10. – 11. Schuljahr

Annett Krüger · Wolfgang Gerber

Das Ozonloch Mitte unseres Jahrhunderts Geschichte?

Entstehung und Bedeutung stratosphärischen Ozons

Das Ozonloch über der Antarktis wird bis Mitte des 21. Jahrhunderts verschwunden sein. Diese Nachricht ging im September 2014 durch die Medien. Seit 1985 bildet es sich regelmäßig mit der aufgehenden südpolaren Frühjahrssonne über der Antarktis. Aber wie entsteht das Ozonloch, wie bildet sich stratosphärisches Ozon und welche Bedeutung hat es für das Leben auf der Erde? Diesen Fragen gehen die Lernenden in diesem Unterrichtsvorschlag nach.

Sachanalyse
Modifizierten, dreiatomigen Sauerstoff bezeichnet man als Ozon (O3). Es ist ein außerordentlich reaktionsfähiges Gas, das in der Erdatmosphäre in verschiedenen Schichten in unterschiedlichen Konzentrationen vorkommt. Die Maximalkonzentration von Ozon befindet sich zwischen 20 bis maximal 50km Höhe (Ozonsphäre). In der unteren Stratosphäre, in etwa 30 – 35km Höhe über der Erdoberfläche, treten die höchsten Ozonkonzentrationen (Ozonschicht) auf. Ozon absorbiert UV-B-, UV-C- und IR-Strahlung, wodurch u.a. die Temperatur in der Ozonsphäre ähnlich hohe Temperaturen wie an der Erdoberfläche aufweist.
Noch in den 1990er-Jahren wurden in unseren Breiten sehr niedrige Ozonwerte in der erdoberflächennahen Atmosphäre gemessen. In den letzten Jahrzehnten ist jedoch ein Anstieg der bodennahen Ozongehalte zu beobachten. Grund hierfür sind Reaktionen mit Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen unter Einfluss von Sonnenstrahlung (sogenannter photochemischer Smog). Dieser Prozess in der erdoberflächennahen Atmosphäre wird von einemAbbau des Ozons in der Stratosphäre begleitet. Diese globale Ausdünnung der Ozonschicht wird mittlerweile weltweit durch Satellitenüberwachung gemessen.
Der Chapman-Zyklus
In der Stratosphäre finden natürlicherweise Prozesse zwischen Ozonbildung und Ozonabbau in einem chemischen Gleichgewicht statt. Durch UV-Strahlung, insbesondere im Wellenlängenbereich <242  nm, wird molekularer Sauerstoff (O2) zersetzt. Dadurch entstehen aus einem Sauerstoffmolekül zwei Sauerstoffatome (O), der Prozess wird als Photolyse bezeichnet.
Trifft ein so gebildetes Sauerstoffatom auf ein Sauerstoffmolekül, kann ein Ozonmolekül (O3) entstehen. Eine Voraussetzung für diese Reaktion ist zunächst, dass genügend Gasmoleküle (wie N2, O2) als Stoßpartner zur Energieübertragung vorhanden sind. Die Wahrscheinlichkeit dafür steigt, je näher man der Erdoberfläche ist durch die dort in höheren Volumenanteilen vorhandenen Gase. Die zweite Voraussetzung ist die solare Einstrahlung, die bei hoher Intensität die Bildung von atomaren Sauerstoff begünstigt. Der Ozongehalt schwankt entsprechend der solaren Einstrahlung tages- und jahreszeitlich, in Abhängigkeit vom Wetter, des geographischen Breitengrades und der Höhe ü. NN. Das Optimum wird in etwa 30 – 35  km Höhe erreicht, das heißt, hier dringt ausreichend UV-Strahlung ein und es sind noch genug Stoßpartner anwesend. Daher treten hier die höchsten Ozonkonzentrationen auf (Ozonschicht).
Das so gebildete Ozon zerfällt im Wellenlängenbereich von 242 – 1180nm wieder in Sauerstoffmoleküle und -atome (natürlicher Ozonabbau). Ozon wird also ständig aus Sauerstoffmolekülen aufgebaut und zu O2-Molekülen abgebaut. Dieses dynamische Gleichgewicht wird als Chapman-Zyklus bezeichnet.
Das Reaktionsgleichgewicht kann unter anderem durch Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) in der Stratosphäre gestört und zugunsten des Ozonabbaus verschoben werden. Diese anthropogen eingebrachten Stoffe wirken als Katalysatoren im Prozess mit. Als Katalysator wird ein Reaktionspartner bezeichnet, der in der chemischen Reaktion mitwirkt und am Ende unverbraucht wieder aus der Reaktion hervorgeht.
