Ozonschicht und Ozon am Boden - Ein gewaltiger Unterschied
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Hannes Tobler
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Die Ozonschicht der Erde ermöglichte dem Leben sich zu entwickeln.
Die Ozonschicht schützt die Erde vor schädlichen UV-Strahlen, sie ist für uns Menschen lebenswichtig. Doch wie genau funktioniert eigentlich die Ozonschicht?
Bei einer allzu hohen Ozonkonzentration im Sommer gibt es eine Gesundheitswarnung. Schwindet das Ozon in der Atmosphäre und das Ozonloch vergrößert sich, sind die Bedenken der Gesundheitsfachleute aber noch viel größer. Sind hohe Ozonwerte nun gut oder schlecht?
Entscheidend ist, wo sich das Ozon in der Atmosphäre befindet. Ozon kommt in der Ozonschicht in zirka 18 - 30 km Höhe in der Stratosphäre vor. Ozon ist aber auch in der bodennahen Luftschicht (Bodenozon) in der Troposphäre als Spurengas enthalten. Das eine Ozon ist gut für uns (das in der Höhe) und andere Ozon ist schlecht für uns (das bei uns am Boden). Ozon (O3) ist ein spannendes Molekül, ohne das es uns im Übrigen gar nicht geben würde.
Der folgende Artikel befasst sich mit der Ozonschicht unserer Erde. Ziel ist es, die Funktionsweise als Ganzes möglichst genau zu erklären, ohne jedoch allzu stark in die Details der einzelnen chemischen Reaktionen zu gehen. Ganz ohne chemische Reaktionen kommt man aber bei der Erklärung der Ozonschicht nicht aus. Daneben werden die Entdeckungsgeschichte des Ozons und die politischen Bemühungen rund um die Schließung des Ozonlochs beschrieben.
Beginnen wir zunächst mit dem Ozonmolekül. Es besteht aus drei Sauerstoffatomen und wird mit der Schreibweise O3 abgekürzt. Das Ozonmolekül in der Ozonschicht, welche sich in der Stratosphäre in zirka 18 - 30 km Höhe befindet, und das Ozonmolekül in der unteren Troposphäre (die unterste Schicht der Atmosphäre) unterscheiden sich weder chemisch noch physikalisch. Aber die Wirkung auf die Lebewesen könnte unterschiedlicher nicht sein, wie wir noch darstellen werden.
Allgemeine Fakten über die Ozonschicht
Mit dem Begriff Ozonschicht wird ein ungefähr 10 - 15 km breiter Bereich in der Stratosphäre beschrieben. In diesem Bereich ist die Ozonkonzentration, verglichen mit allen anderen Bereichen der Atmosphäre, relativ hoch. Durch die Absorbierung der UV-Strahlung beschützt die Ozonschicht das Leben auf der Erde. Ozon ist das wichtigste Spurengas in der Stratosphäre.
Die Konzentration der Ozonschicht wird in der Dobson-Einheit (DU) angegeben. DU leitet sich aus der englischen Bezeichnung "Dobson unit" ab und ist ein Maß für die Stärke der Ozonschicht. Es werden sämtliche Ozonmoleküle der Atmosphäre über einem Quadratzentimeter zusammengezählt. 1 DU sind 2´690´000´000´000´000 Ozonmoleküle pro Quadratzentimeter, was äquivalent zu einer Schichtstärke von 0.01 mm ist.
Heißt: Eine normale Ozonkonzentration von 300 DU entspricht einer Schicht von 3 mm! Würde man also das gesamte Ozon der Atmosphäre zusammendrücken, gebe es eine 3 Millimeter dünne, reine Ozonschicht.
So filtert die Ozonschicht das Sonnenlicht
Es wird immer gesagt, dass die Ozonschicht das schädliche UV-Licht herausfiltert. Doch wie genau funktioniert dies? Die Erklärung liefert der Chapman Kreislauf:
Der Chapman Kreislauf ist eine Reihe chemischer Reaktionen (R), die bei Sonneneinstrahlung in der Ozonschicht ständig ablaufen. Die Strahlen unserer Sonne bringen die Energie für die chemischen Reaktionen. Die Reaktionen laufen parallel zueinander ab, so dass immer ein gewisses Verhältnis der einzelnen Zwischenreaktionen gewährleistet ist. Die Sonne liefert die Energie und die Reaktionen wandeln die Energie in Wärme um, somit wird netto Sonneneinstrahlungsenergie in Wärme umgewandelt. Die Sonnenenergie, die dabei "verbraucht" wird, ist extrem energiereich und daher schädlich für Lebewesen.
Der natürliche Reaktionskreislauf in der Ozonschicht sieht folgendermaßen aus:
R1: O2 + hv -> O + O λ < 242 nm
R2: O + O2 + M -> O3 + M --> exotherm
R3: O3 + hv -> O + O2 λ < 336 nm
R4: O3 +O -> 2 O2 --> exotherm
hv: Sonneneinstrahlung
λ: Wellenlänge der Sonnenstrahlen
O: Sauerstoffatom
O2: Sauerstoffmolekül
O3: Ozonmolekül
M: Stoßpartner (irgendein anderes Luftmolekül, z.B. Stickstoff (N))
Je kurzwelliger die Strahlung, desto energiereicher ist sie! Wie man sieht, braucht es extrem kurzwellige Strahlung für die Spaltung von Sauerstoff (O2) und etwas weniger intensive Strahlung für die Aufspaltung des Ozonmoleküls (O3). Dies macht intuitiv Sinn, denn wenn man jemandem etwas wegnimmt, der danach noch zwei Dinge dieser Art besitzt, ist dies einfacher, als wenn man jemandem etwas wegnimmt, der dann nur noch ein Ding dieser Art hat.
