Das OzonlochVon Thomas Pleyer, Marie Sekretaruk, Nicole Hauner und Niklas Fuchs

1. Das Ozon

1.1. Die Ozonverteilung in der Atmosphäre 1.2. Die Funktion des Ozons1.3. Der Einfluss des Ozons auf die vertikale Temperaturverteilung

2. Chemische Vorgänge

2.1. Widmung2.2. Natürliche Entstehung des Ozons2.3. Natürliche Zerstörung des Ozons 2.4. Einflüsse des Menschen2.5. Entstehung des Ozonlochs

3. Aktuelle Situation

3.1. Vergangenheit3.2. Gegenwart 3.3. Vorhersage

4. Gesundheitliche Konsequenzen für den Menschen

Themengliederung

1. Das Ozon 1. Das Ozon Die Ozonverteilung in der Atmosphäre

Die vertikale Ozonverteilung in der Atmosphäre ist sehr ungleich. Nur 10% des Ozons befinden sich in der Troposphäre (der untersten Schicht der Atmosphäre), 90% dagegen in der Stratosphäre (der zweiten Schicht der Erdatmosphäre), das heißt in einer Höhe von 12-50 km. 75% der gesamten Ozonmenge sind allein auf den Höhenbereich von 15-30 km konzentriert und bilden die sogenannte Ozonschicht.

Aber auch horizontal ist die Ozon-Verteilung zwischen dem Äquator und den Polen sehr unterschiedlich. Verantwortlich für diese Unterschiede sind sowohl Strahlungsvorgänge, als auch dynamische Prozesse.

Ein Querschnitt durch unsere Atmosphäre

Das Ozon wird aufgrund der höheren Sonneneinstrahlung in den tropischen Breiten, also vor allem beiderseits des Äquators gebildet.

Es wird jedoch von dort zum größten Teil in Richtung der Pole transportiert.

Man findet die größte Konzentration auf der Nordhalbkugel in höheren Breiten und auf der Südhalbkugel in mittleren.

Es gibt jahreszeitliche Schwankungen der Ozonkonzentration in der Stratosphäre auf Grund der unterschiedlichen Sonneneinstrahlung und des Wetters. So zeigen sich auf der Nordhalbkugel aufgrund der höheren Transportdynamik Höchstwerte von über 400 DU im Nordfrühjahr, während das Ozon im Spätsommer auf 300 DU fällt.

Die Dobsoneinheit DU ist ein Maß für die Konzentration von puren Gasen in der Atmosphäre.

Ihre Dimension ist Höhe × Druck, 1 DU = 10 cm × atm.

Die Gesamtozonmenge kann auch von Jahr zu Jahr deutlich schwanken. Dies ist insbesondere nördlich 50oN in den Wintermonaten der Fall. Dann ist der Ozongehalt in der Stratosphäre weitgehend von der Zufuhr aus niederen Breiten abhängig, da die Ozonbildung wegen abnehmender oder fehlender Sonnen-einstrahlung (fast) ganz zum Erliegen kommt.

-3

Hohe Temperaturunterschiede zwischen Pol und Tropen im Winter verstärken die großräumige Zirkulation in der Atmosphäre.

Als Folge entsteht eine engere Koppelung der Zirkulationen in der Troposphäre und der Stratosphäre als im Sommer. Die winterliche Zirkulation kann stärker zonal oder deutlicher meridional ausgerichtet sein.

Das hängt sehr stark von den so genannten planetaren Wellen ab. Das sind weiträumige Wellenbewegungen der Atmosphäre, die durch Gebirge, Temperaturgegensätze (z.B. zwischen Land und Meer) oder Tiefdruckzellen in der Troposphäre entstehen.

Wie stark sie ausgeprägt sind, hängt u. a. von der Arktischen(AO) bzw. Nordatlantischen Oszillation (NAO) ab. Oszillationen sind in diesem Zusammenhang kleinere und häufig relativ regelmäßige Schwankungen des Klimas.

