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Der Zusammenhang zwischen dem Ozonloch und dem Treibhauseffekt - Referat
Der Zusammenhang zwischen dem Ozonloch und dem Treibhauseffekt
Die Wissenschaftler beschäftigen sich seit vielen Jahren mit der Frage, ob das Problem des zunehmenden Treibhauseffekts auf das Ozonloch zurückzuführen ist. Doch eins weiß man inzwischen, dass diese beiden Prozesse mehr oder weniger voneinander abhängen könnten. Aber es ist bis heute niemandem gelungen eindeutig und exakt zu beweisen in welchem Zusammenhang sie zueinander stehen und ob der zunehmende Treibhauseffekt tatsächlich zur Erwärmung der Erdatmosphäre führt. Einige Wissenschaftler bezeichnen diese These als falsch und sind davon überzeugt, dass der zunehmende Treibhauseffekt zu einer Abkühlung der Erdtemperatur führt. Daran wird zurzeit sehr viel geforscht.
Diese Fragen sind das Thema der Facharbeit mit denen ich mich beschäftige. Um diese Fragen beantworten zu können, braucht man jahrelange Erfahrung und das nötige Wissen. In Dieser Facharbeit werde ich erklären was das Ozonloch und der Treibhauseffekt sind, aber wie stark sie voneinander abhängig sind oder ob sie voneinander abhängig sind, kann ich auch nicht genau beantworten. Ich könnte zwar eine Hypothese aufstellen aber wissenschaftlich gesehen ist das falsch ohne die nötigen Beweismitteln zu irgend einem Ergebnis zu kommen.
Das_Ozonloch:
Ozon ist eine besondere Form von Sauerstoff. Das normale Sauerstoff besteht aus zwei Sauerstoffatomen. Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen, wirkt stark oxidierend und ist für Pflanzen und Tiere hochgiftig ( Effekte beim Menschen sind Schleimhautreizung, Müdigkeit , Atemnot, Kopfschmerzen und Schmerzen unter dem Brustbein ). In der Stratosphäre allerdings trägt Ozon wesentlich dazu bei, dass unser Planet lebensfreundlich ist . Zwar ist sein Anteil an den Atmosphärengasen verschwindend gering ( eins zu eine Million Teilchen ), doch das reicht aus, den größten Teil der ultravioletten Strahlung der Sonne zurückzuhalten, die Mutationen am Erbgut auslöst . Ohne den Schutz der erdumhüllenden Ozonschicht würden ganze Ökosysteme beeinträchtigt, und damit wäre unsere Nahrungsgrundlage gefährdet; beim Menschen dürften sich vermutlich sie Raten der Erkrankung an Hautkrebs, grauem Star und Immunschwächen stark erhöhen. Würde dieser atmosphärische Strahlenschild zerstört, würde also Leben, wie wir es kennen, außerhalb des Wassers wohl nicht mehr möglich sein; und selbst das Phytoplankton, Basis der marinen Nahrungskette wäre bedroht.
Um den Ozonabbau zu erklären, sind etliche Hypothesen unterbreitet worden, die man allerdings wenigen Hauptrichtungen zuordnen kann. Welche davon zutreffen und welche nicht, vermochten die Feldforschung, theoretische Überlegungen und Laborexperimente inzwischen zu klären.
Nicht bestätigen ließ sich beispielsweise, dass allein atmosphärische Strömungen verantwortlich seien. Die Vertreter dieser Vermutung stellten sich vor, in letzter Zeit hätten
sich über der Antarktis nach und nach neue Luftzirkulationsmuster ausgebildet, so dass dort nun die Luft im Frühjahr aufwärts strömt. Dadurch würde ozonarme Troposphärenluft von
unten in die Stratosphäre nachfließen. Dies haben Max Loewenstein und seine Mitarbeiter vom Ames-Forschungszentrum der NASA, Leroy E. Heidt und seine Gruppe beim Nationalen Zentrum für Atmosphärenforschung der USA wie auch andere widerlegt. Dann müßte man nämlich in Höhe des Ozonlochs starke Konzentration von Spurengasen aus der darunterliegenden oberen Troposphäre finden, was jedoch nicht der Fall ist. Vielmehr scheint die Luft in der fraglichen Schicht aus einer Höhe zu stammen, in der Ozon ansonsten reichlich vorkommt.
Andere Wissenschaftler halten chemische Prozesse für die Hauptursache. Eine frühe Hypothese führte reaktive Stickstoffverbindungen an, weil sie unter normalen Bedingungen in der unteren Stratosphäre die wichtigsten Agentien für Ozonabbau sind. Diese Verbindungen sollten in sehr großen Höhen infolge verstärkter Sonnenaktivität entstehen und dann unter besonderen Zirkulationsverhältnissen in die Ozonschicht weiter unten gelangen. Doch mehrere Arbeitsgruppen, so die von Crofton B. Farmer vom Jet Propulsion Laboratory ( JPL )der NASA in Pasadena ( Kalifornien )und die von George H. Mount am Aeronomischen Laboratorium der US-Behörde für die Meere und die Atmosphäre ( NOAA ) fanden heraus, dass gerade im Bereich des Ozonlochs solche Stickstoffverbindungen rar sind, weil sie dort ebenfalls chemischen Reaktionen unterliegen.
