Ozonloch

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"Was ist mit dem Ozonloch passiert?", Destillationen Podcast Episode 230, 17. April 2018, Wissenschaftshistorisches Institut

Der Ozonabbau besteht aus zwei zusammenhängenden Ereignissen, die seit den späten 1970er Jahren beobachtet werden: eine stetige Abnahme der Gesamtmenge an Ozon in der Erdatmosphäre um etwa vier Prozent und eine wesentlich stärkere Abnahme des stratosphärischen Ozons (der Ozonschicht) in den Polarregionen der Erde im Frühjahr. Das letztgenannte Phänomen wird als Ozonloch bezeichnet. Zusätzlich zu diesen stratosphärischen Ereignissen kommt es im Frühjahr auch zu einem Ozonabbau in der polaren Troposphäre. ⓘ

Die Hauptursache für den Ozonabbau und das Ozonloch sind hergestellte Chemikalien, insbesondere halogenierte Kühlmittel, Lösungsmittel, Treibstoffe und Schaummittel (Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), HFCKW, Halone), die als ozonabbauende Stoffe (ODS) bezeichnet werden. Diese Verbindungen werden durch turbulente Vermischung in die Stratosphäre transportiert, nachdem sie von der Oberfläche emittiert wurden, und vermischen sich viel schneller, als sich die Moleküle absetzen können. In der Stratosphäre angekommen, setzen sie durch Photodissoziation Atome aus der Halogengruppe frei, die den Abbau von Ozon (O₃) zu Sauerstoff (O₂) katalysieren. Es wurde beobachtet, dass beide Arten des Ozonabbaus zunehmen, wenn die Emissionen von Halogenkohlenwasserstoffen steigen. ⓘ

Der Ozonabbau und das Ozonloch haben weltweit Besorgnis über das erhöhte Krebsrisiko und andere negative Auswirkungen ausgelöst. Die Ozonschicht verhindert, dass schädliche Wellenlängen des ultravioletten Lichts (UVB) die Erdatmosphäre durchdringen. Diese Wellenlängen verursachen Hautkrebs, Sonnenbrand, dauerhafte Erblindung und grauen Star. Es wurde prognostiziert, dass das Risiko durch die Ausdünnung der Ozonschicht drastisch ansteigen wird und auch Pflanzen und Tiere geschädigt werden. Diese Bedenken führten 1987 zur Verabschiedung des Montrealer Protokolls, das die Herstellung von FCKW, Halonen und anderen ozonabbauenden Chemikalien verbietet. ⓘ

Das Verbot trat 1989 in Kraft. Die Ozonwerte stabilisierten sich Mitte der 1990er Jahre und begannen sich in den 2000er Jahren zu erholen, da die Verlagerung des Jetstreams in der südlichen Hemisphäre in Richtung des Südpols gestoppt wurde und sich möglicherweise sogar umkehrt. Die Erholung wird sich den Prognosen zufolge im nächsten Jahrhundert fortsetzen, und es wird erwartet, dass das Ozonloch bis etwa 2075 das Niveau von vor 1980 erreichen wird. Im Jahr 2019 meldete die NASA, dass das Ozonloch das kleinste seit seiner ersten Entdeckung im Jahr 1982 ist. ⓘ

Das Montrealer Protokoll gilt als das bisher erfolgreichste internationale Umweltabkommen. ⓘ

Bisher größte Ausdehnung des antarktischen Ozonlochs am 24. September 2006… ⓘ

…und zweitgrößte Ausdehnung am 6. September 2000 (Quelle: NASA) ⓘ

Das Ozonloch über dem Südpol von 1957 bis 2001 ⓘ

Jährliche Emissionen von ozonabbauenden
Halogenkohlenwasserstoffen, gewichtet nach
ihrem Ozonabbaupotential. ⓘ

Als Ozonloch bezeichnet man eine starke Ausdünnung der Ozonschicht, wie sie 1985 erstmals am Südpol über der Antarktis festgestellt wurde, Anfang 2020 nach einem Bericht des Alfred-Wegener-Instituts zum ersten Mal auch über der Arktis (Nordpol). Die Ursachen der Ozonzerstörung sind hauptsächlich radikalische Chloratome aus chlorierten organischen Verbindungen, die zusammenfassend als Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW oder CFCs) bezeichnet werden. Daneben sind Halon und auch teilbromierte und teilchlorierte Kohlenwasserstoffe (H-FBKW, H-FCKW), Bromchlormethan, Tetrachlorkohlenstoff, Methylbromid und Trichlorethan an der Zerstörung beteiligt. Die ausgedünnte Ozonschicht lässt mehr vom UV-B-Anteil der Sonnenstrahlung zum Erdboden durch: Ultraviolette Strahlung kann bei Lebewesen karzinogen wirken. ⓘ

Überblick über den Ozonkreislauf

Der Ozonkreislauf ⓘ

Am Ozon-Sauerstoff-Kreislauf sind drei Formen (oder Allotrope) von Sauerstoff beteiligt: Sauerstoffatome (O oder atomarer Sauerstoff), Sauerstoffgas (O
₂ oder zweiatomiger Sauerstoff), und Ozongas (O
₃ oder triatomischer Sauerstoff). Ozon wird in der Stratosphäre gebildet, wenn Sauerstoffgasmoleküle nach der Absorption von UVC-Photonen photodissoziieren. Dabei verwandelt sich ein einzelnes O
₂ in zwei atomare Sauerstoffradikale um. Die atomaren Sauerstoffradikale verbinden sich dann mit separaten O
₂-Molekülen und bilden zwei O
₃-Moleküle. Diese Ozonmoleküle absorbieren UVB-Licht, woraufhin sich das Ozon in ein Molekül O
₂ und ein Sauerstoffatom. Das Sauerstoffatom schließt sich dann mit einem Sauerstoffmolekül zusammen, um Ozon zu regenerieren. Dies ist ein fortlaufender Prozess, der endet, wenn sich ein Sauerstoffatom mit einem Ozonmolekül rekombiniert und zwei O
₂-Moleküle bildet. Bemerkenswert ist, dass Ozon das einzige atmosphärische Gas ist, das UVB-Licht absorbiert. ⓘ

O + O
₃ → 2 O
_{2 ⓘ}

Ozongehalt in verschiedenen Höhenlagen (DU/km) und Blockierung verschiedener Banden der ultravioletten Strahlung: Im Wesentlichen wird das gesamte UVC durch zweiatomigen Sauerstoff (100-200 nm) oder durch Ozon (dreiatomiger Sauerstoff) (200-280 nm) in der Atmosphäre blockiert. Die Ozonschicht blockiert dann den größten Teil der UVB-Strahlung. UVA hingegen wird durch Ozon kaum beeinträchtigt und erreicht zum größten Teil den Boden. UVA macht fast das gesamte UV-Licht aus, das in die Erdatmosphäre eindringt. ⓘ

Die Gesamtmenge an Ozon in der Stratosphäre wird durch ein Gleichgewicht zwischen photochemischer Produktion und Rekombination bestimmt. ⓘ

Ozon kann durch eine Reihe von freien Radikalkatalysatoren zerstört werden; die wichtigsten sind das Hydroxylradikal (OH-), das Stickoxidradikal (NO-), das Chlorradikal (Cl-) und das Bromradikal (Br-). Der Punkt ist ein Hinweis darauf, dass jede Spezies ein ungepaartes Elektron besitzt und daher extrem reaktiv ist. Der größte Teil der OH- und NO- in der Stratosphäre ist natürlich entstanden, aber die menschliche Aktivität hat die Werte von Chlor und Brom drastisch erhöht. Diese Elemente sind in stabilen organischen Verbindungen enthalten, insbesondere in Fluorchlorkohlenwasserstoffen, die aufgrund ihrer geringen Reaktivität in die Stratosphäre gelangen können, ohne in der Troposphäre zerstört zu werden. In der Stratosphäre werden die Cl- und Br-Atome durch die Einwirkung von ultraviolettem Licht aus den Ausgangsverbindungen freigesetzt, z. B. ⓘ

CFCl
₃ + elektromagnetische Strahlung → Cl- + -CFCl
_{2 ⓘ}

Globaler monatlicher Durchschnittswert der Gesamt-Ozonmenge ⓘ

Ozon ist ein hochreaktives Molekül, das sich mit Hilfe eines Katalysators leicht in die stabilere Sauerstoffform umwandeln lässt. Cl- und Br-Atome zerstören Ozonmoleküle durch eine Vielzahl von katalytischen Zyklen. Im einfachsten Beispiel eines solchen Zyklus reagiert ein Chloratom mit einem Ozonmolekül (O
₃), wobei es ein Sauerstoffatom aufnimmt, um Chlormonoxid (ClO) zu bilden, und ein Sauerstoffmolekül (O
₂). Das ClO kann mit einem zweiten Ozonmolekül reagieren, wobei das Chloratom freigesetzt wird und zwei Sauerstoffmoleküle entstehen. Die chemische Kurzformel für diese Gasphasenreaktionen lautet:

• Cl- + O
  ₃ → ClO + O
  ₂
  Ein Chloratom entfernt ein Sauerstoffatom aus einem Ozonmolekül und bildet ein ClO-Molekül
• ClO + O
  ₃ → Cl- + 2 O
  ₂
  Dieses ClO kann auch ein Sauerstoffatom aus einem anderen Ozonmolekül entfernen; das Chlor kann diesen zweistufigen Zyklus wiederholen ⓘ

Der Gesamteffekt ist eine Abnahme der Ozonmenge, obwohl die Geschwindigkeit dieser Prozesse durch die Auswirkungen von Nullzyklen verringert werden kann. Es wurden auch kompliziertere Mechanismen entdeckt, die zur Zerstörung des Ozons in der unteren Stratosphäre führen. ⓘ

Ein einzelnes Chloratom würde bis zu zwei Jahre lang kontinuierlich Ozon zerstören (also ein Katalysator sein) (die Zeitskala für den Rücktransport in die Troposphäre), abgesehen von Reaktionen, die es aus diesem Kreislauf herausnehmen, indem sie Reservoirspezies wie Chlorwasserstoff (HCl) und Chlornitrat (ClONO
₂). Brom ist bei der Zerstörung von Ozon pro Atom sogar noch effizienter als Chlor, aber derzeit ist viel weniger Brom in der Atmosphäre vorhanden. Sowohl Chlor als auch Brom tragen erheblich zum Abbau der Ozonschicht bei. Laborstudien haben auch gezeigt, dass Fluor- und Jodatome an analogen katalytischen Zyklen beteiligt sind. Allerdings reagieren Fluoratome schnell mit Wasser und Methan, um in der Stratosphäre der Erde stark gebundenes HF zu bilden, während organische Moleküle, die Jod enthalten, in der unteren Atmosphäre so schnell reagieren, dass sie die Stratosphäre nicht in nennenswerten Mengen erreichen. ⓘ

Ein einziges Chloratom kann mit durchschnittlich 100.000 Ozonmolekülen reagieren, bevor es aus dem katalytischen Kreislauf entfernt wird. Diese Tatsache und die Menge an Chlor, die jährlich durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW) in die Atmosphäre freigesetzt wird, verdeutlicht die Gefahr, die von FCKW und H-FCKW für die Umwelt ausgeht. ⓘ

