bis dato
natürliche
Quellen und Abbauwege von FCKW und Halogenalkanen

durch Organismen NICHT untersucht.

ozonw - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Weiterhin hat die Feldstärke des irdischen Magnetfeldes
seit 150 Jahren um 10% abgenommen, wie die NASA aufgrund Messungen seit
1865 mitteilte. Dadurch verstärkt sich die Wechselwirkung
des Sonnenwindes mit der Atmosphäre
was eine Erhöhung
wärmeproduzierender Reaktionen in der Atmosphäre und Zerstörung
der Ozonschicht zur Folge hat. Genau dies konnte man im 20. Jahrhundert
-wie bekannt – messen. Laut NASA zerstören Sonneneruptionen
wie z.B. die 2000 (15) ca. 9% des Ozon in
15-50 Km Höhe und bis zu 70% in 50 -90
km Höhe.

ozona6 - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Eine natürliche Quelle von Halogenalkanen ist bemerkenswerterweise.
der antarktische Vulkan Mt. Erebus, der
50 000 Tonnen heißes HF/Jahr
in die Stratosphäre emittiert, wogegen die
2480 Tonnen F/Jahr
aus der FCKW-Spaltung vernachlässigbar
sind. Auch die HCl-Emission dieses
Vulkans ist mit 100 000 To/Jahr enorm,
wenn auch 90% des HCl wieder auf die Erde zurückkommt, verbleiben
10 000 To/Jahr in der Atmosphäre.

merebus - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Außerdem werden ca. 675 000 Tonnen
heißes CO2/Jahr
in den antarktischen Himmel geblasen.
Eine genaue Erforschung der Zusammenhänge ist derzeit im Gange. Daneben
hat man bei vielen anderen Vulkanen festgestellt, daß sie Halogenalkane
oder HCl und HF produzieren. Die meisten Atmosphärenchemiker dachten
bisher z.B. daß als einzige Quelle für Brom in der Atmosphäre
das als Pestizid ausgebrachte Methylbromid der Landwirtschaft sei. Seit
einem Artikel in NATURE, 5, 2003 weiß man, daß Vulkane viel
größere Mengen in Form von Bromoxid-Radikalen (BrO•) in
die Atmosphäre abgeben, mindestens 140 000 Tonnen /Jahr. Man hat
sogar Vulkane gefunden, die FCKW produzieren.

Allerdings sind erst ca. 5% der ca. 550 aktiven Vulkane
vermessen. Deshalb muß heute festgestellt werden, daß wir
eigentlich wenig über die Vukanausgasungen wissen.

Bemerkenswert ist, daß
FCKW aus technischer Produktion
hauptsächlich auf der Nordhalbkugel
emittiert wurden; dort fand sich jedoch kaum eine Ausdünnung der
Ozonschicht.

Damit läßt sich heute (2004) folgendes feststellen:

  • Es gibt eine mindestens Faktor 100 größere
    natürliche Halogenalkan-konzentration
    in der Atmosphäre als aus technischer Produktion
  • Natürliche Energiequellen wie Sonnenwind
    und kosm. Strahlung
    spielen eine wesentliche Rolle in der Ozonvariation
    besonders an den Polen
  • Die Wetterdynamik
    samt Breitengrad sind zusätzlich sehr effektiv bezüglich der
    Ozon-Variation.

Deshalb bestreiten heute immer mehr Wissenschaftler die
allgemein akzeptierte Meinung einer anthropogenen Ozonzerstörung.
Die Veränderung der Ozonkonzentration der Stratosphäre
ist nach heutigen Erkenntnissen eher ein natürliches, multikausales
Phänomen.

In Abb. 32 unten ist die graphische Darstellung
der von TOMS im Satelliten Earth Probe
1997 gemessenen Ozonwerte über der Nordhalbkugel in DU
zu sehen. Die Ozonveränderung schwankt wetterabhängig. Der schwarze
Kreis wird durch die Polarnacht hervorgerufen, wo Earth Probe kein
Ozon messen kann.

epnorth97 - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Wir wollen uns nun mit den Vorgängen
in der Atmosphäre um Ozon und den biologischen Auswirkungen beschäftigen.

b) Ozon und seine Funktion im globalen Ökosystem

Nach diesen einleitenden Ausführungen könnte
man meinen, Ozon ist einer der häufigsten Bestandteile der Atmosphäre;
dem ist nicht so. Es kommt in der verschwindend kleinen Konzentration
von 0,0005 – 0,001 % (im Mittel 330 DU) je nach Jahreszeit
und geographischer Breite vor.

Warum ist nun Ozon so wichtig für
das Leben auf der Erde?

Weil Ozon den Hauptteil (95-97%) der UV-Strahlung
der Sonne absorbiert
und so verhindert, daß größere
Mengen der gefährliche Strahlung die Oberfläche erreicht. Dazu
mehr auf der nächsten Seite.

Vor 600 Millionen Jahren begann
sich die Ozonschicht zu bilden. Damals gab es nur rund 2% Sauerstoff in
der Atmosphäre, hauptsächlich von den Wasserpflanzen gebildet.
Landtiere und Landpflanzen existierten praktisch keine.
Sie haben
sich unter der ständig variierenden Ozonmenge entwickelt und daran
angepaßt.

 


Abb. 18

Martinus van Marum
(1750 -1837)

marum1 - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Der holländische Chemiker
Martinus van Marum (1750
-1837)
entdeckte Ozon (Trisauerstoff)
bei der elektrischen Funkenentladung durch den Geruch. Der deutsche
Chemiker F. Schönbein gab Ozon seinen Namen.

