Abbau von Ozon

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Vor Millionen von Jahren bildete sich die Ozonschicht innerhalb der unteren Stratosphäre – einer Schicht der Atmosphäre in circa 10-15 Kilometern Höhe. Heute schützt sie uns vor gefährlicher Strahlung aus dem All und macht unser Leben auf dem Planeten Erde erst möglich. Umso erschreckender mag es daher klingen, dass die Ozonschicht sich seit Beginn der industriellen Revolution durch äußere Einflüsse verdünnt. Dazu zählt vornehmlich der Mensch mit seiner oftmals rücksichtslosen Lebensweise.

Was ist eigentlich Ozon?

Zunächst ist Ozon ein in geringer Konzentration farbloses und geruchloses Gas, das sich als Spurengas stets in kleinen Mengen in der Luft befindet. In höherer Konzentration kann es jedoch unangenehm stechend riechen oder gar schädliche Auswirkungen auf die Atemwege haben. Da das Gas allerdings binnen weniger Tage zu Sauerstoff zerfällt, werden selten zu hohe Konzentrationen der Ozonschichtrationen erreicht. Grund für den Zerfall des Moleküls ist dessen instabile Struktur. Ozon befindet sich hauptsächlich in der unteren Stratosphäre in zehn bis fünfzehn Kilometern Höhe. Hier bildet es in Form der Ozonschicht einen schützenden Schild, der die Erde vor kurzwelliger und für Lebewesen gefährlicher UV-Strahlung abschirmt. Doch er bildete sich erst allmählich innerhalb der letzten 400 Millionen Jahre. Zuvor war die Erdoberfläche der hochenergetischen und für Lebewesen tödlichen Menge der Sonnen-UV-Strahlung schutzlos ausgesetzt. Besonders die UVC-Strahlung, der kurzwellige und besonders gefährliche Anteil des UV-Lichtes kann schon in geringen Dosen zu irreparablen Zellschäden führen. Weiterentwickelte Lebensformen hätten auf den Landmassen der Erde also ohne die Ozonschicht nicht existieren können.

Folgen zu hoher Konzentrationen

Lediglich im Schutz des Meeres, das die gefährlichen UV-Strahlen aus dem Sonnenlicht herausfiltert, konnte sich Leben ungehindert bilden und weiterentwickeln. Außerhalb des Meeres konnten Lebewesen erst überleben, als sich 400 Millionen Jahre später allmählich eine Ozonschicht in der unteren Stratosphäre ausgebildet hatte. Doch mussten dazu die im Meer lebenden Bakterien zunächst über Millionen von Jahren mittels Photosynthese Sauerstoff freisetzten. Als dieser allmählich in die Atmosphäre entwich, setzten dort auch die ozonbildenden, chemischen Prozesse in der Stratosphäre ein. Heutzutage kann sich Ozon durch den Einfluss des Menschen auch außerhalb der Stratosphäre bilden. Durch chemische Reaktionen zwischen Sauerstoff und Stickoxiden (Verbindungen aus Stickstoff und Sauerstoff) bildet sich unter Einfluss von UV-Strahlung dabei ein Ozonmolekül auch in erdnahen Bereichen. Vor der Einführung von Motor-Katalysatoren stellte dies besonders in größeren Städten ein Problem dar, da so die Ozonkonzentration durch die ausgestoßenen Schadstoffe erheblich ansteigen konnte. Bei Großstadteinwohnern, die den erhöhten Konzentrationen über lange Zeiträume ausgesetzt sind, kann dies zu Reizungen der Atemwege, Husten oder gar Kopfschmerzen und Atembeschwerden führen. In Extremfällen kann es sogar zu Einschränkungen der Lungenfunktion oder Lungenkrankheiten kommen.

Chemische Prozesse beim Abbau von Ozon

Der Auf- und Abbau von Ozon befindet sich normalerweise in einem stabilen Gleichgewicht. Das bedeutet, dass genau so viel Ozon neu gebildet wie gleichzeitig abgebaut wird. Dabei werden zu Beginn zunächst Sauerstoffmoleküle gespalten. Dies geschieht durch den Einfluss des kurzwelligen und besonders energiereichen Anteils des UV-Lichtes (UVC). So gehen aus dem Molekül zwei einzelne Sauerstoffatome hervor und suchen sich als freie Radikale – besonders reaktionsfreudige Teilchen – einen neuen Reaktionspartner. Trifft dieses besonders reaktive Teilchen nun auf ein anderes Sauerstoffmolekül, verbinden sich beide zu einem Ozonmolekül. Anders herum laufen gleichzeitig ebenso chemische Reaktionen zwischen den freien Sauerstoffatomen und Ozonmolekülen ab.