Beobachtungen zum Abbau der Ozonschicht

Niedrigster von TOMS gemessener Ozonwert pro Jahr im Ozonloch ⓘ

Das Ozonloch wird in der Regel als Verringerung der gesamten Ozonsäule über einem Punkt der Erdoberfläche gemessen. Dies wird normalerweise in Dobson-Einheiten ausgedrückt, abgekürzt als "DU". Der deutlichste Rückgang des Ozons findet in der unteren Stratosphäre statt. Mit Instrumenten wie dem Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) wurde im antarktischen Frühling und Frühsommer ein deutlicher Rückgang der Ozonsäule im Vergleich zu den frühen 1970er Jahren und davor beobachtet. ⓘ

Die im australischen (südhemisphärischen) Frühjahr über der Antarktis beobachteten und erstmals 1985 gemeldeten Rückgänge der Ozonsäule um bis zu 70 Prozent (Farman et al.) halten an. Das Gesamtozon in der Antarktis liegt im September und Oktober seit den 1990er Jahren weiterhin um 40-50 % unter den Werten vor dem Ozonloch. Im Jahr 2016 wurde ein allmählicher Trend zur "Heilung" gemeldet. Im Jahr 2017 gab die NASA bekannt, dass das Ozonloch aufgrund der warmen Stratosphärenbedingungen das schwächste seit 1988 war. Es wird erwartet, dass es sich um 2070 erholen wird. ⓘ

In der Arktis schwankt der Verlust von Jahr zu Jahr stärker als in der Antarktis. Die größten Rückgänge in der Arktis finden im Winter und im Frühjahr statt und erreichen bis zu 30 %, wenn die Stratosphäre am kältesten ist. ⓘ

Reaktionen, die an polaren stratosphärischen Wolken (PSC) stattfinden, spielen eine wichtige Rolle bei der Verstärkung des Ozonabbaus. PSCs bilden sich leichter in der extremen Kälte der arktischen und antarktischen Stratosphäre. Dies ist der Grund, warum sich Ozonlöcher zuerst über der Antarktis gebildet haben und dort noch tiefer sind. Frühe Modelle berücksichtigten die PSCs nicht und sagten einen allmählichen globalen Abbau voraus, weshalb das plötzliche Ozonloch in der Antarktis für viele Wissenschaftler so überraschend war. ⓘ

Es ist zutreffender, von einem Ozonabbau in den mittleren Breitengraden zu sprechen als von einem Ozonloch. Die Gesamtsäule des Ozons ist in den mittleren Breiten zwischen 1980 und 1996 unter die Werte von vor 1980 gesunken. In den nördlichen mittleren Breiten stieg es dann von 1996 bis 2009 ausgehend vom Minimalwert um etwa zwei Prozent an, da Vorschriften in Kraft traten und die Menge an Chlor in der Stratosphäre abnahm. In den mittleren Breiten der südlichen Hemisphäre blieb das Gesamtozon in diesem Zeitraum konstant. In den Tropen gibt es keine signifikanten Trends, was vor allem daran liegt, dass halogenhaltige Verbindungen in tropischen Breitengraden noch keine Zeit hatten, sich abzubauen und Chlor- und Bromatome freizusetzen. ⓘ

Große Vulkanausbrüche haben nachweislich erhebliche, wenn auch ungleichmäßige ozonabbauende Auswirkungen, wie beim Ausbruch des Pinatubo 1991 auf den Philippinen zu beobachten war. ⓘ

Der Ozonabbau erklärt auch einen Großteil des beobachteten Rückgangs der Temperaturen in der Stratosphäre und der oberen Troposphäre. Die Wärme in der Stratosphäre entsteht durch die Absorption von UV-Strahlung durch Ozon, so dass der Ozonabbau zu einer Abkühlung führt. Eine gewisse Abkühlung der Stratosphäre wird auch durch die Zunahme von Treibhausgasen wie CO
₂ und FCKW selbst vorhergesagt; die durch Ozon verursachte Abkühlung scheint jedoch zu überwiegen. ⓘ

Die Vorhersage der Ozonwerte ist nach wie vor schwierig, aber die Genauigkeit der Modellvorhersagen gegenüber den beobachteten Werten und die Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Modellierungsverfahren haben stetig zugenommen. Der Bericht Nr. 44 des Global Ozone Research and Monitoring Project der Weltorganisation für Meteorologie spricht sich nachdrücklich für das Montrealer Protokoll aus, stellt jedoch fest, dass in einer UNEP-Bewertung von 1994 der Ozonabbau für den Zeitraum 1994-1997 überschätzt wurde. ⓘ

Verbindungen in der Atmosphäre

FCKW und verwandte Verbindungen in der Atmosphäre

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und andere halogenierte ozonabbauende Stoffe (ODS) sind hauptsächlich für den vom Menschen verursachten chemischen Ozonabbau verantwortlich. Die Gesamtmenge der wirksamen Halogene (Chlor und Brom) in der Stratosphäre kann berechnet werden und ist als äquivalentes wirksames stratosphärisches Chlor (EESC) bekannt. ⓘ

FCKW als Kältemittel wurden in den 1930er Jahren von Thomas Midgley, Jr. erfunden. Sie wurden in Klimaanlagen und Kühlaggregaten, vor den 1970er Jahren als Treibmittel für Aerosolsprays und bei der Reinigung von empfindlichen elektronischen Geräten verwendet. Sie treten auch als Nebenprodukte einiger chemischer Prozesse auf. Es wurden keine nennenswerten natürlichen Quellen für diese Verbindungen gefunden - ihr Vorkommen in der Atmosphäre ist fast ausschließlich auf die menschliche Produktion zurückzuführen. Wie bereits erwähnt, werden solche ozonabbauenden Chemikalien, wenn sie die Stratosphäre erreichen, durch ultraviolettes Licht dissoziiert und setzen dabei Chloratome frei. Die Chloratome wirken wie ein Katalysator, und jedes von ihnen kann Zehntausende von Ozonmolekülen abbauen, bevor es aus der Stratosphäre entfernt wird. Angesichts der Langlebigkeit von FCKW-Molekülen werden die Wiederherstellungszeiten in Jahrzehnten gemessen. Man geht davon aus, dass ein FCKW-Molekül durchschnittlich fünf bis sieben Jahre braucht, um vom Boden in die obere Atmosphäre aufzusteigen, und dass es dort etwa ein Jahrhundert lang bleiben kann, wobei es in dieser Zeit bis zu hunderttausend Ozonmoleküle zerstört. ⓘ

1,1,1-Trichlor-2,2,2-trifluorethan, auch bekannt als FCKW-113a, ist eine von vier künstlich hergestellten Chemikalien, die von einem Team der Universität East Anglia in der Atmosphäre entdeckt wurden. FCKW-113a ist das einzige bekannte FCKW, dessen Häufigkeit in der Atmosphäre noch zunimmt. Seine Quelle ist nach wie vor ein Rätsel, aber einige vermuten eine illegale Herstellung. FCKW-113a scheint sich seit 1960 unvermindert anzureichern. Zwischen 2012 und 2017 sind die Konzentrationen des Gases um 40 Prozent angestiegen. ⓘ

Eine Studie eines internationalen Forscherteams, die in Nature veröffentlicht wurde, ergab, dass seit 2013 Emissionen, die überwiegend aus dem Nordosten Chinas stammen, große Mengen der verbotenen Chemikalie Fluorchlorkohlenwasserstoff-11 (FCKW-11) in die Atmosphäre abgegeben haben. Die Wissenschaftler schätzen, dass diese FCKW-11-Emissionen die Erholung des Ozonlochs auf der Erde um ein Jahrzehnt verzögern werden, wenn nicht gehandelt wird. ⓘ

Computermodellierung

Durch die Kombination von Beobachtungsdaten mit Computermodellen haben Wissenschaftler den Ozonabbau auf die Zunahme der vom Menschen verursachten (anthropogenen) Halogenverbindungen aus FCKW zurückgeführt. Diese komplexen chemischen Transportmodelle (z.B. SLIMCAT, CLaMS-Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere) funktionieren durch die Kombination von Messungen chemischer Stoffe und meteorologischer Felder mit chemischen Reaktionsratenkonstanten. Sie ermitteln die wichtigsten chemischen Reaktionen und Transportprozesse, durch die FCKW-Photolyseprodukte mit Ozon in Kontakt kommen. ⓘ

Ozonloch und seine Ursachen

Ozonloch in Nordamerika während der Jahre 1984 (ungewöhnlich warm, was den Ozonabbau reduzierte) und 1997 (ungewöhnlich kalt, was zu einem verstärkten saisonalen Abbau führte). Quelle: NASA ⓘ

Das antarktische Ozonloch ist ein Gebiet in der antarktischen Stratosphäre, in dem die Ozonwerte in letzter Zeit auf bis zu 33 % der Werte von vor 1975 gesunken sind. Das Ozonloch tritt während des antarktischen Frühlings, von September bis Anfang Dezember, auf, wenn starke Westwinde beginnen, um den Kontinent zu zirkulieren und einen atmosphärischen Container zu bilden. Innerhalb dieses Polarwirbels werden während des antarktischen Frühlings über 50 Prozent des Ozons in der unteren Stratosphäre zerstört. ⓘ

Wie bereits erläutert, ist die Hauptursache für den Ozonabbau das Vorhandensein von chlorhaltigen Quellgasen (hauptsächlich FCKW und verwandte Halogenkohlenwasserstoffe). In Gegenwart von UV-Licht dissoziieren diese Gase und setzen dabei Chloratome frei, die dann den Ozonabbau katalysieren. Der Cl-katalysierte Ozonabbau kann in der Gasphase stattfinden, wird jedoch in Gegenwart von polaren stratosphärischen Wolken (PSC) dramatisch verstärkt. ⓘ

Diese polaren Stratosphärenwolken bilden sich im Winter, wenn es extrem kalt ist. Polare Winter sind dunkel und bestehen aus drei Monaten ohne Sonneneinstrahlung (Sonnenlicht). Das fehlende Sonnenlicht trägt zu einem Temperaturrückgang bei, und der Polarwirbel fängt die Luft ein und kühlt sie ab. Die Temperaturen bewegen sich um oder unter -80 °C. Bei diesen niedrigen Temperaturen bilden sich Wolkenpartikel. Es gibt drei Arten von PSC-Wolken - Salpetersäuretrihydratwolken, langsam abkühlende Wassereiswolken und schnell abkühlende Wassereiswolken (Perlmuttwolken) -, die Oberflächen für chemische Reaktionen bieten, deren Produkte im Frühjahr zur Zerstörung des Ozons führen. ⓘ

Die beteiligten photochemischen Prozesse sind komplex, aber gut verstanden. Die wichtigste Beobachtung ist, dass der größte Teil des Chlors in der Stratosphäre normalerweise in "Reservoir"-Verbindungen vorliegt, vor allem in Chlornitrat (ClONO
₂) sowie stabile Endprodukte wie HCl. Durch die Bildung von Endprodukten wird Cl im Wesentlichen aus dem Ozonabbauprozess entfernt. Erstere binden Cl, das später durch Absorption von Licht bei kürzeren Wellenlängen als 400 nm verfügbar gemacht werden kann. Während des antarktischen Winters und Frühjahrs wandeln jedoch Reaktionen an der Oberfläche der polaren stratosphärischen Wolkenpartikel diese "Reservoir"-Verbindungen in reaktive freie Radikale (Cl und ClO) um. Die Denitrifikation ist der Prozess, durch den die Wolken NO
₂ aus der Stratosphäre entfernen, indem es in den PSC-Partikeln zu Salpetersäure umgewandelt wird, die dann durch Sedimentation verloren geht. Dadurch wird verhindert, dass neu gebildetes ClO wieder in ClONO umgewandelt wird.
₂. ⓘ

