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Die Ozonschicht
Ozon ist ein farbloses, äußerst giftiges Gas, dessen Bildung nur unter Energiezufuhr möglich ist:
3 O2 → 2 O3 ½ DH = +568 kJ
Im Gegensatz zum zweiatomigen Sauerstoff-Molekül liegen im Ozon-Molekül also drei Sauerstoffatome vor. Die Bildung von Ozon aus Sauerstoff-Molekülen ist durch energiereiches, unsichtbares UV-Licht (Wellenlängen l£242 nm) möglich.
Als Ozonschicht wird die in der Stratosphäre (in 10 bis 35 km Höhe) vorliegende maximale Ozon-Anreicherung in der Luft bezeichnet. Dieses Konzentrationsmaximum ist an den Polen am boden-nächsten und liegt zum Äquator hin deutlich höher. Während die maximale Konzentration dort (in 30 km Höhe) 10 ppm beträgt, liegt sie am Erdboden bei 0,02 bis 0,05 ppm, bei Smog bis zu 0,5 ppm. (1 ppm = parts per million = Teilchen pro eine Million Teilchen)
Das Ozon-Molekül ist so instabil, dass es schon von deutlich energieärmerem Licht (l£320 nm) wieder gespalten werden kann als für seine Bildung notwendig ist. Genau dies macht aber die für uns lebenswichtige Schutzwirkung des Ozons aus: Die UV-Strahlung, die auf Ozon-Moleküle trifft, wird zu deren Aufspaltung absorbiert, kann also nicht mehr die Erdoberfläche erreichen. Dieser natürliche Ozonabbau stand mit der Neubildung von Ozon (von jahreszeitlichen Schwankungen abgesehen) in einem Gleichgewicht - bis FCKWs in die Stratosphäre gelangten.
Die FCKWs können nicht durch Luftströme aus der Troposphäre in die Stratosphäre gelangen, da zwischen ihnen eine Sperrschicht für Spurengase liegt, durch die Diffusion von Molekülen nur langsam von statten geht. Daher trat das Ozonloch auch erst Jahre nach dem Beginn der intensiven Nutzung der FCKWs ein. Sind diese aber erst mal in die Stratosphäre gelangt, können dort über einen sehr langen Zeitraum Schaden anrichten.
Das Ozon (O3) der höheren Atmosphäre ist ein lebenswichtiges Gas für Pflanze, Mensch und Tier, weil es die schädlichen Strahlen zurückhält. Es ist in der sogenannten Ozonschicht in etwa 10 bis 35 km Höhe angereichert. Während es bei direkter Einwirkung auf Organismen als Gift wirkt, absorbiert es in großen Höhen den schädlichen Anteil der UV-Sonnenstrahlung, indem sich Ozon zurückbildet:
O3 → O2 + O
O3 + O → 2 O2
Was sind FCKWs ?
FCKWs (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) sind Kohlenwasserstoffe, die industriell mit den Halogenen Chlor und Fluor verbunden wurden. Diese Verbindungen haben hervorragende Eigenschaften: sie sind nicht brennbar, ungiftig und schlechte Wärmeleiter. Das eröffnet ihnen ein breites Verwendungsfeld als Treibmittel in Spraydosen, zum Aufschäumen von Kunststoffen und als Kältemittel, z. B. in Kühlschränken und Klimaanlagen. Zudem sind sie preisgünstig herzustellen.
Maßnahmen zur FCKW-Vermeidung:
Man kann teilhalogenierte (noch Wasserstoff enthaltende) FCKWs nutzen, die ungefährlicher sind, weil sie schon zu 95% vor Erreichen der Ozonschicht abgebaut sind, oder aber kein Chlor enthaltende FKWs, z. B. das jetzt häufig als FCKW-Ersatz verwendete R 134a. Sie haben aber schlechtere Eigenschaften als die vollhalogenierten, also wasserstofffreien FCKWs. Zur Kunststoffaufschäumung und als Treibmittel lassen sich teilweise Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase und gasförmige Alkahne, oder auch Luft verwenden.
Die Industriestaaten sind mittlerweile fast alle aus der FCKW-Produktion ausgestiegen bzw. haben ihren Ausstieg angekündigt. In den Schwellenländern und Dritte-Welt-Staaten werden FCKWs jedoch immer noch produziert, da die Ersatzstoffe zu teuer sind.
Das Ozonloch am Südpol
a)
Es ist zu beobachten, dass gerade im antarktische Frühling (September, Oktober) verstärkt Ozon abgebaut wird. Zu dieser Zeit ist das als Ozonloch bekannte Phänomen zu beobachten. Der Ozongehalt sinkt etwa auf die Hälfte der Vergleichswerte aus den 70er Jahren.
b)
Auch ist die Konzentration an Ozon über den Polen von Natur aus geringer als über anderen Gebieten der Erde. Es gibt also eine Art \"natürliches Ozonloch\" über den Polen, das sogenannte dynamische Ozonloch.
Wie lassen sich beide Phänomen erklären?
