Kapitel 4
Ozonabbau
Polarwolken |
Wie koche ich ein Ozonloch? |
Entwicklung des Ozonlochs |
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Ozonabbau
Chlorchemie on Ice |
Mit Hilfe eines vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik entwickelten Teilchenanalysators ist es zum ersten Mal gelungen, einen entscheidenden Bestandteil in der Reaktionskette nachzuweisen, die zum Abbau von Ozon in der Atmosphäre führt: Salpetersäure-Trihydrate. Diese Kristalle verlängern die Aktivierung von Chlorverbindungen in polaren Stratosphärenwolken und verursachen dadurch dramatische Ozonverluste.
(Science, 1. Dezember 2000)
Was ist da oben in 15 bis 25 km Höhe über der Antarktis eigentlich los?
Normalerweise gehören Wolken in die Troposphäre. In der Stratosphäre ist gar nicht genug Wasser vorhanden, als dass sich Wolken bilden können. Und auch nur wenige Substanzen sind vorhanden, die für solche Wolken als Kondensationskeime (siehe Kapitel Wolkenbildung) fungieren können. Überhaupt kommen im Vergleich zur Troposphäre nur wenige Substanzen durch die Kältefalle Tropopause in die Stratosphäre. Mitunter ist es jedoch über der Antarktis (Gebiet um den Südpol) und manchmal auch über der Arktis (Gebiet um den Nordpol) so kalt, dass das wenige noch vorhandene Wasser zusammen mit Salpetersäure (Formel: HNO3) an Schwefelsäureteilchen kondensiert und gefriert. Es bilden sich Stratosphärenwolken, die oft farbenprächtig schimmern.
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Polare Stratosphärenwolken über Kiruna (Schweden)
Die chemische Zusammensetzung solcher Wolken wurde z.B. im Januar 1998 in einer Höhe zwischen 21 und 23 km analysiert. Hier herrschte eine Temperatur zwischen 187 und 192 K. Das sind -86 bis -81°C. Nur bei solch eisiger Kälte können die Wolken entstehen.
Manchmal erreichen sie eine Ausdehnung von mehreren 100 km.
Leider bilden die schön anzusehenden Wolken den idealen Boden für die Ozon zerstörende Chlorchemie.
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Während die Wolkenbildung über der Antarktis aufgrund der intensiveren Kälte eher erfolgt, können sich die Wolken über Nordeuropa oft nur dank besonderer Strömungsverhältnisse über dem skandinavischen Gebirge ausbilden.
Quelle: Max-Planck Institut für Kernphysik Heidelberg
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Welche Chemie sich in diesen Wolken tatsächlich abspielt, haben Forscher lange Zeit vorhergesagt und berechnet. Wirkliche Nachweise sind jedoch noch relativ jung. So wurden zum einem ein Massenspektrometer an einem Ballon in die Höhe geschickt, das die Konzentrationen von Wasser und Salpetersäure messen kann.
Mit einem speziellen Meßflugzeug wurden solche Wolken aber auch schon der Länge nach analysiert.
Quelle: Max-Planck Institut für Kernphysik Heidelberg
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| Wie koche ich ein Ozonloch? |
Ein Rezept aus der Stratosphärenküche
| Zutaten:
Schwefelsäure
Salpetersäure
Wasser
Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)
dazu eine Prise Methangas und ein paar Stickoxide
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| Hilfsmittel:
antarktischer Gefrierschrank
Dunkelkammer (Polarnacht)
Sonne
Rührmaschine (polarer Wirbel)
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| Arbeitsbeschreibung:
Schritt 1:
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Man emitttiere eine hinreichende Menge Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) in die Luft. Diese Verbindungen sind vollkommen ungiftig und wurden daher früher z.B. als Treibgase in Spraydosen benutzt. Sehr geeignet sind sie auch als Kühlflüssigkeit in Kühl- und Gefrierschränken.
Danach muß man freilich einige Jahre warten, bis sich die FCKW gleichmäßig in der Atmosphäre verteilt haben und allmählich ihren Weg in Richtung Stratosphäre nehmen. Die FCKW sind deshalb ungiftig, weil sie mit fast nichts reagieren. Daher sind sie auch enorm stabil und haben eine sehr hohe Lebensdauer in der Troposphäre. Nur so können sie ganz allmählich bis in die Stratosphäre eindringen.