Was dagegen Farman und seine Kollegen als Chemismus vorschlugen, fand weltweit Beachtung und wird inzwischen weithin akzeptiert. Ihr Modell fusst auf Entdeckungen von Mitte der siebziger Jahre - auf Arbeiten von Mario J. Molina, der jetzt am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge tätig ist, und von F. Sherwood Rowland von der Universität von Kalifornien in Irvine; es besagt, dass Chlorverbindungen verantwortlich seien. Atmosphärisches Chlor ist größtenteils anthropogenen Ursprungs und wird insbesondere mit Fluorchlorkohlenwasserstoffen ( FCKWs ) freigesetzt. Weil diese Gase chemisch sehr träge und deshalb zunächst ungefährlich sind, hat man sie für viele technische Zwecke verwendet, etwa als Kühlmittel und Treibgasse, für spezielle Reinigungsverfahren ( etwa bei Elektronikbauteilen ) und zum Aufschäumen von Kunststoffen. Eben weil sie inert sind, können diese Verbindungen in der Atmosphäre viele Jahrzehnte lang verbleiben, werden aber binnen weniger Jahre vom Freisetzungspunkt aus weltweit verteilt und gelangen schließlich auch in die mittlere Stratosphäre - in Höhen von 30 kilometern oder darüber. Dort aber im oberen Bereich der Ozonschicht, trifft sie die ultraviolette Strahlung der Sonne fast
unvermindert. Sie bricht die Molekülbindungen auf und setzt somit das Chlor frei. Entweder existiert es nun in Form freier Chloratome, oder es reagiert mit Ozon, wobei Chlormonoxid
(ClO ) entsteht. Beides sind aggressive Gase, die sich aber zunächst zu chemisch stabilen, also wenig reaktiven Verbindungen umsetzen - man bezeichnet sie nun als Chlorvorrat. Es handelt sich vor allem um gasförmige Salzsäure ( HCl ) und um Chlornitrat ( ClONO2 ); die Salzsäure entsteht, wenn freies Chlor etwa mit Methan - einer in der Atmosphäre häufigen Substanz - reagiert, und Chlornitrat, indem Chlormonoxid sich mit Stickstoffdioxid ( NO2 ) verbindet. Weil beide Substanzen so dem Ozon nicht schaden, haben frühe Computermodelle der chemischen Vorgänge in der Stratosphäre die FCKWs als Verursacher des Ozonlochs ausgeschlossen; die geringen Mengen, die nach damaligen Ermessen dem Chlorvorrat hätten entschlüpfen und reaktiv werden Können, wären unerheblich gewesen.
Allgemein gilt das viel gescholtene Chlor lediglich als ein ozonzerstörender Faktor neben anderen. Dass es viele verschiedene ,, Ozonfresser ´´ gibt, ist überlebenswichtig. Denn sonst würde dieses hochtoxische Gas, das ständig von der harten Ultraviolettstrahlung der Sonne aus Sauerstoff neu gebildet wird, überquellen, bis auf den Erdboden vordringen und uns allesamt vergiften. Die Sonne erzeugt jedoch nicht nur Ozon, sie zerstört es auch. Ihre Strahlung wirkt somit gleichzeitig als starke Quelle und ( etwas schwächere ) Senke für dieses Gas. Weitere wichtige Ozonzerstörer sind drei Gruppen chemischer Verbindungen, Die Wasserstoffoxide ( HOx ), Stickoxide ( NOx ) und die Abkömmlinge des Chlor, die Chloroxide (ClOx ). Das erstaunliche ist nun, dass sich diese Zerstörer auch gegenseitig im Zaum halten und neutralisieren können. Ähnlich wie Raubtiere ihre Reviere abstecken, so dominieren in den verschiedenen Luftschichten, je nach Druck, Temperatur und Höhe die verschiedenen Oxide beim großen Ozonfressen. Dadurch hält sich der Abbau auch in bestimmten Grenzen.
Beim Entstehen des Lochs in der Antarktis kommen mehrere besondere Faktoren zusammen: Da es im Winterhalbjahr dunkel bleibt, entsteht kein Ozon, es kann nur vom Äquator nachströmen. Der Lichtmangel führt zu eisiger Kälte, die einen gigantischen und meist stabilen Luftwirbel über dem Pol erzeugt. Dieser Polarnacht-Jet schottet die Luftmassen in seinem Inneren gegen Zufluß von außen ab - und unterbindet damit die Zufuhr frischen Ozons. Dies hat übrigens einen Ozonstau außerhalb des Wirbels zur Folge, um die Antarktis entsteht ein ,,Ozonberg ´´. Im Wirbel hingegen sorgt die extreme Kälte von weniger als minus achtzig Grad Celsius dafür, dass die Konkurrenten im Ozonabbau, die Wasserstoff-, Stick-
und Chloroxide sich zusammenballen; Sie kondensieren und bilden kleine, ätzende Eiskristalle. Diese sind am Himmel beobachtbar als Polare Stratosphärenwolken ( PSW ).
Leider ,, verträgt ´´ sich die geballte Sammlung aggressiver Substanzen in den PSW nicht, Chlor wird langsam aus den kristallen ,, ausgeschwitzt ´´ und hat nun draußen in der Luft freie Bahn. Das Ozondrama nimmt jedoch erst seinen Lauf, wenn im antarktischen Frühling ( September/ Oktober ) das erste Sonnenlicht in die chlorgeschwängerte Luft dringt. Dieses Licht ist zu schwach, um Ozon in relevanten Mengen zu erzeugen. Aber es ist intensiv genug, um das Chlor ,, aufzuheizen ´´ und es in eine im Ozon herumwildernde Bestie zu verwandeln. Die bremsenden Konkurrenten, insbesondere die Stickoxide, hängen gelähmt in den Eiskristallen, in den PSW.
Vor diesem Hintergrund wird verständlich, warum sowohl die Dynamiker als auch die Chemiker Erklärungen für das Ozonloch anbieten können: Ohne die besondere Dynamik des Polarnacht-Jets gäbe es keine Abschottung von zufließendem Ozon und von Warmluft - also auch keine außergewöhnliche Kälte und keine PSW`s , die Konkurrenten des Chlors ausschalten. Und hier zieht das Argument des Chemikers: Eine Verdopplung des Chlorgehaltes, zum Beispiel durch den Eintrag der FCKW, vervierfacht nahezu die Geschwindigkeit des Ozonabbaus.
( Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Dossier: Klima und Energie \ Enquette- Kommission, Die Zeit - Nr. 49 - 1. Dezember 1989 )
DER_TREIBHAUSEFFKT:
Die Wissenschaftler unterscheiden zwischen zwei Arten von Treibhauseffekten, der natürliche Treibhauseffekt und der anthropogene Treibhauseffekt. Der natürliche Treibhauseffekt findet zeit Millionen von Jahren statt und ist lebensnotwendig. Der anthropogene Treibhauseffekt ist von Menschen zusätzlich produzierter Treibhauseffekt.
