Neue Erkenntnisse über Ozonzerstörung

12.03.2013: Gute Nachricht für die Ozonschicht über der Arktis. Das Montrealer Protokoll zeigt Wirkung: Die Ozonschicht über dem Nordpol wird sich nach heutigem Ermessen bis Ende des Jahrhunderts erholt haben. Das ist eines der zentralen Ergebnisse des EU-Projekts RECONCILE, das im Februar 2013 seine Arbeit abgeschlossen hat. Vier Jahre lang hatten Jülicher Wissenschaftler und ihre Kollegen von 35 Forschungseinrichtungen und Universitäten aus 14 Ländern den chemischen Prozess der Ozonzerstörung untersucht. Ihre Forschungen haben noch einmal bestätigt, dass tatsächlich Chlorverbindungen dafür verantwortlich sind. Dank der neuen Erkenntnisse konnten die Wissenschaftler bestehende Klimamodelle verbessern. Dadurch lassen sich die künftige Entwicklung der Ozonschicht und die möglichen Folgen der Klimaveränderungen auf die Stratosphäre zuverlässiger vorhersagen.

"Auch wenn sich die Ozonschicht erholt, durch Klimaveränderungen können sich neue Rahmenbedingungen ergeben. Ein Grund mehr, den Ausstoß von Treibhausgasen deutlich zu reduzieren und so den Klimawandel zu stoppen", betont Umweltchemiker Dr. Marc von Hobe vom Forschungszentrum Jülich, das RECONCILE koordinierte. Der Klimawandel könnte die Temperatur, die Zirkulationsmuster und die Chemie der Stratosphäre verändern. Das beeinflusst auch die Ozonschicht, deren Dicke sich wiederum auf die Temperatur auswirkt. Auch mögliche Klimaschutzvorhaben könnten das Ozon negativ beeinflussen, etwa das sogenannte Geoengineering, bei dem mit technologischen Mitteln in geochemische oder biogeochemische Kreisläufe der Erde eingegriffen wird.

Im Montrealer Protokoll von 1987 haben sich über 190 Staaten verpflichtet, die Emissionen von chlorhaltigen Chemikalien wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zu reduzieren. Eine vor rund sechs Jahren erschienene Studie hatte die Rolle der FCKW und das Protokoll indirekt in Frage gestellt. "In dem Projekt konnten wir einige offene Fragen zur Entstehung von Ozonlöchern klären und nachweisen, dass neben der Zersetzung durch Chlor keine anderen Mechanismen eine entscheidende Rolle spielen", erklärt Marc von Hobe. Analysen von Luftproben, welche die Universität von East Anglia und die Universität Frankfurt im Rahmen des Projekts durchführten, ergaben eine sichtbare Abnahme beim stratosphärischen Chlor. Auch wenn der Abbauprozess langsamer abläuft als erwartet, rechnen die Wissenschaftler damit, dass sich die Ozonschicht bis Ende des Jahrhunderts erholen wird.

Dagegen spricht auch nicht, dass die Wissenschaftler Anfang 2011 die bisher ausgeprägteste Ozonzerstörung über dem Nordpol beobachtet haben. Der entscheidende Faktor vor zwei Jahren war ein ungewöhnlich langer arktischer Winter. Ozon wird nur unter sehr kalten Bedingungen abgebaut. Während der Polarnacht entsteht der sogenannte Polarwirbel, eine Art abgeschlossenes System mit sehr kalter Luft, zu dem keine wärmeren Luftmassen aus dem Süden vordringen können. In diesem Wirbel bilden sich bei Temperaturen unter minus 80 Grad Celsius Polare Stratosphärische Wolken (PSCs). An deren Oberfläche wird eine Kette von Chlorreaktionen in Gang gesetzt, wodurch letztendlich Ozon zerstört wird. Stickstoffverbindungen, die die Ozonzerstörung durch das Chlor stoppen könnten, werden in PSC-Partikeln gebunden und fallen aufgrund der Schwerkraft nach unten. Je länger die sehr kalten Bedingungen andauern, desto mehr Ozon wird zerstört. Erst wenn sich der Polarwirbel im Frühjahr aufgelöst hat, kann sich die Ozonschicht wieder erholen.

Bei der näheren Untersuchung der Prozesse erlebten die RECONCILE-Forscher einige Überraschungen. Jülicher Wissenschaftler stellten beispielsweise fest, dass die Oberflächenreaktionen auch an flüssigen Aerosolen – das sind Schwebeteilchen in der Luft – sehr effizient ablaufen können. "Wichtig für die Chlorchemie ist weniger die Bildung von PSCs als vielmehr die Temperatur. Theoretisch können die Reaktionen überall stattfinden, wo es kalt genug ist und entsprechende Chlorgase vorhanden sind", erklärt Tobias Wegner, der in Jülich über Aerosol-Partikel und Chlor-Aktivierung promoviert hat. Dennoch spielen die PSCs eine wichtige Rolle bei der Ozonzerstörung. Sie sorgen dafür, dass die Chlorreaktionen auch noch bis in den Frühling weitergehen können. „Die Resultate des Projekts haben unser Verständnis dieser Wolken komplett verändert. Wir wissen jetzt, dass sich PSCs sehr viel schneller und bei höheren Temperaturen bilden können“, berichtet Prof. Tom Peter von der ETH Zürich.

Davon unabhängig haben Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemie, der Universität Mainz und der Technischen Universität Darmstadt außerdem in den Luftproben eine unerwartet große Vielfalt an Teilchen gefunden. Diese sinken wahrscheinlich aus höheren Schichten der Stratosphäre in den Polarwirbel ab und enthalten unter anderem Metalle, Silikate oder Ruß. Woher diese Partikel stammen könnten, untersucht nun eine Mainzer Gruppe im Projekt "In-situ experiments on the chemical composition of high altitude aerosols and clouds in the tropical upper troposphere and lower stratosphere" (EXCATRO). Die EU fördert das Vorhaben mit einem ERC Advanced Grant.

Bei einem anderen Punkt können die Wissenschaftler zumindest Teilentwarnung geben: Nach dem Rekordwinter in der Arktis befürchteten einige einen drastischen Anstieg der UV-Strahlung auf der Nordhalbkugel. "Wir haben zwar erhöhte Werte festgestellt. Aber sie sind bei weitem nicht so hoch, dass eine deutlich größere Gefahr von Hautkrebs besteht", stellt Marc von Hobe klar.