Stratosphärisches Ozon

Unser Wissen über das stratosphärische Ozon begann erst nach 1980 deutlich zu wachsen. Der Grund hierfür war die Entdeckung des Ozonloches im Jahr 1985. Die folgenden Abschnitte beschäftigen sich mit der Entdeckung des Ozons und der Erforschung seiner Chemie.

Entdeckung des Ozons und erste Messungen

Die Ozonforschung ist im Grunde ein relativ alter Zweig der Atmosphärenwissenschaft. 1840 wurde das Gas durch den Chemiker Christian Friedrich Schönbein entdeckt und auf den Namen Ozon (= das Riechende) getauft. Er stellte fest, dass es durch elektrische Entladungen gebildet wird. Schon bald entdeckte man, dass es auch Bestandteil der natürlichen Luft ist. Die erste Methode zur Messung des Ozons wurde von Schönbein selbst entwickelt, kurz darauf aber am Observatorium Mt.Souris zu Paris verbessert. Von hier stammt auch die erste Serie von Messdaten (1876-1910), die heute als bester Anhaltspunkt für die Ozonkonzentration in den bodennahen Luftschichten zu Beginn der fortschreitenden Industrialisierung gilt.

Christian Friedrich Schönbein

1. Christian Friedrich Schönbein
Quelle: Webpage Swiss Academy of Science techniques

1879 stellte man fest, dass das Lichtspektrum der Sonne im UV-B Bereich (Ultravioletttes Licht) die Erdoberfläche nur stark abgeschwächt erreicht und im Jahr darauf wurde klar, dass hierfür das Ozon verantwortlich ist, als ein starker Absorber (lichtaufnehmendes Molekül) in diesem Bereich. Die Menge an Ozon jedoch, die man in den bodennahen Luftschichten gemessen hatte, konnten alleine die Stärke der Abschwächung nicht erklären. Daher kam man schon bald zu der Vermutung, dass der Hauptteil des Ozons in höheren Luftschichten gebildet werden müsse. Die Schlüsselforschung wurde von Gordon Dobson in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts ausgeführt. Er entwickelte das Dobson-Spektrometer, das seit 1929 zur Messung der gesamten Ozonsäule in der Atmosphäre genutzt wurde. Die Geräte, obgleich nach und nach durch modernere Techniken ersetzt, sind bis heute in Gebrauch.

Dobson Spektrometer

2. Das Dobson Spektrometer
Zur Verfügung gestellt von: Ulf Köhler, DWD Hohenpeissenberg

Eines der ersten sechs entwickelten Dobson Spektrometer wurde von Paul Götz in Arosa in der Schweiz eingesetzt. Von dort stammt die längste durchgehende Ozon-Messreihe der Welt. Die Tendenz zeigt, dass auch über Europa die Ozonschicht dünner geworden ist. Werte unter 300 DU sind in den letzten Jahren am Hohenpeissenberg gemessen worden und können als kritischer Wert angesehen werden, bei dem stärkerer Schutz vor dem Sonnenlicht angeraten ist. Das gleiche gilt natürlich in Fällen, in denen ein leichtes Ozonloch über der nördlichen Hemisphäre die Werte im Frühjahr auf 200 DU sinken lässt.
In den 30er Jahren des vergangenen Jahrhunderts konnte Götz zeigen, dass Ozon wahrscheinlich im Maximum vorwiegend unterhalb von 25 km Höhe gebildet wird. Die Ozonschicht war damit weitestgehend lokalisiert und in ihrer Stärke abgeschätzt.

Ozon-Messreihe von Arosa

3. Die Ozon-Messreihe von Arosa von 1926 bis 2000 (blau). Von etwa 1980 an ist der Vergleich mit Satellitenmessungen möglich. In grün eingezeichnet sind die TOMS Ozondaten der NASA.
Quelle: ETH Zürich, NASA

Chapman Reaktionen

Aber wie entsteht Ozon überhaupt und wie wird es wieder abgebaut? 1929 / 1930 veröffentlichte S. Chapman die Theorie der Bildung von Ozon und seines Abbaus. Die Reaktionen haben bis heute Gültigkeit und werden als ‚Chapman-Zyklus' oder 'Chapman-Reaktionen' bezeichnet. Normaler Sauerstoff und Ozon werden hierbei ineinander umgewandelt. Die Bindungen werden durch sogenannte Photolyse, d.h. Spaltung durch die Energie des Sonnenlichtes, gebrochen. Um die Bindung in einem Sauerstoffmokekül O2 zu brechen, ist eine größere Energie notwendig (Wellenlängen von weniger als 240 nm) als für die Spaltung eines Ozonmoleküls O3 (Wellenlänge kleiner als 900 nm).

