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Atmospheric Science
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Eine Forschungsgruppe des
British Antarctic Survey (BAS) stellte erstmals in den 70er Jahren dramatische Ozonverluste in der unteren Stratosphäre über der Antarktis fest. Die Gruppe beobachtete die Atmosphäre über der Antarktis von einer Forschungsstation, welcher der im rechten Bild abgebildeten sehr ähnlich war.
Die Halley Forschungsstation - Informationen
BAS Forschungsstationen in der Antarktis
Der Legende zufolge waren die Ozonwerte in der Stratosphäre zum Zeitpunkt der ersten Messungen im Jahre 1985 so niedrig, daß die Forscher zunächst glaubten, ihre Instrumente trügten. Man baute Ersatzinstrumente und setzte sie ein, und es dauerte bis diese die früheren Messungen bestätigten, also etliche Monate später, daß man die beobachtete Ozonzerstörung als echt ansah.
Einer anderen Geschichte zufolge zeigten die TOMS-Satellitendaten den dramatischen Ozonverlust nicht an, weil die Software, welche die Rohdaten des Satelliten verarbeitete, sehr niedrige Ozonwerte als fehlerhafte Messung einstufte! Nachträgliche Analysen der Rohdaten, nachdem der Bericht des British Antarctic Survey veröffentlicht war, bestätigten deren Resultate und zeigte, daß der Verlust schnell und großskalig über dem Großteil des antarktischen Kontinents auftrat.
Ozon (O3 : 3 Sauerstoffatome) tritt natürlich in der Atmosphäre auf.
Die Erdatmosphäre besteht aus mehreren Schichten.
Wir leben in der "Troposphäre" wo sich der Großteil des Wetters abspielt, z. B. Regen, Schnee und Wolken.
Über der Troposphäre befindet sich die "Stratosphäre"; eine wichtige Region in welcher solche Effekte wie das Ozonloch und die globale Erwärmung ihren Ursprung haben. Überschallflugzeuge wie die Concorde fliegen in der unteren Stratosphäre, wohingegen normale Unterschall- Verkehrsflugzeuge sich normalerweise in der Troposphäre bewegen. Die dünne Schicht zwischen diesen beiden Teilen der Atmosphäre wird als "Tropopause" bezeichnet.
Ozon bildet eine Schicht in der Stratosphäre, welche in den Tropen (entlang des Äquators) am dünnsten ist und gegen die Pole hin dicker wird. Man gibt die Menge an Ozon über einem Punkt der Erdoberfläche in Dobson-Einheiten (DU) an - typischerweise ~260 DU nahe den Tropen und anderswo mehr, wobei es große jahreszeitliche Fluktuationen gibt. Es bildet sich, wenn ultraviolette Strahlung (Sonnenlicht) auf die Stratosphäre trifft und dort Sauerstoff-Moleküle (O2) in atomaren Sauerstoff (O) dissoziiert (oder "aufspaltet"). Der atomare Sauerstoff verbindet sich schnell mit weiteren Sauerstoff-Molekülen zum Ozon:
(1/v = Wellenlänge < ~ 240 nm)
O2 + hv -> O + O (1) O + O2 -> O3 (2)
Ironischerweise ist Ozon am Boden ein Gesundheitsrisiko - es ist ein Hauptbestandteil des photochemischen Smogs. Jedoch könnten wir nicht überleben, gäbe es kein Ozon in der Stratosphäre. Dort absorbiert es einen Teil der potentiell schädlichen ultravioletten (UV-) Strahlung (bei Wellenlängen zwischen 240 und 320 nm), welche u. a. Hautkrebs auslösen und die Vegetation schädigen kann.
Obwohl die UV-Strahlung das Ozon-Molekül aufspaltet, kann es sich rückbilden mittels der folgenden Reaktionen, welche keinen Nettoverlust an Ozon mit sich bringen:
O3 + hv -> O2 + O (3) O + O2 -> O3 (2) wie oben
Die folgenden Reaktionen zerstören ebenfalls Ozon:
O + O3 -> O2 + O2 (4)
Die obigen Reaktionen (1)-(4) sind bekannt als "Chapman-Reaktionen". Reaktion (2) verlangsamt sich mit zunehmender Höhe, während (3) schneller wird. Die Ozon-Konzentration ergibt sich aus dem Gleichgewicht dieser Reaktionen. In der oberen Atmosphäre dominiert atomarer Sauerstoff, weil dort die UV-Intensität hoch ist. Mit abnehmender Höhe wird die Luft in der Stratosphäre dichter, UV-Absorption nimmt zu, und Ozon erreicht eine maximale Konzentration bei ungefähr 20 km Höhe. Bei weiterer Annäherung an die Erdoberfläche nehmen sowohl die UV-Intensität als auch die Ozon-Konzentration ab. Die Ozonschicht, welche von den obigen Reaktionen in der Stratosphäre gebildet wird, bezeichnet man manchmal auch als 'Chapman-Schicht'.
