Ozon und Ozonloch

Ozon und Ozonloch

Die unterste Schicht der Atmosphäre der Erde, welche 90% der Luft enthält, die Troposphäre, ist in unseren Breiten nur etwa 10 km dick. Sie besteht aus einem Gasgemisch, wobei Stickstoff mit 78% Anteil und Sauerstoff mit etwa 21% Anteil den Hauptanteil ausmachen. Neben dem Edelgas Argon und dem Kohlendioxid kommt das natürliche Ozon in der Troposphäre nur in einer Konzentration zwischen 40 bis 80 µg (Mikrogramm) pro Kubikmeter Luft vor, das sind 40 bis 80 Millionstel Gramm pro Kubikmeter Luft.

Ozon ist eine besondere Form von Sauerstoff. In einem Molekül Ozon sind drei Sauerstoffatome miteinander verbunden, deshalb besitzt es die Formel O₃.

Sauerstoff: O₂ Ozon: O₃

Unter normalen Umständen ist Sauerstoff ein Molekül, in welchem zwei Sauerstoffatome miteinander chemisch gebunden sind. Unter der Einwirkung des UV-Lichts der Sonne, aber auch bei elektrischen Entladungen, zum Beispiel bei Gewittern, wird das Sauerstoffmolekül aufgebrochen, dabei entstehen zwei einzelne Sauerstoffatome:

O₂ ---- UV-Licht, elektr. Entladungen ----> 2 O-Atome

Diese einzelnen Sauerstoffatome sind extrem reaktionsfreudig und verbinden sich mit einem verbleibenden Sauerstoffmolekül zu einem Molekül Ozon:

O-Atom + Sauerstoffmolekül (O₂) -----> Ozonmolekül (O₃)

Der Vorgang findet in der Natur in Bodennähe bei Gewitterentladungen statt. Auf diese Weise entsteht das Ozon auch in der Stratosphäre, in 15 bis 50 km Höhe, durch das hier intensiv strahlende UV-Licht der Sonne. Das Ozon erfüllt in der über der Troposphäre liegenden Stratosphäre eine lebenswichtige Aufgabe für die Lebewesen der Erde: Es wirkt als Filter und schirmt die energiereichen UV-B-Strahlen der Sonne um ca. 95-97% ab. Diese Strahlenart kann krankhafte Veränderungen der Zellen bei allen Lebewesen bewirken und ist an der Entstehung von Krebs beteiligt. Die noch energiereichere UV-C-Strahlung wird bereits in der Mesosphäre vollständig abgeschirmt.

Während das Ozon in der Stratosphäre lebenserhaltend wirkt, ist es in Bodennähe unerwünscht, da es ein starkes Atemgift ist. Schon eine Erhöhung der Ozonwerte auf über 100µg pro Kubikmeter Luft kann bei ozonempfindlichen Personen (10-30% der Bevölkerung) zu Schleimhautreizungen, Kopfschmerzen, Atembeschwerden und Hustenreiz führen. Ab Werten über 180µg pro Kubikmeter wird die Öffentlichkeit informiert, anstrengende Tätigkeiten im Freien sind zu vermeiden. Bei Werten über 360µg pro Kubikmeter ist die Lungenfunktion bereits um 50% vermindert, dann besteht akute Ozongefahr.

Der Aufenthalt im Freien kann dann bleibende Lungenschäden oder Erbgutschäden nach sich ziehen. Seit 1995 wird das Ozon als krebserregende Substanz klassifiziert. Das Ozon ist nicht nur für die Menschen gefährlich, sondern es ist auch am Waldsterben beteiligt. Außerdem wirkt es als Treibhausgas und ist wie das Kohlendioxid und andere Schadstoffe am Treibhauseffekt beteiligt.

Die erhöhten Ozonkonzentrationen im Sommer sind vor allem auf die Abgasemissionen des Straßenverkehrs zurückzuführen. Bei der Verbrennung von Benzin im Automotor entstehen immer in größeren Mengen Stickstoffoxide (NO, NO₂). Die Stickstoffdioxidmoleküle zerfallen unter dem Einfluss von UV-Licht in Stickstoffoxid und ein Sauerstoffatom:

Stickstoffdioxid (NO₂) -------------> Stickstoffoxid (NO) + O-Atom

Das Sauerstoffatom verbindet sich mit einem Sauerstoffmolekül zu einem Ozonmolekül:

O-Atom + Sauerstoffmolekül (O₂) ------------> Ozonmolekül (O₃)

Folgende beiden Faktoren begünstigen also das Entstehen von Ozon in Bodennähe:

1.) Das Vorhandensein von Stickstoffoxiden und von Kohlenwasserstoffen aus Abgasen,
2.) UV-Strahlung der Sonne

Aus diesem Grund steigen die Ozonwerte im Hochsommer besonders in der Umgebung von Ballungsgebieten mit viel Straßenverkehr.