Wirksam werden insbesondere FCKW aus Spraydosen und Kältemitteln. Sie spalten unter Einfluss von UV-Strahlung freie Clor-Radikale ab. Als ein Radikal bezeichnet man ein Atom bzw. eine Verbindung mit einem ungepaarten, freien Elektron. Durch ein so entstandenes Clor-Radikal (Cl-Radikale) können bis zu 1000 Ozonmoleküle gespalten werden (katalytischer Ozonabbau), ohne dass die Radikale selbst verbraucht oder verändert werden.
Neuere Erkenntnisse zeigen, dass neben Cl-Radikalen vor allem Bromradikale (Br-Radikale) eine starke katalytische Wirkung ausüben. Br- und Cl-Radikale gelangen aber nicht nur durch anthropogene Beeinflussung in die Stratosphäre, sondern auch durch Vulkaneruptionen.
Internationale Abkommen gegen den Ozonabbau
Etwa seit dem Jahr 2002 ist die Zerstörung der Ozonschicht Messungen zufolge nicht weiter vorangeschritten. Die Ozonschicht erholt sich langsam. Prognosen gehen davon aus, dass bis Mitte des 21. Jahrhunderts die Werte von 1980 in der Arktis erreicht werden. Dieser Prozess lässt sich dadurch erklären, dass internationale Abkommen wirksam geworden sind und damit verbunden die Emission von FCKW zurückgegangen ist.
1987 wurde das Montrealer Protokoll über Stoffe, die zum Abbau der Ozonschicht führen können, verabschiedet. In Europa wird das Montrealer Protokoll durch mehrere Verordnungen ratifiziert, unter anderem durch die „Verordnung über Stoffe, die zum Abbau der Ozonschicht führen (EG Verordnung Nr. 1005/2009) und durch die „Verordnung zu kritischen Verwendungszwecken für Halone (EG 744/2010). In Deutschland wird das Montrealer Protokoll durch die bereits seit 2006 in Kraft getretene Chemikalien-Ozonschichtverordnung umgesetzt.
Beobachtet wurde nicht nur ein Abbau des stratosphärischen Ozons in der Ozonschicht, sondern auch ein starker, jahreszeitlich spezifischer Abfall der Ozonkonzentration über den Polen, insbesondere über der Antarktis, um etwa die Hälfte des Normalwertes (Ozonloch). Aktuelle Ergebnisse aus den Berichten der Weltorganisation für Meteorologie vom September 2014 zeigen, dass sich das Ozonloch über der Antarktis bis ca. 2050 regenerieren wird. Dies stellt das Ergebnis einer Erfolgsgeschichte internationaler Zusammenarbeit dar. Ohne ein weltweites FCKW-Verbot wäre die Ozonschicht bis zum Jahr 2050 laut Aussagen des Alfred-Wegener-Institutes für Polar- und Meeresforschung nahezu komplett zerstört worden.
Ozonabbau über der Antarktis
Seit etwa 1985 tritt regelmäßig mit der aufgehenden südpolaren Frühjahrssonne von Ende August bis Anfang Dezember das Ozonloch über der Antarktis auf. Dieser Prozess ist in abgeschwächter Form ebenfalls über der Arktis zu beobachten. Der Abbau von Ozon in der Antarktis wird durch zwei Faktoren verstärkt:
  • 1) Infolge der extremen Kälte der Polarnacht kommt es einerseits zur Bildung von Wolken in der Stratosphäre (polar stratospheric clouds, PSC). Bei tiefen Temperaturen entstehen so Eiskristalle, an deren festen Oberflächen sich aus Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen und anderen Stoffen entstandene Chlormoleküle (Cl2) u.a. als Speichersubstanzen anlagern.
  • 2) Als zweiter wichtiger Faktor ist der antarktische Polarwirbel zu nennen, der ebenfalls in der Polarnacht entsteht. Durch diesen kalten (T <-80 °C), isolierten Polarwirbel (Kaltluftkern) wird ein Luftaustausch mit angrenzenden Luftschichten verhindert, sodass es zu einer Anreicherung der Chlormoleküle in den stratosphärischen Wolken kommt.
