Die Erdatmosphäre setzt sich zu mehr als 99,9% aus den Gasen Stickstoff, Sauerstoff und Argon zusammen. Das Spurengas Ozon tritt nur in sehr kleinen Mengen auf. Während Stickstoff und Sauerstoff in der Atmosphäre vertikal (senkrecht zur Erdoberfläche) gleich verteilt sind, variiert die Ozonverteilung mit der Höhe und erreicht ihre maximale Menge (Konzentration) bei etwa 20 km in der Stratosphäre. Die normale Atmosphäre reicht bis in etwa 120 km Höhe, der Druck nimmt nach oben exponentiell ab. Würde man die gesamte Luftmasse, die sich über einem Ort befindet, so zusammendrücken, dass überall Bodendruck herrscht, hätte die Luftmasse eine Höhe von etwa 8 km. Ozon alleine genommen hätte in dieser 8 km Säule einen Anteil von 3 Millimeter! Aus dieser Höhenangabe wird die Masseinheit DU (Dobson-Einheit) von Ozon abgeleitet: 300 DU entsprechen 3 mm Ozonsäule. Ozon ist ein Verwandter des Sauerstoffs. Es besteht aus drei Sauerstoffatomen (O
3), wohingegen der Sauerstoff, den wir zum Atmen benötigen und der für Verbrennungsprozesse eine wichtige Rolle spielt, aus zwei Sauerstoffatomen besteht. Ozon entsteht beim Aufbrechen von Sauerstoff (O
2) in seine Atome (O) durch sehr energiereiche Sonnenstrahlung von Wellenlängen unter 240 Nanometer (1000000000 Nanometer (nm) entsprechen einem Meter). O
3 hat die Funktion, schädliche Sonnenstrahlen vom Erdboden abzuschirmen. Ozon fängt vor allem die Strahlung der Sonne im UV-B Bereich: (280-315 nm Wellenlänge) auf und wird dadurch wieder in ein Sauerstoffatom und ein Sauerstoffmolekül gespalten.
Abbildung: Die atmosphärische Verteilung von Ozon mit der Höhe
Bildquelle: IUP Bremen
In der Abbildung sind zwei Arten der Darstellung der vertikalen Ozonverteilung gezeigt. Die durchgezogene Linie stellt das Mischungsverhältnis von Ozon bezogen auf ein Probevolumen dar. Man nimmt beispielsweise ein Kubikmeter Luft und vergleicht die Anzahl der gesamten Teilchen in dem Volumen mit der Anzahl der Ozonteilchen oder -moleküle. 1 ppmv (parts per Million Volume : Teilchen pro eine Million in einem Volumen) entspricht also 1 Ozonmolekül auf 1 Million Luftmoleküle. Nun nimmt die Gesamtanzahl der Moleküle mit der Höhe ab, der Luftdruck wird ja immer geringer. Das Volumenmischungsverhältnis (VMR) ist also eine relative Größe, immer bezogen auf die Luft. Will man die Gesamtanzahl der Ozonteilchen in einer Höhe bestimmen, benutzt man die Teilchenzahldichte oder Konzentration. Die bestimmt, wieviel Teilchen einer Sorte wie Ozon in einem Probevolumen z.B. 1 Kubikzentimeter sind. Dies wird durch die gestrichelte Linie dargestellt. Die Einheiten fehlen hier jedoch, weil die Ozonkonzentration hier nur zur Illustration dient: Das meiste Ozon (Konzentration) befindet sich in etwa 20 km Höhe, zwischen etwa 15 und 35 km liegt die sogenannte Ozonschicht mit hohen Konzentrationen von Ozon, darüber und darunter gibt es vergleichsweise wenig Ozon. Das Mischungsverhältnis ist wichtig, um zu beurteilen, wo am meisten Ozon entsteht. Da Ozon im Vergleich zur Luft noch bis etwa 40 km Höhe zunimmt, kann man daraus folgern, das in 40 km Höhe auch am meisten Ozon produziert wird. Ingesamt sind in der Säule 345 DU Ozon, dies ist ein normaler Wert für die Ozonschicht.
Abbildung: Die Entstehung von Ozon aus Sauerstoff in der Stratosphäre.