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Schritt 2:
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In der Stratosphäre sind die Fluorchlorkohlenwasserstoffe so starker UV-Strahlung ausgesetzt, dass das geschieht, was in der Troposphäre nicht geschah: Sie werden gespalten.
z.B. FCCl3 wird zu FCCl2 + Cl
Das entstehende Chlorradikal Cl ist ein sehr angriffslustiger Kandidat und sucht sich sofort einen neuen Reaktionspartner. Mit Stickstoffdioxid NO2 und Sauerstoff bildet es Chlornitrat ClONO2. Mit Methangas reagiert es zu Salzsäure HCl. Salzsäure sinkt langsam wieder in die Troposphäre ab, wo sie ausgewaschen wird. Dies ist ein Weg, wie wir das Chlor in der Stratosphäre wieder loswerden.
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Schritt 3:
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Man schalte im Herbst über der Antarktis das Licht aus. In denn Polarregionen nördlich des Polarkreises auf der Nordhalbkugel und südlich des Polarkreises auf der Südhalbkugel ist die Sonnenscheindauer im Winter nur sehr kurz. Am Pol selbst ist es ein halbes Jahr lang Tag (Sommer) und ein halbes Jahr lang Nacht (Winter). |
Schritt 3:
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Man nehme nun die wenigen in der Stratosphäre vorhandenen Chemikalien (Wasser, Salpetersäure und Schwefelsäure) und beginne das Gemenge gut zu rühren. Über der Antarktis herrschen durch die Luftströmungen spezielle Bedingungen. In der Polarnacht wird es sehr kalt, die Luftmassen sinken ab und bilden eine zyklonalen Wirbel um den Pol (sich im Kreis drehende Luftmassen). Dieser Wirbel ist in sich geschlossen und läßt kaum Luft von außen herein.
Beispiele, wie sich ein solcher Wirbel ausbildet, finden sich hier (englisch):
http://www.cfm.brown.edu/people/sean/Vortex/
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Schritt 4:
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Das in der Rührmaschine rotierende Gemenge kommt nun in den antarktischen Gefrierschrank. Über der Antarktis können während der Polarnacht durch den stabilen Wirbel enorm tiefe Temperaturen von -80°C und darunter erreicht werden. Dies ist so extrem über der Arktis (d.h. am Nordpol) nicht möglich. Darum bildet sich kein so riesiges Ozonloch sondern nur eine relative schwach Ozonabnahme erfolgt. Europa leidet daher weniger unter den Folgen des Ozonabbaus. |
Schritt 5:
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In der eiskalten antarktischen Dunkelheit bilden sich nun polare Eiswolken (PSC = Polar Stratospheric Clouds). Sie können nur deshalb entstehen, weil bei solcher Kälte auch noch der letzte vorhandene Wasserdampf Kristalle bildet. Die Kondensation erfolgt hier gemeinsam mit Salpetersäure an Aerosolen (kleinen Partikeln - siehe Wolkenbildung). Diese Aerosole bestehen aus Schwefelsäure.
An den Oberflächen dieser Wasser-Salpetersäure Kristalle (man nennt sie NAT = Nitric Acid Trihydrate) laufen nun chemische Reaktionen ab. In ihnen reagieren Salzsäure HCl und Chlornitrat zu Chlor und Salpetersäure:
HCl + ClONO2 => Cl2 (Chlor) + HNO3 (Salpetersäure)
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Schritt 6:
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Nun ist es mittlerweile Frühjahr geworden (auf der Südhalbkugel ist dies im September). Über der Antarktis geht die Sonne auf. Die ersten ultravioletten Strahlen spalten mit Vorliebe das an den Eiskristallen entstande Chlor zu zwei Chlorradikalen.
Cl2 => Cl + Cl
Die aggressiven Radikale finden aber nun nicht so recht viele Reaktionspartner. Die Stickoxide stecken noch als Salpetersäure in der Polarwolke. Also machen sie sich an das Ozon heran.
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Schritt 7:
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Leider begnügt sich ein Chlorradikal nicht damit ein Ozonmolekül zu zerstören. Es kommt zu einer Kettenreaktion. Am Ende ist das Ozon zu Sauerstoff umgewandelt aber das Chlorradikal ist immer noch da.
Cl + O3 (Ozon) => ClO + O2 (Sauerstoff)
Cl + O3 (Ozon) => ClO + O2 (Sauerstoff)
ClO + ClO => Cl2O2
Cl2O2 + Licht => O2 (Sauerstoff) + Cl + Cl
So macht das Chlorradikal, das wir mit unseren FCKW in die Stratosphäre befördert haben aus zwei Ozonmolekülen drei Sauerstoffmoleküle und knabbert ein riesiges Loch in die Ozonschicht.
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Ein Ende hat das Spiel erst dann, wenn es noch wärmer wird. Dann löst die zunehmende Sonnenstrahlung die Eiswolken auf und es finden sich wieder andere Reaktionspartner für das Chlor. Gerade im antarktischen Frühling (September, Oktober) bildet sich aber in der Ozonschicht über dem Pol ein riesiges Loch, das etwa so groß ist, wie ganz Nordamerika (vergleiche: Ozonloch aktuell).