Bildung und Abbau stehen im Gleichgewicht. Das Ergebnis ist eine Nullreaktion (= gleichbleibende Konzentration).

3 O2 -> 2 O3 und 2 O3 -> 3 O2

Chapman Reaktionen

4. Die Chapman Reaktionen:
Bildung (= formation) und Abbau (= depletion) von Ozon
Schema: Elmar Uherek

Absorption von UV-Licht

Es hängt von den Absorptionseigenschaften eines Moleküls ab, ob eine Bindung durch reine Lichtenergie gebrochen werden kann. Jedes Molekül absorbiert in einem gewissen Bereich des elektromagnetischen Spektrums (kleinere Wellenlängen = höhere Energie). Sauerstoff absorbiert im hochenergetischen UV-C Bereich, Ozon im geringfügig energieärmeren UV-B Bereich. Längere Wellenlängen passieren teilweise die Atmosphäre und erreichen die Erdoberfläche, so auch das für unsere Augen sichtbare Licht.

Absorption von Sauerstoff und Ozon

5. Asorption von Sauerstoff und Ozon

Die Abbildung versucht die Absorptionsspektra in Kombination mit der Höhe zu verdeutlichen, in der die Absorption erfolgt. Die wichtigsten Absorber in der oberen Atmosphäre sind einbezogen. Licht mit Wellenlängen von weniger als 200 nm wird schon in der Ionosphäre und Mesosphäre durch Stickstoff N2, O-Atome und Sauerstoff O2 geblockt. Licht von 200 bis 320 m geht weiter hinunter in die Stratosphäre (unter 50 km), wo es von Ozon absorbiert wird. Schließlich erreicht Licht von mehr als 320 nm Wellenlänge die Erdoberfläche.

Ein kleiner Anteil des UV-B Lichtes jedoch erreicht noch die Erdoberfläche. Er ermöglicht die Bildung von OH Radikalen, die die Troposphäre reinigen. Dieser kleine Anteil ist kritisch für biologische Schäden z.B. durch Sonnenbrand oder Veränderungen der DNA.

Ozonabbau durch Radikale

Es wurde mehr und mehr klar, dass die gemessenen Ozonkonzentrationen nicht alleine durch den einfachen Chapman-Zyklus erklärt werden können. Etwa von 1970 an entwickelten Crutzen, Molina und Rowland (Nobelpreis 1995) und andere Wissenschaftler eine Theorie, die den Einfluss von Stickoxiden und Halogenradikalen in die Ozonchemie mit einbezieht. Molina und Rowland entdeckten schon 1974, dass FCKW Ozon zerstören.

UV Licht im elektromagnetischen Spektrum

6. UV Licht im elektromagnetischen Spektrum Außer der hier gezeigten gibt es auch noch andere leicht abweichende Definitionen des UV Bereiches (z.B. UV-A von 315-400 nm nach IPCC).

Ozon wird nicht alleine durch Photolyse abgebaut, sondern auch durch die Reaktion mit einer anderen Verbindung X, bei der es sich um ein Stickoxid NO, ein Hydroxyl-Radikal OH oder ein Halogenradikal Cl (Chlor) oder Br (Brom) handeln kann.
Da die Freisetzung von Halogenen aus menschlicher Tätigkeit bekannt war, wurde von Wissenschaftlern bereits eine geringfügige Absenkung der Ozonkonzentration vorhergesagt. Allerdings war das Verständnis der stratosphärischen Prozesse nicht vollständig und so wurde der drastische Einbruch der Ozonkonzentration über der Antarktis, bekannt als Ozonloch, nicht erwartet, bevor er im Jahr 1985 erstmals beobachtet wurde.

chemischer Ozonabbau

7. Grundreaktionen des chemischen Ozonabbaus

About this page:
author: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz
scientific reviewing: Dr. Christoph Brühl - MPI Chemistry, Mainz
educational proofreading: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-08-07
Letzte Überarbeitung: 2007-08-23

Last modified: Saturday, 20 June 2020, 1:28 PM