Das Ozonloch und seine Ursachen

Abstract

Das Ozon in der Atmosphäre gehört zu dem am längsten und am umfassendsten beobachteten Spurengasen. Das Muster seiner Verteilung über den Globus und mit der Höhe – vom Boden bis in ca. 80 km Höhe – ist gut bekannt. Seine Bedeutung in den verschiedenen Schichten der Atmosphäre ist allerdings sehr unterschiedlich. Während das Ozon in der Troposphäre als Quelle von Photooxidantien (wie dem OH-Radikal) wirkt und zur Erwärmung des Globus aufgrund seines Treibhauseffektes beiträgt, ist das Ozon in der Stratosphäre hauptsächlich für den Schutz der Biosphäre vor der kurzwelligen Strahlung der Sonne verantwortlich. In beiden Regionen wird das Ozon auch durch unterschiedliche Mechanismen gebildet und verbraucht.

Das Ozon in der Stratosphäre wird durch Photochemie des Sauerstoffs gebildet. In der reinen Sauerstoffatmosphäre stellt sich deshalb eine bestimmte Konzentration ein. Die Gegenwart von anthropogen emittierten Spurengasen wie N₂O oder die FCKW hat diese Konzentration aufgrund einer Beschleunigung seiner Abbaureaktionen verringert. Besonders starke Ausprägungen hat diese Ozonabnahme in den Polarregionen im Winter erfahren. Als Ursache wurde neben der reinen Gasphasenchemie die Oberflächenchemie von chlorhaltigen Komponenten an sog. polaren stratosphärischen Wolken (PSCs) identifiziert. Damit wird das jährliche Ausmaß des Ozonverlustes in den Polarregionen auch von den mikrophysikalischen Vorraussetzungen (Temperatur, Geschwindigkeit der Partikelbildung) in der polaren Stratosphäre abhängig. Diese sind im Süden über der Antarktis regelmäßig intensiver als im Norden über der Arktis. Aufgrund der Beschlüsse des Montrealer Protokolls zum Schutz der Ozonschicht sowie dem Verbot der Produktion von FCKW und anderer halogenierter Spurengase wird das Ozonloch in einigen Jahrzehnten wieder verschwunden sein. Die spannende Frage ist allerdings, wie der bevorstehende Klimawandel, der sich mit umgekehrten Vorzeichen – nämlich einer Abkühlung der Luft – auch in der Stratosphäre auswirkt, die Erholung der Ozonschicht beeinflussen bzw. verzögern könnte.

Ozone in the atmosphere is one of the longest and most comprehensively observed trace gases. The pattern of its distribution in global atmospheric space is well understood, although its importance with respect to chemistry and climatology differs significantly in different altitude regions. Whilst ozone in the lower troposphere is mainly important as a source of photooxidants (such as the OH radical) and contributes to global warming via its greenhouse effect, the role of stratospheric ozone is mainly as a protective shield of the terrestrial biosphere against the short wavelength radiation of the sun. In both regions ozone has different mechanisms of formation and destruction.

Ozone in the stratosphere is formed via the photochemistry of oxygen. As a result a certain concentration of ozone is establish in an oxygen-only atmosphere. However, the appearance of anthropogenic trace gases such as N₂O and CFCs have reduced this concentration since they have accelerated the processes of ozone destruction. The reduction of the stratospheric ozone concentration has seen its largest extent over the polar regions in winter/spring. Next to a number of gas phase reactions these reductions have been identified to be caused by surface reactions occurring on polar stratospheric clouds (PSCs). As a consequence the annual extents of destruction are also dependent on the microphysical conditions (temperature, rate of particle formation) of the polar stratosphere in winter. These are in average much more favourable for destruction in the south over Antarctica compared to the north over Arctica.

As a result of the Montreal Protocol for the protection of the ozone layer and the associated cease of the production of CFCs and other halogenated compounds the ozone hole is expected to close in some decades to come. The interesting question, however, is how the expected recovery of the ozone layer might be modified or even delayed by climate change, which has an opposite sign – namely a net cooling effect – in the stratosphere and hence will intensify PSC formation.