Die AO ist Ausdruck des Luftdruckgegensatzes zwischen den arktischen und den mittleren Breiten auf der Nordhalbkugel. Sie entsteht durch die großen Temperaturunterschiede zwischen den extrem kalten Polarregionen und den gemäßigten mittleren Breiten. Die sich dadurch entwickelnden Winde werden nach Osten abgelenkt. Unter NAO versteht man die Schwankung des Druckverhältnisses zwischen dem Islandtief im Norden und dem Azorenhoch im Süden des Nordatlantiks.

Es entsteht eine Westwinddrift auf dem Nordatlantik, welche für das Klima in Europa, besonders im Winter, entscheidend ist. Eine starke AO führt zu schwachen planetaren Wellen, da sie die Luftströmungen auf einen zonalen (d.h. in Ost-West-Richtung verlaufenden) Weg zwingt, eine schwache AO entsprechend zu starken planetaren Wellen. Bei starken planetaren Wellen ist die winterliche Zirkulation stärker meridional (d.h. in Nord-Süd Richtung verlaufend), was einen stärkeren Ozontransport in Richtung Pol ermöglicht. Bei einer stark zonalen Ausrichtung wird nur wenig ozonreiche Luft Richtung Winterpol (der Pole der Erde, an dem gerade Winter ist) transportiert.

Funktion des Ozons

Das Ozon in der Stratosphäre für viele Lebensformen auf der Erde von großer Bedeutung. Beispielweise hilft es zu verhindern, dass die harte und sehr energiereiche UV-B-Strahlung der Sonne ungehindert in die Atmosphäre eindringt.

Da sie Biomoleküle wie DNA und Proteinen zerstören kann, wenn man vor ihr nicht geschützt ist, sind besonders Pflanzen und der Mensch gefährdet, während viele Tiere durch Felle und Federn sowie eine nächtliche und verborgene Lebensweise von diesem Problem nicht betroffen sind.

Bei den Lebensformen im Ozean kommt es auf die Tiefe und die Wassertrübung an. In Wasserflächen des offenen Ozeans, der normalerweise allenfalls gering getrübt ist, kann die UV-B-Strahlung bis in eine Tiefe von 20 m eindringen.

In Küstennähe ist diese Eindringtiefe dagegen wegen des stärkeren Stoffeintrags wesentlich geringer. Besonders gefährdet ist im Meer das empfindliche Phytoplankton, das dort die Grundlage der Nahrungskette bildet. Dieses befindet sich in der Nähe der Wasseroberfläche, weil es sichtbaresLicht zur Photosynthese benötigt.

Der Einfluss des Ozons auf die vertikale Temperaturverteilung

Durch die Absorption der solaren UV-Strahlung besitzt das stratosphärische Ozon aber auch eine klimatische Wirkung. Die vom Ozon ausgehende langwellige Strahlung erwärmt nicht nur die untere Stratosphäre, sondern hat auch einen geringen positiven Strahlungseinfluss auf die Troposphäre. Der Ozonverlust in der unteren Stratosphäre durch die Einwirkung von FCKW hat entsprechend in den letzten beiden Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts zu einer negativen Strahlungswirkung von 0,15 W/m2 (die Bestrahlungsstärke wird in Watt pro Quadratmeter gemessen) geführt.

2. Chemische Vorgänge 2. Chemische Vorgänge Widmung

Christian Friedrich Schönbein

(Deutschland/ Schweiz)

Entdeckung und Namensgebung Ozon ( „das Riechende“, wegen seines stechend-scharfen Geruchs ) 1839/ 1840

Mario José Molina & Frank Sherwood Rowland

( Mexico & USA )

Entdeckung der Gefahren durch FCKW ( 1947 )

Nobelpreis der Chemie ( 1995 )

Paul Josef Crutzen

( Niederlande )

Entdeckung der Gefahren durch FCKW

Nobelpreis der Chemie ( 1995 )

Natürliche Entstehung von Ozon

Ultraviolette Strahlung trifft auf ein Sauerstoff-Molekül (O2) und spaltet es in zwei freie Sauerstoff-Atome (2O).