Es gab jedoch ein Problem mit der Chapman-Theorie. In den 60er Jahren merkte man, daß der Verlust an Ozon durch Reaktion (4) zu langsam war. Sie konnte nicht genug Ozon entfernen, um die Werte, welche man in der wirklichen Atmosphäre beobachtete, zu erklären. Man benötigte weitere, schnellere Reaktionen, welche die Ozonkonzentrationen in der Stratopshäre kontrollieren. Wir werden diese in Teil III dieser Tour kennenlernen.
Die Presse und die Öffentlichkeit verwechseln häufig das Ozonloch mit dem Problem der globalen Klimaerwärmung. Es gibt zwar eine Verbindung, da Ozon zum Treibhaus-Effekt beiträgt, jedoch ist das Ozonloch ein separates Thema. Allerdings stellt es ein weiteres Beispiel dar, wie sich die Aktivitäten des Menschen auf die Umwelt auswirken.
Über der Antarktis (und neuerdings über der Arktis) stellt sich seit 15 Jahren zu bestimmten Zeiten des Jahres ein Verlust an stratosphärischem Ozon ein. Dies ist hauptsächlich eine Folge der Freisetzung menschengemachter Chemikalien, welche Chlor enthalten, z. B. FCKWs (Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe), aber auch Bromverbindungen, weitere verwandte Halogenverbindungen und auch Stickoxide (NOx). FCKWs sind ein verbreitetes industrielles Produkt, welches in Kühlsystemen, Klimaanlagen, als Treibgas, Lösungsmittel und bei der Produktion bestimmter Verpackungsmaterialien Verwendung findet. Stickoxide sind ein Nebenprodukt von Verbrennungsprozessen, z. B. als Flugzeug-Abgase.Eine detailliertere Beschreibung der Chemie folgt in Teil III.
Das gegenwärtige Niveau der Zerstörung zeigt ein überraschendes Ausmaß an Instabilität in der Atmosphäre auf, und Ozonverluste sind immer noch im Zunehmen begriffen. GreenPeace dokumentiert viele der damit verbundenen Befürchtungen.
Die erste globale Verständigung zur Begrenzung der FCKWs bestand in der Unterzeichnung des Protokolls von Montreal im Jahre 1987, welches auf eine Halbierung bis zum Jahre 2000 abzielt. Fortschritte im wissenschaftlichen Verständnis führten zu zwei Überarbeitungen, die jüngste von 1992. Es wurde ein Einverständnis erzielt, die industrielle Produktion vieler Halogen-Kohlenstoffe bis 2030 zu kontrollieren. Nach 1995 werden die Unterzeichnerstaaten die wichtigsten FCKWs nicht mehr produzieren, mit der Ausnahme unersetzlicher Anwendungen, z. B. medizinischer Sprays.
Die Staaten der Europäischen Union haben sich noch stärkere Restriktionen auferlegt, als vom Protokoll von Montreal verlangt würde. Angesichts ihrer Verantwortung für die globale Umwelt haben sie sich darauf verständigt, die wichtigsten FCKWs ab Anfang 1995 nicht mehr zu produzieren. Kürzere Auslaufzeiten sonstiger ozonzerstörender Stoffe wurden ebenfalls beschlossen.
Man rechnete damit, daß diese Beschränkungen zu einer Erholung der Ozonschicht innerhalb von 50 Jahren nach dem Jahr 2000 führen würden. Die World Meteorological Organisation rechnete damit bis zum Jahr 2045 (WMO Berichte #25, #37), jedoch weisen neuere Forschungen darauf hin, daß das Problem möglicherweise wesentlich länger anhält als ursprünglich gedacht.
Teil II. Neuerer Ozonverlust über der Antarktis
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© 1999.
Centre for Atmospheric Science, Universität Cambridge, GB.
Text und Graphiken dürfen nur mit ausdrücklicher schriftlicher Genehmigung benutzt oder vervielfältigt werden.
Entwurf und Unterhalt:
Dr. Glenn Carver.
Ursprüngliches Konzept and Design Owen Garrett.
Deutsche Übersetzung: Dr. Olaf Morgenstern