klimanews

Ein Umweltphysiker im Klimawandel

Archiv für November 9th, 2008

Das Ozonloch über der Antarktis wächst derzeit, trotz Abnahme der FCKWs. Sind die FCKWs doch nicht alleine verantwortlich?

with 7 comments

In letzter Zeit ist es still in der Presse geworden um das Ozonloch. Ist die Bedrohung abgewendet? Regeneriert sie die Ozonschicht wieder? Bestand eigentlich jemals eine Gefahr außerhalb der Antarktis? Diese Fragen stellen sich mir.

Zunächst werfen wir einmal einen Blick auf das Ozonloch über der Antarktis. Die folgenden Übersichtskarten zeigen die zeitliche Entwicklung des Ozonloches (Bilder aus Satellitendaten).

ozonloch

Von Ende der 70er Jahre bis 1996 sieht man eine deutliche Vergrößerung des Ozonloches über der Antarktis. Ab 1997 stabilisieren sich die Verhältnisse und es sieht im einem Jahr mal besser aus und in dem anderen mal wieder schlechter. Womit hängt das zusammen?

Von den 30er bis zu den 90er Jahren ist die industrielle Produktion von FCKWs (Verwendung als Treibgase und Kältemittel) stark angestiegen. FCKWs bauen in der Stratosphäre die Ozonschicht, durch chemische Prozesse ab, so dass uns mehr schädliche UV-Strahlung erreichen. Mit dem „Verbot“ der FCKWs (1978 Verbot in den USA und andere Staaten haben mit dem Montrealprotokoll von 1987 nachgezogen) wurde der FCKW-Eintrag in die Atmosphäre stark reduziert. Seit dem Jahr 2000 beobachtet man vermutlich als Folge dieser Vereinbarungen einen Rückgang der Chlorkonzentration in der Atmosphäre. Aber nicht nur durch menschlichen Einfluss, sondern auch durch natürlichen Einfluss gelangen ozonschädliche Verbindungen in die Atmosphäre. Einige Gewächse, wie z.B. Rapspflanzen produzieren ozonschädliche Verbindungen (Methylbromid) und auch Vulkane tragen durch ihre Ausgasungen und Ausbrüche nicht unerheblich zur Ozonzerstörung bei. (Natürliche Ozonkiller).

Eine Eigenart der FCKWs ist, dass sie wegen ihrer „Reaktionsträgheit“ eine hohe Verweildauer in der Atmosphäre haben. Sie sind sehr beständig und bauen sich daher schlecht ab. Obwohl FCKWs seit Mitte der 30er Jahre produziert werden, stieg der troposphärische FCKW-Gehalt erst seit Beginn der 50er Jahre an und nahm bis in die 90er Jahre zu. Seither nimmt der Gehalt beständig ab, was wir dem „FCKW-Verbot“ zu verdanken haben.

fckws

FCKWs (F11, F12, F113) in der Atmosphäre

Ca. 90% des FCKW wurden auf der Nordhalbkugel produziert. Da der Austausch zwischen Nord- und Südhalbkugel durch die getrennte Luftzirkulation stark eingeschränkt ist, ist der Gehalt auf der Nordhalbkugel höher als auf der Südhalbkugel. Entsprechend verhält es sich mit dem Austausch zwischen Troposphäre und Stratosphäre. Die Troposphäre ist die unterste Luftschicht (in 0–12 km Höhe) in der das Wettergeschehen statt findet. Die Temperatur in der Troposphäre nimmt kontinuierlich mit der Höhe ab, von ca. +15°C am Erdboden auf ca. –60°C in 12 km Höhe. Darüber befindet sich die Stratosphäre. In ihr befinden sich 90% des Ozons, der Atmosphäre. Die vorhandene Ozonschicht absorbiert UV-B-Stahlen von der Sonne. Resultat ist eine wärmere Stratosphäre im Vergleich zur oberen Troposphäre. Die gegensätzlichen Temperaturschichtungen erschweren einen Austausch zwischen den beiden Luftsphären. Die Atmosphäre ist aber nicht stagnierend, sondern durchmischt sich. Gase, wie die FCKWs, die in Wasser nicht löslich sind und die in der unteren Atmosphäre chemisch relativ stabil (also nicht reaktiv) sind, werden ebenfalls gemischt und erreichen, obwohl sie schwerer als Luftmoleküle sind, auch die Stratosphäre. Die Durchmischung braucht allerdings ein wenig Zeit, so dass sich die Verhältnisse aus der Troposphäre verspätet in der Stratosphäre abbilden. Somit ist es auch zu erklären, dass sich das FCKW-Verbot erst zeitverzögert auf das Ozonloch auswirken kann.