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| Entwicklung des Ozonlochs |
Abbildung: Das Ozonloch über der Antarktis 1979 und 2000.
Bildquelle: IUP Bremen
| Klimaänderung und Ozonloch |
Hat das Ozonloch einen Einfluß auf die Erderwärmung?
Nun, wir haben es hier mit dem Verschwinden eines Gases zu tun, das Sonnenstrahlung (insbesondere im energiereichen Ultraviolettbereich) absorbiert, also quasi ein Filter für Sonnenlicht. Unsere erste Vermutung wäre also: Wenn die Ozonschicht dünner wird, fällt mehr Sonnenlicht auf die Erde. Dies ist ja auch so. Eben hierdurch wird die Hautkrebsgefahr erhöht, weil die Strahlung sehr hart ist. Kommt mehr Sonnenstrahlung zur Erdoberfläche, so sollte es wärmer werden.
Aber: Die fehlende Absorption in der Stratosphäre hat auch noch einen zweiten Effekt. Die Ozonmoleküle haben durch die Aufnahme der Lichtenergie die Stratosphäre erwärmt. Diese Umwandlung von UV-Strahlung in Wärmestrahlung nimmt mit der sinkenden Ozonkonzentration ab. Ein Teil dieser Wärmestrahlung ging auch von der Stratosphäre in die Troposphäre. Dieser Anteil wird nun geringer. Hierdurch kommt es zu einer Abkühlung.
Bedenken wir nun, dass ein erheblicher Anteil der UV-Strahlung und sichtbaren Strahlung gar nicht in Wärmestrahlung umgewandelt wird, sondern reflektiert wird (gerade vom Eis der Antarktis), so stellt sich die Frage, welcher Effekt überwiegt.
Tatsächlich sorgt das Fehlen der Wärmestrahlung für eine Abkühlung, die durch die zusätzliche Sonnenstrahlung nicht ausgeglichen werden kann. Das Ozonloch verursacht also de facto eine Abkühlung der bodennahen Luftschichten.
Freilich, dieser Abkühlungseffekt ist nicht sehr stark. Nach Hochrechnungen von verschiedenen Forschergruppen liegen die Werte zwischen -0,05 und -0,3 W/m2 für die Zeit von 1970 bis 1990. Wir vergleichen hierzu die für eine Verdopplung des Kohlendioxids abgeschätzte Strahlungsdichtezunahme um +3,5 bis +4 W/m2. Natürlich hoffen wir ja auch darauf, dass das Maximum der Ozonabnahme bereits erreicht ist.
Stellen wir aber die Frage auch andersherum ....
Hat die Erderwärmung einen Einfluß auf das Ozonloch?
Diese Frage ist weit kritischer und hier liegt eine große Unsicherheit für die Vorhersage der Ozonabnahme. Die Erderwärmung ist ja durch ein Zurückhalten der Wärmestrahlung in der Troposphäre bedingt. Die Treibhausgase dienen hier als wärmespeichernder Pulli. Wärmestrahlung, die aber bereits unten in der Troposphäre zurückgehalten wird, kommt oben in der Stratosphäre nicht mehr an. Sie kühlt sich ab. Die Abkühlung der Stratosphäre erfolgt also nicht nur durch fehlende Absorption des Ozons selbst, sondern zusätzlich durch den Treibhauseffekt. Nun haben wir aber gesehen: Große Kälte in der Stratosphäre ist eine Ursache für die Bildung stratosphärischer Wolken (PSCs). Diese wiederum begünstigen den Ozonabbau. Es kann daher nicht ausgeschlossen werden, dass der Treibhauseffekt sich nachteilig auf die Erholung des Ozonlochs über der Antarktis auswirkt und die Gefahr eines Ozonlochs über der Arktis (wichtig gerade für Nordeuropa) erhöht.
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Wir fassen zusammen:
Nur bei extrem niedrigen Temperaturen von -80°C und darunter werden Bedingungen erreicht, bei denen sich polare Stratosphärenwolken (PSCs) bilden. Dies ist im antarktischen Winter über dem Südpol der Fall, seltener über dem Nordpol.
An der Oberfläche solcher Eiswolken können Abbauprodukte von FCKW gelagert werden, die im antarktischen Frühling (September) durch UV-Strahlung zu Chlorradikalen gespalten werden. Diese nun wieder sorgen für den Ozonabbau.
Die Erderwärmung kann diesen Prozeß eventuell begünstigen, da die zurückgehaltene Wärme die Stratosphäre abkühlen läßt.
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Text: Elmar Uherek - MPI für Chemie Mainz / GER
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