Zu a) Chlor liegt in nicht reaktiven Formen (sogenannte Senken) vor, wie:
ClONO2 / HOCl
Circuspolare Westwinde (Winde, die um den Pol kreisen) entstehen aufgrund der niedrigen Temperaturen während des Südpolwinters und schließen die Luftmassen am Pol ein. Diese kühlen sich dann stark ab, da kein Luftaustausch mehr mit wärmerer Luft von außen stattfindet (März -60°C auf August -90°C). Durch die Kälte bilden sich polare stratosphärische Wolken (Polar Stratospheric Clouds / PSC)
In den Wolken finden folgende Reaktionen statt:
ClONO2 + HCl → HNO3 + Cl2
ClONO2 + H2O → HNO3 + HOCl
Beginnt nun der antarktische Frühling (September, Oktober) kann das Sonnenlicht das Chlor spalten, dieses kann dann wiederum Ozon abbauen.
Cl2 + Licht → 2Cl
HOCl + Licht → OH + Cl
Cl × + O3 → ClO
Im Winter wird also reaktionsfreudiges Chlor gebildet und gesammelt, das dann im Frühling voll zuschlagen kann.
Am Nordpol ist dies nicht so stark zu beobachten, da die Winter wärmer, die Circuspolarwinde schwächer und damit die PSC weniger sind, der Ozonabbau damit also auch geringer ist.
Zu b)
Das dynamische Ozonloch hat seine Ursachen in:
a) der Verteilung der Hochdruck- bzw. Tiefdruckgebiete über die Erde und den daraus resultierenden Winden und
b) dem Entstehungsort des Ozons, nämlich dem Äquator und
c) der Verteilung der Landmassen jenseits des 60. Breitengrades.
- Das Ozon entsteht am Äquator und wird zunächst bis ungefähr zum 60. Breitengrad transportiert. Hier sinkt die Luft ab und kehrt zum Äquator zurück.
- Den weiteren Transport des Ozons vom 60. Grad zum Pol übernimmt nun ein \"neuer\" Luftkreislauf.
- Die beiden Kreisläufe (Äquator/Pol) müssen sich nun also durchmischen, damit das Ozon vom einen in den anderen Kreislauf gelangt.
- Es entsteht logischerweise ein Stau, da nicht die gesamte Luft auf ein Mal ausgetauscht werden kann. Daraus folgt eine hohe Ozonkonzentration am 60. Breitengrad.
- Der Luftaustausch wird auf der Nordhalbkugel dadurch begünstigt, dass am 60. Grad viele Landmassen sind. Sie besitzen Gebirge, Spalten etc., die Verwirbelungen hervorrufen. Es kann also relativ viel Ozon zum Pol transportiert werden.
- Auf der Südhalbkugel fehlen die Landmassen am 60. Grad, es wird also weniger Ozon abtransportiert. Am Südpol ist die Ozonkonzentration von Natur aus geringer als in anderen Gebieten.
= dynamisches Ozonloch auf der Südhalbkugel
Durch FCKWs bedingter Ozonabbau
Neben der nützlichen Ozonrückbildung durch Absorption von UV-Licht
kann der Abbau auch nach folgendem Reaktionsschema erfolgen :
X + O3 → XO + O2
XO + O → X + O2
Das X ist der Katalysator, der bei den Reaktionen gleichsam wiedergewonnen wird. X kann zum Beispiel sein Chlor Cl, Brom Br oder Stickstoffmonoxid NO.
Da sich die Konzentration von X im Endeffekt nicht ändert, lässt sich eine Nettoreaktion angeben, bei der X als Katalysator wirkt :
O + O3 → 2 O2
Als Katalysatoren kommen hauptsächlich Hydroxyl (OH)-, Stickstoff- Monooxid
(NO)-, Chlor- und Brom-Radikale in Frage .
Als Beispiel sei ein durch Chlor bedingter, katalytischer Abbauzyklus
aufgeführt :
Die Chlorradikale werden durch Lichtenergie von den FCKWs abgespalten :
CF2Cl2 / CFCl3 / CCl4 / CH3Cl → Cl + R
Schlusswort
Sicherlich erwartet jeder zu dem Thema Ozonloch, dass auch etwas über die tatsächliche Schädigung heutzutage gesagt wird. Der Grund weshalb wir hier nicht etliche Statistiken über den Ozonrückgang aufführen ist der, dass es davon einige hundert gibt, denen zwar das gleiche Thema zugrunde liegt, aus denen sich aber immer andere, teils widersprüchliche, Schlüsse ziehen lassen. Zwar ist Ozon bei weitem das am besten vermessene und untersuchte Spurengas, doch die Ursachen, die zu einer lokalen Schwankung des Ozongehalts (z.B. in Europa) führen können, sind so vielfältig, dass man nicht auf einzelne Ursachen (wie FCKW) zurückschließen kann. Das Wetter beispielsweise hat einen sehr großen Einfluss und bekanntermaßen stellt das Wetter eine sehr schwer vorherzusagende Größe dar. So lässt sich schwer entscheiden, ob nun gerade der Ozongehalt durch das Wetter, oder das Wetter durch den Ozongehalt verändert wird. Durch gegenseitige Wechselwirkung mit dem Klima, bestehen also auch enge Zusammenhänge zu anderen Problemen wie z.B. dem Treibhauseffekt.
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