Forschungsthema: Ozon

Die Ozonschicht schützt vor UV-Strahlung. Sie hat auch Einfluss auf die Klimaentwicklung und wird täglich vermessen.

Zum "Forschungsthema Ozon" (O3) sind ausgewählte Beiträge von Wissenschaftlern des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), des Forschungszentrums Jülich (FZJ), und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) zusammengestellt. Für weitergehende Informationen, bitte den jeweiligen Verlinkungen folgen.

Ozonschicht

Die Ozonschicht ist Teil der Stratosphäre und befindet sich in einer Höhe von ca. 15 bis 30 km. Die Aufnahme von ultravioletter (UV-) Sonnenstrahlung innerhalb der Ozonschicht schützt zum einen die Biosphäre also Menschen, Tiere und Pflanzen vor diesen schädlichen energiereichen Strahlen und wirkt zum anderen als effektive Heizung der Stratosphäre.
Damit haben Änderungen der Ozonverteilung in der Atmosphäre direkte Auswirkungen nicht nur auf die Intensität der UV-Einstrahlung auf die Erdoberfläche, sondern auch auf die thermische Struktur der Stratosphäre und damit auf das globale Klimasystem. Veränderungen in der atmosphärischen Zirkulation sowie Emissionen, die beispielsweise durch Industrie und Verkehr verursacht werden, beeinflussen die Ozonschicht. Sie ist damit wichtiger Teil des globalen Klimasystems. Ein detailliertes Verständnis der Prozesse, die die Verteilung von Ozon in der Atmosphäre regulieren, ist fundamental für eine korrekte Klimavorhersage und für die Prognose zukünftiger UV-Belastung der Biosphäre.

Ozonmessung

Für die Messung der Ozonkonzentration vom Boden bis in 30 km Höhe werden vor allem mit Wasserstoff oder Helium gefüllte Ballons eingesetzt. Eine Radiosonde mit Sensoren für Luftdruck, Feuchtigkeit und Temperatur sowie eine Ozonsonde wird an dem Ballon befestigt. Beim Aufsteigen des Ballons sendet die Sonde die Messwerte an die Empfangsstation am Boden.
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Der Stratosphärenballon ist gewissermaßen der große Bruder des kleinen Wetterballons. Im Gegensatz zum Wetterballon, der in einer gewissen Höhe platzt, besitzt der Stratosphärenballon ein Ventil im oberen Bereich, über welches ein Austausch zwischen dem Heliumgas und der Luft stattfinden kann. Über die Regulierung dieses Gasaustauschs und des Ballasts kann die Höhe des Ballons, ähnlich wie bei einem Heißluftballon, in gewissen Grenzen und über eine bestimmte Zeit reguliert werden. Somit kann der Ballon in einer maximalen Höhe von ca. 25–45 km über viele Stunden oder sogar Tage "segeln".
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Die Messungen mit den Ballons sind ein wichtiger Bestandteil der Überwachung der Ozonschicht. Ozonwerte werden zusätzlich vom Boden aus, von Flugzeugen (sowohl von speziellen Forschungsflugzeugen als auch von Linenflugzeugen) sowie mit Hilfe von Satelliten gemessen.

Ozonloch

Seit rund 50 Jahren hat die Emission von chlor- und bromhaltigen Substanzen (insb. Fluorchlorkohlenwasserstoffe und Halone) durch menschliche Aktivitäten zu einer Ausdünnung der Ozonschicht geführt. Der größte Ozonverlust tritt jedes Jahr seit ca. 1980 im Antarktischen Frühjahr auf, wo ungefähr zwei Drittel der gesamten Ozonsäule über der Antarktis verloren gehen. Diese starke Ozonzerstörung wird als "Ozonloch" bezeichnet. Auch über der Arktis tritt heutzutage in den meisten Jahren im Spätwinter und Frühjahr ebenfalls Ozonzerstörung auf.
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Unter dem Einfluss langlebiger Luftschadstoffe, die durch tiefe Temperaturen erst richtig aktiviert werden, kann die schützende Ozonschicht zum Ende des kalten polaren Winters in großem Umfang zerstört werden. Dabei löst die zurückkehrende Sonne eine Kette komplexer chemischer Reaktionen aus, die Ozon spalten. In der erheblich kälteren Antarktis führt dieser Prozess regelmäßig zur Bildung eines Ozonlochs im antarktischen Frühjahr, in 2011 sogar erstmalig in der Arktis.
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Im Winter 2014/2015 war es vergleichsweise warm in der Stratosphäre, so dass der zu erwartende Ozonabbau in diesem Jahr eher gering war. Im Winter 2015/2016 waren die Temperaturen in der arktischen Stratosphäre äußerst niedrig. Dies hat in der Arktis zu Ozonverlusten geführt, wie sie bisher noch nicht beobachtet wurden.
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Klimarelevanz

Ozon spielt eine wichtige Rolle für den Strahlungshaushalt der Erde, da es einen großen Teil der solaren, ultravioletten (UV-) Strahlung absorbiert und in Wärme umwandelt. Dies führt zu einer Temperaturinversion in der Atmosphäre, die untere Stratosphäre ist wärmer als die obere Troposphäre. Ozon bildet sich dabei überwiegend in der tropischen Stratosphäre, wird aber durch die atmosphärische Zirkulation polwärts transportiert, so dass die Wechselwirkung zwischen Ozonbildung und Transport in der Atmosphäre für die globale Verteilung von Ozon und damit für den globalen Strahlungshaushalt sehr wichtig ist.
Die Vorhersagekraft der Modelle kann deutlich verbessert werden, wenn die Ozonverteilung gemäß der physikalisch-chemischen Gesetzmäßigkeiten im Klimamodell interaktiv Schritt für Schritt errechnet wird.
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Aktuelle Ozonwerte in Europa

Aktuelle Ozonwerte für Deutschland werden vom Forschungszentrum Jülich und dem Rheinischen Institut für Umweltforschung an der Universität zu Köln zur Verfügung gestellt.
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Linktipp

Das Ozonloch über der Antarktis ist so groß wie seit neun Jahren nicht mehr. Der Stratosphärenforscher Jens-Uwe Grooß vom Forschungszentrum Jülich erklärt in einem Interview vom 29.10.2015 mit der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF), warum es dennoch keinen Grund zur Besorgnis gibt.


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eskp.de | Earth System Knowledge Platform – die Wissensplattform des Forschungsbereichs Erde und Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft

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