ozonloch17

Aufbau der Atmosphäre

Kommen wir zu der Ozonverteilung in der Stratosphäre. Zunächst würde man annehmen, dass das Ozon, wie unsere Lufthülle gleichmäßig um unseren Erdball verteilt ist. Die Ozonschicht schützt uns dabei rundum, wie eine gleichmäßig aufgetragene Sonnencreme vor den schädlichen UV-Stahlen der Sonne. Wird das Ozon durch FCKWs zerstört, sollte man meinen, dass der Schutzschild sich auch gleichmäßig abschwächt. Aber ist das der Fall?

Dazu werfen wir einmal einen Blick auf die globale Ozonverteilung in der Stratosphäre, als Draufsicht und als vertikaler Schnitt.

ozonloch02

Schaut man sich in der Stratosphäre die einfallende UV-Strahlung der Sonne an, so bekommen die Tropen am meisten ab. Zu den Polen hin wird die Strahlung weniger (aufgrund des schrägeren Einfallwinkels). Eigentlich sollte sich das Ozon ebenso verhalten, um einen maximalen Schutz vor den UV-Stahlen der Sonne zu haben. Tut es aber nicht. Im Gegenteil: Die Tropen bekommen am wenigsten Ozon ab, die gemäßigten Breiten dafür am meisten. Nur über der Antarktis und Antarktis wird es dann wieder weniger. Ursache: Die Luftzirkulationen in der Stratosphäre (Brewer-Dobson-Zirkulation) schieben das Ozon von den Tropen (wo es vermehrt auch gebildet wird) weg nach Norden und Süden. Im Nordwinter nach Norden und im Südwinter nach Süden. (Zur Ozonbildung: Über der tropischen Aufstiegszone steigt warme Luft auf und transportiert den Luftsauerstoff (O2) bis in die Stratosphäre. Dort wird unter Wirkung von kurzwelligen UV-C-Strahlen dann Ozon (O3) produziert. Auch die Sonnenaktivität (der Sonnenzyklus) ist bei der Ozonbildung von entscheidender Bedeutung).

Brewer-Dobson-Zirkulation: Das Ozon in der Stratosphäre wird vom Bildungsgebiet in den Tropen zu den Polen verschoben. Im Nordwinter nach Norden und im Südwinter nach Süden.

Die Folge des Lufttransportes ist: Das Ozon wird angehäuft, besonders über der kanadischen Arktis und über Sibirien. Dort ist die Ozonschicht am dichtesten.

Die Ozonverteilung ist aber nicht nur regionalen, sondern auch jahreszeitlichen und täglichen Schwankungen unterlegen. Täglich werden neue Bilder aus den Satellitendaten erstellt. Auch das Ozonloch über der Antarktis unterliegt jahreszeitlichen und täglichen Schwankungen. Die Größte Ausprägung wird im antarktischen Frühjahr (auf der Nordhalbkugel ist dann Herbst), also im September und Oktober erreicht. Warum ist das so?

Alljährlich während des Frühlings auf der Südhalbkugel geht das Gesamtozon über der Antarktis um typischerweise 60 Prozent zurück. Das antarktische Ozonloch ist vermutlich die Folge anthropogener (menschlicher) Produktion und Emission von FCKWs, sowie der vorhandenen natürlichen Ozonkiller und den besonderen meteorologischen Bedingungen im Polarwirbel über der Antarktis. Im Winter sinken hier die Temperaturen in der Stratosphäre soweit ab, dass sich polare Stratosphärenwolken bilden können. In diesen Wolken werden Teile der FCKWs angelagert und umgewandelt. Mit Ende der Polarnacht werden diese Verbindungen zu so genannten Radikalen aktiviert und führen zur massiven Ozonzerstörung. So die Theorie.

