Als Ozonloch wird die geographisch abgegrenzte Abnahme der Ozonschicht bezeichnet, die seit Ende der 1970er Jahre zunächst nur über der Südpolarregion, später (1992) auch über der Nordpolarregion beobachtet wird. Die Ozonschicht ist ein Teil der Stratosphäre in 12 - 50 km Höhe, in der unter Einwirkung der energiereichen ultravioletten Strahlung der Sonne Sauerstoff (O2) in Ozon (O3) umgewandelt wird. Der Grund für den Ozonabbau sind gasförmige Halogenverbindungen, wie die als Treibgas oder Gefriermittel eingesetzten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), die in die Stratosphäre gelangen.
Details
Während in der Troposphäre die Temperatur mit zunehmender Höhe abnimmt, steigt sie in der Stratosphäre aufgrund der Absorption von Sonnenstrahlung durch Ozon ab einer Höhe von 20 - 25 km wieder an. Durch diese Temperaturschichtung an der Tropopause, können sich troposphärische und stratosphärische Luft nicht durchmischen. Da das Wetter - wie Wolkenbildung und Regen - ein Phänomen der Troposphäre ist, werden einmal in die Stratosphäre gelangte Stoffe nur schwer wieder aus dieser entfernt.
Unter dem Einfluss der (nur relativ energiearmen) UV-B-Strahlung werden freie Radikale gebildet. Zunächst wird ein Ozonmolekül in ein einzelnes Sauerstoffatom und ein zweiatomiges Sauerstoffmolekül gespalten:
- O3 + Licht → O2 + O
Sind FCKWs anwesend, können katalytische Zyklen ablaufen, die nach dem Schema
- X + O3 → XO + O2
- XO + O → X + O2
funktionieren. Das X ist der Katalysator, der bei den Reaktionen gleichsam wiedergewonnen wird. X kann zum Beispiel sein: Chlor Cl, Brom Br oder Stickstoffmonoxid NO. Chlor wird zum Beispiel aus Fluorchlorkohlenwasserstoffen durch Sonneneinstrahlung abgespalten:
- CH3Cl + Licht → CH3 + Cl
Ein Chlorradikal kann den katalytischen Zyklus viele Male durchlaufen und dabei bis zu 100.000 Ozonmoleküle zerstören. Der Zyklus kann nur abgebrochen werden, wenn zwei Radikale miteinander reagieren und so genannte Reservoirspezies bilden:
- ClO + ClO → Cl2 + O2 oder
- ClO + NO2 → ClONO2
Unter den besonderen Bedingungen der Polarnacht, d.h. Finsternis und sehr tiefe Temperaturen, können sich die Reservoirspezies zu beachtlichen Konzentrationen ansammeln. Durch die Kälte können sich einige Substanzen in der Stratosphäre verflüssigen und sogar gefrieren, es entstehen Polare Stratosphärenwolken (Polar Stratospheric Clouds, PSC), die für die Entstehung des Ozonlochs von großer Bedeutung sind. An den Kristallen der PSCs laufen Reaktionen ab, bei denen Stickstoffoxide aus der Luft in die Kristalle übergehen, so dass nur die weitaus aggressiveren Chlorverbindungen in der Luft bleiben:
- ClONO2(g) + H2O(s) → HOCl(g) + HNO3(s).
(g bedeutet gasförmig, s (von solid) bedeutet fest)
Wenn zum Ende der Polarnacht die Sonne aufgeht, werden diese Chlorverbindungen vom Licht gespalten und es stehen plötzlich sehr viele freie Chlorradikale zur Verfügung, die Ozonmoleküle zerstören können. Erst nach und nach verdampfen die PSCs und bringen die Stickstoffverbindungen zurück in die Luft, die mit den Chlorradikalen neue Reservoirspezies bilden können und so den Ozonabbau dämpfen. Der Grund, warum das Ozonloch am Südpol so viel stärker ist als am Nordpol, liegt in der Form des Antarktischen Kontinents begründet. In der Polarnacht, wenn keine Sonnenstrahlung auf die Erde fällt, bildet sich ein Kaltluftgebiet, der so genannte Polarwirbel. Da der Antarktische Kontinent im wesentlichen rund ist und kaum höhere Gebirge aufweist, wird der Polarwirbel an seinen Rändern auch nur wenig gestört und in seinem Inneren können sehr tiefe Temperaturen erreicht werden (bis unter 188K, das entspricht -85°C). Am Nordpol sind die Verhältnisse insofern anders, als dass der entstehende Polarwirbel durch die Überströmung der Gebirge der hohen nördlichen Breiten gestört wird. Es wird wärmere Luft eingemischt und deshalb können die Temperaturen nie soweit absinken, wie nötig, damit PSCs entstehen können. Ohne PSCs können aber die Stickstoffverbindungen nicht aus der Luft entfernt werden und der Ozonabbau bei Sonnenaufgang wird wesentlich gedämpft.
Folgen
Wegen der Zerstörung der Ozonschicht gelangt mehr UV-Licht auf die Erdoberfläche, was beim Menschen zu Hautschäden bis hin zum Hautkrebs führen kann. Bei fehlender Ozonschicht droht sogar die Erblindung innerhalb weniger Stunden. Mittlerweile wird die weltweite Ausdünnung der Ozonschicht durch Satellitenüberwachung gemessen.
Diskussion
Im wissenschaftlichen Fachdiskurs gab es von Anfang an verschiedene Erklärungsansätze für das sogenannte "Ozonloch". Die heute vorherrschende Position, dass der Ozonabbau größtenteils anthropogene Ursachen hat (etwa die FCKW-Emissionen), war zu Beginn der Kontroverse sehr umstritten. Heute hat sich das Verhältnis umgekehrt: Die Position, dass durch natürliche Vorgänge (z.B. Vulkanausbrüche) größere Mengen an Halogen-Verbindungen in die Stratosphäre gelangen, ist umstritten und noch nicht schlüssig nachgewiesen. Inzwischen gilt diese Meinung sogar als widerlegt (World Meteorological Organization, Scientific assessment of ozone depletion: 2002, Global Ozone Research and Monitoring Project - Report No. 47, 498pp., Geneva, 2003, ISBN 92-807-2261-1).