Die Ozonschicht in der Antarktis
Ein Ozonmolekül besteht aus drei statt der üblichen zwei Sauerstoffatome. Es kommt in der Atmosphäre nur in Spuren vor. Ozonmoleküle werden durch die Wechselwirkung von ultravioletter Strahlung (UV) der Sonne mit Sauerstoffmolekülen gebildet: Wenn ein O2-Molekül gespalten wird, verbinden sich die beiden freien Sauerstoffatome mit anderen O2-Molekülen zu O3-Molekülen.
Da die UV-Strahlung in höheren Lagen, wo die Luft dünner ist, intensiver ist, wird der größte Teil des Ozons in der Stratosphäre gebildet: Wissenschaftler haben errechnet, dass die Ozonschicht auf Meereshöhe 3 mm dick wäre, während sie in der Antarktis bis zu 1 mm dick sein kann. Das Ozon in der Stratosphäre wird durch verschiedene vom Menschen verursachte Gase abgebaut, wobei sich über der Antarktis ein "Loch" bildet.
Das Ozonloch über der Antarktis
Von NASA's Goddard Space Flight Center [Public domain], via Wikimedia Commons
Das Ozonloch ist eine der größten Auswirkungen, die der Mensch auf die Antarktis hat. Von den 1940er bis zu den 1990er Jahren haben die rasche Industrialisierung und der höhere Lebensstandard dazu geführt, dass Fluorchlorkohlenwasserstoffe, teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Halone und Methylbromid ein "Ozonloch" über dem antarktischen Kontinent verursacht haben.
Das Ozonloch wurde von Wissenschaftlern entdeckt, als sie die in den frühen 1980er Jahren festgestellte Ozonmenge mit Messungen aus dem Jahr 1956 verglichen. Es wurde festgestellt, dass das Ozonloch unterschiedlich groß ist und sich in den beiden Monaten September und Oktober bildet. Jeden Winter bildet sich in der Stratosphäre über der Antarktis ein Polarwirbel, bei dem die Temperaturen in der unteren Atmosphäre auf bis zu - 85° Celsius sinken. Bei diesen niedrigen Temperaturen bilden sich Eiswolken, in denen chlor- und bromhaltige Chemikalien in ozonzerstörende Verbindungen umgewandelt werden.
Untersuchung der Wolken als Schlüssel zum Verständnis des Ozonlochs
Insbesondere polare stratosphärische Wolken (PSC) bieten Oberflächen für chemische Reaktionen mit Chlor, das Ozonmoleküle zerstört. PSCs bilden sich im Winter und zu Beginn des Frühjahrs um den 60. südlichen Breitengrad in einer Höhe von 10-25 Kilometern. Je nach Partikelgröße und Bildungstemperatur werden die Wolken in Typ I und Typ II eingeteilt.
PSCs vom Typ I sind viel dünner als Typ-II-Wolken und haben eine Bildungsschwellentemperatur von 5 bis 8° Celsius über dem Gefrierpunkt. Diese Wolken bestehen hauptsächlich aus Salpetersäure- und Schwefelsäuretröpfchen, während Typ-II-Wolken, die auch als Perlmutt- oder Perlmutterwolken bezeichnet werden, aus Eiskristallen bestehen und sich bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts (in der Regel unter - 83 °C) bilden.
Trotz jahrzehntelanger Forschung gibt es immer noch Wissenslücken über PSCs, z. B. über den Zeitpunkt und die Dauer von PSC-Ereignissen, ihre geografische Ausdehnung und vertikale Verteilung, was sich auf die Genauigkeit von Ozonabbaumodellen auswirkt. Im Frühjahr, wenn das Sonnenlicht in die Antarktis zurückkehrt, beginnt die Zerstörung des Ozons innerhalb des Polarwirbels, die Anfang Oktober ein Maximum erreicht und dann bis Ende Dezember abnimmt.
Die Ozonschicht schützt uns vor schädlicher Strahlung
Der größte Teil des Ozons in der Erdatmosphäre befindet sich in 15 bis 30 km Höhe: in der Stratosphäre, wo es die schädliche Strahlung der Sonne absorbiert:
Etwa 2 % des von der Sonne ausgestrahlten Lichts ist energiereiche ultraviolette (UV-)Strahlung. Ein Teil dieser UV-Strahlung (UV-B) verursacht Schäden an Lebewesen wie Sonnenbrand, Hautkrebs und Augenschäden. Die Menge der solaren UV-Strahlung, die die Erde an einem beliebigen Ort erreicht, hängt von der Position der Sonne über dem Horizont, der Ozonmenge in der Atmosphäre sowie der örtlichen Bewölkung und dem Grad der Verschmutzung ab. Da sich über der Antarktis ein Ozonloch gebildet hat, beobachten Wissenschaftler im antarktischen Frühling einen starken Anstieg der UV-B-Strahlung.