Es sind warscheinlich also zwei Ursachen, die für das Auftreten des antarktischen Ozonloches verantwortlich sind. Einerseits die FCKWs, sowie natürliche Ozonkiller und andererseits der kalte Polarwirbel über der Antarktis. Nur in Kombination führen sie zum Auftreten eines Ozonloches. In den Sommermonaten der Antarktis ist es zu warm, so dass sich kein großflächiges Ozonloch ausbilden kann. Auch das verhältnismäßig kleine Ozonloch im September 2002, ist vermutlich auf eine plötzliche Erwärmung der Stratosphäre im der antarktischen Winterzeit zurückzuführen.

Zum Prozess und den Unterschieden im Vergleich zur Arktis: Auch in der Arktis gibt es einen Polarwirbel. Im Norden ist die Verteilung von Wasser und Land ungleichmäßiger und der Polarwirbel schwächer ausgeprägt. Der nördliche Polarwirbel bricht im Winter und vor allem im frühen Frühjahr häufiger zusammen und erlaubt so warmen Luftmassen aus mittleren Breiten in die Arktis-Stratosphäre einzuströmen. Es kommt zu sog. “sudden stratospheric warmings” (SSW, plötzliche Stratosphärenerwärmungen). Diese Störungen des polaren Luftwirbels werden durch großräumige sog. planetare Wellen verursacht, die in der Atmosphäre – ähnlich wie Wellen auf den Ozeanen – um den Pol laufen. Diese polaren planetaren Wellen sind durch ihren Energieeintrag auch verantwortlich für eine historisch wärmere Arktis-Stratosphäre im Vergleich zur antarktischen und damit für den geringeren Ozonverlust in den jeweiligen Frühjahren. Die südpolaren planetaren Wellen sind im Gegensatz dazu in der Regel zu schwach, um den dortigen Wirbel wesentlich stören zu können. (Eine Ausnahme war im September 2002). Es hat sich gezeigt, dass die Luft im Inneren des südlichen Polarwirbels stark von der umgebenden Luft abgeschirmt ist. Am Rand des Wirbels und im Inneren gibt es gleich zwei Barrieren, die den Austausch zwischen ozonarmen und ozonreichen Luftmassen verhinderten. Der südliche Polarwirbel wird tendenziell immer kälter und stabiler, es bildeten sich als Folge Eiswolken, an denen dann der bekannte Ozonabbau stattfindet.

polarwirbel

Südpolarwirbel

Fazit: Erst die Wetterbedingungen über der Antarktis ermöglichen die Ausprägung eines Ozonloches, welches zeitlich und örtlich begrenzt ist auf das antarktische Frühjahr und auf die Antarktis. Überall anders auf der Welt sind die Bedingungen der Antarktis nicht gegeben. Folglich bildet sich dort auch kein solches Ozonloch aus.

Grundsätzlich führen die FCKWs, wie auch die natürlichen Ozonkiller, aber auch global zu einem Abbau des Ozons in der Stratosphäre. Die „Ausdünnung“ erfolgt aber über die gesamte restliche Atmosphäre verteilt und damit im wesendlich schwächeren Maßstab. Die Folge ist u.a. eine niedrigere Stratosphärentemperatur, da weniger Ozon vorhanden ist, welches UV-Strahlen absorbiert und damit zur Erwärmung der Stratosphäre beiträgt. Die globale Ozonausdünnung ist aber dermaßen gering, dass der „UV-Schild“ dadurch nicht großflächig geschwächt wird. Zudem regeneriert sich die Ozonschicht, vermutlich infolge des Verbots der FCKWs, langsam wieder.

