zurück 
30.3.2009

Schutz vor schädlicher UV-Strahlung: Die Ozonschicht

Das Ozon in der Atmosphäre unseres Planeten schützt die Erdoberfläche vor gefährlicher Strahlung. Dieser Schutzschild ist jedoch durch chemische Verbindungen gefährdet, allen voran das FCKW aus Kühlschränken und Spraydosen.

Eine Abnahme des Ozons führt dazu, dass die UV-Strahlungsbelastung durch die Sonne zunimmt. (© AP)


Ozon ist ein natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre, kommt jedoch nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Als so genanntes "Spurengas" erreicht es in Erdbodennähe einen Anteil von etwa 30 Molekülen in einer Milliarde Luftmolekülen (30 ppbv/parts per billion volume). Die Ozonkonzentration nimmt jedoch in der Stratosphäre mit der Höhe deutlich zu. Das Maximum der Ozonschicht wird in der mittleren Stratosphäre in einem Höhenbereich zwischen 20 und 30 Kilometer gemessen, wo das Mischungsverhältnis Ozon zu Luft das 300-Fache des bodennahen Wertes annehmen kann (ca. 10 ppmv/parts per million volume).

Stratosphärisches Ozon bildet sich auf natürliche Art in photochemischen Reaktionen unter Beteiligung von molekularem Sauerstoff (chemische Formel: O2) und ultravioletter Sonnenstrahlung.

Die photochemische Ozonproduktion ist dort am effektivsten, wo die Sonne am längsten und intensivsten scheint, in den Tropen und Subtropen. Von dort wird das Ozon mit der großräumigen Zirkulation auch in höhere geografische Breiten transportiert.


Ein seltenes Gas mit großer Wirkung

Trotz seiner geringen Konzentration hat Ozon eine besondere Relevanz für das Leben auf der Erde. Zum einen ist Ozon unter atmosphärischen Standardbedingungen ein stechend riechendes, auch bei geringen Konzentrationen hochgiftiges Gas, das bei hohen Werten in Bodennähe gesundheitliche Beschwerden, wie zum Beispiel Hustenreiz, hervorrufen kann. Zum anderen hat Ozon die physikalische Eigenschaft, elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Spektralbereich zu absorbieren. Insbesondere die von der Sonne kommende, für Lebewesen schädliche UV-B Strahlung, die zum Beispiel Hautkrebs verursacht, wird in der stratosphärischen Ozonschicht nahezu vollständig absorbiert. Eine Abnahme des stratosphärischen Ozons führt demnach dazu, dass die UV-Strahlungsbelastung am Erdboden und die negativen Auswirkungen auf die Gesundheit zunehmen.

Stratosphärische Ozonabnahme

Die in der Atmosphäre gemessene Ozonverteilung ist das Ergebnis eines Gleichgewichtes aus kontinuierlicher photochemischer Ozonproduktion und chemischen Abbauprozessen, bei denen unter Einwirkung natürlicher oder anthropogener chemischer Substanzen Ozonmoleküle zerstört werden. Welches Gleichgewicht sich einstellt, hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab, wie Sonnenscheindauer, Temperatur und Konzentration der Ozon zerstörenden Substanzen. In einer reinen Atmosphäre stellt sich ein natürliches Gleichgewicht ein, der so genannte Chapman-Zyklus.

Satellitenmessungen belegen jedoch, dass der stratosphärische Ozongehalt geringer ist, als nach dem Chapman-Zyklus erwartet. Über die Erdoberfläche gemittelt, hat sich der gesamte Ozongehalt zwischen 1980 und den frühen 1990er Jahren kontinuierlich verringert. Verglichen mit der Periode von 1964 bis1980, befinden sich derzeit ca. vier Prozent weniger Ozon in der Atmosphäre. Diese Abnahme übersteigt natürliche Variationen des Ozongehaltes, wie sie beispielsweise durch den 11-jährigen Aktivitätszyklus der Sonne verursacht werden. Während die Tropen keine signifikanten Änderungen aufweisen, ist die Ozonabnahme in den polaren Breiten beider Hemisphären besonders ausgeprägt. Seit Mitte der 1980er Jahre bildet sich regelmäßig im Frühjahr über der Antarktis ein Gebiet mit hohen Ozonverlusten aus, das wegen seiner nahezu kreisförmigen Gestalt auch "Antarktisches Ozonloch" genannt wird.

Chlor- und Bromverbindungen aus Kühlschränken und Feuerlöschern

Die beobachtete Ozonabnahme in der Stratosphäre ist eine Folge der Emissionen von chlor- und bromhaltigen Chemikalien an der Erdoberfläche, so genannter halogener Quellgase, die überwiegend aus industrieller Produktion stammen. Den größten Beitrag liefern die chlorhaltigen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs). Sie wurden als Kühlmittel in Kühlschränken, als Treibgase für Sprühdosen, bei der Produktion von Schaumstoffen oder als Reinigungs- und Lösungsmittel verwendet. Wichtige bromhaltige halogene Quellgase aus industrieller Produktion sind das in der Landwirtschaft eingesetzte Methylbromid sowie die in Feuerlöschern verwendeten Halone. Darüber hinaus existieren in der Atmosphäre auch Halogene aus natürlichen ozeanischen und terrestrischen Quellen, die rund 17 Prozent am gesamten Chlorgehalt beziehungsweise 30 Prozent am gesamten Bromgehalt in der Stratosphäre ausmachen. Die meisten halogenen Quellgase werden in der Troposphäre durch die Zirkulation global verteilt, bevor sie in die Stratosphäre transportiert und von der in diesen Höhen intensiveren ultravioletten Sonnenstrahlung in reaktive Halogene umgewandelt werden, die das Ozon global abbauen.