Der natürliche Treibhauseffekt:
Die Für die Erhaltung des Lebens auf der Erde benötigte Energie wird der Erde durch die Sonnenstrahlung zugeführt. Diese setzt sich zusammen aus elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen, von der kurzwelligen Röntgenstrahlung ( die in der oberen Atmosphärenschichten absorbiert wird ) bis zur langwelligen Radiostrahlung und aus Infrarotstrahlung, die in Wärme umgewandelt wird. Die Erde müßte ständig wärmer werden, wenn nicht von ihr aus ein Energiestrom zum Weltall hin gerichtet wäre, wodurch die von der Sonne eingestrahlte Energie wieder in den Weltraum abgeführt wird. Von entscheidender klimatischer Bedeutung ist bei den Strahlungsvorgängen in der Atmosphäre, dass die langwellige Wärmestrahlung der erwärmten Erdoberfläche die Atmosphäre größtenteils nicht auf direktem Wege verlässt, sondern von atmosphärischen Spurengasen, den natürlichen Treibhausgasen, und Wolken zunächst absorbiert wird. Spurengase und Wolken emittieren diese Energie einerseits an den Weltraum und strahlen sie andererseits in Richtung Erdoberfläche zurück, die dadurch zusätzlich aufgeheizt wird und wiederum langwellige Strahlung an die Atmosphäre emittiert, die diese wieder Richtung Erdoberfläche abstrahlt usw. Der auf diese Weise hervorgerufene Wärmestau in der unteren Atmosphäre bewirkt einen Temperatureffekt von +33 °C bzw. eine Erwärmung von -18 °C ( bei Annahme einer Atmosphäre ohne Wolken und Spurengase ) auf +15 °C und ermöglicht damit überhaupt erst Leben auf der Erde.
Die Erdoberfläche erhält durch die Sonneneinstrahlung und den Treibhauseffekt insgesamt eine Energie von 492 W/m² ( 168 W/m² Solarstrahlung + 324 W/m² atmosphärische Wärmestrahlung ) und gibt an die Atmosphäre 350 W/m² als Wärmeausstrahlung wieder ab. Der resultierende Energieüberschuss von 142 W/m² wird zum einen dadurch ausgeglichen, dass ein geringer Teil der Wärmeausstrahlung ( 40 W/m² )von den Treibhausgasen nicht absorbiert wird und durch das sogenannte Absorptionsfenster in den Weltraum entweicht. Zum anderen gibt die Erdoberfläche 24 W/m² als fühlbare Wärme und 78 W/m² als latente Wärme an die Atmosphäre ab. Der Fluss fühlbarer Wärme transportiert Energie vom erwärmten Erdboden durch das Aufsteigen warmer Luft in die untere Atmosphäre. Latente Wärme wird durch Wasserdampf in die Atmosphäre transportiert, indem durch Verdunstung von Wasser der Umgebung zunächst Energie entzogen wird, die dann bei der Kondensation in größerer Höhe wieder frei gesetzt wird.
In Anlehnung an das Garten-Treibhaus bezeichnet man den Wärmestau in der unteren Atmosphäre als ,, Treibhauseffekt´´. Die Vergleichbarkeit zwischen beiden ,, Treibhäusern´´ ist allerdings begrenzt. Die Glasabdeckung des echten Treibhauses lässt wie die Atmosphäre kurzwellige Sonnenstrahlen weitgehend passieren. Das Innere des Treibhauses wird dadurch erwärmt und emittiert langwellige Wärmestrahlung, die vom Glas ähnlich wie von den Treibhausgasen der Atmosphäre absorbiert wird. Das Glas unterbindet aber im Gegensatz zu den Treibhausgasen der Atmosphäre auch den Lufttransport und damit weitgehend den Fluss fühlbarer und latenter Wärme.
Die eigentlichen Verursacher des Treibhauseffekts sind eine Reihe von Spurengase wie Wasserdampf ( H2O ), Kohlendioxid ( CO2 ), Methan (CH4 ), Distickstoffoxid ( N2O ), Ozon ( O3 ) und andere, deren Anteil an der Gesamtmasse der Atmosphäre zusammen weniger als 1% ausmacht. Diese Treibhausgase lassen die kurzwellige Solarstrahlung
weitgehend passieren, absorbieren aber die langwellige Wärmestrahlung der Erdoberfläche im Infrarotbereich. Sie tun das in Wellenlängenbereichen ab etwa 3 um. Dabei absorbieren einzelnen Spurengase in unterschiedlichen Absorptionsbanden. Das wichtigste natürliche Treibhausgas ist Wasserdampf, das für fast Zweidrittel des Treibhauseffekts verantwortlich ist. Es absorbiert in breiten Spektralbereichen um 3 um , 5 um und um 10 um die Infrarotstrahlung nahezu vollständig passieren. In den Spektren setzen die anderen Treibhausgase an. So absorbiert das zweitwichtigste natürliche Treibhausgas, das Kohlendioxid, gerade um 4 um und 15 um. Ozon, Distickstoffoxid und Methan füllen weitere Lücken des Wellenlängenspektrums.
( Quelle: http.//www.hamburger-bildungsserver.de/klima/klimawandel/kw-432.html )
Der_anthropogene_Treibhauseffekt:
Seit Beginn der Industrialisierung beeinflußt der Mensch die klimatische Wirksamkeit der Atmosphäre durch einen zusätzlichen Treibhauseffekt. Durch unterschiedliche menschliche Aktivitäten wird einerseits die Konzentration der natürlichen Treibhausgase wie Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid usw. erhöht, anderseits werden mit den FCKWs neue Treibhausgase in die Atmosphäre emittiert. Die Wirksamkeit der anthropogenen Beiträge hängt u.a. davon ab, wie stark die jeweiligen Absorptionsbanden durch die Wirkung der natürlichen Treibhausgasen bereits gesättigt sind.
