Centre for Atmospheric Science
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Teil III. Die Wissenschaft des Ozonlochs

Einführung

Die Erkenntnis, daß menschliche Aktivitäten die Ozonschicht verändern, ist über die letzten 20 Jahre gewachsen, seit Wissenschaftler erstmals vermuteten, daß das Freisetzen von Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKWs) in die Atmosphäre die Menge an Ozon über unseren Köpfen beeinträchtigen könnte.

Man entdeckte die Zerfallsprodukte (Chlorverbindungen) dieser Gase in der Stratosphäre. Nach der Entdeckung des Ozonlochs schlug man schnell eine Brücke zur Zunahme dieser Chlorverbindungen. Der Ozonverlust beschränkte sich nicht auf die Antarktis - zu etwa derselben Zeit fand man deutliche Indizien für eine Abnahme des Ozons über den dicht bevölkerten, nördlichen mittleren Breiten (30-60N). Im Gegensatz jedoch zum plötzlichen und fast vollständigen Ozonverlust über der Antarktis in bestimmten Höhen ist die Abnahme in mittleren Breiten viel geringer und viel langsamer - nur ein paar Prozent pro Jahrzehnt. Es ist jedoch ein sehr besorgniserregender Trend, welcher derzeit intensiv erforscht wird. Mehr dazu in Teil IV der Tour.

Viele dieser Befunde sind seither von einer Vielzahl internationaler wissenschaftlicher Untersuchungen bestätigt worden, welche auf Satelliten, Flugzeuge, Ballons und Bodenstationen zurückgriffen, und man befaßt sich immer noch mit einer Quantifizierung der Auswirkungen. Mehr zu diesen internationalen Forschungen in Teil IV.

Das Rezept des Ozonverlusts

Es ist hilfreich für das Verständis der Ozonzerstörung und des Zusammenwirkens von Faktoren, die so viel Ozon vernichten, wenn man sich den Prozeß als 'Rezept' verstellt. Wir benötigen mehrere Zutaten, damit Ozonverlust auftreten kann. Wir betrachten nun diese Zutaten eine nach der anderen.

Die speziellen Eigenschaften der polaren Meteorologie

Zunächst betrachten wir, wie sich die Atmosphäre über den Polen verhält - die Besonderheiten der Meteorologie in der Stratosphäre.

Ohne Sonnenlicht kann sich die Luft innerhalb des Polarwirbels stark abkühlen. So sehr, daß sich spezielle Wolken bilden können, sobald die Temperatur unter ca. -80 Grad C sinkt. Diese Wolken bezeichnet man als Polare Stratosphärenwolken (oder englisch kurz PSCs). Sie stellen jedoch nicht Wolken dar, wie man sie am Himmel sieht und welche aus Wassertröpfchen bestehen. PSCs bilden sich zunächst als Salpetersäure-Trihydrat. Bei weiterem Absinken der Temperatur können sich jedoch größere Tröpfchen von Wassereis mit darin gelöster Salpetersäure bilden. Ihre genaue Zusammensetzung ist jedoch immer noch der Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Untersuchungen. PSCs sind wesentlich für das Auftreten von Ozonverlust.

Also haben wir die ersten paar Zutaten unseres 'Rezepts für Ozonvernichtung'. Wir benötigen:

1. den Polarwinter, welcher zur Bildung des Polarwirbels führt und zur Abschirmung der darin enthaltenen Luft.
2. niedrige Temperaturen; tief genug für Polare Stratosphärenwolken. Durch die Abschirmung des Polarwirbels bleiben die tiefen Temperaturen erhalten.

Es wird heute als wahre Tatsache akzeptiert, daß Chlor- und Bromverbindungen in der Atmosphäre die Ozonvernichtung verursachen, welche man im 'Ozonloch' über der Antarktis und über dem Nordpol beobachtet. Unklar ist jedoch die relative Bedeutung von Chlor und Brom für die Ozonzerstörung in verschiedenen Regionen der Atmosphäre. Fast das gesamte Chlor und die Hälfte des Broms der Stratosphäre, wo man den Großteil der Zerstörung beobachtet, sind das Resultat menschlicher Aktivitäten.

