Ozon in der Stratosphäre: Entstehung & 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”
wirkt 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 80er 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

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
Chapmanzyklus) 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

Dabei entsteht in der oberen Troposphäre
weitaus mehr Ozon als durch z.B. menschliche Aktivitäten (NASA
2003).

Lichtabs

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

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

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

_tomsmar

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. 28 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

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

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

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

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

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
90% Stratosphäre
10%Troposphäre

 

 

 


Abb. 20

Blitze – Koronaentladung
blitz2
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
Mensachen hervorgerufene. (NASA, 2003)

 

 


Abb. 21

Entstehung von Ozon durch NOx

 

 

 

 

 


Abb. 22

Absorption der UV-Strahlung durch Ozon

 


Abb. 23

Temperatur in der Atmosphäre
ozon04

 


Abb. 24

G.M.B. Dobson

dobson1936

 

 


Abb. 25
Ozonschicht der Stratosphäre
 

 

_stratos

 


Abb. 26

Natürliche Ozonschichtdicke

 


Abb. 27

Die britische Halley Forschungsstation in der Antarktis

_halley$

Abb. 28

Veränderung der Ozonkonzentration an den Polen
 

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

ozon3w

 

ozona1

Ozon Arosa (Schweiz),
1926 – 2004 aus Originaldaten

Klicken Sie auf das Bild zum Vergrößern


Abb. 29

Verkündung des Ozonlochs

ozonp2Links antarktisches Ozonloch 1999/2002 (TOMS)
(Quelle: NASA)

 

 


Abb. 30

pulsierende Ozonkonzentration

ozonpBitte klicken zur Vergrößerung

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

 

 


Abb. 31

Abhängigkeit der Ozonkonzentration von der Temperatur

ozonjkk

Bitte Anklicken zur Vergrößerung

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

 

 


Abb. 32

Variation der Ozonlochfläche durch Jahreszeit und Jahr

 


Abb. 33

Erdmagnetfeld und Aurora

aurok

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
smark

kamt1k

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)

 

 

 

 

 

 

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