Unsere Erde ist ein einzigartiger Planet. Er bietet Lebensraum für unzählige Tiere, Pflanzen und Menschen. Dass das möglich ist, liegt vorwiegend an den besonderen Eigenschaften der Erde. Neben dem perfekten Abstand zur Sonne besitzt sie einen natürlichen Schutzschild, der das Leben auf der Erde ermöglicht. Dieser Schild ist die Ozonschicht. Was genau ist die Ozonschicht? Hat die Ozonschicht mehr als eine Funktion?
Ozonschicht – Definition
Der Begriff Ozonschicht beschreibt eine Ansammlung des Gases Ozon O3 über der Erde. Das Gas umschließt den gesamten Planeten und hat eine bedeutende Schutzfunktion für dessen Bewohner.
Die Ozonschicht ist ein Bereich mit einer erhöhten Konzentration des Gases Ozon (O3) in der Erdatmosphäre. Wie eine Hülle umschließt die Ozonschicht die gesamte Erde.
Als Entdecker der Ozonschicht gelten die französischen Physiker Charles Fabry und Henri Buisson. Sie wiesen 1913 durch UV-spektroskopische Messungen (Methode zur Messung von UV-Molekülen) Ozon in höheren Atmosphärenschichten nach.
Ozonschicht – Höhe
In Abbildung 1 ist die Erdatmosphäre – die gasförmige Hülle der Erde – abgebildet. Die Atmosphäre besteht zusätzlich aus verschiedenen Schichten. Dazu gehören die erdnahe Troposphäre, die Stratosphäre, die Mesosphäre und die Thermosphäre. Die Ozonschicht befindet sich in einer Höhe von 15 bis 40 Kilometer über der Erde zwischen der Troposphäre und Stratosphäre. Der größte Anteil der Ozonschicht liegt in der unteren Stratosphäre. Die Höhe der Ozonschicht variiert und ist nicht gleichbleibend.
In den gemäßigten Klimazonen befindet sich die Ozonschicht auf einer Höhe von 15 bis 25 Kilometer. In tropischen Klimazonen erreicht das Ozon Höhenbereiche bis zu 30 Kilometer.
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Ozonschicht – Entstehung
Das Ozon der Ozonschicht entsteht hauptsächlich aus dem Luftsauerstoff, wobei dessen Moleküle Sauerstoff (O₂) durch die energiereichen Ultraviolettstrahlen des Sonnenlichts (UV-C) zu Sauerstoffatomen gespalten werden. Die Sauerstoffatome verbinden sich dann sofort mit einem weiteren O₂, woraus dann Ozon (O3) wird.
Da Ozon lichtempfindlicher als O₂ ist, absorbiert es die UV-Strahlung der Sonne und schützt damit das Leben auf der Erde vor Strahlungsschäden. Durch die hohe Konzentration an Sauerstoff und Ozon in der unteren Stratosphäre entsteht eine Hülle, welche die gesamte Erde umgibt - die Ozonschicht.
Obwohl das meiste Ozon im Bereich des Äquators entsteht, befindet sich der überwiegende Teil des Ozons in den gemäßigten und höheren Breiten der Erde. Grund dafür sind die Strömungen des Planeten.
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Ozonentstehung in der Stratosphäre
In der Abbildung 2 wird verdeutlicht, wie das Ozon in der Stratosphäre durch die UV-Strahlung der Sonne entsteht.
Stickstoffdioxid (NO2) gilt als wichtigster Vorläufer für die Ozonbildung und zerfällt durch UV-Licht zu Stickstoffmonoxid (NO) und atomarem Sauerstoff (O).
Das Sauerstoffmolekül O₂ wird durch die energiereiche UV(B)-Strahlung gespalten. Zurück bleiben zwei Sauerstoffatome O.
Die entstandenen Sauerstoff-Radikale (O) sind sehr reaktionsfreudig und verbinden sich mit anderen Sauerstoffmolekülen – es entsteht Ozon O3.
Das Ozon sammelt sich konzentriert in der Stratosphäre an. Daher bezeichnet man dieses Vorkommen als Ozonschicht.