Die obige Abbildung verdeutlicht schematisch den Lebenszyklus der FCKWs: wie sie in die obere Stratosphäre und untere Mesosphäre gelangen, wie Sonnenlicht die Verbindungen zerlegt und wie die Zerfallsprodukte in den Polarwirbel absteigen.

Die wichtigsten langlebigen anorganischen Träger ('Reservoirgase') des Chlors sind Salzsäure (HCl) und Chlornitrat (ClONO₂). Diese bilden sich aus den Zerfallsprodukten der FCKWs. Di-Stickstoff-Pentoxid (N₂O₅) ist Reservoir der Stickoxide und spielt ebenfalls eine wichtige Rolle in der Chemie. Salpetersäure (HNO₃) ist bedeutsam, da es hohe Konzentrationen von aktivem Chlor erhält (siehe unten).

Produktion von Chlorradikalen

Als einer der wichtigsten Aspekte der Chemie des Ozonlochs ist die Besonderheit der Hauptreaktionen. Ihr Auftreten in der Atmosphäre ist unmöglich, außer es liegen bestimmte Bedingungen vor: Unsere ersten zwei Zutaten in unserem Rezept des Ozonverlusts.

Die zentrale Eigenschaft dieser ungewöhnlichen Chemie besteht darin, daß die Reservoir-Species des Chlors HCl und ClONO₂ (und ihre Brom-Gegenstücke) auf der Oberfläche der PSCs in aktivere Formen des Chlors überführt werden. Die wichtigsten Reaktionen der Ozonzerstörung sind:

HCl + ClONO2	->	HNO3 + Cl2	(1)
ClONO2 + H2O	->	HNO3 + HOCl	(2)
HCl + HOCl	->	H2O + Cl2	(3)
N2O5 + HCl	->	HNO3 + ClONO	(4)
N2O5 + H2O	->	2 HNO3	(5)

Die Salpetersäure (HNO₃), welche bei diesen Reaktionen gebildet wird, verbleibt in den PSC-Teilchen. Deshalb sind die Gasphasen-Konzentrationen der Stickoxide vermindert. Diese Reduktion 'Denoxifikation' ist sehr bedeutsam, da sie die Rate der Entfernung von ClO verkleinert, welche sonst mit den Reaktionen

ClO + NO2 + M

->

ClONO2 + M

(6)

(wobei M ein beliebiges Luftmolekül darstellt)

verbunden wäre. Sie hilft daher, hohe Konzentrationen von aktivem Chlor zu erhalten. Für weitere Informationen zu Polaren Stratosphärenwolken (PSCs) bitte hier klicken.

Dieser Film zeigt, wie sich Chlornitrat (ClONO2) in einer 3-D Simulation während des nordhemisphärischen Winters in der unteren Stratosphäre verändert. Da ClONO2 bei der Bildung von PSCs zersetzt wird, sehen Sie nichts während eines Großteils des Films. Bei der Rückkehr des Sonnenlichts über der Arktis jedoch sehen wir, wie sich wieder ClONO2 bildet. Zunächst tritt dieses entlang der Grenze des Polarwirbels auf, und wir sehen die mittlerweile klassische Ringstruktur der sog. 'Chlornitrat-Halskrause'.
		Entwicklung des ClONO2 über dem Nordpol während des Winters 1994 (3.4 Mb)
		Entwicklung des ClONO2 über dem Nordpol während des Winters 1994 (klein) (554 Kb)
		Entwicklung des ClONO2 über dem Nordpol während des Winters 1994 (groß) (1.2Mb)

Die Rückkehr des Sonnenlichts

Wir merken an, daß wir bisher nur mittels der Reaktionen (1)-(5) molekulares Chlor (Cl₂) gebildet haben. Ozonzerstörung erfordert jedoch atomares Chlor.

