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Umwelt Ozon Arktis
Arktis Ungewöhnliche Kälteperiode in der Stratosphäre schafft 2016
Bedingungen für starken Ozonabbau in der Arktis
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Entwicklung der Ozonschicht über der Arktis
Ungewöhnliche Kälteperiode in der Stratosphäre schafft Bedingungen für starken Ozonabbau in der Arktis

Die Wetterentwicklung in der Arktis deutet derzeit auf ein Frühjahr mit erheblichen Ozonverlusten hin. Wie Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meereswissenschaften, berichten, hat in den zurückliegenden Wochen eine extreme Kälteperiode in der arktischen Stratosphäre jene chemischen Bedingungen geschaffen, die im März und April zu schweren Ozonverlusten über der Arktis führen könnten - vorausgesetzt, es kommt in den nächsten Wochen nicht zu einer entscheidenden Erwärmung.

"In rund 20 Kilometern Höhe über der Arktis ist die Luft seit Wochen bis zu minus 90 Grad Celsius kalt", berichtet AWI-Atmosphärenforscherin Dr. Marion Maturilli. "Über unserer Arktis-Forschungsstation auf Spitzbergen lag die mittlere Temperatur in der Stratosphäre seit Anfang Dezember acht Grad Celsius unter dem langjährigen Mittel und zwei Grad Celsius unter dem bisherigen Minimum. Das sind beste Voraussetzungen für einen späteren Ozonabbau."

Der Abbau der Ozonschicht wird von Fluorchlorkohlenwasserstoffen verursacht, welche die Menschheit in den zurückliegenden Jahrzehnten in grossen Mengen freigesetzt hat. Deren Abbauprodukte greifen die Ozonschicht besonders nach längeren Perioden extremer Kälte an.

Solche Kältephasen kommen normalerweise nur im antarktischen Winter vor, weshalb sich im Frühjahr stets ein Ozonloch über der Antarktis bildet. "In der Arktis dagegen sind die Temperaturen in der Stratosphäre normalerweise höher und sehr viel variabler und der Ozonabbau ist daher im Normalfall begrenzt. Schwere Ozonverluste gibt es hier nur nach Zeiten mit besonders tiefen Temperaturen, wie wir sie bisher ganz selten erlebt haben - zum Beispiel nach dem kalten stratosphärischen Winter 2010/2011. Damals hat der Ozonabbau erstmals auch über der Nordhemisphäre zu einem ausgeprägten Ozonminimum geführt", sagt AWI-Wissenschaftler Dr. Markus Rex, Koordinator des Europäischen Forschungsprojekts StratoClim, welches die Lage in der Arktis derzeit täglich beobachtet.

Modellrechnungen der AWI-Forscher basierend auf der extremen Kälteperiode der zurückliegenden Wochen zeigen nun, dass die chemischen Bedingungen in der arktischen Stratosphäre bereits jetzt das Ozonzerstörungspotenzial aus dem Winter 2010/2011 übertreffen. "Die Luftmassen mit diesen ungewöhnlichen Bedingungen sind derzeit in einem grossen Tiefdruckwirbel hoch über der Arktis eingeschlossen. Bis Mitte Februar wird dort bereits mehr als ein Viertel des Ozons zerstört worden sein. Das Nachströmen von Ozon ist derzeit ebenfalls gering und es hat sich bereits ein Ozonminimum über der Arktis ausgebildet. Der Ozonabbau wird dann noch an Fahrt gewinnen, wenn intensiveres Sonnenlicht nach Ende der Polarnacht auf den Tiefdruckwirbel trifft", so Markus Rex. "Sollte der Wirbel bis tief in den Monat März hinein Bestand haben, muss mit weiterer Vertiefung des Ozonminimums gerechnet werden. Bricht der Wirbel jedoch zuvor auf, vermischen sich die Luftmassen ausreichend mit frischer Luft aus niedrigeren Breiten und die Arktis schrammt an einem neuen Rekordozonabbau vorbei", erklärt der Forscher.