ozonloch20

Veränderungen in der Ozonschicht und Stratosphärentemperatur: Der obere Teil der Abbildung zeigt, wie sich der Ozongehalt der Stratosphäre (global) über die Zeit hinweg verändert hat. (Gezeigt werden Jahresmittelwerte aus Satellitendaten in Bezug zum Referenzmittelwert der Jahre 1964-1980. Zuwächse und Abnahmen werden in % dargestellt). Ein Ozonschwund ist von den 80er bis frühen 90er Jahren zu verzeichnen und gipfelt nach dem Vulkanausbruch des Pinatubo von 1991. (Ausstoß ozonschädigender Verbindungen). Danach erholt sich die Ozonschicht wieder. Der untere Teil der Abbildung zeigt die mit dem Ozonabbau eingehenden Veränderungen in der Stratosphärentemperatur. (Global ist eine Temperaturabnahme von ca. -½ Grad seit den 80er Jahren in der unteren Stratosphäre zu verzeichnen, welche sich mit der Erholung der Ozonschicht stabilisiert hat. Unterbrochen wird das Geschehen durch den Pinatubo-Ausbruch von 1991. (Ausstoß von absorbierenden Aerosolen)).

Auch jenseits der Pole gibt es Effekte, die zu einem Ozonloch führen können: Hin und wieder kommt es zu Stürmen, z.B. im Bereich des Nordatlantiks, die Löcher in die Atmosphäre und damit die Ozonschicht reißen. (Ozonreiche Luft und ozonarme Luft vermischen sich, dadurch wird die Ozonschicht der Stratosphäre „ausgedünnt“). Beispiele hierfür zeigen die nächsten Abbildungen. Man sieht hier ein deutliches Ozonloch über den Nordatlantik, in der Größe von Europa. In der zweiten Abbildung sieht man neben diesen Ozonloch, dass saisonale Ozonloch über der Antarktis.

Siehe dazu auch:
http://www.esa.int/esaCP/ESAT6CZ84UC_Germany_0.html
http://innovations-report.de/html/berichte/geowissenschaften/bericht-5614.html

ozonloch04

ozonloch05

Weitere Beispiele für nicht weiter erklärte Ozonlöcher zeigen die folgenden Abbildungen. Eines ebenfalls im Bereich des Nordatlantiks und eines in den Tropen zwischen Australien und Südamerika.

ozonloch06

ozonloch07

Sondermeldung: Im Frühjahr 2004 und 2005 wird ein drastischer Ozonabbau über Europa gemeldet

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), meldet im Frühjahr 2005 einen drastischen Ozonabbau über Europe und weist auf ein Ozonloch hin. Siehe unter: http://www.dlr.de/desktopdefault.aspx/tabid-614/987_read-1382/ (dazu Abbildung 1)

Wissenschaflter der Universität Colorado melden für das Frühjahr 2004 einen Ozonrückgang (bzw. ein Ozonloch) über Nordeuropa, (Nordamerika, Nordasien). Siehe unter: http://relaunch.stern.de/wissenschaft/natur/537240.html?nv=ct_mt (dazu Abbildung 2)

Was ist davon zu halten?

Werfen wir einen Blick auf die Satellitendaten und die Ozonkonzentration.

In der folgenden Abbildung ist die Ozonkonzentration angegeben in mm Ozonsäule/100, was der Einheiten DU, oder matm-cm aus den vorherigen Abbildungen entspricht.

ozonloch08

Abbildung 1: (DLR: Ozonabbau Frühjahr 2004->2005) (Die Jahreszahlen 2004 & 2005 wurden vermutlich vertauscht, denn in der unteren Bildhälfte ist die Ozonschicht besonders stark. Gekennzeichnet durch rote Bereiche. Das würde eine Zunahme bedeuten & keine Abnahme. Max. Ozonkonzentrationen werden über der kanadischen Arktis und Sibirien erreicht. Ein Ozonloch (Dunkelblau/Violett) ist nicht zu sehen)

ozonloch09

Abbildung 2: Univ. Colorado: Ozonloch Feb./März 04 (Auch hier zeigen die roten Bereiche eine hohe Ozonkonzentration, besonders über der kanadischen Arktis und Sibirien. Über Skandinavien und im Bereich der Barentssee (Norwestsibirien) sind die Werte geringer, halten sich aber im mittleren Bereich auf (Grün). Die selben Verhältnisse wie in den Tropen, nur dort ist die Sonneneinstrahlung intensiver. Ein Ozonloch (Dunkelblau) ist nicht zu sehen)