Die Rolle des Sonnenlichts beim Ozonabbau ist der Grund dafür, dass der Ozonabbau in der Antarktis im Frühjahr am größten ist. Während des Winters, wenn die PSCs am reichlichsten vorhanden sind, gibt es kein Licht über dem Pol, um chemische Reaktionen anzuregen. Im Frühjahr jedoch kehrt das Sonnenlicht zurück und liefert Energie, um photochemische Reaktionen in Gang zu setzen und die polaren Stratosphärenwolken zu schmelzen, wodurch beträchtliches ClO freigesetzt wird, das den Lochmechanismus antreibt. Durch die weitere Erwärmung gegen Ende des Frühjahrs wird der Wirbel gegen Mitte Dezember aufgelöst. Da warme, ozon- und NO
₂-reiche Luft aus niedrigeren Breiten einströmt, werden die PSCs zerstört, der verstärkte Ozonabbauprozess kommt zum Stillstand, und das Ozonloch schließt sich. ⓘ

Der größte Teil des zerstörten Ozons befindet sich in der unteren Stratosphäre, im Gegensatz zum viel geringeren Ozonabbau durch homogene Gasphasenreaktionen, der hauptsächlich in der oberen Stratosphäre stattfindet. ⓘ

Chloratome und andere Radikale X• führen zu zusätzlichen Verlusten, meist nach folgendem katalytischen Kreisprozess:

X• + O₃ → XO• + O₂

XO• + O → X• + O_{2 ⓘ}

Dabei ist die zweite Reaktion geschwindigkeitsbestimmend, denn O-Atome sind selbst tagsüber vergleichsweise knapp. Daher findet sich z. B. Chlor in der Stratosphäre überwiegend nicht als Cl•, sondern als ClO•. Insbesondere in der Dämmerung reagieren die (ggf. verschiedenen) Radikale XO• untereinander, z. B. ⓘ

ClO• + BrO• → Cl• + Br• + O_{2 ⓘ}

Auch in diesem Fall werden die beiden Radikale X• wieder freigesetzt. Für manche andere Kombinationen von XO• ist das nicht so, wichtige Beispiele sind ⓘ

ClO• + ClO• → Cl₂ + O₂ und

ClO• + NO₂• → ClONO_{2 ⓘ}

Die dabei entstehenden Reaktionsprodukte werden Reservoirspezies genannt, denn in ihnen sind die Radikale nur vorübergehend gebunden, hauptsächlich nachts, während sie tagsüber mehr oder weniger schnell photolysiert werden. Während der langen Dämmerung der Polarnacht entsteht eher das langlebigere Chlornitrat ClONO₂, denn es ist UV-C nötig, um es zu spalten, während für Chlor Cl₂ das bei niedrigem Sonnenstand viel intensivere UV-A ausreicht. ⓘ

Für das ausgeprägte Ozonloch gerade im Frühjahr ist die nächtliche Bildung von Polar Stratospheric Clouds (PSC, polaren Stratosphärenwolken) verantwortlich. Normalerweise gibt es in der Stratosphäre keine Wolken, da sie zu trocken ist. Bei den besonders tiefen Temperaturen der Polarnacht, insbesondere der südlichen, bis unter −80 °C, können jedoch Reste von Wasserdampf H₂O zusammen mit Salpetersäure HNO₃ ausfrieren. Die Salpetersäure entsteht aus Nitraten, wie obigem Chlornitrat:

ClONO₂ + H₂O → HClO + HNO₃, ⓘ

wobei Halogenverbindungen, wie hier die Hypochlorige Säure HClO, in der Gasphase bleiben und beim Sonnenaufgang schnell gespalten werden. Plötzlich gibt es sehr viele Ozon zerstörende Radikale. Erst nach und nach verdampfen die PSC und bringen die Stickstoffverbindungen zurück in die Luft, die mit den Chlorradikalen Reservoirspezies bilden und so den Ozonabbau dämpfen. Laut Forschungsergebnissen der NASA kann der Ozonabbau durch FCKW nur unzureichend mit einer Freisetzung von Chlorradikalen erklärt werden. ⓘ

Interesse an der Zerstörung der Ozonschicht

In der Öffentlichkeit sind falsche Vorstellungen und Missverständnisse zu komplexen Themen wie dem Ozonabbau weit verbreitet. Das begrenzte wissenschaftliche Wissen der Öffentlichkeit führte zu Verwirrung über die globale Erwärmung oder die Wahrnehmung der globalen Erwärmung als eine Untergruppe des "Ozonlochs". Die klassischen grünen Nichtregierungsorganisationen verzichteten anfangs darauf, den FCKW-Abbau für ihre Kampagnen zu nutzen, da sie annahmen, das Thema sei zu kompliziert. Sie wurden erst viel später aktiv, z.B. als Greenpeace sich für einen FCKW-freien Kühlschrank des ehemaligen ostdeutschen VEB dkk Scharfenstein einsetzte. ⓘ

Die in der FCKW-Diskussion verwendeten Metaphern (Ozonschild, Ozonloch) sind nicht "exakt" im wissenschaftlichen Sinne. Das "Ozonloch" ist eher eine Vertiefung, weniger ein "Loch in der Windschutzscheibe". Das Ozon verschwindet weder durch die Schicht hindurch, noch gibt es eine gleichmäßige "Ausdünnung" der Ozonschicht. Sie kamen jedoch bei Nicht-Wissenschaftlern und deren Bedenken besser an. Das Ozonloch wurde als "heißes Eisen" und drohende Gefahr angesehen, da Laien schwerwiegende persönliche Folgen wie Hautkrebs, grauer Star, Schädigung von Pflanzen und Rückgang der Planktonpopulationen in der photischen Zone des Ozeans befürchteten. Nicht nur auf politischer Ebene schnitt die Ozonregulierung im Vergleich zum Klimawandel in der öffentlichen Meinung viel besser ab. Die Amerikaner verzichteten freiwillig auf Aerosolsprays, bevor die Gesetzgebung in Kraft trat, während der Klimawandel keine vergleichbare Besorgnis und kein öffentliches Handeln hervorrief. Die plötzliche Feststellung eines erheblichen "Ozonlochs" im Jahr 1985 fand in der Presse breite Resonanz. Der besonders schnelle Ozonabbau in der Antarktis war zuvor als Messfehler abgetan worden. Nach der Regulierung wurde ein wissenschaftlicher Konsens erzielt. ⓘ

Obwohl das Ozonloch in der Antarktis nur relativ geringe Auswirkungen auf das globale Ozon hat, hat es doch ein großes öffentliches Interesse hervorgerufen:

• Viele haben befürchtet, dass Ozonlöcher auch in anderen Regionen der Erde auftreten könnten, obwohl der einzige andere großflächige Ozonabbau bisher ein kleineres Ozonloch ist, das im arktischen Frühling um den Nordpol herum beobachtet wurde. Die Ozonkonzentration in den mittleren Breiten ist zwar zurückgegangen, aber in einem viel geringeren Ausmaß (etwa 4-5 %).
• Wenn sich die Bedingungen in der Stratosphäre verschärfen (kühlere Temperaturen, mehr Wolken, mehr aktives Chlor), könnte der globale Ozonabbau noch schneller voranschreiten. Die gängige Theorie der globalen Erwärmung sagt voraus, dass sich die Stratosphäre abkühlen wird.
• Wenn das Ozonloch in der Antarktis jedes Jahr aufbricht, driftet die ozonarme Luft in nahe gelegene Regionen ab. In Neuseeland wurde in den Monaten nach dem Aufbrechen des antarktischen Ozonlochs ein Rückgang des Ozongehalts um bis zu 10 % gemeldet, wobei die Intensität der Ultraviolett-B-Strahlung seit den 1970er Jahren um mehr als 15 % zunahm. ⓘ

Auswirkungen

Da die Ozonschicht das UVB-Ultraviolettlicht der Sonne absorbiert, führt der Abbau der Ozonschicht zu einem Anstieg der UVB-Werte an der Oberfläche (bei sonst gleichen Bedingungen), was zu Schäden, einschließlich einer Zunahme von Hautkrebs, führen kann. Dies war der Grund für das Montrealer Protokoll. Obwohl der Rückgang des stratosphärischen Ozons eng mit den FCKW und dem Anstieg der UVB-Werte an der Oberfläche verbunden ist, gibt es keine direkten Beobachtungen, die einen Zusammenhang zwischen dem Abbau der Ozonschicht und dem vermehrten Auftreten von Hautkrebs und Augenschäden beim Menschen herstellen. Dies liegt zum Teil daran, dass UVA, das ebenfalls mit einigen Formen von Hautkrebs in Verbindung gebracht wird, nicht von Ozon absorbiert wird, und dass es nahezu unmöglich ist, Statistiken auf Veränderungen des Lebensstils im Laufe der Zeit zu kontrollieren. Der Ozonabbau kann auch die Windverhältnisse beeinflussen. ⓘ

Erhöhte UV-Strahlung

Obwohl Ozon nur ein kleiner Bestandteil der Erdatmosphäre ist, ist es für den größten Teil der Absorption von UVB-Strahlung verantwortlich. Die Menge der UVB-Strahlung, die durch die Ozonschicht dringt, nimmt exponentiell mit der Dicke und der Dichte der Schicht ab, die schräg nach oben verläuft. Wenn die Ozonwerte in der Stratosphäre abnehmen, erreichen höhere UVB-Werte die Erdoberfläche. Die UV-bedingte Phenolbildung in Baumringen hat den Beginn des Ozonabbaus in den nördlichen Breiten auf das späte 1700er Jahr datiert. ⓘ

Im Oktober 2008 veröffentlichte die ecuadorianische Weltraumbehörde einen Bericht namens HIPERION. Die Studie nutzte Bodeninstrumente in Ecuador und die Daten der letzten 28 Jahre von 12 Satelliten mehrerer Länder und stellte fest, dass die UV-Strahlung, die die äquatorialen Breiten erreicht, weitaus stärker war als erwartet, wobei der UV-Index in Quito auf bis zu 24 anstieg; die WHO betrachtet 11 als extremen Index und als großes Gesundheitsrisiko. Der Bericht kam zu dem Schluss, dass der Ozonabbau in den mittleren Breitengraden der Erde bereits eine Gefahr für große Teile der Bevölkerung in diesen Gebieten darstellt. Später veröffentlichte die peruanische Raumfahrtbehörde CONIDA eine eigene Studie, die zu fast den gleichen Ergebnissen wie die ecuadorianische Studie kam. ⓘ

Biologische Auswirkungen

Die größte Sorge der Öffentlichkeit im Zusammenhang mit dem Ozonloch sind die Auswirkungen der erhöhten UV-Strahlung auf die menschliche Gesundheit. Bislang liegt der Ozonabbau an den meisten Orten bei wenigen Prozent, und wie bereits erwähnt, gibt es in den meisten Breitengraden keine direkten Beweise für Gesundheitsschäden. Sollte der starke Abbau des Ozons, wie er beim Ozonloch zu beobachten ist, auf den gesamten Globus ausgedehnt werden, könnten die Auswirkungen wesentlich dramatischer sein. Da das Ozonloch über der Antarktis in einigen Fällen so groß geworden ist, dass Teile Australiens, Neuseelands, Chiles, Argentiniens und Südafrikas betroffen sind, befürchten Umweltschützer, dass der Anstieg der UV-Strahlung an der Oberfläche erheblich sein könnte. ⓘ