Ob der Wirbel rechtzeitig aufbricht, können die Wissenschaftler derzeit nicht vorhersagen. Sollte es zur Bildung eines tiefen Ozonminimums kommen, muss damit gerechnet werden, dass dieses auch Mitteleuropa erreicht.. Um den Ozonverlust genau verfolgen zu können, lässt das StratoClim Konsortium zusammen mit weiteren internationalen Partnern seit Wochen in einem Netzwerk von 30 Beobachtungsstationen Hunderte Ozonsonden in die Stratosphäre aufsteigen. Anfang April sind im Rahmen von StratoClim ausserdem Messflüge mit einem Höhenforschungsflugzeug in die arktische Stratosphäre geplant.

Abkühlung der Stratosphäre ist Folge des globalen Klimawandels

"Wir erwarten generell eine Abkühlung der Stratosphäre als Folge des globalen Klimawandels. Die Mechanismen, welche die Temperaturen der arktischen Stratosphäre regulieren, sind jedoch kompliziert und nicht vollständig verstanden. Ob die Rekordkälte der letzten Wochen in Zusammenhang mit dem Klimawandel steht, ist daher noch Gegenstand aktueller Forschung", sagt Markus Rex.

Die Produktion der ozonzerstörenden FCKWs ist mittlerweile durch das Montrealer Protokoll weltweit verboten. Langfristig wird daher bis Ende des Jahrhunderts mit einer vollständigen Erholung der Ozonschicht gerechnet. "Die derzeitige ungewöhnliche Lage in der Arktis ändert diesen positiven Ausblick aber nicht, selbst wenn es in diesem Frühjahr zu einem Rekordozonverlust über der Arktis kommen sollte", so Markus Rex.

Dieser beeindruckende Erfolg macht das Montrealer Protokoll zu dem vielleicht erfolgreichsten internationalen Vertragswerk zum Schutz der globalen Umwelt. Aber: "Leider lassen die sich bereits freigesetzten FCKW aber nicht aus der Atmosphäre entfernen und der natürliche Reinigungsprozess in den Luftschichten ist sehr langsam. Während der nächsten ein bis zwei Jahrzehnte bleibt die arktische Stratosphäre daher nach ungewöhnlichen Kälteperioden sehr anfällig für schwere Ozonverluste", erläutert der AWI-Experte.

StratoClim (Stratospheric and upper tropospheric processes for better Climate predictions) ist ein von der EU über die Dauer von fünf Jahren gefördertes Forschungsprojekt zur Untersuchung von Änderungen der chemischen Zusammensetzung in der Stratosphäre und oberen Troposphäre. Das Konsortium von 28 europäischen Forschungsinstituten wird durch das AWI koordiniert. Die Projektresultate werden direkt die Darstellung von Schlüsselprozessen der Atmosphäre in globalen Klimamodellen verbessern und auf diese Weise das Verständnis des Klimawandels und der ökologischen- und sozio-ökonomischen Auswirkungen verbessern.

Mehr Informationen zu StratoClim finden Sie unter: http://www.stratoclim.org/

Originalpublikation

Beitrag in der Fachzeitschrift Science: Record ozone hole may open over Arctic in the spring (DOI:10.1126/science.aaf4033)

Quelle: Text Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, 25. März 2020
Arktis Erste Hinweise auf beginnende Ozonzerstörung 2005
Die Dobson-Einheit (Dobson Unit, DU)

Um die Ozongesamtmenge in der Atmosphäre über einem bestimmten Ort zu messen, nutzt man die sogenannte "Dobson Einheit" (engl. Dobson Unit, DU).

Die Dobson-Einheit (Dobson Unit, DU) ist definiert als eine 0,01 mm dicke Schicht von reinem Ozon, gemessen am Boden bei einer Temperatur von 0 °C und einem Luftdruck von 1 Atmosphäre. Wäre das gesamte Ozon in einer Luftsäule am Boden konzentriert, so entsprächen 330 DU einer Ozonschicht von 3,3 mm Dicke.