Da eine Temperaturerhöhung auch zu einer höheren Verdunstung führt, erhöht sich durch die menschliche Klimabeeinflussung auch der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Die Temperaturwirksamkeit des zusätzlichen Wasserdampfes ist jedoch relativ gering, da die Absorptionsbanden von Wasserdampf nahezu gesättigt sind. Einen etwas größeren Temperatureffekt hat die Erhöhung des CO2 -Gehalts durch die Verbrennung von fossilen Energierohstoffen und Veränderungen in der Landnutzung. Aber auch hier sind die Absorptionsbanden durch das natürliche Kohlendioxid weitgehend gesättigt, und nur die gewaltige Menge an anthropogener CO2 Zufuhr von 29 Milliarden Tonnen pro Jahr bewirkt, dass CO2 für weit über die Hälfte des anthropogenen Treibhauseffekts verantwortlich ist. Bei den übrigen anthropogenen Treibhausgasen sind die natürlichen Absorptionsbanden dagegen nur bis zu einem geringen Grad bzw. ( bei den FCKWs ) gar nicht gesättigt. Die Folge ist, dass ein zusätzliches Molekül dieser Gase eine wesentliche höhere Treibhauswirkung hat als ein zusätzliches CO2 Molekül. So besitzt etwa ein Methan-Molekül das 310fache und ein FCKW11-Molekül das 3400fache Treibhauspotentials eines CO2-Moleküls.
Von großer Bedeutung für die Treibhauswirkung ist auch die Verweilzeit der emittierten Treibhausgase in der Atmosphäre. Das Kohlendioxid durch sehr unterschiedliche Prozesse, z.B. durch die Photosynthese der Pflanzen, die Lösung im Ozean oder die Aufnahme im Boden, wieder aus der Atmosphäre entfernt und besitzt daher keine mittlere Verweilzeit in der Atmosphäre. Demgegenüber wird etwa die atmosphärische Lebensdauer von Methan fast ausschließlich durch die Oxidation mit OH in der Atmosphäre kontrolliert, woraus ein mittlerer Verbleib in der Atmosphäre von 12 Jahren resultiert. Die lange Verweilzeit von Distickstoffen von 120 Jahren erklärt sich daraus, dass dieses Treibhausgas hauptsächlich durch Photolyse in der Atmosphäre entfernt wird. Im Gegensatz zu den langlebigen Treibhausgasen, die Jahrzehnte und länger in der Atmosphäre verbleiben und daher auch rund um den Globus eine gute Durchmischung aufweisen, beträgt die Lebensdauer des bodennahen Ozons nur wenige Tage. Ozon entsteht durch Photooxidation von Kohlenmonoxid, Methan und anderen Hydrokarbonaten unter Beteiligung von NOx und wird zerstört durch ultraviolette Photolyse und Reaktionen mit OH-Radikalen. Seine Konzentration variiert daher stark, sowohl räumlich wie zeitlich. Während die anthropogen bedingte Ozonzunahme in der Troposphäre einen ( lokalen ) Erwärmungseffekt besitzt, wirkt die stratosphärische Ozonzerstörung durch anthropogene FCKW Emission abkühlend.
Das Emissionsmenge, das relative Treibhauspotential und die atmosphärische Verweilzeit bestimmen den Anteil der einzelnen Gase am gesamten zusätzlichen Treibhauseffekt. Die seit dem vorigen Jahrhundert zu beobachtende Zunahme der Konzentration treibhauswirksamer Spurengase führt zu einer Veränderung des Strahlungsgleichgewichts der Atmosphäre und damit zu einem Klimawandel. Die Störung des Strahlungshaushalts bzw. der Strahlungsantrieb ( engl. ,, radiative forcing ´´ ) durch den anthropogenen Treibhauseffekt seit Beginn der Industrialisierung wird durch die Veränderung der Nettostrahlungsflussdichte an der Tropopause in Watt pro m² angegeben. Die langlebigen und gleichmäßig verteilten Treibhausgase haben zu einem Strahlungsantrieb von 2,45 Wm-² seit dem Anfang des Industriezeitalters geführt. Daran ist sie Zunahme des Kohlendioxids mit 1,56 Wm-² beteiligt, die von Methan mit 0,47 Wm-², die von Distickstoffoxid mit 0,14 Wm-² und mit 0,3 Wm-² die der halogenierten Kohlenwasserstoffe ( FCKWs ). Der Strahlungsantrieb des troposphärischen Ozons ist wegen der ungleichen Verteilung und der Kurzlebigkeit dieses Treibhausgases nur sehr schwer zu quantifizieren und wird auf 0,2 - 0,6 Wm-² geschätzt. Die Abnahme des O3 Gehalts in der Stratosphäre hat dagegen einen negativen Strahlungsantrieb von -0,1 Wm-². Dem anthropogenen Treibhauseffekt entgegen wirkt auch die von Menschen verursachte Erhöhung der Areosolkonzentration in der Atmosphäre, die ihre Ursache hauptsächlich in der Verbrennung fossiler Energierohstoffe hat und einer starken räumlichen und zeitlichen Variation unterliegt, da die anthropogen verursachten Aerosole nur für wenige Tage in der Nähe der Entstehungszentren in der Luft schweben und dann wieder absinken. Aerosole sind erstens direkt strahlungsaktiv, indem sie Sonnenlicht reflektieren, und zweitens indirekt, da sie einen Einfluss auf die Wolkenbildung besitzen. Beide Effekte, besonders der letzte, sind schwer abzuschätzen. Gegenüber den anthropogen verursachten Veränderungen der Strahlungsbilanz nimmt sich die Wirkung der Erhöhung der Solarstrahlen auf den Strahlungsantrieb von ca. 0,25 Wm-² in den letzten 100 Jahren bescheiden aus.
( Quelle: http://www.hamburger-bildungsserver.de/klima/klimawandel/kw-433.html )
Der_Zusammenhang_zwischen_dem_Ozonloch_und_dem_Treibhauseffkt:
Wie schon am Anfang gesagt, gibt es viele verschiede Theorien über den Zusammenhang vom Ozon und dem zunehmenden Treibhauseffekt. In dem Artikel ,, DER TEUFELSKREIS´´ vom Bild der Wissenschaft, veröffentlicht im Februar 1994, wird behauptet dass, Ozonloch und Treibhauseffekt sich gegenseitig aufschaukeln. Das Ozonloch droht, die größte Kohlendioxids-Senke der Erde in den Meeren zu zerstören. Mit fatalen Folgen - denn das Treibhausgas Kohlendioxid verstärkt wiederum den Ozonabbau. Höchste Zeit, dass der Mensch die Notbremse zieht, sonst ist die Katastrophe nicht mehr zu stoppen. Die Behauptung scheint zwar logisch, aber diese Gefahr wird sehr übertrieben dargestellt.