Ozonschicht – Funktion
Die Ozonschicht ist lebensnotwendig für das Leben auf der Erde. Als natürlicher Schutzschild blockiert sie schädliche Sonnenstrahlung und reguliert die Temperatur und das Klima der Erde.
Ozonschicht Funktion – Schutzschild der Erde
Da sich das Ozon in der Stratosphäre konzentriert, bildet sich hier eine Schicht. Diese blockiert einen Großteil der Sonnenstrahlen und verhindert, dass zu viel er ultravioletten Strahlung (UV(C)-Strahlen) des Sonnenlichts auf die Erde einstrahlt.
Das ist lebenswichtig für alle Lebewesen, da die ultravioletten Sonnenstrahlen die Zellen von Tieren und Pflanzen zerstören und die Haut des Menschen schädigen würde. Solange die Ozonschicht in der Stratosphäre intakt ist, wirkt sie wie ein riesiger lebensnotwendiger Schutzschild vor aggressiver Sonnenstrahlung.
UV(C)-Strahlen sind kurzwelliger und energiereicher als UV(A)- und UV(B)-Strahlen und werden von der Erdatmosphäre absorbiert. Das heißt, die Strahlen gelangen nicht bis zur Erdoberfläche. UV(B)-Strahlen gelangen in die Stratosphäre und werden dort größtenteils angefangen. UV(A)-Strahlen dringen hingegen durch die Stratosphäre und die Troposphäre hindurch und erreichen somit die Erdoberfläche.
Ozonschicht Funktion – Temperaturregulation der Erde
Die Ozonschicht hat zudem enorme Auswirkungen auf die Temperatur der Stratosphäre. Einerseits durch die Absorption des ultravioletten Lichtes der Sonne und anderseits durch die Reflexionsfähigkeit von Ozon. Ozon ist ein angewinkeltes Molekül und IR-aktiv - das heißt, dass es Wärme reflektiert. Sprich, Ozon strahlt die Wärme der Sonne wieder in den Weltraum ab und verhindert die Erwärmung der Erde.
An heißen Sommertagen und bei viel Verkehr mit starken Abgasen kann Ozon auch nahe der Erdoberfläche gebildet werden. Das ist allerdings schädlich und gesundheitsgefährdend. Es kann zu Augen- und Hautreizungen, Kopfschmerzen und Atemproblemen führen.
Wenn der Ozongehalt einen bestimmten Schwellenwert erreicht, werden seit einigen Jahren von Fernsehen und Radio Ozon-Warnungen herausgegeben. Dann wird Dir von körperlichen Anstrengungen im Freien abgeraten.
Ozonschicht – Dicke und Messung
Da die Ozonschicht aus dem Spurengas Ozon besteht, ist sie nicht an jeder Stelle gleich dick. Durch atmosphärische Zirkulation, die Erdrotation, den Meeresströmungen und Klima bleibt das Gas in Bewegung. Folglich ist die Konzentration von Ozon an einer Stelle nicht immer gleich – die Ozonschicht ist unterschiedlich dick und verändert sich ständig.
Wie unterschiedlich dick die Ozonschicht ist, lässt sich in der Abbildung 3 gut erkennen. In Mitteleuropa liegt der Wert zwischen 330 und 360 DU. Das entspricht 3,3 bis 3,6 Millimeter. Das ist allerdings nicht die Dicke der Ozonschicht. Das Ozon verteilt sich über mehrere Kilometer in der Atmosphäre.
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Maßeinheit
Das Spurengas Ozon wird in Dobson-Einheiten gemessen. Die Maßeinheit wird in DU abgekürzt und kommt aus dem englischen Sprachgebrauch für Dobson-Unit. Die Darstellung in Abbildung 3 reicht von 200 bis 450 Dobson, wobei ein hoher Wert besser ist als ein geringer Wert. Das liegt daran, dass eine höhere Konzentration von Ozon in der Stratosphäre erwünscht ist. Wäre der Wert zu gering und somit die Konzentration von Ozon gering, würden mehr schädliche UV-Strahlen auf der Erde eintreffen.