Maßnahmen gegen die Ozonzerstörung

Seit 1987 sind die Produktion und der Verbrauch Ozon zerstörender, halogenierter Substanzen in Form von internationalen Vereinbarungen reguliert. Das Montrealer Protokoll, das 1989 in Kraft trat, sah zunächst eine Verlangsamung der Produktion von FCKWs und Halonen in Industrienationen und Entwicklungsländern vor. Dies wäre mit einer weiteren Zunahme des Gehaltes an Ozon zerstörenden Chlor- und Bromsubstanzen in der Stratosphäre (auch als "effektiver stratosphärischer Chlorgehalt" bezeichnet) gleichbedeutend gewesen. Erst weitere Folgeabkommen, in denen der Ausstieg aus der Produktion der schädlichsten Halogene festgelegt wurde, führten zu Hochrechnungen, in denen der effektive stratosphärische Chlorgehalt um das Jahr 2000 wieder rückläufig werden sollte.

Das Montrealer Protokoll ließ die vorübergehende Verwendung von chlorhaltigen Ersatzstoffen, den teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HCFCs) zu, die anstatt der FCKWs als Kühlmittel oder in der Schaumstoffproduktion eingesetzt werden können. Sie besitzen zwar ein wesentlich geringeres Ozonzerstörungspotenzial, wegen ihres verbleibenden geringen Beitrags zur Ozonzerstörung wurde jedoch in einem Abkommen aus dem Jahre 2007 beschlossen, Verbrauch und Produktion der HCFCs in den Industrieländern im Jahr 2013 auf dem Niveau der Jahre 2009/2010 einzufrieren, die Entwicklungsländer erhielten erweiterte Fristen. Eine andere Gruppe von Ersatzstoffen, die Fluorkohlenwasserstoffe (HFCs), enthalten keine Chlor- oder Bromatome und sind deshalb unschädlich für die Ozonschicht. Sie gehören jedoch zu den im Kyoto-Protokoll der Vereinten Nationen aufgelisteten möglichen klimaschädlichen Gasen.

Wann wird sich die Ozonschicht regenerieren?

Gesamtozongehalt in Dobson Units (DU) über der Südhemisphäre im Oktober 2008 (links) und über der Nordhemisphäre im März 2007 (rechts). Über der Antarktis bildet sich im Südfrühjahr auf Grund spezieller chemischer Prozesse, die nur bei sehr niedrigen Temperaturen ablaufen, das "Antarktische Ozonloch" mit Gesamtozonsäulen unterhalb von 200 DU. Demgegenüber nimmt das Ozon über der wärmeren Arktis während des Nordfrühjahrs im Mittel nicht unter Werte von 300 DU ab. Quelle: Institut für Umweltphysik, Universität Bremen

Der Gesamtgehalt an Ozon zerstörenden Gasen in der Atmosphäre hat in den letzten Jahren abgenommen, auch wenn die Konzentrationen einzelner Halone und Ersatzstoffe noch weiter ansteigen. Eine Erholung der Ozonschicht in Form einer globalen Zunahme der stratosphärischen Ozonkonzentration ist aber derzeit noch nicht messbar. Das "Antarktische Ozonloch" war im Jahr 2008 (siehe Abbildung, links), bezogen auf Größe und Ozonminimum, vergleichbar mit der Entwicklung vergangener Jahre. Computermodelle, die den chemischen Ozonabbau durch Ozon zerstörende Gase explizit berechnen, sagen voraus, dass sich der globale Ozonabbau bis etwa 2020 verlangsamen und der Ozongehalt wieder zunehmen wird. Ozonkonzentrationen wie vor 1980, also vor Beginn der Ozonzerstörung durch FCKWs, sollen gegen Mitte des 21. Jahrhunderts erreicht werden. Das "Antarktische Ozonloch" wird sich voraussichtlich einige Jahre später, zwischen 2060 und 2070, wieder schließen. Die Modellvorhersagen sind derzeit jedoch noch mit großen Unsicherheiten behaftet. Sie werden unter anderem dadurch erschwert, dass sich aufgrund des Klimawandels die Stratosphäre abkühlt, wodurch sich der temperaturabhängige chemische Ozonabbau verlangsamt und somit die Erholung der Ozonschicht möglicherweise beschleunigt.
Creative Commons License

Dieser Text ist unter der Creative Commons Lizenz "CC BY-NC-ND 3.0 DE - Namensnennung - Nicht-kommerziell - Keine Bearbeitung 3.0 Deutschland" veröffentlicht.
Urheberrechtliche Angaben zu Bildern / Grafiken / Videos finden sich direkt bei den Abbildungen.

Ulrike Langematz

Zur Person

Ulrike Langematz

Geb. 1957, leitet die Arbeitsgruppe "Dynamik der Mittleren Atmosphäre" am Institut für Meteorologie der Freien Universität Berlin. Forschungsschwerpunkte: Ozonschicht, Modellierung von Klimaveränderungen, Einfluss der Sonnenvariabilität auf das Klima, Kopplung zwischen Stratosphäre und Troposphäre.


Nach oben © Bundeszentrale für politische Bildung Zur klassischen Website von bpb.de wechseln