Ozon-Sauerstoff-Zyklus
Der Ozon-Sauerstoff-Zyklus ist der Vorgang durch welchen Ozon fortwährend in der Stratosphäre erneuert wird, wobei Ultraviolette Strahlung in Wärmeenergie umgewandelt wird. Im Jahr 1930 wurden die beteiligten chemischen Zusammenhänge durch Sidney Chapman aufgeklärt.
Wie Ozon entsteht
Im ersten Schritt beginnt der Lebenszyklus eines Ozonmoleküls, wenn intensives ultraviolettes Sonnenlicht (Wellenlänge weniger als 240nm) ein Sauerstoffmolekül (O2) in zwei Sauerstoffatome aufspaltet. Diese Atome reagieren mit anderen Sauerstoffmolekülen zu 2 Ozonmolekülen.
- O2 + (Strahlung< 240nm) → 2O
- 2(O2 + O + M) → 2(O3 + M)
Dabei ist "M" ein sogenannter "dritter Stoßpartner", ein Molekül (üblicherweise Stickstoff oder Sauerstoff), welches die überschüssige Energie der Reaktion abtransportiert. Ozon entsteht langsam, da das Sonnenlicht keine große Intensität bei Wellenlängen unterhalb 240 nm besitzt. Dieser Entstehungsprozess würde etwa ein Jahr benötigen, um die Ozonmenge zu ersetzen, die sich etwa 20 km oberhalb der Erdoberfläche befindet.
Welche Funktion Ozon erfüllt
Wenn Ozon in der oberen Atmosphäre mit ultraviolettem Licht in Kontakt kommt, erfolgt rasch eine chemische Reaktion. Das dreiatomige Ozonmolekül wird zu zweiatomigem molekularen Sauerstoff zuzüglich eines freien Sauerstoffatoms:
- O3 + radiation → O2 + O
Freier atomarer Sauerstoff reagiert schnell mit anderen Sauerstoffmolekülen und bildet wiederum Ozon:
- O2 + O + M → O3 + M
Die chemische Energie, die frei wird, wenn O und O2 kombinieren wird dabei in kinetische Energie der Molekülbewegung umgewandelt. Die gesamtheitliche Wirkung besteht darin, eindringendes ultraviolettes Licht in harmlose Wärme umzuwandeln. Dieser Kreislauf erhält die Ozonschicht in einem stabilen Gleichgewicht, während er gleichzeitig die untere Atmosphäre vor UV-Strahlung schützt, welche für die meisten Lebewesen schädlich ist. Auch ist er eine der zwei bedeutendsten Wärmequellen in der Stratosphäre (die andere beruht auf der kinetischen Energie, die frei wird, wenn O2 zu O-Atomen photolysiert wird).
Wie Ozon zerfällt
Wenn ein Sauerstoffatom und ein Ozonmolekül aufeinandertreffen, rekombinieren sie zu zwei Sauerstoffmolekülen:
- O3 + O → 2O2
Die Gesamtmenge an Ozon in der Stratosphäre wird durch ein Gleichgewicht zwischen Produktion durch Sonneneinstrahlung, und Zerfall durch Rekombination. Der Zerfall dauert viel länger als die Periodendauer des Ozon-Sauerstoff-Zyklus.
Gewisse freie Radikale, deren die wichtigsten das Hydroxyl (OH), Nitroxyl (NO), und Atome des Chlor (Cl) und Brom (Br) sind, katalysieren die Rekombination, was zu einer Ozonschicht führt, welche dünner ist, als wenn die Katalysatoren nicht vorhanden wären.
Die meisten der Hydroxyl- und Nitroxylradikale sind natürlicherweise in der Stratosphäre vorhanden, aber menschliche Einflüsse, insbesondere die Zerfallsprodukte der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW und Halone), haben die Konzentrationen an Clor- und Bromatomen außerordentlich erhöht, was zur Entstehung des Ozonlochs beiträgt. Jedes Cl oder Br-Atom kann zehntausende von Zerfallsereignissen katalysieren, bevor es aus der Stratosphäre entfernt wird.