 

 


Abb. 19

Ozon
ozon8 - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung
90% Stratosphäre
10%Troposphäre

 

 

 


Abb. 20

Blitze – Koronaentladung
blitz2 - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung
In der Erdatmosphäre gibt es 100 Blitze/ Sekunde oder 8
Millionen, 6 hundert und 40 tausend pro Tag.

Blitze liefern die Energie, um aus dem N2 und O2
der Luft NOx ( ca, 90% im Sommer) zu produzieren, das seinerseits
die Ozonproduktion (ca. 30%) anregt. Die Menge NOx und Ozon ist
größer als die durch den Menschen hervorgerufene. (NASA,
2003)

 

 


Abb. 21

Enstehung von Ozon durch NOx

 

 

 

 

 


Abb. 22

Absorption der UV-Strahlung durch Ozon

 


Abb. 23

Temperatur in der Atmosphäre
ozon04 - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

 


Abb. 24

G.M.B. Dobson

dobson - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung
1936

 

 


Abb. 25
Ozonschicht der Stratosphäre
 

 

_stratos - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

 


Abb. 26

Natürliche Ozonschichtdicke

 


Abb. 27

Die britische Halley Forschungsstation in der Antarktis

_halley$ - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Abb. 28

Veränderung der Ozonkonzentration an den Polen
 

(1 Dobson Einheit (DU) entspricht 2.69 x 1016 Ozonmoleküle/cm2)

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ozonark - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

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Abb. 29

Verkündung des Ozonlochs

ozonp2 - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & BedeutungLinks antarktisches Ozonloch 1999/2002 (TOMS)
(Quelle: NASA)

 

 


Abb. 30

pulsierende Ozonkonzentration

ozonp - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & BedeutungBitte klicken zur Vergrößerung

http://www.ccpo.odu.edu/SEES/
ozone/class/Chap_8/index.htm

 

 


Abb. 31

Abhängigkeit der Ozonkonzentration von der Temperatur

ozonjkk - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Bitte Anklicken zur Vergrößerung

http://www.ccpo.odu.edu/SEES/
ozone/class/Chap_8/index.htm

 

 

 


Abb. 32

Veränderung der Ozonlochfläche je nach Jahreszeit und
Jahr

 


Abb. 33

Erdmagnetfeld und Aurora

aurok - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Bitte Anklicken zur Vergrößerung

Das Erdmagnetfeld schützt die Erde u.a.
vor Sonnenwinden und lenkt die Partikelstrahlung aus dem Weltraum
zu den Polen hin ab. Sonneneruptionen emittieren Teilchenstrahlen
zur Erde ( energiereiche Elektronen und Protonen). Diese werden
vom Erdmagnetfeld zu den Polen hin abgelenkt und reagieren dort
mit den Luftmoleküle unter Aussendung von Licht = Polarlichter.
Sauerstoffatome senden grünes und rotes Licht, Stickstoffatome
dagegen violettes Licht aus.
Reaktionshöhe: ca. 65 bis 800 Kilometer.

 

 


Abb. 34

Mount Erebus Antarktis und andere Vulkane
montsek - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung
smark - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

kamt1k - Ozon in der Stratosphäre: Geschichte & Bedeutung

Die Vulkane in Kamschatka, (Sibirien) und Santa Maria, Guatemala
produzieren FCKW (Freon-11 und Freon-12 )
400 x stärker als der natürliche Background

 

 

 


Abb. 35

Animation Ozon (Nordhemisphäre)
 

Ozon 1997 (TOMS)
(Quelle: NASA)

 

 

 

 

 

 

 

 

Weiterführende
Quellen:

Alles
über Ozon
http://region.hagen.de/OZON/ozon_i.htm
Multimedia-Tour
Ozonloch
http://www.atm.ch.cam.ac.uk/tour/
Nobelpreise /Ozonschicht http://www.nobel.se/laureates/chemistry-1995-press.html
Ozon

http://www.sfdrs.ch/sendungen/meteo/lexikon/ozon.html

http://www.theochem.uni-duisburg.de/DC/material/ozon/ozon.html

http://jwocky.gsfc.nasa.gov/multi/epnoranim.html

HF/HCl durch Vulkanehttp://www-volcano.geog.cam.ac.uk/research/fourier.html
http://www.geotimes.org/aug03/geophen.html
Vulkane und FCKWhttp://www.agu.org/meetings/fm96v.html
http://c3.org/chlorine_knowledge_center/bbc7.html
Magnetfeld/Sonneneruption/Ozon:http://www.newsday.com/news/local/wire/ny-bc-ny–poleflip1211dec11,0,2640027.story?coll=ny-ap-regional-wire
http://www.spacedaily.com/news/solarstorm-01a.html
Blitze und Ozonhttp://www.geotimes.org/sept03/geophen.html
http://www.gsfc.nasa.gov/topstory/2003/0312pollution.html

http://www.fz-juelich.de/icg/icg-ii/mozaic/background/
Ozon/ Saurer Regen http://www.epa.gov/oar/oarhome.html
GOME (europäischer Satellit
ERS-2)
http://auc.dfd.dlr.de
Ozonveränderung durch kosm.
Strahlung

http://focus.aps.org/story/v8/st8

TOMS /Total Ozone Mapping Spektrometer
http://jwocky.gsfc.nasa.gov/
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