Globales Abkommen zum Stopp ozonzerstörender Chemikalien
Seit der Unterzeichnung des Montrealer Protokolls im Jahr 1989, in dem Fristen für die Verringerung und Einstellung der Produktion und Verwendung von ozonabbauenden Stoffen festgelegt wurden, ist die Menge der ozonzerstörenden Chemikalien in der Atmosphäre erheblich zurückgegangen, und es wird erwartet, dass die Ozonschicht über der Antarktis irgendwann in der zweiten Hälfte des21. Jahrhunderts wieder den Stand von 1980 erreicht. Der Zeitpunkt der Erholung ist jedoch ungewiss, da die Modelle, die zur Vorhersage künftiger Veränderungen verwendet werden, mit Unsicherheit behaftet sind.
Das Ozonloch wird kleiner
In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde festgestellt, dass das Ozonloch, das während einer Antarktis-Expedition über Ihrem Kopf entdeckt wurde, auf der Grundlage von 15 Jahren Boden- und Satellitenbeobachtungen nachweislich kleiner geworden ist, wobei die Größe des Ozonlochs im Jahr 2014 im Vergleich zum Durchschnitt der Jahre 1995-2005 geringer ausfiel. Die Studie ergab, dass das Ozonloch mit 20,9 Quadratkilometern das sechstkleinste im Zeitraum 1991-2004 ist, wobei die Daten zeigen, dass das Ozonloch seit 1998 mit einer Rate von 0,17 Quadratkilometern pro Jahr kleiner geworden ist.
Die Ursache für das Schrumpfen des Ozonlochs ist jedoch unklar. Die ozonabbauenden Stoffe in der Antarktis werden anhand des äquivalenten effektiven stratosphärischen Chlors (EESC) geschätzt, das eine Kombination aus Chlor und Brom ist. Zur Berechnung des EESC wird ein Durchschnittswert von 5,2 Jahren herangezogen, und seit dem Höchstwert von 3,70 ppb (parts per billion) im Zeitraum 2000-2002 ist das EESC auf 3,49 ppb gesunken: ein Rückgang von 0,34 ppb oder 9 %. Das bedeutet, dass die EESC-Werte um 20 % auf das Niveau von 1980 (2,05 ppb) gesunken sind, wobei das Jahr 1980 von den Forschern als "Vor-Ozonloch-Zeit" angesehen wird.
Der Zusammenhang zwischen der Ozonschicht und dem Klima
Die Australian Antarctic Division hat erforscht, wie sich die Erholung der Ozonschicht auf das Oberflächenklima der Antarktis und der südlichen Hemisphäre für den Rest des21. Jahrhunderts auswirken wird, und zwar in Form von Veränderungen der jahreszeitlichen Zyklen und langfristigen Temperatur- und Windtrends.
Um ein besseres Verständnis zu erlangen, entwickelt die Australian Antarctic Division mit dem Australian Community Climate Earth System Simulator (ACCESS) ein Chemie-Klimamodell. In ACCESS ist das Chemie- und Aerosolmodell des Vereinigten Königreichs (UKCA) integriert. Das Hauptziel des australischen ACCESS-Projekts besteht darin, Analysen und Ratschläge zu den Auswirkungen der Rückkopplungen aus der Erholung des Ozons auf das Klima der südlichen Hemisphäre bereitzustellen. Das Projekt zielt insbesondere darauf ab, das chemische UKCA-Modell vollständig in das ACCESS-Modell einzubinden und die Ergebnisse mit Standardszenarien und historischen Beobachtungen auf regionaler Ebene zu vergleichen.
Australische Forschung zur Ozonschicht
Die erwarteten Ergebnisse des ACCESS-Programms sind die Einführung einer neuen Fähigkeit zur Modellierung des Erdsystems für Australien und eine von Fachleuten begutachtete Analyse der Veränderungen der Klimaprozesse in der Antarktis und der südlichen Hemisphäre für wissenschaftliche Zeitschriften und die Beratung von Regierungsstellen.
Darüber hinaus soll das Projekt die verstärkte trans-tasmanische Zusammenarbeit zwischen Australien und Neuseeland fördern: Das neuseeländische NIWA hat das Ozonloch in der Antarktis erforscht, da es sich stark auf das lokale Klima auswirkt, das wiederum das globale Klima und die Veränderungen des Meeresspiegels beeinflusst.
Insbesondere die Modellierung der atmosphärischen Chemie der Rückkopplungsprozesse zwischen dem stratosphärischen Ozon und dem antarktischen Klima durch das NIWA wird die Genauigkeit der Modelle für den globalen Klimawandel erhöhen. Bis dahin konzentrierte sich das australische Modell auf Wettervorhersagen und Klimaprojekte und bezog die interaktive Stratosphärenchemie nicht mit ein.
Darüber hinaus zielt ACCESS darauf ab, die Zusammenarbeit zwischen australischen und internationalen Wissenschaftlern im Bereich der Chemie-Klima-Modellierung und der regionalen Auswirkungen der Erholung der Ozonschicht auf der südlichen Hemisphäre zu verstärken. Darüber hinaus führt die Australian Antarctic Division Forschungsarbeiten zu PSCs durch, wobei das LIDAR der Davis Station seit 2001 zur Untersuchung stratosphärischer Wolken eingesetzt wird. Die Messungen werden genutzt, um die Klimatologie der Wolken und ihre Beziehung zur Temperaturstruktur der Stratosphäre zu untersuchen.