,, Lange nahm man an, dass das Ozonloch und der Treibhauseffekt zwei unabhängige Phänomene sind, weil sie sich in unterschiedlichen Stockwerken der Atmosphäre abspielen. Doch seit kurzem weiß man, dass sie sich gegenseitig beeinflussen und über das Plankton als Verbindungsstück der Ursachen-Folgen-Kette zusammenhängen.
Das erste Glied dieser Kette ist der Mensch, der ozonzerstörende Fluorchlorkohlenwasserstoffe ( FCKW )in die Luft bläst. Das zweite Glied ist das Ozonloch, das Gefährliche UV-Strahlen durchläßt, die dann das Plankton schädigen. Dadurch nehmen die Einzeller weniger Kohlendioxid auf. Das führt wiederum dazu, dass die globale Oberflächentemperatur der Erde steigt, was am Ende auch wieder Folgen für den Menschen hat - die Kette schließt sich.
Mit jedem Prozent Ozonverlust wird die UV-B-Strahlung auf der Erdoberfläche um zwei Prozent stärker. Obwohl das Plankton bei UV-Bestrahlung das Pigment Mycosporin als Schutz bildet, kann es sich nicht schnell genug umstellen. ,, Die Organismen haben große Schwierigkeiten, sich an die harte Strahlung anzupassen ´´ sagt der Planktonforscher Prof. Donat-Peter Häder von der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen. Die energiereiche UV-B-Strahlung nimmt den Plankton den Orientierungssinn, schränkt die Beweglichkeit ein und bleicht lebensnotwendige Pigmente wie das Chlorophyll. Obendrein schädigt die Strahlung das Erbgut der Einzeller und schwächt die Photosynthese. Wenn sich das Ozonloch öffnet, schrumpft die Photosyntheseleistung des Planktons um 12 bis 16 Prozent. Das stellte der amerikanische Wissenschaftler Prof. Ray Smith von der University of California in Santa Barbara in seinen Untersuchungen fest.
Wie wichtig die Einzeller aus dem Meer sind, veranschaulicht der Erlanger Planktonforscher Häder mit folgendem Szenario: Würden die UV-B-Strahlen zehn Prozent des Planktons abtöten, so würden jährlich etwa fünf Milliarden Tonnen weniger Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid gebunden - beinahe die Menge, die der Mensch durch den Verbrauch von fossilen Energiequellen in die Luft jagt. Wenn das Plankton als Kohlendioxid-Sammler ausfällt, könnte sich das Tempo der globalen Erwärmung verdoppeln.
Das Plankton verarbeitet etwa so viel Kohlendioxid wie alle Landpflanzen zusammen. Häder rechnet vor, dass die Ozeane der Luft insgesamt 104 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr entziehen, während die Landpflanzen nur 100 Milliarden Tonnen in ihrer Photosynthese verdauen. Beide Ökosysteme geben jeweils 100 Milliarden Tonnen in die Atmosphäre ab. Unter dem Strich ist also nur ein Ozean mit einer gesunden Plankton-Flora eine Kohlendioxid-Senke, weil er in der Lage ist, vier Milliarden Tonnen aus dem Kohlenstoff-Kreislauf in die Tiefe des Meeres verschwinden zu lassen, wohin das tote, organische Material absinkt.
Mit dem Ausdünnen der Ozonschicht über den Polen gerät diese Kohlendioxid-Senke in Gefahr. Denn ausgerechnet unter dem antarktischen Ozonloch enthält das Meer zehn- bis hundertmal mehr Plankton als die tropischen Gewässer.
Bisher versuchte man, das Ozonloch von dem durch den Menschen verursachten Treibhauseffekt zu trennen, weil sie unterschiedliche chemische Quellen haben: FCKW einerseits und Treibhausgase andererseits. Doch die Ursachen-Folgen-Kette lässt sich nicht nur vom Ozonloch zum zusätzlichen Treibhauseffekt verfolgen, sondern auch der umgekehrte Weg ist möglich. Treibhausgase heizen zwar die untere Schicht der Atmosphäre, die Troposphäre, auf, weil sie die abgestrahlte, langwellige Strahlung der Erde absorbieren. Doch im Gegenzug kühlt sich die darüberliegende Atmosphärenschicht, die Stratosphäre, ab, weil auf sie weniger thermische Strahlung trifft. Damit verstärken Treibhausgase indirekt den Ozonabbau. Denn je es in der Stratosphäre wird, um so günstiger sind die chemischen Bedingungen für die Zerstörung der Ozonmoleküle.
Neben diesem Kühleffekt können die meisten Treibhausgase in der Stratosphäre auch direkte Schäden anrichten, die den Ozonabbau fördern. Mit Sorge beobachtet Prof. Reinhard Zellner von der Universität Essen, Leiter des deutschen Ozonforschungsprogramms, denn auch den jährlichen Anstieg der Methankonzentration um ein Prozent: Das Methan, das aus Rindermägen, Reisfeldern und Mülldeponien entweicht, wandelt sich in der Stratosphäre in Kohlendioxid und Wasserdampf um.
Je höher aber die Konzentration von Wasserdampf in der Stratosphäre ist, um so günstiger sing die Voraussetzungen, für die aus FCKW stammenden Chloratome die lebensnotwendige Schutzschicht der Erde zu durchlöchern. Über der Antarktis sammelt sich der Sprengstoff, der das alljährliche Ozonloch reißt, an polaren Stratosphärenwolken. Sie bestehen aus winzigen Eiskristallen, die gefrorene Salpetersäure ( HNO3 ) enthalten. Entstehen können diese Wolken nur bei Temperaturen unter minus achtzig Grad Celsius - derart kalt wird es nur während der antarktischen Polarnacht. Die ersten Sonnenstrahlen zünden dann die Chlorbombe. Wenn sich aber die Konzentration des stratosphärischen Wasserdampfs verstärkt, bilden sich auch bei höheren Temperaturen Stratosphärenwolken.