In unserer Erklärung zur Wärmestrahlung kannst Du mehr über die Sonnenstrahlung erfahren!
Messverfahren
Die Konzentration, sprich die Dichte der Ozonschicht, wird mithilfe von Stratosphärenballons in 30 Kilometer Höhe gemessen. Solche Ballons bestehen aus hochelastischem Naturkautschuk (also aus Gummi), die mit Helium, Wasserstoff oder Ballongas gefüllt sind. Je nach Größe des Ballons können sie Nutzlast in bis zu 30 Kilometer Höhe transportieren.
Helium, Wasserstoff und Ballongas sind wesentlich leichter als Luft, weshalb sie nach oben steigen. Füllt man einen Gegenstand mit einem solchen Stoff, beginnt er abzuheben. Je mehr Gas verwendet wird, desto mehr Last kann er zum Fliegen bringen.
An den Stratosphärenballons sind Sonden befestigt, die mittels einer chemischen Kaliumjodid-Lösung den Ozongehalt der Stratosphäre messen. Während des Aufstiegs funken sie permanent die ermittelten Daten an Wetterstationen zur Erde. Diese Daten werden auch für die Analyse zur Entwicklung des Klimawandels genutzt.
Mithilfe eines Stratosphärenballons schaffte es auch der Extremsportler Felix Baumgartner 2012 in die Stratosphäre. In einer Kapsel stieg er auf eine Höhe von 40 Kilometer in die Stratosphäre auf, um von dort aus auf die Erde zu springen.
Ozonschicht und Klimawandel
Der Klimawandel zeigt nicht nur Auswirkungen auf der Erdoberfläche, auch die Atmosphäre ist empfindlich und von der globalen Erwärmung betroffen. Seit Beginn des Industriezeitalters hat sich Ozon neben Kohlendioxid und Methan zu einem wichtigen Gas im Kontext des Klimawandels entwickelt. Einerseits schützt uns die Ozonschicht in der Stratosphäre vor den energiereichen und gefährlichen UV-Strahlen, andererseits kann Ozon, wenn es in Bodennähe auftritt, Atemwegserkrankungen hervorrufen und den Treibhauseffekt antreiben. Sprich, in der Stratosphäre ist es nützlich, für Klima und Gesundheit, am Boden aber schädlich.
Der Klimawandel ist ein globales Problem. Mehr zum Thema findest Du in unserer Erklärung!
Ozon als Beschleuniger des Treibhauseffekts
Entsteht das Spurengas Ozon in Bodennähe, kann es die Erderwärmung beschleunigen und den Klimawandel weiter antreiben. In der tiefer liegenden Troposphäre trägt Ozon zum menschengemachten Treibhauseffekt bei.
Der Treibhauseffekt ist ein Phänomen, welches durch die Verbreitung von bestimmten Gasen entsteht. Sonnenlicht trifft als UV-Strahlung auf die Erde. Die kurzwelligen und energiereicheren UV(B)- und UV(C)-Strahlen gelangen dabei nicht bis zur Erdoberfläche. UV(A)-Strahlen werden hingegen zur Erdoberfläche durchgelassen. Dort werden sie reflektiert und als Wärmestrahlung zurück in die Atmosphäre geschickt.
Je höher die Treibhausgaskonzentration ist, desto schwerer können die Wärmestrahlen, die von der Erde reflektiert werden, die Atmosphäre verlassen. So heizt sich die Atmosphäre wie in einem Treibhaus auf, woraus die Ausdrücke Treibhauseffekt und Treibhausgase abgeleitet werden.
Ozon ist ungleichmäßig über den Globus verteilt und entsteht aus sogenannten Vorläufergasen – das sind vor allem Stickoxide und Kohlenmonoxid, die bei Verbrennungsprozessen entstehen. Solche Prozesse sind vorrangig in Ballungsgebieten mit viel Autoverkehr und Industrieanlagen zu finden. In großen Städten kann Ozon als Smog über der Stadt liegen und schwere Augen- und Atemreizungen hervorrufen.
