Ozonschicht

Die Ozonschicht

Die stratosphärische Ozonschicht in 15 bis 30 km Höhe schützt das Leben auf der Erde vor der schädigenden Wirkung energiereicher Sonnenstrahlung. Durch industrielle Schadstoffe kommt es zum Ozonabbau und infolgedessen zu einer Zunahme von ultravioletter Strahlung (UV-Strahlung) am Erdboden. Da UV-Strahlung auf lebende Zellen eine weitgehend zerstörerische Wirkung hat, wurde zum Schutz der Ozonschicht schon 1987 ein internationales Abkommen unterzeichnet, mit dem Ziel, die Emission Ozon zerstörender Substanzen zu verringern.

Sonnenstrahlung und die Filterwirkung der Erdatmosphäre

Die Sonne emittiert ein breites Spektrum an elektromagnetischer Strahlung. Die elektromagnetischen Wellen unterscheiden sich in ihrer Frequenz und somit in ihrer spezifischen Energie. Das Intensitätsmaximum der Sonnenstrahlung liegt im sichtbaren Licht zwischen 400–700 nm (1 nm = 1 Nanometer = 10-9 m = 1 Milliardstel Meter). Mit diesem Licht können wir unsere Umgebung sehen, und Pflanzen nutzen es zur Photosynthese. Die Solarstrahlung umfasst aber auch kurzwelligere und somit energiereichere Wellenlängenbereiche wie Gamma-, Röntgen- und ultraviolette Strahlung (UV-Strahlung) sowie langwelligere Infrarotstrahlung, Mikrowellen und Radiowellen. Die in der Erdatmosphäre enthaltenen Gase wirken als Filter und absorbieren 20 bis 40 Prozent der elektromagnetischen Strahlung, sodass die auf die Erdoberfläche auftreffende Sonnenstrahlung geringer ist als die außerhalb der Erdatmosphäre. Außerdem werden ungefähr 30 Prozent als Infrarotstrahlung zurück in den Weltraum reflektiert.

Von der Sonne gelangt UV-A-, UV-B- und UV-C-Strahlung zur Erde. Die kurzwellige und somit energiereiche UV-C-Strahlung kann nicht durch die Troposphäre gelangen, in der auch die Ozonschicht liegt. Die längerwellige UV-B-Strahlung wird durch die Troposphäre und die darunter liegende Atmosphäre stark geschwächt, ein Teil gelangt aber noch zur Erdoberfläche. Das langwellige UV-A kann Troposphäre und Atmosphäre fast ungehindert durchqueren.
UV-Schutz durch die Ozonschicht

Die ultraviolette Strahlung wird nach ihrer biologischen Wirkung in drei Wellenlängenbereiche unterteilt. Gemäß der Definition der Internationalen Strahlungskommission (Commission Internationale de l'Éclairage, CIE) umfasst die biologisch relativ unkritische UV-A-Strahlung den Bereich 315–400 nm, die energiereichere, gefährliche UV-B-Strahlung den Bereich 280–315 nm und die hoch energetische UV-C-Strahlung den Bereich 190–280 nm. Die UV-C-Strahlung wird vollständig durch Ozon- und Sauerstoffmoleküle in der Stratosphäre absorbiert und erreicht daher nicht die Erdoberfläche. Durch Ozon- und Sauerstoffmoleküle werden auch über 90 Prozent der einfallenden UV-B-Strahlung absorbiert. Dagegen treffen die UV-A-Strahlung und das sichtbare Licht praktisch ungefiltert auf die Erdoberfläche auf. Eine Abnahme der stratosphärischen Ozonschicht hat demnach weitreichende Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Sonneneinstrahlung am Erdboden.

Natürliche Schwankungen

Die Ozonkonzentration in der Atmosphäre ist in der bodennahen Troposphäre hoch. Dieses Ozon entsteht durch Luftverschmutzung auf der Erde. Die Konzentration nimmt mit steigender Höhe zuerst ab, steigt dann aber stark an, so dass sich ein Maximum des Ozons zwischen 15 und 30 Kilometern Höhe in der Stratosphäre befindet. Das ist die sogenannte Ozonschicht. Sie sorgt auch dafür, dass die Temperatur, die anfangs mit zunehmender Höhe abnimmt, später wieder ansteigt. Denn die Ozonatome absorbieren energiereiche UV-Strahlung und geben die entstehende Wärmeenergie an die Umgebung ab.
Ozon- und Temperaturverlauf in der Atmosphäre