Rot stellt eine besonders hohe Ozonkonzentration dar. Eine mittlere Ozonkonzentration wird absteigend über die Farben Gelb, Grün, Hellblau, bis Blau angezeigt. Eine besonders niedrige Ozonkonzentration, d.h. ein Ozonloch wird durch die Farbe Dunkelblau bis Violett angezeigt.

Was man zunächst sieht ist, dass die Ozonkonzentration jeweils im Frühjahr (Februar und März) ein Maximum über der Nordhalbkugel erreicht. Gezeigt durch die Rotfärbung. Das ist der Normalzustand für die Jahreszeit und auf den Einfluss des instabilen Nordpolarwirbel in dieser Jahreszeit zurückzuführen. (Auf der Südhalbkugel herrscht hingegen der stabile Südpolarwirbel vor und es kommt alljährlich im antarktischen Frühjahr (Sep./Okt.) zur Ausbildung eines Ozonloches über der Antarktis).

Nirgendwo anders auf der Nordhalbkugel ist die Ozonschicht vor allem im Frühjahr dicker, als um die Arktis (kanadische Arktis, Sibirien). Dort herrscht also maximaler Schutz vor UV-Strahlen vor. Richtung Äquator nimmt die Ozonkonzentration und der UV-Schutz beständig ab. (Zurückzuführen ist das auf die Umverteilung in der Stratosphäre).

Von der DLR wird ein Jahresvergleich von Frühjahr 2004 zum Frühjahr 2005 durchgeführt. Man kommt zu den Ergebnis, dass die Ozonschicht über der Nordhalbkugel dünner geworden ist. Das ist richtig (wenn ich davon ausgehe, dass die Jahreszahlen 2004 und 2005 versehendlich in der Abbildung vertauscht wurden), aber nicht weiter verwunderlich, da der Einfluss des Nordpolarwirbels von Jahr zu Jahr unterschiedlich ist. Im Frühjahr 2005 haben kältere Verhältnisse im Bereich des Nordpolarwirbels vorgeherrscht, als im Jahr zuvor. Als Folge bilden sich Eiswolken, an denen dann der bekannte Ozonabbau stattfindet. Das hat aber nicht mit einem Mehr an FCKWs in der Atmosphäre zu tun. Wie man sieht, ist die Ozonschicht noch im roten Bereich, also besonders dick und es ist nichts vom einem Ozonloch (Dunkelblau, Violett) zu sehen.

Selbes gilt für das von der Universität Colorado gemeldete Ozonloch für das Frühjahr 2004. Die Ozonverteilung (Abbildung 2) stimmt weitestgehend mit der aus Abbildung 1 (mittleres und rechtes Bild der unteren Bildhälfte) überein. Von einem Ozonloch ist nichts zu sehen. Die DLR hat für das Frühjahr 2004 auch keine Ozonabnahme und kein Ozonloch vermeldet.

Jahreszeitliche Schwankungen treten immer auf, auch im Bereich des Südpolarwirbels, wie das besonders schwache Ozonloch der Jahre 2002 und 2004 über der Antarktis zeigt.

Sondermeldung: Noch im letzten Jahr wurde von der ESA und DLR vermeldet, dass das Ozonloch über der Antarktis im Vergleich zu Rekordjahr 2006 um 30% geschrumpft ist.

ozonloch18

http://www.esa.int/esaCP/SEM6MD7H07F_index_0.html

Zurückgeführt wurde das auf natürliche Variationen.