Damit nimmt das Risiko zu, dass auch über dem Nordpol ein Ozonloch entstehen könnte. Bisher haben Luftzirkulationen in der nördlichen Hemisphäre verhindert, dass der Hexenkessel der Reaktionen auch über der Arktis im Gang kommt. Hier wird die Ozonschicht zwar ebenfalls regelmäßig im Frühjahr ausgedünnt, aber im Verlauf des Jahres hat der Austausch von ozonreichen Luftmassen den Ozonverlust über der Nordhalbkugel weitgehend wieder ausgeglichen.
Eine große Gefahr für den Ozonabbau stellen auch die Flugzeuge dar. Ihre Triebwerke stoßen Unmengen von Wasserdampf aus - Fünfzig Prozent der gesamten Wasserdampfmenge in der Stratosphäre stammen aus dem Luftverkehr. Obendrein pusten sie auch noch ozonzerstörende Stickoxide in die Stratosphäre.
Zwar richten die Treibhausgase - Methan, Wasserdampf und Distickstoffoxid - auch in der Stratosphäre Unheil an, indem sie den Ozonabbau fördern. Doch am gefährlichsten ist das Treibhausgas FCKW, das fast zehn Jahre braucht, um in die Stratosphäre zu gelangen und dann zum todsicheren Ozonkiller wird. Ein aus den FCKW stammendes Chloratom kann bis zu 10 000 der dreiatomigen Sauerstoffmoleküle ( O3 ) spalten und in zweiatomigen Luftsauerstoff ( O2 ) umwandeln. Es reagiert solange, bis es mit Stickstoffdioxid oder Methan zusammenstößt. Dann bilden sich die Speichersubstanzen Chlornitrat und Chlorwasserstoff, die Atmosphärenforscher bisher als inaktiv und ungefährlich einstuften. Doch kürzlich hat der britische Wissenschaftler Dr. Ralf Toumi von der Universität Cambridge eine bedrohliche Entdeckung gemacht: Demnach ist die als harmlos geglaubte Speichersubstanz Chlornitrat ebenfalls für den Ozonschwund verantwortlich. Da Chlornitrat photochemisch relativ stabil ist, kann nur eine hochstechende Sonne das Molekül in ein ozonzerstörendes Stickoxid- und Chlorradikal spalten. Dies geschieht im späten Frühjahr, wenn die Sonne über den Polargebieten wieder scheint und die eisigen Stratosphärenwolken auflöst. Wird das Chlornitrat aus den polaren Regionen in gemäßigte Breiten transportiert, so knackt es dort ebenfalls Ozonmoleküle. Das bedeutet, dass auch bei wärmeren Temperaturen und außerhalb der Polargebiete Ozon abgebaut werden kann. Toumi gibt diesem Mechanismus die Schuld daran, dass auch in den gemäßigten Breiten eine bedeutende Menge Ozon zerstört wird.
Zwar hat Deutschland als erster Staat ab dem Jahr 1994 keine ozonzerstörenden FCKW mehr in die Luft gejagt, doch in der dritten Welt hat der FCKW-Verbrauch von 1986 bis 1991 nach einer Studie der UN-Umweltorganisation Unep um die Hälfte zugenommen, vor allem bei den Ländern an der Schwelle der Industrialisierung wie Indien und China. Dazu tragen vor allem FCKW-haltige Kühlmittel und mit FCKW geschäumte Dämmstoffe bei.
Prof. Wolfgang Seiler vom Frauenhofer-Institut für atmosphärische Umweltforschung in Garmisch-Partenkirchen befürchtet: ,, Auch wenn die FCKW-Konzentration in der Troposphäre nach vielen Jahren zum ersten mal nicht mehr zunimmt, können wir nicht sicher sein, dass es so bleibt ´´. Der Ozonabbau und der zusätzliche Treibhauseffekt sind Phänomene, die sich gegenseitig aufschaukeln. Wenn das Ozonloch wächst, stirbt mehr Plankton, und der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre nimmt zu. Mehr Treibhausgase in der Atmosphäre bedeuten wiederum einen stärkeren Ozonabbau. Der Teufelskreis schließt sich. Planktonforscher Häder warnt: ,, Wenn wir nur ein bißchen an einem Rädchen in dem riesigen System drehen, weiß niemand genau, was passiert ´´.
( Quelle: Barbara Reye, Bild der Wissenschaft 2/1994 )
Viele Wissenschaftler, die noch vor einigen Jahren diese Aussage unterstützen und eine Erwärmung der Erdatmosphäre als Folge des zunehmenden Treibhauseffekts glaubten, sind heute anderer Meinung. Sie behaupten, dass der zunehmende Treibhauseffekt nicht zu einer Erwärmung, sondern zu einer Abkühlung der Erdatmosphäre führt. Und wie das funktioniert, wird in dem folgenden Artikel vom Bild der Wissenschaft dargestellt.
,, Je ausgefeilter die Klimamodelle in den meteorologischen Rechenzentren werden, um so mehr Probleme werfen sie auf. In den einfachen Klimasimulationen berücksichtigten die Modellbauer nur die Folgen, die eine Zunahme des Treibhausgases CO2 hat. Und zwar wird es weltweit wärmer, in den höheren Breiten mehr als am Äquator. In Europa könnte die Temperatur um rund zwei Grad steigen. Wenn in den Simulationen aber auch andere Gase berücksichtigt werden, ändert sich das Bild. Vor allem über den industrialisierten Regionen der Nordhalbkugel blockiert die Luftverschmutzung einen Teil der Sonneneinstrahlung. Der Treibhauseffekt durch das CO2 wird durch Schwefeldioxid ( SO2 ) teilweise wieder aufgehoben oder sogar überkompensiert. Der Effekt: Der Computer errechnet über Europa und Nordamerika für die nächsten Jahre sogar eine Abkühlung der jährlichen Durchschnittstemperatur um rund ein Grad. Ein ganz anderes Bild könnte sich wiederum ergeben, wenn es gelingt, die wechselseitigen Auswirkungen zwischen dem Klima und den großen Meeresströmungen zu erfassen. ´´
( Quelle: Bild der Wissenschaft 2/1994 )
Der Folgende Artikel vom Spektrum der Wissenschaft, erschienen im Januar 2002, beschreibt die Wirkung der Aerosole in der Atmosphäre, welche für die Klimaforschung von großer Bedeutung ist. Da man lange über ihre Wirkungen nicht viel wußte, wurden sie bei der Erstellung von Klimamodellen nicht mitberücksichtigt. Aber jetzt wissen die Wissenschaftler, dass diese Schwebeteilchen in der Atmosphäre dem Treibhauseffekt entgegen wirken.