Quelle: BAFU
Perlmuttwolken
Wo sich Perlmuttwolken am Himmel über der Arktis bilden, wird Ozon abgebaut. Der Grund: Die Wolken aus Salpetersäure (HNO3) und Wasser (H2O) verwandeln die normalerweise harmlosen Abbauprodukte der vom Menschen freigesetzten Fluorchlorkohlenwasserstoffe und Halone in ein gefährliches Gemisch aus Radikalen, welches Ozon zerstört.
Perlmuttwolken heissen in der Fachsprache «Polare Stratosphären Wolken» oder englisch «polar stratospheric clouds - PSCs»
Quelle: AWI
Halogene
Zu den Halogenen gehören die chemischen Elemente Fluor (F), Chlor (Cl, Brom (Br), Iod (I) und Astatin (At). Sie sind typische Nichtmetalle. Iod erinnert durch sein Aussehen schon stark an die Metalle. Halogene reagieren bei Lichteinfall mit Farben. Die Farben der Halogene enstehen durch Absorption von sichtbarem Licht.
Halone
Halone ist die Kurzbezeichnung für Halogenkohlenwasserstoffe, also organische Verbindungen. Halone zerstören die Ozonschicht stärker als FCKW-Gase.
Quelle: AWI
Montreal-Protokoll
Das «Montreal-Protokoll», welches 1987 unterzeichnet und inzwischen von mehr als 190 Staaten ratifiziert wurde, regelt das Verbot und den Einsatz ozonschichtabbauender Stoffe. Die Ozonschicht absorbiert einen Grossteil der UV-Strahlung der Sonne und schützt so das Leben auf der Erdoberfläche vor deren schädlichen Einflüssen.
siehe: Montreal-Protokoll
Wie entsteht Ozon? Entstehung, Zerstörung

Ozonloch

Als Ozonloch wird eine starke Ausdünnung der Ozonschicht bezeichnet. Diese wurde Anfang der Achtziger Jahre erstmals von britischen Wissenschaftlern über der Antarktis beobachtet und ist seitdem eine stetig wiederkehrende Erscheinung, die nach folgendem Muster abläuft:

Im antarktischen Winter (Polarnacht, Mai bis August) kühlt die Luft über der Antarktis wegen fehlender Sonnenstrahlung stark ab. Dadurch bildet sich in der Stratosphäre ein extrem starker Windwirbel um die Antarktis herum, der verhindert, dass ozonreiche Luft, die über den niedrigen Breiten gebildet wird, herangeführt werden kann. Durch die Abkühlung entstehen ausserdem so genannte polare stratosphärische Wolken, die im Frühling zusammen mit der wieder einsetzenden Sonnenstrahlung die chemischen Reaktionen des Ozonabbaus in Gang setzen und verstärken.

Eine entscheidende Rolle spielen dabei die vom Menschen in die Atmosphäre gebrachten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Deren Moleküle werden durch das Sonnenlicht in chemisch aktive Halogene - vor allem Chlor und Brom - gespalten, die dann wiederum das Ozon abbauen. Messdaten aus Jahren mit einem besonders starken Ozonabbau zeigen, dass sich der Ozonanteil der Atmosphäre über der deutschen Forschungsstation Neumayer in der Zeit von Mitte bis Ende August, also innerhalb von etwa zwei Wochen, um circa 40 Prozent reduziert hatte. Innerhalb der eigentlichen Ozonschicht in einer Höhe von 15 bis 17 Kilometern waren zur selben Zeit die maximalen Ozonkonzentrationen sogar um 70 Prozent und mehr gesunken.

Ozon (O3) ist ein Sauerstoffmolekül aus drei Sauerstoffatomen.

Es wirkt als sehr starkes Oxidationsmittel mit typischem, leicht stechendem Geruch.

Ozon zerfällt nach kurzer Zeit in normalen Sauerstoff (O2).

Die aggressive Sauerstoff-Form Ozon wird überall dort gebildet, wo durch Energiezufuhr O2 in Sauerstoffatome (O) zerlegt wird, die mit weiterem O2 zu Ozon reagieren können. Dies kann durch UV-Strahlung, Blitzschlag, Schweissen geschehen. Auch elektrische Entladungen von Hochspannungen, wie sie in Photokopierern (Kopieren), Laserdruckern und Luftionisiergeräten auftreten, sind Ozonquellen.
Wie entsteht Ozon? Entstehung, Zerstörung UV-Strahlen sind schädlich

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Weitere Informationen
Ozonschicht über der Antarktis 1994-2004
Ozon-Konzentration über der Antarktis 2007
Antarktis 2011 - Entwicklung der Ozonschicht
Antarktis 2012 - Ozonloch wird kleiner
Antarktis 2013 - Ozonloch bleibt stabil
2014 - Das Ozonloch wird sich schliessen
Antarktis 2015 - Ozonloch löst sich fast auf
Arktis 2020 - Ozonloch in der Arktis beobachtet
Arktis und Antarktis
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