Schutzschicht gegen UV-Strahlung schwindet - Ozonloch

Ozon wird als Spurengas in einer Höhe von 20 bis 30 Kilometern als Ozonschicht angereichert. Es filtert die gefährliche UV-Strahlung. Doch die schützende Ozonschicht in der Stratosphäre ist vor allem durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) bedroht, die der Mensch durch Industrie und Verkehr emittiert. Die Ausdünnung der Ozonschicht wird als Ozonloch bezeichnet.

Wie ein Schutzmantel breitet sich die Ozonschicht über uns aus und absorbiert einen Großteil der schädlichen UV-Strahlung. Wenn die Schutzschicht jedoch so dünn wird, dass sie den Normalwert um etwa ein Drittel unterschreitet, dann spricht man von einem Ozonloch.

Viele Molekülverbindungen in Kristallform in der Stratosphäre sind natürlicher Herkunft. Andere werden von uns Menschen in die Atmosphäre abgegeben, wie beispielsweise Chlor und Brom, die von FCKW-Verbindungen stammen.

Hauptsächlich greifen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die in industriellen Kühlmitteln und als Treibgas verwendet werden, Ozon an. In den 1980er-Jahren stellten Forscherinnen und Forscher einen dramatischen Ozonschwund in der höheren Atmosphäre fest.

Besonders gravierend ist, dass ein ungebundenes Chlor- oder Bromatom viele Tausend Ozonmoleküle zerstören kann. Der Zyklus kann nur unterbrochen werden, wenn diese sogenannten Radikale eine feste Verbindung eingehen. Dies geschieht vorrangig, wenn sie mit anderen Stoffen reagieren, die in der Luft vorkommen, wie zum Beispiel mit Stickstoffdioxid.

Sobald die Ozonschicht ausgedünnt ist, gelangt mehr UV-Strahlung bis zur Erdoberfläche, wo sie ein erhöhtes Sonnenbrandrisiko zur Folge hat.

Forschende kommen zu dem Schluss, dass der Ozonschwund über den Polargebieten letztlich auch eine Folge des Klimawandels sei, weil dieser die Ausprägung starker winterlicher Polarwirbel begünstige.

Im Frühjahr 2020 verschwanden rund 90 Prozent des arktischen Ozons in der Stratosphäre. Verantwortlich dafür war der gut ausgeprägte Polarwirbel. Monatelang war es oberhalb von 20 Kilometern Höhe extrem kalt. Ein in der Höhe derart eisiges Polartief hat gravierende Folgen für die in der unteren Stratosphäre liegende Ozonschicht.

Das liegt daran, dass sich in besonders kalten Wintern oberhalb von 20 Kilometern Höhe vermehrt sogenannte Polare Stratosphärische Wolken (PSC) bilden. Diese setzen wiederum chemische Prozesse in Gang, die das Ozon angreifen und teilweise zerstören.

Die Polaren Stratosphärischen Wolken bestehen aus feinsten Tröpfchen von Schwefelsäure (H₂SO₄) und Salpetersäureverbindungen (HNO₃). Sie sind je nach Temperatur von einem hauchdünnen Mantel kalten Wassers umgeben.

An den Kristallen dieser Wolken laufen Reaktionen ab, die die festen Verbindungen aufspalten und freie Radikale freisetzen. Unter diesen sogenannten Radikalen versteht man anorganische oder organische Verbindungen, die ein oder mehrere ungepaarte Elektronen besitzen. Weil diese Elektronen ungepaart und somit "einsam" sind, gelten die Radikale als sehr reaktionsfähig. Sie reagieren wieder rasch mit anderen Verbindungen, damit die Elektronen wieder gepaart sind.

Innerhalb der Stratosphärischen Wolken werden nach und nach aus Fluorchlorkohlenwasserstoffen und anderen Stoffen Chlormoleküle freigesetzt. Die Chlorverbindungen werden im Umfeld der Wolken vernichtet, wodurch mehr Chlorradikale entstehen.

Die Radikale ihrerseits schwirren in der höheren Atmosphäre umher, treffen auf Ozonmoleküle und spalten diese in Sauerstoff und Sauerstoffradikale auf. Der Rest der Molekülverbindungen geht in die Kristalle über.

Im Frühjahr (Februar und März) kommt es im Polarwirbel unter Einfluss der Sonne zu einem starken Ozonabbau mit Chlor als Katalysator. Die Folge ist ein ständiger Verlust von Ozon. Zurück bleibt am Ende des Winters ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes Ozonloch.

Erst wenn die Kraft der Sonne im Frühling zunimmt, dann bildet sich wieder so viel Ozon, dass sich das "Loch" wieder schließt. Zudem verdampfen die Polaren Stratosphärischen Wolken ziemlich schnell.

Zusätzlich bilden sich feste Verbindungen mit den Radikalen, was wiederum den Ozonabbau bremst. Da der Polarwirbel im Sommer verschwindet, können außerdem wieder ozonreichere Luftmassen einströmen.