Doch auch ohne menschliche Einflüsse schwankt die auf die Erdoberfläche einfallende UV-B-Strahlung stark, je nach geographischer Lage, Tages- und Jahreszeit. Außerhalb der Tropen ist die Sonneneinstrahlung im Sommer generell höher als im Winter. Je kürzer der Weg der Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre ist, desto geringer ist auch die Abschwächung des UV-B. Daher nimmt die UV-Intensität um 10 bis 20 Prozent pro Höhenkilometer zu. In den Tropen ist die UV-Strahlung am höchsten und nimmt zu den Polen hin ab. Verglichen mit der Arktis und Antarktis erreicht die mittlere UV-Einstrahlung am Äquator aufgrund des hohen Sonnenstandes einen ungefähr tausendmal höheren Wert. Die UV-Einstrahlung in mittleren Breiten ist demnach im Gebirge oder um die Mittagszeit höher als im Flachland oder bei niedrigem Sonnenstand. Wolken, Aerosole und Luftschadstoffe verringern durch Absorption und Lichtstreuung die UV-B-Strahlung. Die Reflektion von Sonnenstrahlen durch Schnee, Eis, Sand und Wasser kann wiederum die UV-Strahlung lokal stark erhöhen. So reflektiert Schnee mehr als 90 Prozent der ultravioletten Strahlung.

Nicht nur auf Pflanzen wirkt Sonnenlicht

Das Sonnenlicht ist essenziell für die menschliche Gesundheit, da es unter anderem den Tages- und Jahresrhythmus reguliert und zur Versorgung des Körpers mit Vitamin D beiträgt. Setzt man seinen Körper aber exzessiver Sonnenstrahlung aus, so können gesundheitliche Schäden, die vor allem durch die kürzeren Wellenlängenbereiche hervorgerufen werden, auftreten. Dazu gehören unter anderem Hautkrebs, Hautalterung, Augenerkrankungen und die Schwächung des Immunsystems. Die Haut schützt sich vor UV-Bestrahlung durch Einlagerung des komplexen Moleküls Melanin. Bei länger andauernder und intensiverer Bestrahlung rötet sich die Haut durch die hohe Energie der UV-B-Strahlung und ein Sonnenbrand entsteht. Im weiteren Verlauf kommt es dann zu schwerwiegenden Verbrennungen und Blasenbildung, das Gewebe stirbt ab. In Folge häufiger, langer UV-Bestrahlung entstehen irreversible Veränderungen der Haut wie z.B. Faltenbildung und bleibende Gefäßerweiterungen. Die schwerwiegendste Spätfolge ist die Hautkrebserkrankung, die durch UV-B-bedingte Veränderungen des Erbgutes in den Hautzellen verursacht wird. Daher sollte man, um das Risiko für die Entstehung solcher Erkrankungen zu minimieren, intensive UV-Bestrahlungen unbedingt vermeiden. Die UV-B-Strahlung wird von einer Vielzahl an Biomolekülen absorbiert, wodurch z.B. die DNS (Desoxyribonukleinsäure, engl. DNA), die in jeder Zelle die Erbinformation enthält, geschädigt werden kann oder Proteine ihre Funktion verlieren. Davon sind alle Pflanzen und Lebewesen betroffen, sogar Wasserpflanzen und -tiere: In klarem Wasser kann UV-B-Strahlung auch in eine Tiefe von über 10 m eindringen.

Die Ozonschicht und ihre Feinde

zon entsteht in der Stratosphäre aus molekularem Sauerstoff in zwei Schritten: Im ersten Schritt werden zweiatomige Sauerstoffmoleküle O 2 von der UV-Strahlung der Sonne in je zwei Sauerstoffatome gespalten. Diese sind sehr reaktiv. Im zweiten Schritt reagieren diese Sauerstoffatome mit Sauerstoffmolekülen zu dreiatomigem Ozon O 3. Die dabei frei werdende Energie, muss von einem dritten Reaktionspartner (meist Stickstoff oder Sauerstoff) durch Stoß aufgenommen werden.
Entstehung von Ozon in der Stratosphäre

Ozon ist ein sogenanntes Spurengas: Es kommt nur in sehr geringen Konzentrationen vor – in 10 Millionen atmosphärischen Molekülen lassen sich nur ca. drei Moleküle Ozon finden. Trotzdem spielt dieses Spurengas eine wichtige Rolle in der Atmosphäre. Ein Ozonmolekül besteht aus drei Sauerstoffatomen (O3). In der Stratosphäre (10 bis 50 km Höhe) bildet sich Ozon natürlicherweise durch chemische Reaktionen aus molekularem Sauerstoff (O2). In Gegenwart ausreichend hoher Intensitäten ultravioletter Strahlung wird Ozon kontinuierlich gebildet. Gleichzeitig wird es aber durch andere chemische Reaktionen wieder zersetzt, sodass sich ein Gleichgewicht einstellt.

Das stratosphärische Ozon stellt nicht nur einen wirksamen UV-B-Schutzschild dar, sondern gibt auch die absorbierte solare Energie in Form von Wärme an die umgebende Atmosphäre ab. Auf diese Weise bestimmt Ozon maßgeblich die vertikale Temperaturstruktur der Stratosphäre und prägt somit auch die großräumigen Luftströmungen.

Lesen Sie im zweiten Teil dieses Artikels, wie man das Ozonloch entdeckte, welche Folgen der Ozonschwund hat und welche Gegenmaßnahmen die internationale Staatengemeinschaft ergriff.