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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.   
 

Kamine einer Fabrik

  
Ozon ist eine besondere Form von Sauerstoff. In einem Molekül Ozon sind drei Sauerstoff-Atome miteinander verbunden, deshalb besitzt es die Formel O3.Unter normalen Umständen ist Sauerstoff ein Molekül, in welchem zwei Sauerstoff-Atome miteinander chemisch gebunden sind. Unter der Einwirkung des UV-Lichts der Sonne, aber auch bei elektrischen Entladungen zum Beispiel bei Gewittern wird das Sauerstoff-Molekül aufgebrochen, dabei entstehen zwei einzelne Sauerstoff-Atome (a). Diese einzelnen Sauerstoff-Atome sind extrem reaktionsfreudig und verbinden sich mit den verbleibenden Sauerstoff-Molekülen zu Ozon-Molekülen (b).  
  
a)  O   2 O  
b)  2 O  +  2 O2    2 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.  
 

Lage der Ozonschicht in der Atmosphäre
  
  
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 Stickstoffdioxid-Moleküle zerfallen unter dem Einfluss von UV-Licht in Stickstoffoxid und ein Sauerstoff-Atom (a). Das Sauerstoff-Atom verbindet sich mit einem Sauerstoffmolekül zu einem Ozon-Molekül (b).  
  
a)  NO2    NO  +  O  
b)  O  +  O2    O3  
  
Das Vorhandensein von Stickstoffoxiden und von Kohlenwasserstoffen aus Abgasen und die UV-Strahlung der Sonnebegünstigen also das Entstehen von Ozon in Bodennähe. 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. 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.  
    
Methan
Ethan
Propan
Butan
Methan
Ethan
Propan
Butan

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, die sich aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen zusammensetzen. Werden die Wasserstoff-Atome dieser Moleküle durch Halogen-Atome, zum Beispiel durch Fluor- oder Chlor-Atome ersetzt, erhält man Halogenkohlenwasserstoffe:  
 
Name (IUPAC)
Bromtrifluormethan
Dichlordifluormethan
2-Brom-2-chlor-1,1,1-trifluorethan
Strukturformel
Halon 1301
Frigen 12, Freon
Halothan
Trivialname
Halon 1301
Frigen 12, Freon
Halothan

Frigen wurde in großem Umfang als Treibgas in Spraydosen und als Kältemittel in Kühlschränken eingesetzt. In Deutschland wurden 1995 noch 16372 Tonnen FCKW verbraucht. Mit der Verordnung vom 1. Oktober 2000 des Europäischen Parlaments Nr. 2037/2000 (mit Änderung vom 06. September 2006) haben sich die EU-Länder auf einen schrittweisen und totalen Ausstieg aus der Produktion ozonschädigender Stoffe bis ins Jahr 2026 verpflichtet. Dieser Vorgabe hat sich auch die Schweiz verpflichtet. Die Produktion und der Verbrauch der FCKW und weiterer Stoffe wie Tetrachlorkohlenstoff wurde schon mit Beendigung des Jahres 1995 verboten.  

FCKW-Verbrauch in Deutschland im Jahr 1995

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

Quelle: Greenpeace -Studie, FCKW 1995
 
Die ozonschädigenden Stoffe steigen bis in die Ozonschicht und spalten dort durch die starke UV-Strahlung Chlor-Atome ab. Diese entreißen dem Ozon-Molekül ein Sauerstoff-Atom und oxidieren zu Chloroxid:  
  
Chlor-Atom  +  Ozon    Chloroxid  +  Sauerstoff
Cl  +  O3     ClO +  O2        , 
  
Das entstehende Chloroxid zerfällt danach wieder in ein Chlor-Atom und Sauerstoff. Da das Chlor nach dieser Reaktion wieder unverändert vorliegt, kann es erneut ein Ozon-Molekül angreifen. Auf diese Weise kann ein einziges Chlor-Atom bis zu 100 000 Ozon-Moleküle zerstören! Über der Antarktis entstand ab 1970 ein Ozonloch. Auch in Deutschland und über Europa ist seither eine deutliche Abnahme der Ozonschicht zu beobachten. Der Knick im Jahre 1991 wurde durch den Ausbruch des Vulkans Pinatubo auf den Philippinen verursacht. Auch die starke Abnahme im Jahre 1982 ist auf den Ausbruch des Vulkans El Chichón im Mexiko zurückzuführen. Insgesamt hat die Ozonschicht seit 1968 über dem Observatorium Hohenpeißenberg um 7% abgenommen.  
  
 
Ozon Jahresmittelwerte

Quelle: Umweltbundesamt und Observatorium Hohenpeißenberg 
   
  
  
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 und schädigt die Erbsubstanz.
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.  
 

Entstehung des Ozonlochs

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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