Die Sauerstoff-Atome (O) kollidieren mit Sauerstoff-Molekülen (O2). Daraus bilden sich Ozon-Moleküle (O3).

O + O2 O3

Natürliche Zerstörung von Ozon ( Chapman-Prozess )

Ultraviolette Strahlung trifft auf ein Ozon-Molekül (O3) und spaltet es in ein Sauerstoff-Molekül (O2) und ein freies Sauerstoff-Atom (O; „freies Radikal“).

Das Freie Radikal (O) trifft auf ein Ozon-Molekül (O3). Es bilden sich zwei Sauerstoff-Moleküle.

O3 O + O2

O + O3 2 O2

Ultraviolette Strahlung trifft auf ein FCKW-Molekül und spaltet ein Chlor-Atom (Cl;Radikal) ab.

Das freie Chlor-Atom (Cl) trifft auf ein Ozon-Molekül (O3). Es verbindet sich miteinem Sauerstoff-Atom zu Chlormonoxid (ClO; Radikal).

Cl + O3 ClO + O2

Einflüsse des Menschen

Ein freies Sauerstoff-Atom (O) trifft auf das Chlormonoxid und verbindet sich mitmit dem Sauerstoff-Atom (O) des Chlormonoxids (ClO) zu einem Sauerstoff-Molekül (O2).

Dabei wird das Chlor-Atom (Cl) frei und kann weitere Ozon-Moleküle zerstören.

O + ClO O2 + Cl

(Wiederholung des Vorgangs)

Das Chlor-Atom wird dabei nicht zerstört und kann auf diese Weise bis zu 100 000 Ozon-Moleküle zerstören. ( Katalysator! )

Bestimmte chem. Prozesse stören die Ozon-Zerstörung durch Chlor.

Über den Polargebieten werden diese hemmenden Prozesse durch bestimmte meteorologische Bedingungen weitgehend außer Kraft gesetzt:

Beispiel: Stickstoffbremse

Stickstoffdioxid (NO2) reagiert mit Chlormonoxid (ClO), zu Chlornitrat (ClONO2):

ClO + NO2 ClONO2

Entstehung des Ozonlochs

Voraussetzungen für Entstehung des Ozonlochs

Polarwinter / Polarnacht:

Aus der mangelnden Sonneneinstrahlung resultiert eine starkeTemperaturabnahme.

„Durch das Absinken der sich abkühlenden Luftmassen bildet sich ein Luftmassen-Wirbel mit zyklonaler

zirkumpolarer Umströmung aus (…)“

(Polarwirbel)

Die Folge ist, dass Luftaustausch verhindert wird, ozonreichere Luft kann alsonicht in das Gebiet eindringen.

Besonders stark ist dieser Effekt über der Antarktis (Südpol).

Grund: Die geschlossene, relativ runde Landmasse und der Mangel an höherenGebirgen.

kaum Luftverwirbelungen, die frische, ozonreiche Luft dazumischen könnten

Luftbild der Antarktis

Bei Temperaturen von < -85 °C bilden sich aus Wasserdampf polare Eiswolken.

Mit den Eiskristallen reagieren Chlornitrat (ClONO2) und Salzsäure (HCl). Dabeiwird Chlor (Cl2) freigesetzt.

ClONO2 + HCl (Eis) Cl2 + HNO3 (Eis)

Polare Eiswolke

Nach dem Ende der Polarnacht wird das Cl2 durch UV-Strahlung in 2Claufgespaltet.