Der Ozonabbau würde alle Auswirkungen der UV-Strahlung auf die menschliche Gesundheit verstärken, sowohl die positiven (einschließlich der Produktion von Vitamin D) als auch die negativen (einschließlich Sonnenbrand, Hautkrebs und Katarakte). Darüber hinaus führt eine erhöhte UV-Strahlung an der Oberfläche zu einem Anstieg des troposphärischen Ozons, das ein Gesundheitsrisiko für den Menschen darstellt. ⓘ

Basal- und Plattenepithelkarzinome

Die häufigsten Formen von Hautkrebs beim Menschen, Basal- und Plattenepithelkarzinome, werden stark mit UV-B-Exposition in Verbindung gebracht. Der Mechanismus, durch den UVB diese Krebsarten auslöst, ist gut bekannt: Die Absorption von UV-B-Strahlung führt dazu, dass die Pyrimidinbasen im DNA-Molekül Dimere bilden, was zu Transkriptionsfehlern bei der Replikation der DNA führt. Diese Krebsarten sind relativ harmlos und verlaufen selten tödlich, obwohl die Behandlung von Plattenepithelkarzinomen manchmal umfangreiche rekonstruktive Eingriffe erfordert. Durch die Kombination epidemiologischer Daten mit den Ergebnissen von Tierversuchen haben Wissenschaftler geschätzt, dass jeder einprozentige Rückgang der langfristigen Ozonkonzentration in der Stratosphäre die Häufigkeit dieser Krebsarten um 2 % erhöhen würde. ⓘ

Malignes Melanom

Eine andere Form von Hautkrebs, das maligne Melanom, ist viel seltener, aber weitaus gefährlicher, da es in etwa 15-20 % der diagnostizierten Fälle tödlich verläuft. Der Zusammenhang zwischen malignem Melanom und UV-Exposition ist noch nicht vollständig geklärt, aber es scheint, dass sowohl UV-B als auch UV-A beteiligt sind. Aufgrund dieser Ungewissheit ist es schwierig, die Auswirkungen des Ozonabbaus auf die Melanominzidenz abzuschätzen. Eine Studie zeigte, dass ein 10-prozentiger Anstieg der UV-B-Strahlung mit einem 19-prozentigen Anstieg der Melanome bei Männern und einem 16-prozentigen Anstieg bei Frauen verbunden war. Eine Studie an Menschen in Punta Arenas, an der Südspitze Chiles, zeigte über einen Zeitraum von sieben Jahren eine 56-prozentige Zunahme von Melanomen und eine 46-prozentige Zunahme von nicht melanomem Hautkrebs in Verbindung mit einem verringerten Ozongehalt und erhöhten UVB-Werten. ⓘ

Kortikaler Katarakt

Epidemiologische Studien deuten auf einen Zusammenhang zwischen okularem kortikalem Katarakt und UV-B-Exposition hin, wobei grobe Näherungswerte für die Exposition und verschiedene Verfahren zur Bewertung des Katarakts verwendet wurden. Eine detaillierte Bewertung der UV-B-Belastung der Augen wurde in einer Studie über Wassermänner in der Chesapeake Bay durchgeführt, bei der ein Anstieg der durchschnittlichen jährlichen Augenbelastung mit einem erhöhten Risiko für eine Trübung der Augenrinde in Verbindung gebracht wurde. In dieser stark exponierten Gruppe überwiegend weißer Männer war der Zusammenhang zwischen Rindeneintrübungen und Sonnenlichtexposition bisher am stärksten. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wird vorausgesagt, dass der Ozonabbau bis 2050 Hunderttausende von zusätzlichen Katarakten verursachen wird. ⓘ

Erhöhtes troposphärisches Ozon

Erhöhte UV-Strahlung an der Oberfläche führt zu einem Anstieg des troposphärischen Ozons. Bodennahes Ozon ist allgemein als Gesundheitsrisiko anerkannt, da Ozon aufgrund seiner starken oxidierenden Eigenschaften toxisch ist. Besonders groß ist das Risiko für Kleinkinder, ältere Menschen und Personen mit Asthma oder anderen Atembeschwerden. Gegenwärtig wird Ozon in Bodennähe hauptsächlich durch die Einwirkung von UV-Strahlung auf Verbrennungsgase aus Fahrzeugabgasen erzeugt. ⓘ

Erhöhte Produktion von Vitamin D

Vitamin D wird in der Haut durch ultraviolettes Licht gebildet. Eine höhere UVB-Bestrahlung führt daher bei Menschen mit einem Vitamin-D-Mangel zu einem Anstieg der Vitamin-D-Produktion. Neuere Forschungen (vor allem seit dem Montrealer Protokoll) zeigen, dass viele Menschen einen nicht optimalen Vitamin-D-Spiegel haben. Insbesondere in der US-Bevölkerung wurde anhand von Daten aus der National Health and Nutrition Examination Survey festgestellt, dass das niedrigste Viertel des Vitamin-D-Spiegels (<17,8 ng/ml) mit einem Anstieg der Gesamtmortalität in der Allgemeinbevölkerung verbunden ist. Ein Vitamin-D-Blutspiegel von über 100 ng/ml scheint den Kalziumspiegel im Blut übermäßig zu erhöhen und mit einer höheren Sterblichkeit in Verbindung zu stehen, doch verfügt der Körper über Mechanismen, die verhindern, dass das Sonnenlicht mehr Vitamin D produziert, als der Körper benötigt. ⓘ

Auswirkungen auf Tiere

In einem Bericht vom November 2011 stellten Wissenschaftler des Institute of Zoology in London fest, dass bei Walen vor der Küste Kaliforniens ein starker Anstieg der Sonnenschäden zu verzeichnen ist, und diese Wissenschaftler "befürchten, dass die dünner werdende Ozonschicht dafür verantwortlich ist". Im Rahmen der Studie wurden Hautbiopsien von über 150 Walen im Golf von Kalifornien fotografiert und entnommen. Dabei wurden "weit verbreitete Anzeichen von Epidermisschäden festgestellt, die üblicherweise mit akutem und schwerem Sonnenbrand in Verbindung gebracht werden", d. h. Zellen, die sich bilden, wenn die DNA durch UV-Strahlung beschädigt wird. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass "steigende UV-Werte als Folge des Ozonabbaus für die beobachteten Hautschäden verantwortlich sind, so wie auch die Hautkrebsraten beim Menschen in den letzten Jahrzehnten gestiegen sind". Neben den Walen leiden auch viele andere Tiere wie Hunde, Katzen, Schafe und terrestrische Ökosysteme unter den negativen Auswirkungen der erhöhten UV-B-Strahlung. ⓘ

Auswirkungen auf Nutzpflanzen

Es ist zu erwarten, dass eine Zunahme der UV-Strahlung Auswirkungen auf Nutzpflanzen hat. Eine Reihe von wirtschaftlich wichtigen Pflanzenarten, wie z. B. Reis, sind auf Cyanobakterien angewiesen, die auf ihren Wurzeln leben, um Stickstoff zu speichern. Cyanobakterien sind empfindlich gegenüber UV-Strahlung und würden durch deren Zunahme beeinträchtigt. "Trotz Mechanismen zur Verringerung oder Reparatur der Auswirkungen erhöhter UV-Strahlung haben Pflanzen nur eine begrenzte Fähigkeit, sich an erhöhte UVB-Werte anzupassen, weshalb das Pflanzenwachstum direkt durch UVB-Strahlung beeinträchtigt werden kann. ⓘ

Auswirkungen auf die Pflanzenwelt

Im Laufe der Jahre ist die Ozonschicht in der Arktis stark geschrumpft. Dies hat zur Folge, dass Arten, die oberhalb der Schneedecke oder in Gebieten leben, in denen der Schnee aufgrund der heißen Temperaturen reichlich geschmolzen ist, durch die UV-Strahlung, die den Boden erreicht, geschädigt werden. Bei einem Abbau der Ozonschicht und einem Übermaß an UVB-Strahlung würde man zunächst annehmen, dass die Schäden an der Pflanzen-DNA zunehmen. In Berichten wurde festgestellt, dass, wenn Pflanzen UVB-Strahlung ausgesetzt werden, die dem Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre ähnelt, keine signifikante Veränderung der Pflanzenhöhe oder der Blattmasse zu verzeichnen ist, jedoch eine Reaktion bei der Sprossbiomasse und der Blattfläche mit einem geringen Rückgang. Es hat sich jedoch gezeigt, dass UVB-Strahlung die Quantenausbeute des Photosystems II verringert. UVB-Schäden treten nur bei extremer Exposition auf, und die meisten Pflanzen verfügen über UVB-absorbierende Flavonoide, die es ihnen ermöglichen, sich an die vorhandene Strahlung zu akklimatisieren. Pflanzen sind im Laufe des Tages unterschiedlich starker UV-Strahlung ausgesetzt. Es ist bekannt, dass sie in der Lage sind, die Menge und die Art der UV-Sonnenschutzmittel (d. h. Flavonoide), die sie enthalten, im Laufe des Tages zu verändern. Dadurch können sie ihren Schutz vor UV-Strahlung erhöhen. Pflanzen, die während ihrer Entwicklung durch Strahlung geschädigt wurden, sind eher dadurch betroffen, dass sie mit einer größeren Blattfläche kein Licht mehr abfangen können, als dass ihre Photosynthesesysteme beeinträchtigt sind. Die Schäden durch UVB-Strahlung wirken sich eher auf die Wechselwirkungen zwischen den Arten als auf die Pflanzen selbst aus. ⓘ

Eine weitere wichtige Auswirkung des Ozonabbaus auf die Pflanzenwelt ist der Stress, dem die Pflanzen ausgesetzt sind, wenn sie der UV-Strahlung ausgesetzt sind. Dies kann zu einem Rückgang des Pflanzenwachstums und einem Anstieg des oxidativen Stresses aufgrund der Produktion von Stickstoffmonoxid und Wasserstoffperoxid führen. Die Verringerung des Pflanzenwachstums wird langfristig erhebliche Folgen haben. Es wird davon ausgegangen, dass die Pflanzenproduktivität um 6 % abnimmt und dass die Pflanzen weniger Kohlenstoff aus der Umwelt aufnehmen/sequestrieren. ⓘ

Wenn Pflanzen einer hohen UV-Strahlung ausgesetzt sind, kann dies außerdem die Produktion schädlicher flüchtiger organischer Verbindungen wie Isoprenen auslösen. Die Emission von Isoprenen in die Luft durch Pflanzen kann die Umwelt stark belasten, indem sie zur Luftverschmutzung beiträgt und die Menge an Kohlenstoff in der Atmosphäre erhöht, was letztlich zum Klimawandel beiträgt. ⓘ

Öffentliche Politik

NASA-Projektionen der stratosphärischen Ozonkonzentration, wenn Fluorchlorkohlenwasserstoffe nicht verboten worden wären ⓘ