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Fluorchlorkohlenwasserstoffe als Treibhausbeschleuniger
Besonders gefährlich für die Ozonschicht ist das Treibhausgas Fluorchlorkohlenwasserstoff, kurz FCKW. Bis vor einiger Zeit wurde es als Gas in Spraydosen, als Kältemittel in Kühlschränken und Klimaanlagen sowie als Lösungsmittel verwendet.
In der Stratosphäre werden Fluorchlorkohlenwasserstoffe durch die Strahlung der Sonne gespalten. Dabei entstehen Chlor-Atome (Chlorradikale), die mit den Ozonmolekülen zu Sauerstoffmolekülen und Chloroxid-Atomen reagieren. Die Chloroxid-Atome bzw. Chloroxid-Radikale reagieren mit weiteren Ozonmolekülen, wobei wieder molekularer Sauerstoff und Chlor-Atome entstehen.
Diese wirken beim Zerstörungsprozess des Ozons als Katalysator: Das heißt, dass sie eine chemische Reaktion in Gang setzen und aus der unverändert herausgehen. So kann ein Chlor-Atom durchschnittlich 100 000 Ozonmoleküle zerstören. In der Abbildung 4 wird der Prozess anschaulich dargestellt.
Ozonloch
Ist die Ozonschicht einer andauernden hohen Belastung von Treibhausgasen wie FCKW ausgesetzt, wird sie beschädigt und zerstört. Erste Entdeckungen machten Wissenschaftler in den 1980er-Jahren. Sie beobachteten, dass sich jedes Jahr ein riesiges Loch in der Ozonschicht über der Antarktis ausbildet.
Unter einem Ozonloch versteht man eine starke Ausdünnung der Ozonschicht, die durch die Einwirkung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) entsteht.
In diesem Sinne ist das Ozonloch kein richtiges Loch, sondern eine dünne Stelle in der Ozonschicht. In der ersten Septemberhälfte ist dieses Ozonloch normalerweise am größten, die Ozon-Konzentration am niedrigsten. Von einem Ozonloch wird dann gesprochen, wenn die Dicke auf unter 200 DU fällt. In der Regel liegt der Durchschnitt in der Antarktis bei 350 Dobson.
Natürliches Ozonloch – Beispiel
Für eine anschaulichere Erläuterung der Ozonzerstörung soll das Ozonloch über der Antarktis genauer betrachtet werden. In Abbildung 5 findest Du eine Grafik dazu. Das Ozonloch am Südpol entsteht dadurch, dass durch Vulkanausbrüche Schwefelverbindungen in die Atmosphäre gelangen. Infolgedessen kommt es zur Entstehung von Polaren Stratosphärischen Wolken (PSC).
Wird es besonders kalt, können zudem Wasserdampf und Salpetersäure zusammen „ausfrieren“. Der in der Abbildung 5 abgebildete Polarwirbel sorgt dann dafür, dass das Gemisch an Ort und Stelle gehalten wird und keine wärmere Luft eindringen kann. Dadurch wird die Ozonschicht innerhalb dieses Polarwirbels immer weiter ausgedünnt und es entsteht ein Ozonloch.
Salpetersäure ist in diesem Fall ein Produkt, welches aus chemischen Reaktionen von FCKW und Ozon entstanden ist. Mit anderen Worten, es enthält ozonschädigende Stoffe.
Ozonschicht – Schutzmaßnahmen
Sicher ist, dass die Verringerung der Dicke der Ozonschicht und die damit verbundene Erhöhung der schädlichen kurzwelligen UV-Strahlung auf das Wirken der Menschen zurückzuführen sind.
Um einen weiteren Abbau der Ozonschicht zu verhindern, gilt es einige Schutzmaßnahmen zu treffen. Besonders wichtig ist es, die weltweite Emission der Stoffe zu verringern, die zum Abbau der Ozonschicht beitragen. Auch einzelne Personen können sich am Schutz der Ozonschicht beteiligen.