Das Sauerstoffatom (O) ist extrem reaktiv und geht sehr schnell eine Verbindung mit dem Sauerstoffmolekül (O2) ein, es entsteht Ozon (O3). Der Stoßpartner (M), der für diese Reaktion ebenfalls gebraucht wird, führt überschüssige Energie ab und ist somit signifikant für die Erwärmung der Stratosphäre im Bereich der Ozonschicht mitverantwortlich.
Zwei der vier Reaktionen sind exotherm. Exotherme Reaktionen geben Energie, hier in Form von Wärme an die Umgebung ab. Dies ist auch der Grund, weshalb die Stratosphäre im Bereich der Ozonschicht ziemlich warm ist (um null Grad oder leicht darunter).
Bringen wir das Wichtigste auf den Punkt: Die ständige Aufspaltung von Ozon und Sauerstoff durch energiereiche, kurzwellige Strahlung "filtert" das schädliche Sonnenlicht und macht die Erde für Lebewesen bewohnbar.
Ohne Ozonschicht würde alles Leben eingehen
Alle Lebensformen, die heute existieren, egal ob Pflanzen, Tiere oder wir Menschen, besitzen keinen wirksamen Eigenschutz gegenüber einer erhöhten UV-Bestrahlung. UV-Strahlen zerstören und verbrennen Zellen und Erbgut nachhaltig und verursachen in den oberen Schichten von Haut oder Pflanzen schwere Verbrennungen. Das geschädigte Erbgut führt zu fehlerhafter Reproduktion. Die Krebserkrankungen würden dramatisch zunehmen.
Hätte die Erde überhaupt keine Ozonschicht mehr, würde nach und nach alles Leben eingehen. Bei einer Abschwächung der Ozonschicht würden die empfindlichen Arten aufgrund der UV-Bestrahlung aussterben.
Von der Entdeckung bis zur Rettung der Ozonschicht
Bereits im Jahre 1839 wurde das bodennahe Ozon von Christian Friedrich Schönbein (ein deutsch-schweizerischer Chemiker und Physiker) entdeckt. 1880 wurde die erste Studie veröffentlicht, die eine Ozonschicht in der Stratosphäre beweist. Seit 1926 wird die erste Ozonmessreihe der Welt betrieben, sie befindet sich in der Schweiz in Arosa und hat die Ozonschicht endgültig bewiesen. Nachdem man 1970 und 1974 auf zwei Ozonabbaukreisläufe (NOx und CIOx) stieß, wurde schließlich 1985 das Ozonloch über der Antarktis entdeckt.
Das Ozonloch und deren Entstehung wurden umgehend untersucht. Verschiedene Gase wurden auf ihre Wirkung mit der Ozonschicht getestet und zwei Jahre später wurde das Montreal-Protokoll zum Schutze der Ozonschicht von 24 Staaten und der europäischen Wirtschaftsgemeinschaft unterzeichnet.
Montreal-Protokoll wichtiger Schritt zur Schließung des Ozonlochs
Das Montreal-Protokoll ist ein Vertrag zum Schutze der Ozonschicht. Es schreibt vor, dass die Emission ozonabbauender Chemikalien gesenkt werden muss. Namentlich sind das die FCKW-Gase (FCKW steht für Fluorchlorkohlenwasserstoffe). Seit 1930 wurden FCKW-Gase mit ihren ungiftigen, unbrennbaren und nichtkorrosiven Eigenschaften für eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten eingesetzt. Sie wurden beispielsweise als Reinigungsmittel, Lösungsmittel, Kühlgas in Kühlschränken, Treibgas in Haarsprays oder auch als Feuerlöschmittel verwendet.
Nach dem Abkommen in Montreal gab es weitere Abkommen zum Schutze der Ozonschicht. In London (1990), Kopenhagen (1992), Wien (1995), Montreal (1997) und Peking (1999) wurden die Bestimmungen sukzessive strenger. Heute ist die Emission von Chemikalien, die Ozon abbauen können, gänzlich verboten.
Dies hat einen positiven Effekt und sorgt allmählich für eine Schließung des Ozonlochs. Bis heute ist das FCKW-Verbot und die damit zusammenhängende Verhinderung des Anwachsens des Ozonlochs eines der wenigen globalen Umweltprobleme, das von den Menschen gelöst werden konnte.
Zusammengefasst: Ozonmolekül in der Stratosphäre lebenswichtig
Das Ozonmolekül in der Stratosphäre ist molekular betrachtet das gleiche wie das Ozon in Bodennähe. Die Wirkung auf die Organismen der Erde ist aber sehr unterschiedlich. Das Ozon in der Ozonschicht ermöglicht erst die Bedingungen, in denen sich das Leben entwickeln konnte.
Das Ozon in Bodennähe hat durch seine oxidierende Wirkung einen negativen Einfluss auf unser Wohlbefinden. Bei starker Ozonbelastung im Hochsommer tränen die Augen, das Atmen fällt schwer und der Kopf schmerzt im Schläfenbereich. Alles Wichtige dazu erfahren Sie in diesem Artikel.
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