Weiträumige Versuche haben ergeben, dass die Ozonbelastung durch Fahrverbote erheblich vermindert werden kann. Pkws ohne Katalysator pusten zehnmal mehr Stickoxide als Pkws mit Katalysator in die Umwelt! Doch langfristig kann das Problem nur durch eine neue Verkehrspolitik gelöst werden. Dazu gehören vor allem der Ausbau des öffentlichen Verkehrsnetzes, Geschwindigkeitsbeschränkungen und Förderung des Baus von sparsamen Autos.

Der Mensch vermehrt durch sein rücksichtsloses Verhalten zur Umwelt das Ozon in Bodennähe, doch er zerstört gleichzeitig die Ozonschicht der Stratosphäre. Der Hauptverursacher für den Abbau der lebensnotwendigen Ozonschicht sind die FCKW, die Fluorchlorkohlenwasserstoffe. Kohlenwasserstoffe sind organische Verbindungen, welche sich aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen zusammensetzen:

Methan Ethan Propan Butan .
Werden die Wasserstoffatome dieser Moleküle durch Halogenatome, zum Beispiel durch Fluor- oder Chloratome ersetzt, erhält man Halogenkohlenwasserstoffe:

Dichlordifluormethan (Frigen)
Frigen wurde in großem Umfang als Treibgas in Spraydosen und als Kältemittel in Kühlschränken eingesetzt. In Deutschland wurden 1995 immer noch 16372 Tonnen FCKW verbraucht:

Asthma-Aerosole	1010 Tonnen
Kunststoffschäume	6625 Tonnen
Kältemittel	8524 Tonnen
Laborzwecke	213 Tonnen
gesamter Verbrauch	16372 Tonnen

Tabelle: FCKW-Verbrauch in Deutschland 1995 Quelle: Greenpeace -Studie, FCKW 1995
Das Treibgas steigt bis in die Ozonschicht und spaltet dort durch die starke UV-Strahlung Chloratome ab. Diese entreißen dem Ozonmolekül ein Sauerstoffatom und oxidieren zu Chloroxid:

Cl + O₃ ---------> ClO + O_{2
,}
Chloratom + Ozon ---------> Chloroxid + Sauerstoff

Das entstehende Chloroxid zerfällt danach wieder in ein Chloratom und Sauerstoff. Da das Chlor nach dieser Reaktion wieder unverändert vorliegt, kann es erneut ein Ozonmolekül angreifen. Auf diese Weise kann ein einziges Chloratom bis zu 100 000 Ozonmoleküle zerstören!

Die Folgen sind katastrophal. Über der Antarktis befindet sich bereits ein riesiges Ozonloch. Seit einiger Zeit ist auch über Deutschland und über Europa eine deutliche Abnahme der Ozonschicht zu beobachten.

Diagramm: Abnahme der Ozonkonzentration in der Stratosphäre über Europa 1960-1995

Durch die Ausdünnung der Ozonschicht gelangt vor allem mehr UV-B-Strahlung auf die Erde. Diese Strahlung stellt für alle Lebewesen eine große Bedrohung dar:

Sie verursacht stärkere Sonnenbrände und Hautkrebs,
sie schädigt die Augen, fördert den Grauen Star und kann bis zur Erblindung führen,
sie schwächt das Immunsystem,
sie schädigt die Erbsubstanz, es wäre denkbar, dass die Menschen unfruchtbar werden, dass die Krebsrate ansteigt oder dass vermehrt Missbildungen vorkommen.

Aufgrund der erhöhten UV-B-Strahlung ist es dringend ratsam, das Sonnenbaden vernünftig zu gestalten. Im Hochsommer sollten Sonnencremes mit hohem Lichtschutzfaktor und hochwertige Sonnenbrillen verwendet werden.

Auf der südlichen Erdhalbkugel haben die Hautkrebserkrankungen und die Augenleiden aufgrund des Ozonlochs bereits dramatisch zugenommen. Eine weitere Gefahr besteht darin, dass die UV-B-Strahlung die Bodenbakterien abtötet. Der Boden wird unfruchtbar, es folgen Ernteausfälle.

Bilderläuterung: Die intakte Ozonschicht filtert die UV-B-Strahlung zu 99%. Wenn FCKW in die Atmosphäre aufsteigen, wird die Ozonschicht abgebaut. Die vermehrte UV-Strahlung am Boden führt zu Augen- und Hautschäden.

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