´´ Klimaantriebe_durch_Aerosole:
Viel schwieriger als der Klimaantrieb durch Treibhausgase lassen sich die durch Aerosole ausgelösten direkten und indirekten Klimaantriebe abschätzen. Letztere entstehen durch mittelbare Veränderungen der Erdatmosphäre, zum Beispiel wenn sich durch die anthropogenen Aerosole der Bewölkungsgrad, die optischen Eigenschaften und die räumliche Verteilung der Wolken ändern. Das Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC, hat schon 1995 festgestellt, dass anthropogene Aerosole vielleicht einen mit den anthropogenen Treibhausgasen vergleichbar großen, diesen aber entgegengerichteten Klimaantrieb bewirken. Die Betonung liegt auf ,, vielleicht ´´, denn noch wissen wir viel zu wenig darüber, welche Hebel des globalen Klima-Regelwerkes durch das atmosphärische Aerosol betätigt werden und wie stark dies geschieht. Der neue IPCC-Report beseitigt diese Ungewissheit nicht, sondern unterstreicht sie im Gegenteil noch einmal ausdrücklich. Mit anderen Worten: Um die Vorhersagegenauigkeit von Klimamodellen zu verbessern, müssen vor allem die Klimaantriebe durch Aerosole gründlicher erforscht werden.
Zu den Aerosolen zählen alle luftgetragenen festen und flüssigen Partikel, die kleiner als gewöhnliche Staubteilchen und daher so leicht sind, dass sie fast wie Spurengas-Molekül vom Wind über große Entfernungen transportiert werden können, bis sie aussedimentieren oder nach durchschnittlich einer Woche vom Regen wieder ausgewaschen werden. Diese Eigenschaft besitzen Partikel mit Durchmessern von einigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern. Das heißt auch, dass die größten Aerosolpartikel etwa 1000 Millionen mal schwerer sind als ihre kleinsten Verwandten.
Aerosolpartikel lassen sich, wenn auch in sehr unterschiedlichen Konzentrationen, in praktisch allen Teilen der Atmosphäre nachweisen. Natürliche Quellen sind die Wüsten und die Weltmeere. Die dort entstehenden Mineralstaub- und Seesalz-Aerosole werden ebenso wie sehr kleine Rauchteilchen von Wald- und Steppenbränden als primäre Aerosole bezeichnet. Im Gegensatz zu ihnen werden sekundäre Aerosole durch chemische Reaktionen bestimmter Spurengase erst in der Atmosphäre selbst gebildet. Zum Beispiel entweicht aus den Weltmeeren das biogene Dimethyl-Sulfid-Gas, das durch Reaktionen in der Atmosphäre teilweise zu Schwefeldioxid und in einem weiteren Schritt zu Schwefelsäuredampf oxidiert wird. In fast partikelfreier Luft kondensiert der Schwefelsäuredampf zusammen mit Wasser zu Schwefelsäure-Tröpfchen: Es entstehen sehr viele neue extrem kleine Partikel. Wenn dagegen die Luft schon ausreichend viele Aerosolpartikel enthält, schlägt sich die gasförmige Schwefelsäure auf deren Oberfläche nieder, ohne neue Partikel zu bilden. Dadurch gewinnen die vorhandenen Partikel an Masse.
Natürliche Aerosole bestehen überwiegend aus farblosen oder doch fast farblosen Materialien wie Ammoniumsulfat, Natriumchlorid, Quarzsand oder aus Oxidationprodukten biogener Kohlenwasserstoffe. Wenn der Durchmesser der Partikel etwa 100 Nanometer übersteigt oder wenn sie in feuchter Luft zu dieser Größe anschwellen, nimmt ihre Fähigkeit, sichtbares Sonnenlicht zu streuen, stark zu, und zwar auch dort, wo keine Wolken den Himmel bedecken. Dadurch erscheint die Erde vom Weltraum aus gesehen etwas weißer. Aerosole erhöhen die mittlere Albedo und schwächen dadurch den Klimaantrieb etwas ab. Diesen Antrieb nennen wir Aerosoleffekt.
Anthropogene_Aerosole:
Wegen der zunehmenden Nutzung schwefelhaltiger fossiler Brennstoffe emittierte die Industriegesellschaft seit Mitte des 19. Jahrhunderts neben Kohlendioxid auch immer mehr Schwefeldioxid. Spätestens seit Mitte des 20. Jahrhunderts übertreffen die anthropogenen Schwefeldioxid-Emissionen die aller natürlichen Schwefelgase bei weitem. Da fast die Hälfte des Schwefeldioxids in der Atmosphäre in Sulfatpartikel umgewandelt wird, wirken die anthropogenen Sulfat-Aerosole dem positiven Klimaantrieb durch die sehr gleichmäßig verteilten Treibhausgase direkt entgegen. Am stärksten ist der Effekt über den USA und Mitteleuropa, über dem indischen Subkontinent sowie über China und Japan. Die starke räumliche Fokussierung dieses direkten negativen Klimaantriebs auf die Abluftfahnen starker Emittenten, der heute im globalen Mittel auf etwa -0,4 Watt pro Quadratmeter geschätzt wird, verursacht regionale Temperaturunterschiede, die durch winde ausgeglichen werden. Anthropogene Aerosole könnten daher für die Zunahme extremer Wetterlagen zumindest verantwortlich sein.
