2.3

Umweltbelastung und Umweltschutz

2.3.3 Störungen 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.

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):

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

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.

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).

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).

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.

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.

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.


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.

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)


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

90% Stratosphäre
10%Troposphäre

 

Abb. 20
Blitze - Koronaentladung

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

 

Abb. 24
G.M.B. Dobson

1936

 

 

Abb. 25

Ozonschicht der Stratosphäre

 

Abb. 26
Natürliche Ozonschichtdicke

 

Abb. 27
Die britische Halley Forschungsstation in der Antarktis
Abb. 28
Veränderung der Ozonkonzentration an den Polen


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

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Abb. 29
Verkündung des Ozonlochs


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

Abb. 30
pulsierende Ozonkonzentration


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

Abb. 31
Abhängigkeit der Ozonkonzentration von der Temperatur


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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


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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

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 Vulkane http://www-volcano.geog.cam.ac.uk/research/fourier.html
http://www.geotimes.org/aug03/geophen.html
Vulkane und FCKW http://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 Ozon http://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/