Das volle Ausmaß der Schäden, die FCKW an der Ozonschicht verursacht haben, ist noch nicht bekannt und wird sich erst in Jahrzehnten herausstellen; es wurde jedoch bereits ein deutlicher Rückgang der Ozonsäule beobachtet. Die Übereinkommen von Montreal und Wien wurden verabschiedet, lange bevor sich ein wissenschaftlicher Konsens abzeichnete oder wichtige Unsicherheiten in der Wissenschaft ausgeräumt werden konnten. Der Fall Ozon wurde von Laien vergleichsweise gut verstanden, da z. B. Ozonschild oder Ozonloch nützliche "leicht verständliche Überbrückungsmetaphern" waren. Die Amerikaner verzichteten freiwillig auf Aerosolsprays, was zu einem 50-prozentigen Umsatzrückgang führte, noch bevor die Gesetzgebung in Kraft trat. ⓘ

Nachdem die Nationale Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten 1976 in einem Bericht zu dem Schluss gekommen war, dass die Hypothese des Ozonabbaus durch glaubwürdige wissenschaftliche Beweise gestützt wurde, beschlossen einige Länder, darunter die Vereinigten Staaten, Kanada, Schweden, Dänemark und Norwegen, die Verwendung von FCKW in Aerosolspraydosen zu verbieten. Damals wurde dies weithin als erster Schritt in Richtung einer umfassenderen Regulierungspolitik angesehen, doch in den folgenden Jahren verlangsamte sich der Fortschritt in dieser Richtung aufgrund einer Kombination aus politischen Faktoren (anhaltender Widerstand seitens der Halogenkohlenwasserstoff-Industrie und ein allgemeiner Wandel in der Haltung gegenüber der Umweltregulierung während der ersten beiden Jahre der Reagan-Administration) und wissenschaftlichen Entwicklungen (spätere Bewertungen der Nationalen Akademie, die darauf hinwiesen, dass die ersten Schätzungen des Ausmaßes des Ozonabbaus zu groß gewesen waren). Ein wichtiges Patent von DuPont für die Herstellung von Freon sollte 1979 auslaufen. Die Vereinigten Staaten verboten 1978 die Verwendung von FCKW in Aerosoldosen. Die Europäische Gemeinschaft lehnte Vorschläge zum Verbot von FCKW in Aerosolsprays ab, und in den USA wurden FCKW weiterhin als Kühlmittel und zur Reinigung von Leiterplatten verwendet. Die weltweite FCKW-Produktion ging nach dem Verbot der Aerosole in den USA stark zurück, erreichte aber 1986 fast wieder das Niveau von 1976. 1993 schloss DuPont Canada seine FCKW-Anlage. ⓘ

Die Haltung der US-Regierung begann sich 1983 erneut zu ändern, als William Ruckelshaus Anne M. Burford als Administrator der US-Umweltschutzbehörde ablöste. Unter Ruckelshaus und seinem Nachfolger Lee Thomas drängte die EPA auf ein internationales Vorgehen bei den Halokohlenstoffvorschriften. Im Jahr 1985 unterzeichneten zwanzig Nationen, darunter die meisten der großen FCKW-Hersteller, das Wiener Übereinkommen zum Schutz der Ozonschicht, das einen Rahmen für die Aushandlung internationaler Vorschriften über ozonabbauende Stoffe bildet. Im selben Jahr wurde die Entdeckung des Ozonlochs in der Antarktis bekannt gegeben, was die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit auf dieses Thema lenkte. Im Jahr 1987 unterzeichneten Vertreter von 43 Ländern das Montrealer Protokoll. In der Zwischenzeit änderte die Halokohlenstoffindustrie ihren Standpunkt und begann, ein Protokoll zur Begrenzung der FCKW-Produktion zu unterstützen. Dieser Wandel verlief jedoch uneinheitlich, wobei DuPont schneller handelte als seine europäischen Kollegen. Möglicherweise fürchtete DuPont gerichtliche Schritte im Zusammenhang mit der Zunahme von Hautkrebs, zumal die EPA 1986 eine Studie veröffentlicht hatte, in der behauptet wurde, dass in den USA in den nächsten 88 Jahren mit 40 Millionen zusätzlichen Fällen und 800.000 Krebstoten zu rechnen sei. Auch die EU änderte ihre Position, nachdem Deutschland seine Verteidigung der FCKW-Industrie aufgegeben und begonnen hatte, Maßnahmen zur Regulierung zu unterstützen. Regierung und Industrie in Frankreich und im Vereinigten Königreich versuchten, ihre FCKW-produzierenden Industrien auch nach der Unterzeichnung des Montrealer Protokolls zu verteidigen. ⓘ

In Montreal einigten sich die Teilnehmer darauf, die Produktion von FCKW auf dem Stand von 1986 einzufrieren und bis 1999 um 50 % zu reduzieren. Nachdem eine Reihe wissenschaftlicher Expeditionen in die Antarktis überzeugende Beweise dafür erbracht hatten, dass das Ozonloch tatsächlich durch Chlor und Brom aus künstlich hergestellten Organohalogenen verursacht wurde, wurde das Montrealer Protokoll 1990 auf einer Tagung in London verschärft. Die Teilnehmer einigten sich darauf, FCKW und Halone bis zum Jahr 2000 in Ländern, die nicht unter Artikel 5 fallen, und bis zum Jahr 2010 in Ländern, die unter Artikel 5 (weniger entwickelte Länder) fallen, vollständig aus dem Verkehr zu ziehen (abgesehen von einer sehr geringen Menge, die für bestimmte "wesentliche" Verwendungszwecke wie Asthma-Inhalatoren gekennzeichnet ist). Auf einer Tagung 1992 in Kopenhagen wurde das Ausstiegsdatum auf 1996 vorverlegt. Auf demselben Treffen wurde Methylbromid (MeBr), ein hauptsächlich in der landwirtschaftlichen Produktion verwendetes Begasungsmittel, in die Liste der kontrollierten Stoffe aufgenommen. Für alle im Rahmen des Protokolls geregelten Stoffe wurden die Ausstiegszeitpläne für weniger entwickelte Länder ("Artikel 5 Absatz 1") verschoben, und der Ausstieg in diesen Ländern wurde durch den Transfer von Fachwissen, Technologie und Geld von Nicht-Artikel 5 Absatz 1-Vertragsparteien des Protokolls unterstützt. Außerdem konnten Ausnahmen von den vereinbarten Zeitplänen im Rahmen des EUE-Verfahrens (Essential Use Exemption) für andere Stoffe als Methylbromid und im Rahmen des CUE-Verfahrens (Critical Use Exemption) für Methylbromid beantragt werden. ⓘ

Die Zivilgesellschaft, insbesondere die NRO, spielte in allen Phasen der Politikentwicklung im Vorfeld der Wiener Konferenz, des Montrealer Protokolls und bei der Bewertung der Einhaltung der Vorschriften danach eine entscheidende Rolle. Die großen Unternehmen behaupteten, dass es keine Alternativen zu HFKW gebe. Ein ozonunschädliches Kohlenwasserstoff-Kältemittel, das aus einer Mischung der Kohlenwasserstoffgase Propan und Butan besteht, wurde in einem Hamburger Technologieinstitut in Deutschland entwickelt und 1992 von der Nichtregierungsorganisation (NRO) Greenpeace entdeckt. Greenpeace nannte es "Greenfreeze". Die Nichtregierungsorganisation arbeitete daraufhin erfolgreich mit einem kleinen, in Schwierigkeiten steckenden Unternehmen zusammen, um ein Gerät zunächst in Europa, dann in Asien und später in Lateinamerika auf den Markt zu bringen, wofür sie 1997 einen UNEP-Preis erhielt. Bereits 1995 hatte Deutschland FCKW-Kühlschränke verboten. Seit 2004 bilden Unternehmen wie Coca-Cola, Carlsberg und IKEA eine Koalition, um die ozonunschädlichen Greenfreeze-Geräte zu fördern. Die Produktion wurde auf Unternehmen wie Electrolux, Bosch und LG ausgeweitet, die bis 2008 rund 300 Millionen Kühlschränke verkauften. In Lateinamerika begann ein argentinisches Unternehmen 2003 mit der Produktion von Greenfreeze, während der Gigant Bosch in Brasilien ein Jahr später damit begann. Im Jahr 2013 wurde Greenfreeze in rund 700 Millionen Kühlschränken verwendet, was etwa 40 Prozent des Marktes ausmacht. In den USA verlief der Wandel jedoch viel langsamer. Bis zu einem gewissen Grad wurden FCKW durch die weniger schädlichen teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW) ersetzt, obwohl auch bei H-FCKW weiterhin Bedenken bestehen. In einigen Anwendungen wurden Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) als Ersatz für FCKW eingesetzt. HFKW, die kein Chlor oder Brom enthalten, tragen überhaupt nicht zum Abbau der Ozonschicht bei, obwohl sie starke Treibhausgase sind. Die bekannteste dieser Verbindungen ist wahrscheinlich HFC-134a (R-134a), das in den Vereinigten Staaten FCKW-12 (R-12) in Autoklimaanlagen weitgehend ersetzt hat. In der Laboranalytik (ein früherer "wesentlicher" Verwendungszweck) können die ozonabbauenden Stoffe durch verschiedene andere Lösungsmittel ersetzt werden. Chemieunternehmen wie Du Pont, deren Vertreter Greenfreeze sogar als "diese deutsche Technologie" verunglimpften, haben die EPA dazu gebracht, die Technologie in den USA bis 2011 zu blockieren. Ben & Jerry's von Unilever und General Electric hatten, angestachelt durch Greenpeace, 2008 formelles Interesse bekundet, was zur endgültigen Genehmigung durch die EPA führte. ⓘ

In jüngster Zeit haben sich Politikexperten dafür ausgesprochen, die Bemühungen um den Ozonschutz mit denen um den Klimaschutz zu verknüpfen. Viele ODS sind auch Treibhausgase, von denen einige kurz- und mittelfristig einen tausendmal stärkeren Strahlungsantrieb haben als Kohlendioxid. Daher haben Maßnahmen zum Schutz der Ozonschicht Vorteile bei der Abschwächung des Klimawandels gebracht. Tatsächlich hat die Verringerung des Strahlungsantriebs durch ODS wahrscheinlich das wahre Ausmaß der Auswirkungen anderer Treibhausgase auf den Klimawandel verschleiert und war für die "Verlangsamung" der globalen Erwärmung ab Mitte der 90er Jahre verantwortlich. Politische Entscheidungen in einem Bereich wirken sich auf die Kosten und die Wirksamkeit von Umweltverbesserungen in einem anderen Bereich aus. ⓘ

ODS-Anforderungen in der Schifffahrtsindustrie

Die IMO hat die MARPOL-Anlage VI Regel 12 über ozonabbauende Stoffe geändert. Ab dem 1. Juli 2010 müssen alle Schiffe, auf die MARPOL-Anlage VI anwendbar ist, eine Liste der Geräte haben, die ozonabbauende Stoffe verwenden. Die Liste sollte den Namen des ODS, die Art und den Standort der Ausrüstung, die Menge in kg und das Datum enthalten. Alle Änderungen seit diesem Datum sollten in einem ODS-Aufzeichnungsbuch an Bord festgehalten werden, in dem alle beabsichtigten oder unbeabsichtigten Freisetzungen in die Atmosphäre verzeichnet sind. Darüber hinaus sollten auch neue ODS-Lieferungen oder -Anlandungen an Einrichtungen an Land erfasst werden. ⓘ

Aussichten auf einen Abbau der Ozonschicht

Die Ozonwerte stabilisierten sich in den 1990er Jahren im Anschluss an das Montrealer Protokoll und haben begonnen, sich zu erholen. Es wird erwartet, dass sie vor 2075 das Niveau von vor 1980 erreichen werden. ⓘ