Ozon wird durch Chlor abgebaut. Dabei entsteht Chlormonoxid (ClO), das durchUmwandlung in Chlor weitere Ozon- Moleküle zerstören kann. Weil ein großerTeil der Stickoxide (HNO3) noch im Eis gebunden ist, wird das Chlormonoxidnicht in Chlornitrat umgewandelt:

Die Stickstoffbremse fehlt. Der Ozon-Abbau wird durch das Chlormonoxid beschleunigt

3. Die Aktuelle Situation3. Die Aktuelle SituationEntwicklung in der Vergangenheit

Eine Abnahme des Ozons in der Atmosphäre kann seit Mitte der 70 er Jahre beobachtet werden. Von einem „Ozonloch“ spricht man allerdings erst seit 1985 , da die Wissenschatftler zu Beginn die Bedeutung der Messungen unterschätzten und sogar von Messfehlern ausgingen. Während das Ozon in der Antarktis 1960 noch einen Wert von 320 DU hatte, spricht man nun von einem Ozonloch ab unter 220 DU. Dieser Wert wurde zum ersten Mal 1985 gemessen. Seit dieser Zeit hat das Ozon bis heute in der Atmosphäre über der Antarktis um 50- 70 % abgenommen. Im Jahr 1989 hatte es eine Größe über der Antarktis von 19, 5 Mio km2, 1993 22,5 Mio km2 und 1998 25 Mio km2.

Gegenwart

Zwischen 1998 und 2002 gab es keine Vergrößerung des Ozonloches, aufgrund der Auswirkungen des Montrealer Abkommens. 2005 wurde dann allerdings das drittgrößte Ozonloch nach 2000 und 2003 gemessen und im Sommer 2006 erreichte das Ozonloch mit einer Größe von 27,5 Mio km2 einen neuen Rekordwert.

Die größte Ausdehung am 24.9.06Die zweitgrößte Ausdehnung

am 6.9.2000

Entwicklung in der Zukunft

Die Zukunft kann im Moment nur schwer vorausgesagt werden und die weitere Entwicklung wird größtenteils vom Verhalten des Menschen abhängen. Nach einer Schätzung der Nasa wird sich das Ozonloch

wohl erst im Jahr 2068 komplett über der Antarktis schließen.Die Weltwetterorganisation geht in den kommenden 20 Jahren von

keinen Veränderungen aus und erwartet zwischen 2060 und 2075 das Erreichen des Zustandes von vor 1985.

4. Gesundheitliche 4. Gesundheitliche Konsequenzen für den Konsequenzen für den Menschen Menschen Doch das immer größer werdende Ozonloch und die dadurch eindringende UV-Strahlung haben auch auf den Menschen erhebliche gesundheitliche Auswirkungen. Solche sind zum Beispiel Reizungen an den Augen und im Nasen-Rachen-Raum, Heiserkeit, Husten, Beklemmungsgefühl hinter dem Brustbein und eine Minderung der allgemeinen körperlichen Leistungsfähigkeit verursachen. Durch medizinische Untersuchungen können

- Entzündungen im Bereich der Augenbindehäute sowie der Nasen- und Bronchialschleimhäute

- eine Veränderungen bestimmter Lungenfunktionsmesswerte.

- eine Steigerung der bronchialen Empfindlichkeit und

- eine verminderte körperliche Leistungsfähigkeit

festgestellt werden.

Die Arbeit an dieser Studie hat uns zwei volle Monate unseres jungen Lebens gekostet. Die Folgen sind noch nicht voll und ganz absehbar. Sicher ist nur:

Zum Einen hat sich unser Wissen über den kommenden Welt-untergang vervielfältigt.

Landshut, 20.12.2006

Zum Anderen sind nun für junge Menschen, die in den Genuss kamen und kommen werden, unsere vollendete Arbeit zu betrachten, alle Klarheiten beseitigt und Depressionen vorprogrammiert.

Während wir diese Zeilen niederschreiben, verspüren wir ein beglückendes Triumphgefühl in der Zuversicht und Gewissheit, dass in wenig mehr als fünf Jahrzehnten auch wir in der Galerie der großen Chemiker verewigt sein werden.

Wenn sich der Zustand des Blauen Planeten weiterhin so drastisch verschlechtert, wird die Galerie der Besten nicht mehr allzu viele Besucher empfangen können.

Die Sache hat nur einen kleinen Haken:

THE END