Die Ozonschicht
Ozon ist ein farbloses, äußerst giftiges Gas, dessen Bildung nur unter Energiezufuhr möglich ist:
3 O2 → 2 O3 ½ DH = +568 kJ
Im Gegensatz zum zweiatomigen Sauerstoff-Molekül liegen im Ozon-Molekül also drei Sauerstoffatome vor. Die Bildung von Ozon aus Sauerstoff-Molekülen ist durch energiereiches, unsichtbares UV-Licht (Wellenlängen l£242 nm) möglich.
Als Ozonschicht wird die in der Stratosphäre (in 10 bis 35 km Höhe) vorliegende maximale Ozon-Anreicherung in der Luft bezeichnet. Dieses Konzentrationsmaximum ist an den Polen am boden-nächsten und liegt zum Aquator hin deutlich höher. Während die maximale Konzentration dort (in 30 km Höhe) 10 ppm beträgt, liegt sie am Erdboden bei 0,02 bis 0,05 ppm, bei Smog bis zu 0,5 ppm. (1 ppm = parts per million = Teilchen pro eine Million Teilchen)
Das Ozon-Molekül ist so instabil, dass es schon von deutlich energieärmerem Licht (l£320 nm) wieder gespalten werden kann als für seine Bildung notwendig ist. Genau dies macht aber die für uns lebenswichtige Schutzwirkung des Ozons aus: Die UV-Strahlung, die auf Ozon-Moleküle trifft, wird zu deren Aufspaltung absorbiert, kann also nicht mehr die Erdoberfläche erreichen. Dieser natürliche Ozonabbau stand mit der Neubildung von Ozon (von jahreszeitlichen Schwankungen abgesehen) in einem Gleichgewicht - bis FCKWs in die Stratosphäre gelangten.
Die FCKWs können
nicht durch Luftströme aus der Troposphäre in die Stratosphäre gelangen, da
zwischen ihnen eine Sperrschicht für Spurengase liegt, durch die Diffusion von
Molekülen nur langsam von statten geht. Daher trat das Ozonloch auch erst Jahre
nach dem Beginn der intensiven Nutzung der FCKWs ein.
Das Ozon (O3) der höheren Atmosphäre ist ein lebenswichtiges Gas für Pflanze, Mensch und Tier, weil es die schädlichen Strahlen zurückhält. Es ist in der sogenannten Ozonschicht in etwa 10 bis 35 km Höhe angereichert. Während es bei direkter Einwirkung auf Organismen als Gift wirkt, absorbiert es in großen Höhen den schädlichen Anteil der UV-Sonnenstrahlung, indem sich Ozon zurückbildet:
O3 → O2 + O
O3 + O → 2 O2
Was sind FCKWs ?
FCKWs (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) sind Kohlenwasserstoffe, die industriell mit den Halogenen Chlor und Fluor verbunden wurden. Diese Verbindungen haben hervorragende Eigenschaften: sie sind nicht brennbar, ungiftig und schlechte Wärmeleiter. Das eröffnet ihnen ein breites Verwendungsfeld als Treibmittel in Spraydosen, zum Aufschäumen von Kunststoffen und als Kältemittel, z. B. in Kühlschränken und Klimaanlagen. Zudem sind sie preisgünstig herzustellen.
Maßnahmen zur FCKW-Vermeidung:
Man kann teilhalogenierte (noch Wasserstoff enthaltende) FCKWs nutzen, die ungefährlicher sind, weil sie schon zu 95% vor Erreichen der Ozonschicht abgebaut sind, oder aber kein Chlor enthaltende FKWs, z. B. das jetzt häufig als FCKW-Ersatz verwendete R 134a. Sie haben aber schlechtere Eigenschaften als die vollhalogenierten, also wasserstofffreien FCKWs. Zur Kunststoffaufschäumung und als Treibmittel lassen sich teilweise Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase und gasförmige Alkahne, oder auch Luft verwenden.
Die Industriestaaten sind mittlerweile fast alle aus der FCKW-Produktion ausgestiegen bzw. haben ihren Ausstieg angekündigt. In den Schwellenländern und Dritte-Welt-Staaten werden FCKWs jedoch immer noch produziert, da die Ersatzstoffe zu teuer sind.
Das Ozonloch am Südpol
a)
Es ist zu beobachten, dass gerade im antarktische Frühling (September, Oktober) verstärkt Ozon abgebaut wird. Zu dieser Zeit ist das als Ozonloch bekannte Phänomen zu beobachten. Der Ozongehalt sinkt etwa auf die Hälfte der Vergleichswerte aus den 70er Jahren.
b)
Auch ist die Konzentration an Ozon über den Polen von Natur aus geringer als über anderen Gebieten der Erde. Es gibt also eine Art 'natürliches Ozonloch' über den Polen, das sogenannte dynamische Ozonloch.
Wie lassen sich beide Phänomen erklären?