Trends bei ozonabbauenden Gasen ⓘ

Seit der Verabschiedung und Verschärfung des Montrealer Protokolls, das zu einer Verringerung der FCKW-Emissionen geführt hat, sind die atmosphärischen Konzentrationen der wichtigsten Verbindungen zurückgegangen. Diese Stoffe werden allmählich aus der Atmosphäre entfernt; seit ihrem Höchststand im Jahr 1994 ist der Gehalt an effektivem Chloräquivalent (EECl) in der Atmosphäre bis 2008 um etwa 10 Prozent gesunken. Der Rückgang der ozonabbauenden Chemikalien wurde auch wesentlich durch einen Rückgang der bromhaltigen Chemikalien beeinflusst. Die Daten deuten darauf hin, dass es erhebliche natürliche Quellen für atmosphärisches Methylbromid (CH
₃Br). Der schrittweise Ausstieg aus FCKW bedeutet, dass Distickstoffoxid (N
₂O), das nicht unter das Montrealer Protokoll fällt, zum am stärksten emittierten ozonabbauenden Stoff geworden ist und dies voraussichtlich auch im 21. ⓘ

Dem Sechsten Sachstandsbericht des IPCC zufolge sind die weltweiten Ozonwerte in der Stratosphäre in den 1970er und 1980er Jahren rasch zurückgegangen und haben seitdem wieder zugenommen, ohne jedoch das vorindustrielle Niveau zu erreichen. Obwohl von Jahr zu Jahr erhebliche Schwankungen zu erwarten sind, auch in den Polarregionen, wo der Abbau am stärksten ist, dürfte sich die Ozonschicht in den kommenden Jahrzehnten aufgrund der sinkenden Konzentrationen ozonabbauender Stoffe weiter erholen, sofern das Montrealer Protokoll vollständig eingehalten wird. ⓘ

Das Ozonloch in der Antarktis wird voraussichtlich noch jahrzehntelang bestehen. Die Ozonkonzentrationen in der unteren Stratosphäre über der Antarktis sind bis 2020 um 5-10 Prozent gestiegen und werden bis etwa 2060-2075 wieder das Niveau von vor 1980 erreichen. Dies ist 10 bis 25 Jahre später als in früheren Bewertungen vorhergesagt, da die Schätzungen der atmosphärischen Konzentrationen von ozonabbauenden Stoffen revidiert wurden, einschließlich eines größeren voraussichtlichen künftigen Verbrauchs in Entwicklungsländern. Ein weiterer Faktor, der den Ozonabbau verlängern kann, ist der Abzug von Stickstoffoxiden aus der Stratosphäre aufgrund veränderter Windmuster. Im Jahr 2016 wurde ein allmählicher Trend zur "Heilung" gemeldet. Im Jahr 2019 war das Ozonloch so klein wie seit dreißig Jahren nicht mehr, was darauf zurückzuführen ist, dass die wärmere polare Stratosphäre den Polarwirbel abschwächt. ⓘ

Geschichte der Forschung

Die grundlegenden physikalischen und chemischen Prozesse, die zur Bildung einer Ozonschicht in der Stratosphäre der Erde führen, wurden 1930 von Sydney Chapman entdeckt. Kurzwellige UV-Strahlung spaltet ein Sauerstoffmolekül (O
₂)-Molekül in zwei Sauerstoffatome (O), die sich dann mit anderen Sauerstoffmolekülen zu Ozon verbinden. Ozon wird entfernt, wenn sich ein Sauerstoffatom und ein Ozonmolekül "rekombinieren" und zwei Sauerstoffmoleküle bilden, d. h. O + O
₃ → 2O
₂. In den 1950er Jahren wiesen David Bates und Marcel Nicolet nach, dass verschiedene freie Radikale, insbesondere Hydroxyl (OH) und Stickstoffoxid (NO), diese Rekombinationsreaktion katalysieren können, wodurch die Gesamtmenge an Ozon verringert wird. Diese freien Radikale waren bekanntlich in der Stratosphäre vorhanden und wurden daher als Teil des natürlichen Gleichgewichts betrachtet - man schätzte, dass die Ozonschicht ohne sie etwa doppelt so dick wäre wie sie derzeit ist. ⓘ

1970 wies Paul Crutzen darauf hin, dass Emissionen von Distickstoffoxid (N
₂O), einem stabilen, langlebigen Gas, das von Bodenbakterien produziert wird, die Menge an Stickstoffoxid (NO) in der Stratosphäre beeinflussen könnte. Crutzen zeigte, dass Distickstoffoxid lange genug lebt, um die Stratosphäre zu erreichen, wo es in NO umgewandelt wird. Crutzen stellte dann fest, dass der zunehmende Einsatz von Düngemitteln zu einem Anstieg der Lachgasemissionen gegenüber dem natürlichen Hintergrund geführt haben könnte, was wiederum einen Anstieg der NO-Menge in der Stratosphäre zur Folge hätte. Somit könnten menschliche Aktivitäten die stratosphärische Ozonschicht beeinflussen. Im folgenden Jahr schlugen Crutzen und (unabhängig davon) Harold Johnston vor, dass NO-Emissionen von Überschall-Passagierflugzeugen, die in der unteren Stratosphäre fliegen, ebenfalls zu einem Abbau der Ozonschicht führen könnten. Eine neuere Analyse von David W. Fahey, Atmosphärenwissenschaftler bei der National Oceanic and Atmospheric Administration, aus dem Jahr 1995 ergab jedoch, dass der Ozonabbau bei einer Flotte von 500 Überschall-Passagierflugzeugen bei 1-2 % liegen würde. Dies, so Fahey, wäre kein Hindernis für die Entwicklung fortschrittlicher Überschall-Passagierflugzeuge. ⓘ

Rowland-Molina-Hypothese

1974 schlugen Frank Sherwood Rowland, Chemieprofessor an der Universität von Kalifornien in Irvine, und sein Postdoktorand Mario J. Molina vor, dass sich langlebige organische Halogenverbindungen wie FCKW ähnlich verhalten könnten wie Crutzen es für Distickstoffoxid vorgeschlagen hatte. James Lovelock hatte 1971 während einer Kreuzfahrt im Südatlantik entdeckt, dass fast alle FCKW-Verbindungen, die seit ihrer Erfindung im Jahr 1930 hergestellt wurden, noch in der Atmosphäre vorhanden waren. Molina und Rowland kamen zu dem Schluss, dass die FCKW, ebenso wie N
₂O, die FCKW in die Stratosphäre gelangen würden, wo sie durch UV-Licht dissoziiert würden und Chloratome freisetzten. Ein Jahr zuvor hatten Richard Stolarski und Ralph Cicerone von der Universität Michigan gezeigt, dass Cl die Zerstörung von Ozon noch effizienter katalysiert als NO. Zu ähnlichen Schlussfolgerungen kamen auch Michael McElroy und Steven Wofsy von der Harvard University. Keine der beiden Gruppen hatte jedoch erkannt, dass FCKW eine potenziell große Quelle für stratosphärisches Chlor sind - stattdessen hatten sie die möglichen Auswirkungen der HCl-Emissionen des Space Shuttle untersucht, die sehr viel geringer sind. ⓘ

Die Rowland-Molina-Hypothese wurde von Vertretern der Aerosol- und Halogenkohlenstoffindustrie heftig bestritten. Der Vorstandsvorsitzende von DuPont wurde mit den Worten zitiert, die Theorie des Ozonabbaus sei "ein Science-Fiction-Märchen ... ein Haufen Unsinn ... völliger Unsinn". Robert Abplanalp, der Präsident der Precision Valve Corporation (und Erfinder des ersten praktischen Aerosol-Sprühdosenventils), beschwerte sich in einem Schreiben an den Kanzler der UC Irvine über Rowlands öffentliche Äußerungen. Dennoch wurden innerhalb von drei Jahren die meisten der von Rowland und Molina aufgestellten Grundannahmen durch Labormessungen und direkte Beobachtungen in der Stratosphäre bestätigt. Die Konzentrationen der Quellgase (FCKW und verwandte Verbindungen) und der Chlorspeicherspezies (HCl und ClONO
₂) wurden in der gesamten Stratosphäre gemessen und zeigten, dass FCKW tatsächlich die Hauptquelle für stratosphärisches Chlor sind und dass fast alle FCKW-Emissionen schließlich die Stratosphäre erreichen. Noch überzeugender war die Messung von Chlormonoxid (ClO) in der Stratosphäre durch James G. Anderson und seine Mitarbeiter. ClO entsteht durch die Reaktion von Cl mit Ozon - seine Beobachtung beweist also, dass Cl-Radikale nicht nur in der Stratosphäre vorhanden sind, sondern auch tatsächlich an der Zerstörung von Ozon beteiligt sind. McElroy und Wofsy erweiterten die Arbeit von Rowland und Molina, indem sie zeigten, dass Bromatome noch wirksamere Katalysatoren für den Ozonabbau sind als Chloratome, und argumentierten, dass die als Halone bekannten bromierten organischen Verbindungen, die in Feuerlöschern weit verbreitet sind, eine potenziell große Quelle für stratosphärisches Brom darstellen. 1976 veröffentlichte die Nationale Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten einen Bericht, in dem sie zu dem Schluss kam, dass die Hypothese des Ozonabbaus durch die wissenschaftlichen Beweise stark unterstützt wird. Daraufhin verboten die Vereinigten Staaten, Kanada und Norwegen 1978 die Verwendung von FCKW in Aerosolspraydosen. Frühe Schätzungen gingen davon aus, dass bei einer Fortsetzung der FCKW-Produktion auf dem Niveau von 1977 das gesamte atmosphärische Ozon nach etwa einem Jahrhundert einen Gleichgewichtszustand erreichen würde, der 15 bis 18 Prozent unter dem normalen Niveau liegt. Bis 1984, als bessere Erkenntnisse über die Geschwindigkeit kritischer Reaktionen vorlagen, wurde diese Schätzung auf 5 bis 9 % gleichbleibenden Abbau geändert. ⓘ

Crutzen, Molina und Rowland erhielten 1995 den Nobelpreis für Chemie für ihre Arbeit über stratosphärisches Ozon. ⓘ

Antarktisches Ozonloch

Die Entdeckung des "Ozonlochs" in der Antarktis durch die Wissenschaftler Farman, Gardiner und Shanklin vom British Antarctic Survey (über die erstmals im Mai 1985 in Nature berichtet wurde) war ein Schock für die wissenschaftliche Gemeinschaft, da der beobachtete Rückgang des polaren Ozons weitaus größer war, als man erwartet hatte. Zur gleichen Zeit wurden Satellitenmessungen (TOMS an Bord von Nimbus 7) verfügbar, die einen massiven Ozonabbau um den Südpol zeigten. Diese wurden jedoch zunächst von den Algorithmen zur Datenqualitätskontrolle als unvernünftig zurückgewiesen (sie wurden als Fehler herausgefiltert, da die Werte unerwartet niedrig waren); das Ozonloch wurde erst in den Satellitendaten entdeckt, als die Rohdaten neu verarbeitet wurden, nachdem der Ozonabbau bei In-situ-Beobachtungen nachgewiesen worden war. Als die Software ohne die Flaggen erneut ausgeführt wurde, wurde das Ozonloch bereits 1976 erkannt. ⓘ