Auf diese Weise entstehen wiederum zwei neue Sauerstoffatome. Diese zeitgleich ablaufenden Prozesse werden auch unter dem Begriff des Ozon-Sauerstoff-Zykluses zusammengefasst. Die Energie, die für die Bildung der Radikale nötig ist, wird in Form von UV-Strahlung von der Sonne bereitgestellt. Dieses kurzwellige UV-Licht (UVB und UVC) wird dazu durch die Ozonschicht weitestgehend absorbiert. Während der Reaktion wird es in thermische Energie umgewandelt. Die durch die Reaktion entstehenden Teilchen bewegen sich schneller als die Ausgangsstoffe. Dies ist auch die Ursache für die in der Stratosphäre nochmals erheblich ansteigende Lufttemperatur.

Beschleunigung des Abbaus durch FCKW

Die Menge des Ozons in der Stratosphäre wird ebenfalls durch andere freie Radikale reduziert. Dazu zählen gewöhnlich vor allem Hydroxyl- (OH) und Nitroxylmoleküle (NO), sowie Chlor- als auch Bromatome. Sie sind von Natur aus in der Ozonschicht vorhanden und in den im Gleichgewicht stehenden Zyklus eingebunden. Die Konzentration der Chlor- und Bromatome wird jedoch durch den Einfluss des Menschen seit der Industrialisierung und vermehrten Freisetzung von Schadstoffen erhöht. Durch FCKW (Flurchlorkohlenwasserstoffe), die vornehmlich als Treibgase, Kältemittel und Lösemittel eingesetzt werden, wird der Abbau des Ozons beschleunigt. Denn ihre Abbauprodukte (Chloratome) wirken wiederum als freie Radikale und vermindern die Ozonkonzentration.

Bildung von Ozonlöchern

Durch den Einfluss der FCKW verdünnt sich die Ozonschicht über einigen Gebieten der Erde zunehmend. Erstmals wurde es vor etwa dreißig Jahren über der Antarktis festgestellt. Die Konzentration des Ozongases in der gesamten den Planeten umgebenden Stratosphäre hatte bereits in den achtziger Jahren um vier Prozent abgenommen. Doch die globale Ozonschichtzerstörung ist sehr unterschiedlich verteilt. Während um den Äquator herum kaum Veränderungen messbar sind, hatte sich über dem Südpol bereits vor dreißig Jahren ein bedenkliches Ozonloch gebildet. Ebenso über der Arktis, am Nordpol unseres Planeten, verringerte sich die Ozonkonzentration seitdem bedenklich.

Die größten Auswirkungen waren jedoch stets beim antarktischen Ozonloch messbar. Dessen Größe entsprach mit rund 25 Millionen Quadratkilometern in den letzten Jahren dem doppelten Ausmaß des antarktischen Kontinents. Besonders ausgeprägt ist es meist im Frühjahr. Verantwortlich dafür sind vor allem die Polar Stratospheric Clouds (PSC, polare Stratosphärewolken). Normalerweise bilden sich zwar in dieser Schicht der Atmosphäre keine Wolken, da Wasserdampf nicht bis in diese Höhen vordringt, doch während der Polarnacht – wenn die Sonne für Tage bis Monate nicht scheint – können die Temperaturen hier auf bis zu minus achtzig Grad Celsius sinken. So können sich Wolken aus Eiskristallen und für die Ozonschicht schädlichen Stoffen bilden. Sobald die Sonne dann wieder aufgeht, werden diese freigesetzt und durch die kurzwellige UV-Strahlung gespalten. Als freie Radikale suchen sie sich dann wiederum einen Reaktionspartner. Der Ozonabbau wird dadurch sogleich um ein Vielfaches beschleunigt und die Ozonschicht dünnt auf ein Minimum aus.

Seit dem Verbot von FCKW, das bis zum Ende des 21. Jahrhunderts allmählich durchgesetzt wurde, zeigen sich bereits minimale Verbesserungen des Zustandes der Ozonschicht. Da FCKW jedoch sehr langlebig sind, wird es vermutlich noch bis zur Hälfte dieses Jahrhunderts dauern, bis sich das Gleichgewicht zwischen Ozonaufbau und -abbau wieder eingepegelt hat.

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