Nachdem in den 1980er-Jahren festgestellt wurde, dass FCKW starke Schäden in der Ozonschicht verursacht, legte das Montrealer Protokoll im Jahr 1987 den schrittweisen Verzicht auf FCKW fest. Dadurch wurde schrittweise ein weltweites Verbot von FCKW ausgesprochen. 1993 lief in Sachsen der erste FCKW-freie Kühlschrank vom Band und Spraydosen enthalten nun kein FCKW mehr.
Ozonabbauende Produkte vermeiden
In erster Linie sollte darauf geachtet werden, ozonabbauende Produkte zu vermeiden. Auch wenn ein Verbot für FCKW gilt, sollten die Inhaltsangaben von Spraydosen vor der Verwendung geprüft werden. Zudem sind manche Holzprodukte mit Brommethyl behandelt worden, worauf verzichtet werden sollte.
Klimafreundliche Mobilität
Des Weiteren lohnt es sich, weniger mit dem Auto zu fahren und mehr auf das Fahrrad zurückzugreifen. Distickstoffmonoxid (Lachgas) ist heutzutage die größte ozonabbauende Substanz, die durch menschliche Aktivitäten freigesetzt wird. Dieses Treibhausgas wird hauptsächlich durch Verbrennungsmotoren freigesetzt. Hier gilt, wenn möglich, mehr Wege mit dem Fahrrad zu fahren oder Fahrgemeinschaften zu bilden.
Fleischkonsum reduzieren
Weniger Fleisch zu konsumieren, ist ebenfalls eine gute Maßnahme, um die Ozonschicht zu schützen. Der produzierte Mist in Schweine-, Rind- und Geflügelzuchtanlagen stößt ebenfalls hohe Mengen an Distickstoffmonoxid aus. Zudem kann der Kauf von regionalen Produkten eine Menge CO₂ sparen.
Erholung der Ozonschicht
Hauptverantwortlich für die Entstehung des Ozonlochs waren die FCKW. Da diese mittlerweile verboten sind, nimmt auch die Dicke der Ozonschicht wieder etwas zu. Ein Problem ist dabei, dass der Stoff eine Lebensdauer von mehr als 100 Jahren hat. Zudem braucht es Zeit, bis die FCKW überhaupt die Ozonschicht erreichen. Die Konzentration hatte um das Jahr 2000 herum sein Maximum erreicht und baut sich seitdem langsam wieder ab.
Besonders in der Antarktis lässt sich der Rückgang des Ozonlochs beobachten. Experten schätzen, dass sich die Ozonschicht bis Mitte des Jahrhunderts vollständig erholt haben könnte. Steigt jedoch der Ausstoß von anderen Treibhausgasen wie Distickstoffmonoxid, kommt es erneut zum Abbau von Ozon in der Ozonschicht.
Mehr zum Thema Ozonloch erfährst Du in der entsprechenden Erklärung!
Ozonschicht - Das Wichtigste
- Die Ozonschicht ist ein Bereich mit einer erhöhten Konzentration des Gases Ozon (O3) in der Stratosphäre. Auf einer Höhe zwischen 15 - 40 Kilometer umschließt sie die Erde wie eine Hülle.
- Funktion der Ozonschicht umfasst etwa die Blockierung aggressiver UV-Strahlen des Sonnenlichts, welche Zell- und Hautschäden verursacht. Außerdem reflektiert die Ozonschicht Wärmestrahlen der Sonne zurück ins Weltall.
Unter dem Begriff Ozonloch wird eine Ausdünnung der Ozonschicht in der Erdatmosphäre verstanden, die primär in den Polarregionen auftritt.
- Ausgelöst wurden die Ozonlöcher zu Beginn hauptsächlich durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die mit den Ozonmolekülen (O3) in der Stratosphäre reagieren und diesen zu Sauerstoff (O₂) abbauen. Dadurch verringert sich die Anzahl der Ozonmoleküle, wodurch die Ozonschicht dünner wird und schließlich Löcher erhält.
Nachdem die Weltpolitik effektiv die Benutzung von FCKW in Industrien verboten hat, verbesserte sich die Gesundheit der Ozonschicht.
Heutzutage sind nicht mehr FCKW hauptverantwortlich für die Entstehung von Ozonlöchern, sondern Distickstoffoxide (Lachgas).
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