Susan Solomon, Atmosphärenchemikerin bei der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), schlug vor, dass chemische Reaktionen an polaren Stratosphärenwolken (PSCs) in der kalten antarktischen Stratosphäre einen massiven, wenn auch lokal und saisonal begrenzten Anstieg der Menge an Chlor in aktiven, ozonzerstörenden Formen verursachten. Die polaren Stratosphärenwolken in der Antarktis bilden sich nur bei sehr niedrigen Temperaturen, bis zu -80 °C, und im zeitigen Frühjahr. Unter solchen Bedingungen bieten die Eiskristalle der Wolke eine geeignete Oberfläche für die Umwandlung von nicht reaktiven Chlorverbindungen in reaktive Chlorverbindungen, die das Ozon leicht abbauen können. ⓘ

Außerdem ist der Polarwirbel, der sich über der Antarktis bildet, sehr eng, und die Reaktion an der Oberfläche der Wolkenkristalle unterscheidet sich deutlich von der in der Atmosphäre. Diese Bedingungen haben zur Bildung eines Ozonlochs in der Antarktis geführt. Diese Hypothese wurde zunächst durch Labormessungen und später durch direkte Messungen vom Boden und von hoch gelegenen Flugzeugen aus von sehr hohen Konzentrationen von Chlormonoxid (ClO) in der antarktischen Stratosphäre entscheidend bestätigt. ⓘ

Alternative Hypothesen, die das Ozonloch auf Schwankungen der solaren UV-Strahlung oder auf Veränderungen der atmosphärischen Zirkulationsmuster zurückführten, wurden ebenfalls geprüft und erwiesen sich als unhaltbar. ⓘ

In der Zwischenzeit kam ein internationales Gremium aufgrund der Analyse von Ozonmessungen des weltweiten Netzes bodengestützter Dobson-Spektrophotometer zu dem Schluss, dass die Ozonschicht in allen Breitengraden außerhalb der Tropen tatsächlich abgebaut wird. Diese Trends wurden durch Satellitenmessungen bestätigt. Daraufhin einigten sich die wichtigsten Herstellerländer von Halogenkohlenwasserstoffen darauf, die Produktion von FCKW, Halonen und verwandten Verbindungen schrittweise einzustellen, ein Prozess, der 1996 abgeschlossen wurde. ⓘ

Seit 1981 hat das Umweltprogramm der Vereinten Nationen unter der Schirmherrschaft der Weltorganisation für Meteorologie eine Reihe von technischen Berichten über die wissenschaftliche Bewertung des Ozonabbaus auf der Grundlage von Satellitenmessungen gesponsert. Aus dem Bericht von 2007 geht hervor, dass sich das Ozonloch erholt und so klein ist wie seit etwa einem Jahrzehnt nicht mehr. Im Bericht von 2010 heißt es: "In den letzten zehn Jahren hat die globale Ozonschicht und die Ozonschicht in der Arktis und Antarktis nicht mehr abgenommen, aber auch noch nicht zugenommen. Es wird prognostiziert, dass sich die Ozonschicht außerhalb der Polarregionen noch vor der Mitte dieses Jahrhunderts auf den Stand von vor 1980 erholen wird. Im Gegensatz dazu wird sich das Ozonloch über der Antarktis im Frühjahr voraussichtlich erst viel später erholen." 2012 berichteten NOAA und NASA: "Wärmere Lufttemperaturen hoch über der Antarktis führten zum zweitkleinsten saisonalen Ozonloch in 20 Jahren mit durchschnittlich 17,9 Millionen Quadratkilometern. Das Ozonloch erreichte am 22. September mit 21,2 Millionen Quadratkilometern seine größte Ausdehnung in dieser Saison." Ein allmählicher Trend zur "Heilung" wurde 2016 und dann 2017 gemeldet. Es wird berichtet, dass das Erholungssignal sogar in den Sättigungshöhen des Ozonlochs zu erkennen ist. ⓘ

Das Ozonloch über dem Südpol hat die atmosphärische Zirkulation auf der Südhalbkugel bis hin zum Äquator beeinflusst. Das Ozonloch hat die atmosphärische Zirkulation bis hin zu den Tropen beeinflusst und die Niederschläge in den niedrigen subtropischen Breiten der südlichen Hemisphäre verstärkt. ⓘ

Arktisches Ozon-Miniloch"

Am 3. März 2005 veröffentlichte die Zeitschrift Nature einen Artikel, in dem das ungewöhnlich große Ozonloch in der Arktis im Jahr 2004 mit der Sonnenwindaktivität in Verbindung gebracht wurde. ⓘ

Am 15. März 2011 wurde ein Rekordverlust der Ozonschicht beobachtet, wobei etwa die Hälfte des Ozons über der Arktis zerstört wurde. Die Veränderung wurde auf zunehmend kalte Winter in der arktischen Stratosphäre in einer Höhe von etwa 20 km zurückgeführt, eine Veränderung, die mit der globalen Erwärmung zusammenhängt und deren Zusammenhang noch untersucht wird. Am 25. März war der Ozonverlust im Vergleich zu allen vorangegangenen Wintern am größten, und es bestand die Möglichkeit, dass er sich zu einem Ozonloch ausweiten würde. Dies würde voraussetzen, dass die Ozonmenge von den über Zentralsibirien gemessenen 250 auf unter 200 Dobson-Einheiten fällt. Es wird vorhergesagt, dass die dünner werdende Schicht am 30. und 31. März Teile Skandinaviens und Osteuropas betreffen würde. ⓘ

Am 2. Oktober 2011 wurde in der Fachzeitschrift Nature eine Studie veröffentlicht, die besagt, dass zwischen Dezember 2010 und März 2011 bis zu 80 Prozent des Ozons in der Atmosphäre in einer Höhe von etwa 20 Kilometern über der Erdoberfläche zerstört wurden. Das Ausmaß des Ozonabbaus war so groß, dass die Wissenschaftler sagten, es sei mit dem Ozonloch vergleichbar, das sich jeden Winter über der Antarktis bildet. Der Studie zufolge "ist zum ersten Mal ein so starker Verlust aufgetreten, dass man von einem arktischen Ozonloch sprechen kann". Die Studie analysierte Daten der Aura- und CALIPSO-Satelliten und kam zu dem Schluss, dass der überdurchschnittliche Ozonverlust auf eine ungewöhnlich lange Kälteperiode in der Arktis zurückzuführen ist, die etwa 30 Tage länger dauerte als üblich, wodurch mehr ozonzerstörende Chlorverbindungen entstehen konnten. Laut Lamont Poole, einem Mitverfasser der Studie, waren Wolken- und Aerosolpartikel, auf denen die Chlorverbindungen zu finden sind, "bis Mitte März 2011 in der Arktis reichlich vorhanden - viel später als üblich -, wobei die durchschnittlichen Mengen in einigen Höhen ähnlich hoch waren wie in der Antarktis und dramatisch höher als die Werte nahe Null, die in den meisten arktischen Wintern im März beobachtet werden". ⓘ

Im Jahr 2013 analysierten die Forscher die Daten und stellten fest, dass das arktische Ereignis von 2010-11 nicht das Niveau des Ozonabbaus erreichte, um als echtes Loch eingestuft zu werden. Ein Ozonloch wird in der Regel als 220 Dobson-Einheiten oder weniger eingestuft; das arktische Loch erreichte diesen niedrigen Wert nicht. Es wurde seitdem als "Mini-Loch" eingestuft. ⓘ

Nach dem Ozonabbau in den Jahren 1997 und 2011 wurde im März 2020 von Wetterballons über der Arktis ein 90-prozentiger Rückgang des Ozons gemessen, da sie normalerweise 3,5 Teile pro Million Ozon aufzeichneten, während es zuletzt nur noch etwa 0,3 Teile pro Million waren, was auf kalte Temperaturen, die seit 1979 aufgezeichnet wurden, und einen starken Polarwirbel zurückzuführen war, der es Chemikalien, einschließlich Chlor und Brom, ermöglichte, sich abzunagen. ⓘ

Ein seltenes Ozonloch, das auf ungewöhnlich niedrige Temperaturen in der Atmosphäre über dem Nordpol zurückzuführen ist, wurde im Jahr 2020 untersucht. ⓘ

Ozonloch über Tibet

Da die kälteren Winter stärker betroffen sind, kommt es zeitweise zu einem Ozonloch über Tibet. Im Jahr 2006 wurde über Tibet ein 2,5 Millionen Quadratkilometer großes Ozonloch festgestellt. Auch 2011 trat wieder ein Ozonloch über den Bergregionen Tibets, Xinjiangs, Qinghais und des Hindukusch auf, zusammen mit einem noch nie dagewesenen Loch über der Arktis, obwohl das Ozonloch über Tibet weit weniger intensiv ist als das über der Arktis oder Antarktis. ⓘ

Potenzielle Erschöpfung durch Sturmwolken

Forschungen aus dem Jahr 2012 haben gezeigt, dass derselbe Prozess, der das Ozonloch über der Antarktis verursacht, auch bei den Sommergewitterwolken in den Vereinigten Staaten abläuft und somit auch dort das Ozon zerstören könnte. ⓘ

Ozonloch über den Tropen

Der Physiker Qing-Bin Lu von der University of Waterloo behauptete, im Juli 2022 ein großes, ganzjähriges Ozonloch in der unteren Stratosphäre über den Tropen entdeckt zu haben. Andere Forscher auf diesem Gebiet wiesen diese Behauptung jedoch zurück und erklärten, die Studie sei mit "schwerwiegenden Fehlern und unbegründeten Behauptungen" behaftet. Dr. Paul Young, einer der Hauptautoren des WMO/UNEP Scientific Assessment of Ozone Depletion 2022, erklärte: "Dass der Autor von einem 'tropischen Ozonloch' spricht, liegt daran, dass er die prozentualen Veränderungen des Ozons betrachtet und nicht die absoluten Veränderungen, wobei letztere für die schädliche UV-Strahlung, die die Oberfläche erreicht, viel wichtiger sind." Insbesondere definiert Lus Arbeit "Ozonloch" als "ein Gebiet mit einem prozentualen O3-Verlust von mehr als 25 %, bezogen auf den ungestörten O3-Wert, als es noch keine signifikanten FCKW in der Stratosphäre gab (∼ in den 1960er Jahren)", anstatt der allgemeinen Definition von 220 Dobson-Einheiten oder weniger. Dr. Marta Abalos Alvarez fügte hinzu: "Der Ozonabbau in den Tropen ist nichts Neues und ist hauptsächlich auf die Beschleunigung der Brewer-Dobson-Zirkulation zurückzuführen." ⓘ

Ozonabbau und globale Erwärmung

Robert Watson war unter anderem an der wissenschaftlichen Bewertung und an den Bemühungen um eine Regulierung des Ozonabbaus und der globalen Erwärmung beteiligt. Vor den 1980er Jahren hatten die EU, die NASA, die NAS, das UNEP, die WMO und die britische Regierung abweichende wissenschaftliche Berichte vorgelegt, und Watson spielte eine Rolle im Prozess der einheitlichen Bewertung. Auf der Grundlage der Erfahrungen mit dem Ozonfall begann der IPCC mit der Arbeit an einer einheitlichen Berichterstattung und wissenschaftlichen Bewertung, um einen Konsens für die IPCC-Zusammenfassung für politische Entscheidungsträger zu erreichen. ⓘ

Zwischen dem Ozonabbau und der globalen Erwärmung gibt es verschiedene wissenschaftliche Zusammenhänge:

Strahlungsantrieb durch verschiedene Treibhausgase und andere Quellen ⓘ

• Der gleiche CO
  ₂-Strahlungsantrieb, der zur globalen Erwärmung führt, wird voraussichtlich die Stratosphäre abkühlen. Diese Abkühlung wiederum wird voraussichtlich zu einem relativen Anstieg des Ozonabbaus (O
  ₃)-Schwund in den Polargebieten und die Häufigkeit von Ozonlöchern führen.
• Umgekehrt stellt der Ozonabbau einen Strahlungsantrieb für das Klimasystem dar. Es gibt zwei gegenläufige Effekte: Der Ozonabbau führt dazu, dass die Stratosphäre weniger Sonnenstrahlung absorbiert, wodurch die Stratosphäre abkühlt und die Troposphäre erwärmt wird; die daraus resultierende kältere Stratosphäre strahlt weniger langwellige Strahlung nach unten ab und kühlt damit die Troposphäre. Insgesamt überwiegt die Abkühlung; der IPCC kommt zu dem Schluss, dass "die beobachteten stratosphärischen O
  ₃-Verluste in den letzten zwei Jahrzehnten haben einen negativen Antrieb des Systems Oberfläche-Troposphäre" von etwa -0,15 ± 0,10 Watt pro Quadratmeter (W/m²) verursacht.
• Eine der stärksten Vorhersagen des Treibhauseffekts ist die Abkühlung der Stratosphäre. Obwohl diese Abkühlung beobachtet wurde, ist es nicht trivial, die Auswirkungen von Änderungen der Treibhausgaskonzentration und des Ozonabbaus zu trennen, da beide zu einer Abkühlung führen. Dies kann jedoch durch numerische Modellierung der Stratosphäre erfolgen. Die Ergebnisse des Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der National Oceanic and Atmospheric Administration zeigen, dass oberhalb von 20 km (12 mi) die Treibhausgase die Abkühlung dominieren.
• Wie im Abschnitt "Öffentliche Ordnung" erwähnt, sind ozonabbauende Chemikalien häufig ebenfalls Treibhausgase. Der Anstieg der Konzentrationen dieser Chemikalien hat zu einem Strahlungsantrieb von 0,34 ± 0,03 W/m² geführt, was etwa 14 % des gesamten Strahlungsantriebs durch den Anstieg der Konzentrationen von gut gemischten Treibhausgasen entspricht.
• Die langfristige Modellierung des Prozesses, seine Messung, Untersuchung, die Entwicklung von Theorien und deren Prüfung brauchen Jahrzehnte, um dokumentiert zu werden, breite Akzeptanz zu finden und schließlich zum vorherrschenden Paradigma zu werden. Mehrere Theorien über die Zerstörung des Ozons wurden in den 1980er Jahren aufgestellt, in den späten 1990er Jahren veröffentlicht und werden derzeit untersucht. Dr. Drew Schindell und Dr. Paul Newman von der NASA Goddard schlugen in den späten 1990er Jahren eine Theorie vor, die mit Hilfe von Computermodellierungsmethoden die Ozonzerstörung für 78 Prozent des zerstörten Ozons verantwortlich machte. Eine weitere Verfeinerung dieses Modells ergab 89 % des zerstörten Ozons, verschob aber die geschätzte Erholung des Ozonlochs von 75 Jahren auf 150 Jahre. (Ein wichtiger Bestandteil dieses Modells ist der fehlende Stratosphärenflug aufgrund der Erschöpfung der fossilen Brennstoffe.) ⓘ

Im Jahr 2019 berichtete die NASA, dass es keinen signifikanten Zusammenhang zwischen der Größe des Ozonlochs und dem Klimawandel gibt. ⓘ

Irrtümer

FCKW-Gewicht

Da FCKW-Moleküle schwerer sind als Luft (Stickstoff oder Sauerstoff), wird allgemein angenommen, dass die FCKW-Moleküle die Stratosphäre nicht in nennenswerten Mengen erreichen können. Atmosphärische Gase sind jedoch nicht nach ihrem Gewicht sortiert; die Kräfte des Windes können die Gase in der Atmosphäre vollständig vermischen. Leichtere FCKWs sind gleichmäßig in der Turbosphäre verteilt und erreichen die obere Atmosphäre, während einige der schwereren FCKWs nicht gleichmäßig verteilt sind. ⓘ

Prozentualer Anteil des künstlich hergestellten Chlors

Quellen für stratosphärisches Chlor ⓘ

Ein weiteres Missverständnis besteht darin, dass "allgemein angenommen wird, dass die natürlichen Quellen von Chlor in der Troposphäre vier- bis fünfmal größer sind als die vom Menschen verursachten". Diese Aussage ist zwar absolut richtig, aber das troposphärische Chlor ist irrelevant; es ist das stratosphärische Chlor, das den Ozonabbau beeinflusst. Chlor aus der Gischt der Ozeane ist löslich und wird daher von Regenfällen ausgewaschen, bevor es die Stratosphäre erreicht. FCKW hingegen sind unlöslich und langlebig, so dass sie die Stratosphäre erreichen können. In der unteren Atmosphäre ist viel mehr Chlor aus FCKW und verwandten Halogenalkanen vorhanden als in HCl aus Salzsprühnebel, und in der Stratosphäre dominieren die Halogenkohlenwasserstoffe. Nur Methylchlorid, das zu diesen Halogenkohlenwasserstoffen gehört, hat eine hauptsächlich natürliche Quelle und ist für etwa 20 % des Chlors in der Stratosphäre verantwortlich; die restlichen 80 % stammen aus künstlichen Quellen. ⓘ

Sehr heftige Vulkanausbrüche können HCl in die Stratosphäre einbringen, aber Forscher haben gezeigt, dass dieser Beitrag im Vergleich zu dem von FCKW nicht signifikant ist. Ein ähnlicher Irrtum ist die Behauptung, dass lösliche Halogenverbindungen aus der Vulkanfahne des Mount Erebus auf der Ross-Insel in der Antarktis einen wesentlichen Beitrag zum antarktischen Ozonloch leisten. ⓘ

Eine Studie aus dem Jahr 2015 hat jedoch gezeigt, dass die Rolle des Mount-Erebus-Vulkans beim antarktischen Ozonabbau wahrscheinlich unterschätzt wurde. Auf der Grundlage der NCEP/NCAR-Reanalysedaten der letzten 35 Jahre und unter Verwendung des NOAA-HYSPLIT-Trajektorienmodells zeigten die Forscher, dass die Gasemissionen des Erebus-Vulkans (einschließlich Chlorwasserstoff (HCl)) die antarktische Stratosphäre über Wirbelstürme in hohen Breiten und dann den Polarwirbel erreichen können. Je nach Aktivität des Erebus-Vulkans schwankt die zusätzliche jährliche HCl-Masse, die vom Erebus in die Stratosphäre gelangt, zwischen 1,0 und 14,3 kt. ⓘ

Erste Beobachtung

G.M.B. Dobson erwähnte, dass er bei der ersten Messung der Frühjahrs-Ozonwerte in der Antarktis über der Halley-Bucht im Jahr 1956 überrascht war, als er feststellte, dass sie ~320 DU betrugen, also etwa 150 DU unter den arktischen Frühjahrswerten von ~450 DU. Dies waren zu dieser Zeit die einzigen bekannten antarktischen Ozonwerte. Was Dobson beschreibt, ist im Wesentlichen die Ausgangsbasis, von der aus das Ozonloch gemessen wird: Die tatsächlichen Ozonlochwerte liegen im Bereich von 150-100 DU. ⓘ

Die von Dobson festgestellte Diskrepanz zwischen Arktis und Antarktis war in erster Linie eine Frage des Zeitpunkts: Während des arktischen Frühlings stiegen die Ozonwerte gleichmäßig an und erreichten im April ihren Höhepunkt, während sie in der Antarktis während des frühen Frühlings ungefähr konstant blieben und im November, als der Polarwirbel zusammenbrach, abrupt anstiegen. ⓘ

Das Verhalten des antarktischen Ozonlochs ist völlig anders. Anstatt konstant zu bleiben, sinken die Ozonwerte im zeitigen Frühjahr plötzlich von ihren bereits niedrigen Winterwerten um bis zu 50 Prozent ab, und erst im Dezember werden wieder normale Werte erreicht. ⓘ

Lage des Lochs

Einige Leute dachten, dass das Ozonloch oberhalb der FCKW-Quellen liegen müsste. Die FCKW sind jedoch weltweit in der Troposphäre und Stratosphäre gut vermischt. Der Grund für das Auftreten des Ozonlochs über der Antarktis ist nicht, dass dort mehr FCKW konzentriert sind, sondern dass die niedrigen Temperaturen die Bildung von Wolken in der polaren Stratosphäre begünstigen. Tatsächlich wurden auch über anderen Teilen der Erde, wie etwa über Zentralasien, erhebliche und lokal begrenzte "Ozonlöcher" festgestellt. ⓘ

Welt-Ozon-Tag

1994 beschloss die Generalversammlung der Vereinten Nationen, den 16. September zum Internationalen Tag für die Erhaltung der Ozonschicht oder zum "Welt-Ozon-Tag" zu erklären. Diese Bezeichnung erinnert an die Unterzeichnung des Montrealer Protokolls an diesem Tag im Jahr 1987. ⓘ

Natürliche Halogenverbindungen

Meersalz (NaCl) ist wasserlöslich und wird aus der Atmosphäre ausgewaschen, bevor es die Stratosphäre erreicht. ⓘ

Pflanzen liefern dagegen einen messbaren Beitrag an ozonschädigenden Verbindungen. Kreuzblütengewächse produzieren Methylbromid, das ca. 80-mal schädlicher als FCKW ist. Allein der Raps erzeugt 6600 Tonnen im Jahr, das sind 15 Prozent der Menge, die immer noch industriell hergestellt wird. Daneben wird Methylbromid, das ehemals von Bauern auch zur Schädlingsbekämpfung auf Feldern unter Planen eingesetzt wurde, auch zur Begasung von internationalen Obst-Transporten und Möbeltransporten gegen Schädlinge verwendet. Immergrüne Bäume und Kartoffeln synthetisieren dagegen Methylchlorid. ⓘ

Auch bei Vulkanausbrüchen entweichen Halogenverbindungen: Während Chlorwasserstoff größtenteils wie Meersalz ausgewaschen wird, können Bromverbindungen die Ozonschicht zumindest lokal beeinträchtigen. Bei einem Ausbruch eines Supervulkans kommt es zu einer massiven Schädigung der Ozonschicht. Der letzte solche Ausbruch fand vor 74.000 Jahren statt. ⓘ

Aufgrund von Forschungsergebnissen der Umweltphysiker der Universität Heidelberg vermuten Wissenschaftler, dass die Ozonschicht eventuell durch natürliche Chlor-, Brom- und möglicherweise Iodverbindungen geschädigt wird, die vor allem in den Küstenbereichen der Ozeane von Wasserpflanzen und Mikroorganismen gebildet werden. Ein Forschungsprojekt soll die natürlichen Quellen halogenierter Kohlenwasserstoffe und den atmosphärischen Transport und Abbau dieser ozonschädlichen Verbindungen untersuchen. Inzwischen erhärteten Untersuchungen in Küstengewässern und in der Atmosphäre über den Gewässern im Rahmen eines Forschungsprojektes diese Vermutungen. ⓘ

Distickstoffmonoxid („Lachgas“) hat mittlerweile die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als bedeutendste Quelle ozonschädlicher Emissionen des 21. Jahrhunderts abgelöst. ⓘ