In diesem Jahr wird hingegen vermeldet, dass das Ozonloch im Vergleich zum Vorjahr wieder deutlich angewachsen ist, aber noch knapp unter dem Rekordjahr von 2006 in der Ausdehnung liegt.

http://www.focus.de/wissen/wissenschaft/klima/satellitendaten-das-ozonloch-waechst_aid_338854.html

http://www.esa.int/esaEO/SEMREL9FTLF_index_0.html

Erneut werden die Wetterbedingungen im antarktischen Polarwirbel für die Schwankungen verantwortlich gemacht.

Im Anbetracht des Auf und Ab (für das nicht mehr die FCKWs verantwortlich sein können, deren Konzentration sinkt bekanntlich seit Jahren) stellt sich mir die Frage, ob vielleicht der (bisher angenommene) Einfluss der FCKWs auf das Ozonloch überbewertet wurde und wird?

Diesen Verdacht legen auch neuere Studien nahe, die einen Zusammenhang zwischen der kosmischen Strahlung und der Größe des Ozonlochs sehen. (Korrektur: Es müsste heißen – Diesen Verdacht legen auch neuere Studien nahe, die einen Zusammenhang zwischen dem verstärkenden Effekt der kosmischen Strahlung auf die FCKWs und der Größe des Ozonlochs sehen. Danke an Eddy).

Siehe:
http://newsrelease.uwaterloo.ca/news.php?id=4997
http://focus.aps.org/story/v8/st8

Q. B. Lu and L. Sanche, 2001, “Effects of Cosmic Rays on Atmospheric Chlorofluorocarbon Dissociation and Ozone Depletion”, Physical Review Letters 87, 078501

Das die (bisher angenommene) Bedeutung von FCKW als „Ozonkiller“ möglicherweise überschätzt wird, darauf wies bereits vor einem Jahr der Atmosphärenphysiker Markus Rex vom Potsdamer Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung hin.

Rex, ein international renommierter Ozonloch-Experte, der bereits seit gut 15 Jahren auf diesem Gebiet forscht, war 2007 auf neues Datenmaterial des „Jet Propulsion Laboratory“ der NASA gestoßen. Bei der Analyse der sehr genauen Messdaten stellte er fest, dass diese nicht in Einklang mit den seit vielen Jahren gängigen Ozonverlust-Modellen zu bringen waren, bei denen FCKW der entscheidende Einflussfaktor war. Entweder mussten also die Messungen falsch gewesen sein (was nicht anzunehmen ist), oder es gibt einen bisher noch nicht bekannten Mechanismus, der wesentlich (über 60 Prozent) zum Ozonverlust beiträgt.

Siehe hier:
http://climatereview.wordpress.com/2008/10/30/ozonloch/#comment-133
http://www.iup.uni-bremen.de/sciamachy/sparc/downloads/rexnatlsparc2007.pdf

Die hohe Wahrscheinlichkeit, dass FCKW (ohne verstärkende Einflüsse) doch nicht der entscheidende Treiber bei der Entstehung des Ozonlochs ist, hat in der einschlägigen Wissenschaftsszene jedenfalls für erhebliches Aufsehen gesorgt. In der Berichterstattung der Massenmedien haben die neuen Erkenntnisse bislang aber so gut wie keinen Niederschlag gefunden – aus welchen Gründen auch immer.

Hier eine erfreuliche Ausnahme aus der Berliner Zeitung vom 02.10.2007

Beim Ozonloch ist noch vieles unklar
https://www.berlinonline.de/berliner-zeitung/archiv/.bin/dump.fcgi/2007/1002/wissenschaft/0060/index.html

Zudem sollte man bedenken:

Auch Pflanzen liefern einen messbaren Beitrag an ozonschädigenden Verbindungen. Kreuzblütengewächse produzieren Methylbromid. Allein der Raps produziert 6600 Tonnen im Jahr, dies ist ein Anteil von 15% dessen, was immer noch industriell hergestellt wird. Insbesondere die Biospriterzeugung ist hier ein Hauptverursacher. Zudem entweichen auch bei Vulkanausbrüchen ozonschädigende Halogenverbindungen.

Written by admin

Sonntag, 9 November, 2008 at 15:39

Veröffentlicht in Klimawandel, Nicht kategorisiert

Follow

Erhalte jeden neuen Beitrag in deinen Posteingang.