Zusätzlich zum verhältnismäßig schwachen direkten Antrieb durch anthropogene Sulfat- und andere farblose Aerosole verstärken verschiedene indirekte Antriebe die Klimawirksamkeit der anthropogenen Aerosole erheblich. Aerosolpartikel einer bestimmten Größenklasse und Löslichkeit - besonders die löslichen Sulfate - sind nämlich direkte Vorläufer der Wolkentröpfchen. Wie schon Lange bekannt, ist die Entstehung von Wolken überhaupt nur deswegen möglich, weil die Luft immer ausreichend viele Kondensationskerne ( CCN, nach dem englischen Wort Cloud Condensation Nuclei ) enthält. Ähnlich wie sich Wasserdampf in einer Wilson´schen Nebelkammer nur auf Ionen niederschlägt, kann Wasserdampf in der Atmosphäre nur auf CCNs auskondensieren., sobald in einer aufsteigenden Luftmasse die kritische Grenze von 100 Prozent relativer Feuchte durch Expansionskühlung überschritten wird.
Man stelle sich nun folgende Szenario vor: Durch anthropogene Schwefeldioxid-Emission wird die Zahl der CCN über einem Ballungsgebiet und in dessen Abluftfahne signifikant erhöht, so dass bei der Wolkenbildung mehr CCNs zu Wolkentröpfchen aktiviert werden können. Da aber unter sonst gleichen Bedingungen gleich viel Kondensatwasser entsteht, wird sich dieses auf viel mehr Wolkentröpfchen verteilen, die folglich wesentlich kleiner bleiben. Dadurch ändern sich die Eigenschaften der entstehenden Wolke: Sie erscheint im Sonnenlicht weißer als Wolken, die weniger, aber entsprechend größere Tröpfchen enthalten. Weißere Wolken erhöhen die Albedo a und verstärken somit indirekt den negativen Klimaantrieb durch Aerosole. Satellitenaufnahmen von geschossenen Wolkendecken bestätigen, dass Zahl und Größe der Wolkentröpfchen im Lee starker Aerosol-Emittenten tatsächlich in der erwarteten Weise verändert sind.
Hinzu kommt, dass eine aus sehr vielen und daher kleineren Tröpfchen bestehende Wolke weniger zur Ausregung neigt und daher das gespeicherte Wasser über weitere Entfernungen transportiert, weil nur die größten Tröpfchen schnell genug fallen, um durch Zusammenstöße mit kleineren Wolkentröpfchen zu Regentropfen anzuwachsen. Die Flogen dieses zweiten indirekten Effekts - etwa für den Wasserkreislauf - sind kaum abzusehen, geschweige denn quantifizierbar.
Im neuen IPCC-Report wird allein für den ersten der beiden indirekten Aerosol-Effekte ein Klimaantrieb zwischen 0 Watt pro Quadratmeter und -2 Watt pro Quadratmeter genannt, der also im Extremfall zusammen mit dem direkten negativen Antrieb durch Sulfataerosole den direkten positiven Antrieb durch die Treibhausgase in etwa kompensieren könnte. Diese Kompensation würde jedoch nur für den globalen Mittelwert gelten, während gerade in dicht besiedelten Gebieten, in denen anthropogene Aerosole massiert auftreten, mit starken regionalen Abweichungen vom globalen Mittelwert zu rechnen wäre. ``
( Quelle: Spektrum der Wissenschaft - Dossier: Klima 1/2002 )
Eins ist klar, dass das Ozonloch die Zunahme des Treibhauseffekts verstärkt und dass der Treibhauseffekt für Erwärmung der Atmosphäre zuständig ist. Logisch betrachtet heißt das je mehr der Treibhauseffekt zunimmt, umso wärmer müßte die Atmosphäre werden d.h. die Erdatmosphäre müßte ständig wärmer werden und zwar viel wärmer als es heute schon ist, weil der Treibhauseffekt jedes Jahr zunimmt. Das ist aber nicht der Fall.
Es gibt viele Prognosen für die Entwicklung der globalen Durchschnittstemperatur. Einige machen sich große Sorgen und andere dagegen gar nicht, denn sie behaupten, dass der zunehmende Treibhauseffekt durch den negativen Klimaantrieb der Aerosole komplett ausgeglichen wird und deswegen kommt es zu keiner Veränderung des Klimas. Ich will nicht behaupten, dass dies falsch sei, aber wir müssen bedenken, dass die globale Durchschnittstemperatur seit Beginn der Industrialisierung ( 1870 ) bis 1990 von -0,4 °C auf 0,2 °C gestiegen ist. Hierbei stellt man fest, dass die Menschen doch eine Rolle bei dieser Veränderung spielen. Man kann nicht, nur die Menschen dafür verantwortlich machen, denn es wäre erstens übertrieben und zweitens falsch. Die Zusammenarbeit verschiedener hochkomplexen Vorgängen in der Atmosphäre bestimmen das Klima, aber wir haben auch was zu der steigenden Temperatur beigetragen und sind einer der vielen Ursachen. Meiner Meinung nach ist es immer noch nicht zu spät die Notbremse zu ziehen. Die steigende Zahl der Naturkatastrophen ist eine Warnung, dass wir nicht mehr viel Zeit haben. Wir haben immerhin auf diesem Gebiet große Fortschritte gemacht wie z.B. das Verbot von FCKW oder die Filteranlagen für die Industrien. Diese Maßnahmen sind dennoch, im Vergleich zu dem wachsenden Energieverbrauch, nicht genug. Wir haben zwei Alternativen, entweder den Energieverbrauch zu reduzieren oder uns auf umweltfreundlichere Energien umstellen. Das tut der Wirtschaft auch gut, weil dadurch auch viele Arbeitsplätze entstehen können. Die Entwicklungsländer wie Indien oder China müssen finanziell unterstützt werden, damit sie auch ihren Beitrag zur Vorbeugung des Klimawandels leisten können. Ohne finanzielle Hilfe des Westen wäre das praktisch unmöglich.
Wir sind aus moralischen Gründen verpflichtet unseren nachfolgenden Generationen einen lebensfreundlichen Lebensraum zu hinterlassen, den unsere Vorfahren uns hinterlassen haben.
Kommentare zum Referat Der Zusammenhang zwischen dem Ozonloch und dem Treibhauseffekt:
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