Bildquelle: IUP Bremen
Sauerstoff-Atome sind in den Abbildungen als blaue Kugeln dargestellt. Kommt es zu einer Verbindung der Atome zu einem Molekül, so werden die Kugeln übereinander gelegt dargestellt. Das Licht der Sonne wird als gelbe Wellen symbolisiert.
Ozon entsteht in ganz kleinen Mengen aus Sauerstoff (O2), wenn die Sonne scheint. Die Abbildung zeigt vereinfacht, was in der Stratosphäre passiert. Wenn sehr kurzwelliges, ultraviolettes Licht (< 240 nm) auf ein Sauerstoff-Molekül O2 fällt, wird es in zwei einzelne Sauerstoff-Atome (O) gespalten (Photolyse). Diese sehr reaktionsfreudigen Sauerstoff-Atome können mit Sauerstoff-Molekülen weiter reagieren und bilden das Ozon (O3). Dabei wird die Luft erwärmt.
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Hier ist die Reaktion in der Luft etwas lebendiger dargestellt. Das UV-Licht ist durch violette Blitze symbolisiert, die das Sauerstoffmolekül O2 zu zwei O Atomen spalten. Die freien O Atome paaren sich mit einem weiteren Sauerstoffmolekül zum dreiatomigen Ozon O3. Umgekehrt können aber auch die Ozonatome wieder durch das ultraviolette Licht gespalten werden. Animation zur Verfügung gestellt von:
Michael Weigend - Uni Hagen
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Abbildung: Die Abbaureaktionen von Ozon in der Stratosphäre
Bildquelle: IUP Bremen
Ozon kann selber wieder photolysiert werden, d.h. mit schwach ultraviolettem Licht und sogar mit Licht aus dem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich kann Ozon aufgespalten werden und es entsteht wieder Sauerstoff (O
2, O). Der atomare Sauerstoff kann mit einem weiteren Ozon-Molekül zusammenstossen und es aufspalten, dabei entstehen dann zwei Sauerstoff-Moleküle.
Die Reaktionen der Synthese von Ozon und der Photolyse von Ozon laufen im Vergleich sehr schnell ab. So wird also Ozon schnell gebildet und wieder zerstört. Dabei wird das Sonnenlicht auch schnell aufgefangen, d.h. es wird sehr effektiv absorbiert. Hierbei entsteht eine Menge Wärme, so dass sich die Stratosphäre erwärmt. Weil in großen Höhen die Luft sehr dünn ist, kann man sie besser erwärmen als die Luft in tieferen Schichten. In großen Höhen steht auch nicht mehr so viel Sauerstoff für diese Reaktionen zur Verfügung. Ausserdem ist die Photolyse von Sauerstoff abhängig von der Menge an sehr kurzwelligem Sonnenlicht. In tieferen Schichten der Stratosphäre steht nicht mehr so viel davon zur Verfügung, da weiter oben schon viel davon absorbiert wurde. Das sind die Gründe für die Bildung einer Ozonschicht und für die stetige Zunahmen der Temperatur mit der Höhe.
Gibt es noch andere Arten, das Ozon abzubauen?
Der eben beschriebene Mechanismus ist der natürliche 'Lebensweg' des Ozons. In der Stratosphäre gibt es aber noch andere Gase wie Wasserdampf, Stickstoffoxide und Chlorverbindungen, die mit Ozon wechselwirken und dabei das Ozon zerstören.
Ein anderer Mechanismus liegt im Fall des bekannten Ozonlochs über der Antarktis vor. Hierbei spielen Reaktionen eine Rolle, die an stratosphärischen Eiskristallen ablaufen.
Abbildung: Das Ozonloch über der Antarktis 1979 und 2000.
Bildquelle: IUP Bremen
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Wir fassen zusammen:
Ozon ist eine dreiatomige Form des normalerweise zweiatomigen Sauerstoffs. Sowohl die Bildung als auch der natürliche Abbau des Ozons erfolgen durch Spaltung (Photolyse) von Sauerstoff oder Ozonmolekülen durch das energiereiche UV-Licht der Sonne. Ozon hat etwa einen Anteil von 3mm (300 Dobson Units DU) an der gesamten Luftsäule. Der Hauptteil befindet sich in der Stratosphäre in Höhen zwischen 20 und 35 km (Ozonschicht).
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Text: Kai Uwe Eichmann - Institut für Umweltphysik / Universität Bremen