Zu a) Chlor liegt in nichtreaktiven Formen (sogenannte Senken) vor, wie:
ClONO2 /HOCl
Circuspolare Westwinde (Winde,die um den Pol kreisen) entstehen aufgrund der niedrigen Temperaturen währenddes Südpolwinters und schließen die Luftmassen am Pol ein. Diese kühlen sichdann stark ab, da kein Luftaustausch mehr mit wärmerer Luft von außenstattfindet (März -60°C auf August -90°C). Durch die Kälte bilden sich polarestratosphärische Wolken (Polar Stratospheric Clouds /PSC)
In den Wolken finden folgendeReaktionen statt:
ClONO2+ HCl → HNO3+Cl2
ClONO2+ H2O → HNO3+HOCl
Beginnt nun der antarktischeFrühling (September, Oktober) kann das Sonnenlicht das Chlor spalten, dieseskann dann wiederum Ozon abbauen.
Cl2+ Licht → 2Cl
HOCl + Licht → OH + Cl
Cl × + O3 → ClO
Im Winter wird alsoreaktionsfreudiges Chlor gebildet und gesammelt, das dann im Frühling vollzuschlagen kann.
Am Nordpol ist dies nicht sostark zu beobachten, da die Winter wärmer, die Circuspolarwinde schwächer unddamit die PSC weniger sind, der Ozonabbau damit also auch geringerist.
Zub)
Das dynamische Ozonloch hatseine Ursachen in:
a) der Verteilung derHochdruck- bzw. Tiefdruckgebiete über die Erde und den daraus resultierendenWinden und
b) dem Entstehungsort desOzons, nämlich dem Aquator und
c) der Verteilung derLandmassen jenseits des 60. Breitengrades.
- Das Ozon entsteht am Aquatorund wird zunächst bis ungefähr zum 60. Breitengrad transportiert. Hier sinkt dieLuft ab und kehrt zum Aquator zurück.
- Den weiteren Transport desOzons vom 60. Grad zum Pol übernimmt nun ein 'neuer' Luftkreislauf.
- Die beiden Kreisläufe(Aquator/Pol) müssen sich nun also durchmischen, damit das Ozon vom einen in denanderen Kreislauf gelangt.
- Es entsteht logischerweiseein Stau, da nicht die gesamte Luft auf ein Mal ausgetauscht werden kann. Darausfolgt eine hohe Ozonkonzentration am 60.Breitengrad.
- Der Luftaustausch wird aufder Nordhalbkugel dadurch begünstigt, dass am 60. Grad viele Landmassen sind.Sie besitzen Gebirge, Spalten etc., die Verwirbelungen hervorrufen. Es kann alsorelativ viel Ozon zum Pol transportiert werden.
- Auf der Südhalbkugel fehlendie Landmassen am 60. Grad, es wird also weniger Ozon abtransportiert. Am Südpolist die Ozonkonzentration von Natur aus geringer als in anderenGebieten.
= dynamisches Ozonloch auf derSüdhalbkugel
Durch FCKWs bedingterOzonabbau
Neben der nützlichenOzonrückbildung durch Absorption von UV-Licht
kann der Abbau auch nachfolgendem Reaktionsschema erfolgen :
X + O3 → XO + O2
XO + O → X + O2
Das X ist der Katalysator, derbei den Reaktionen gleichsam wiedergewonnen wird. X kann zum Beispiel sein ChlorCl, Brom Br oder Stickstoffmonoxid NO.
Da sich die Konzentration von Xim Endeffekt nicht ändert, lässt sich eine Nettoreaktion angeben, bei der X alsKatalysator wirkt :
O + O3 → 2 O2
Als Katalysatoren kommenhauptsächlich Hydroxyl (OH)-, Stickstoff- Monooxid
(NO)-, Chlor- und Brom-Radikale in Frage.
Als Beispiel sei ein durchChlor bedingter, katalytischer Abbauzyklus
aufgeführt:
Die Chlorradikale werden durchLichtenergie von den FCKWs abgespalten :
CF2Cl2 / CFCl3 / CCl4 /CH3Cl → Cl + R
Schlusswort
Sicherlich erwartet jeder zudem Thema Ozonloch, dass auch etwas über die tatsächliche Schädigung heutzutagegesagt wird. Der Grund weshalb wir hier nicht etliche Statistiken über denOzonrückgang aufführen ist der, dass es davon einige hundert gibt, denen zwardas gleiche Thema zugrunde liegt, aus denen sich aber immer andere, teilswidersprüchliche, Schlüsse ziehen lassen. Zwar ist Ozon bei weitem das am bestenvermessene und untersuchte Spurengas, doch die Ursachen, die zu einer lokalenSchwankung des Ozongehalts (z.B. in Europa) führen können, sind so vielfältig,dass man nicht auf einzelne Ursachen (wie FCKW) zurückschließen kann. Das Wetterbeispielsweise hat einen sehr großen Einfluss und bekanntermaßen stellt dasWetter eine sehr schwer vorherzusagende Größe dar. So lässt sich schwerentscheiden, ob nun gerade der Ozongehalt durch das Wetter, oder das Wetterdurch den Ozongehalt verändert wird. Durch gegenseitige Wechselwirkung mit demKlima, bestehen also auch enge Zusammenhänge zu anderen Problemen wie z.B. demTreibhauseffekt.
Das einzige, was man definitivsagen kann, ist, dass FCKWs Ozon zerstören und das wir zu einem starkenFCKW-Anstieg in der Troposphäre beigetragen haben. Wie stark die unnatürlicheSchädigung aber wirklich ist, darüber lässt sich nurspekulieren.