Molekulares Chlor photodissoziiert leicht (d. h. es wird vom Sonnenlicht aufgebrochen):

Cl2 + hv

->

Cl + Cl

Es fehlt immer noch eine weitere Zutat zu unserem Rezept der Ozonzerstörung. Das meiste haben wir behandelt, aber wir haben die chemischen Reaktionen noch nicht erklärt, in welchen unter Mitwirkung von atomarem Chlor Ozon zerstört wird. Wir behandeln dieses als nächstes.

Katalytische Ozonzerstörung

Messungen der chemischen Species über dem Pol bestätigen die hohen Konzentrationen an aktivem Chlor, welche wir oben erklärt haben. Jedoch haben wir immer noch viel mehr Moleküle Ozon als Chloratome. Wie ist es also möglich, fast das komplette Ozon zu vernichten?

Die Antwort auf diese Frage besteht in den sog. 'katalytischen Zyklen'. In einem katalytischen Zyklus verändert ein Molekül wesentlich einen Reaktionszyklus oder initiiert ihn, ohne dabei jedoch selbst verändert zu werden.

Die Produktion von aktivem Chlor erfordert Sonnenlicht, und Sonnenlicht treibt die folgenden katalytischen Zyklen, von denen man annimmt, daß sie die wichtigsten ozonzerstörenden Zyklen des Chlor und Brom sind:

(I)		ClO + ClO + M	->	Cl2O2 + M
		Cl2O2 + hv	->	Cl + ClO2
		ClO2 + M	->	Cl + O2 + M
	dann:	2 x (Cl + O3)	->	2 x (ClO + O2)
	Netto:	2 O3	->	3 O2
und
(II)		ClO + BrO	->	Br + Cl + O2
		Cl + O3	->	ClO + O2
		Br + O3	->	BrO + O2
	Netto:	2 O3	->	3 O2

Das Dimer (Cl₂O₂) des Chlormonoxid-Radikals, welches an Zyklus (I) teilnimmt, ist thermisch instabil; der Zyzklus ist bei tiefen Temperaturen am effektivsten. Wiederum zeigt sich die Wichtigkeit der tiefen Temperaturen im Polarwirbel im Winter. Man macht Zyklus (I) für den Großteil (70%) des Ozonverlustes über der Antarktis verantwortlich. In der wärmeren Arktis ist möglicherweise ein großer Anteil des Verlustes auf Zyklus (II) zurückzuführen.

Das Rezept zum Ozonverlust

Wir fassen zusammen: Wir haben die 'Zutaten' oder Bedingungen studiert, welche für die über der Antarktis beobachtete Zerstörung des Ozons erforderlich sind. Das gleiche gilt mehr oder weniger auch für den Ozonabbau im Winter in der arktischen Stratosphäre, wobei der Verlust in diesem Fall bei weitem geringer ausfällt.

Die Zutaten zum Ozonverlust sind also:

• Der Polarwinter führt zur Bildung des Polarwirbels, welcher die darin enthaltene Luft abschirmt.

• Tiefe Temperaturen treten innerhalb des Wirbels auf; tief genug zur Bildung der Polaren Stratosphärenwolken (PSCs). Infolge der Abschirmung des Wirbels bleiben die tiefen Temperaturen und die PSCs erhalten.

• Sind die PSCs vorhanden, treten heterogene Reaktionen auf, welche inaktive Chlor- und Bromreservoire in aktivere Formen von Chlor und Brom überführen.

• Ozonabbau tritt erst auf, wenn Sonnenlicht wieder die Luft im Polarwirbel erreicht, was zur Produktion von aktivem Chlor führt. Es initiiert die katalytischen Ozonabbau-Zyklen. Die Ozonzerstörung geht schnell vor sich. Das Ozonloch nimmt derzeit eine geographische Region der Größe von etwas mehr als der Antarktis ein und umfaßt fast 10 km Höhe in der unteren Stratosphäre.

Teil IV: Gegenwärtige Forschung in Cambridge

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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