In Jahren, in denen relativ hohe Temperaturen in großer Höhe herrschten, wurde sehr wenig Ozon abgebaut. Dies ist darauf zurückzuführen, dass im Spätwinter und Frühjahr der Polarwirbel ein "major warming" erfährt.

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen fanden heraus, dass sich die Ozonschicht über den Polargebieten zwar langsam weiter regeneriert, dafür jedoch über den mittleren und tropischen Breiten, speziell in 15 bis 24 Kilometern Höhe, immer dünner wird.

Diese Erkenntnis ist deshalb besorgniserregend, weil es sich um die Schutzschicht über den am dichtesten besiedelten Gebieten der Erde handelt. Als Folge ihrer Schwächung gelangt mehr gesundheitsschädliche UV-Strahlung bis zur Erdoberfläche.

Als Ursache vermuten die Forschenden einerseits durch den Klimawandel veränderte globale Strömungsmuster. Andererseits setzt der Mensch vermehrt kurzlebige chlor- und bromhaltige Chemikalien als Ersatzstoffe für FCKW frei. Diese gelten zwar als weniger ozonschädlich, aber nicht völlig neutral und stellen einen unzureichend berücksichtigten Faktor in den bisherigen Modellen dar.

Bereits im Jahr 2020 war mit Dichlormethan eine FCKW-Ersatzsubstanz entdeckt worden, welche die Ozonschicht angreift und deren Erholungsprozess verlangsamt.

Die Forschung lässt allerdings offen, wie diese Einschätzung mit anderen wissenschaftlichen Erkenntnissen zusammenpasst. Anderen Studien zufolge hat der Klimawandel nämlich einen gegenteiligen Effekt: Er schwächt den Jetstream und damit auch den Polarwirbel zugunsten häufigerer Extremwetterlagen langfristig eher ab.

Viel häufiger ist über der Antarktis, am Südpol, ein Ozonloch zu beobachten. Für den Ozonabbau dort kommen Vulkanausbrüche in anderen Erdregionen infrage. Sie schleudern Schwefelverbindungen in die hohe Atmosphäre, was dort ebenfalls zur Bildung von Polaren Stratosphärischen Wolken führt.

Normalerweise gibt es in der Stratosphäre keine Wolken, da sie zu trocken ist. Bei den besonders tiefen Temperaturen der Polarnacht können jedoch Reste von Wasserdampf zusammen mit Salpetersäure ausfrieren.

Die Salpetersäure entsteht aus Nitraten, wie beispielsweise aus Chlornitrat, das wiederum aus chemischen Reaktionen von FCKW mit Ozon stammt. Ein starker Polarwirbel hält ozonschädigende Stoffe wie FCKW fest, weil der Luftmassenaustausch fehlt.

Die Winde, die den Südpol umkreisen, wirken wie eine Barriere und hindern die wärmere und ozonreichere Luft daran, aus den niederen Breiten in das Tief einzudringen. Wegen der gleichmäßigen Land-Meer-Verteilung über dem Südpol und den angrenzenden Gebieten bleibt der Polarwirbel nahezu kreisrund.

Daher mäandriert der Jetstream rund um die subpolaren Regionen auf der Südhalbkugel auch nicht so stark wie auf der Nordhalbkugel. Diese Abschirmung beeinflusst die Dicke der Ozonschicht über dem Südpol.

Bei einem sehr starken Polarwirbel wird das Ozon in der Stratosphäre ausgedünnt. Folgende Faktoren sind dafür verantwortlich:

So kann es in manchen Jahren vorkommen, dass das Ozonloch selbst zu Beginn des Südsommers noch gigantische Ausmaße annimmt. Normalerweise aber schrumpft das Ozonloch mit dem beginnenden Sommer am Südpol im November wieder.

Im September 2020 war das Ozonloch über der Antarktis besonders groß und zugleich ungewöhnlich stabil. Obwohl am Südpol längst der Sommer begonnen hatte, nahm das Ozonloch nach wie vor immense Ausmaße an. Mehr dazu erfährst du in unserem Klimawandel-Beitrag: Rekord-Ozonloch über dem Südpol

Erstmals wurde das Ozonloch über der Antarktis in den späten 1970er Jahren entdeckt. 1985 verabschiedete ein internationales Gremium von Politikern das Montreal-Protokoll, das es sich zur Aufgabe machte, Stoffe, die zum Ozonabbau führen, schrittweise zu verbieten.

Seither sind davon schon 20 Prozent weniger in der Atmosphäre. Das Ozonloch über der Antarktis war 2019 so klein wie schon seit rund 30 Jahren nicht mehr. Die gesamte Ozonschicht über unserer Erde wird sich bei weiterem Einhalten der Maßnahmen wohl bis zur Mitte dieses Jahrhunderts wieder vollständig erholt haben.