Wenn im Frühjahr die Sonne aufgeht, wird das so angereicherte Chlor durch Einfluss von Licht in katalytisch wirksame, Ozon abbauende Chlor-Radikale umgewandelt. Die Folge ist ein plötzlicher, schneller Abbau von Ozon. Die Ozonkonzentration nimmt um bis zu mehr als 50% ab. Mit Abbau des isolierten Polarwirbels bei höheren Temperaturen im Sommer können wieder ozonreichere Luftmassen einströmen, die Ozonschicht schließt sich langsam wieder.
Ähnlich wie über der Antarktis erfolgt auch über der Arktis durch Anreicherung katalytisch wirksamer Substanzen in der Polarnacht mit der aufgehenden Frühjahrssonne ein schneller Ozonabbau. Generell ist der Ozonabbau über der Arktis jedoch geringer, weil sich aufgrund der um etwa 10 °C höheren Temperaturen weniger stratosphärische Wolken bilden und dadurch weniger Chlor angereichert wird. Außerdem verhindern quer liegende, hohe Gebirge die Entstehung eines solchen stabilen isolierten Polarwirbels wie in der Antarktis.
Seit Mitte der 1990er-Jahre lag die Größe des von der NASA gemessenen Ozonlochs über der Antarktis im Durchschnitt bei Werten von 22,5 Mio.  km2 (zum Vergleich: die Staaten der Russischen Föderation besitzen eine Größe von 17,1 Mio.  km2). Im Jahr 2010 konnte erstmalig eine Verkleinerung des Ozonlochs nachgewiesen werden, im Jahr 2013 ging der Wert erstmals unter den Durchschnittswert der letzten 20 Jahre auf eine Größe von 21 Mio.  km² zurück.
Auswirkungen für den Menschen
Der Einsatz von Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW), die unter anderem in Spraydosen, Kühlschränken und Schaumstoffen zu finden waren und eine sehr langlebige Substanzklasse darstellen, wurde seit 1990 weltweit stark eingeschränkt. In Deutschland werden FCKW seit 1994 nicht mehr produziert. Sie können aufgrund ihrer dargestellten katalytischen Wirkung beim Ozonabbau mehrfach im Rahmen des katalytischen Ozonabbau-Prozesses mitreagieren und so die natürliche Schutzschicht des Ozons vor Schäden durch kurzwellige UV-Strahlung aufbrechen.
Die Ozonschicht umhüllt die Erde wie eine Art Schutzschild und absorbiert UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 – 320  nm. Aufgrund des Ozonabbaus gelangt verstärkt ungefilterte UV-Strahlung auf die Erdoberfläche, die zu Augen- und Hautschäden bis hin zu Hautkrebs führen kann. Ebenso wird das Pflanzenwachstum durch Ozoneinwirkung stark beeinflusst (Mutationen, Waldschäden).
Didaktische Analyse
Seit Jahrzehnten ist das Ozonloch ein häufig diskutiertes Thema nicht nur im Geographieunterricht der Schule. Oft sprechen Menschen über das Ozonloch und wissen gar nicht, was damit eigentlich gemeint ist. Nicht jedem ist bekannt, dass Ozon für den Menschen eine positive, aber auch eine negative Komponente besitzt: Ozon ist unmittelbar an der Erdoberfläche schädlich, in der Stratosphäre aber nützlich. Ebenso liegen viele Sonnenanbeter fast das ganze Jahr über in der Sonne, nicht wissend, dass dies zu großen gesundheitlichen Schäden führen kann, obwohl in den Medien davor gewarnt wird.
Deshalb ist es notwendig, auf Hintergründe der Ozonwirkung im Unterricht einzugehen. Dazu gehört, dass man sich Kenntnisse zur Chemie erwirbt, zu Auf- und Abbau, zur Wirkung des Ozons, wie Emissionen von FCKW die Ozonschicht in der Stratosphäre zerstören sowie zu Maßnahmen, das Ozonloch einzudämmen. Außerdem sollen die Schülerinnen und Schüler lernen, was sie selbst tun können, damit das Ozonloch reduziert wird.
Da das Ozonloch zuerst über den Polargebieten entdeckt und dessen Entwicklung in den letzten Jahrzehnten dort am intensivsten von Wissenschaftlern verfolgt wurde, ist das Thema im Zusammenhang mit den Polarregionen ein unbedingtes Muss.
Kompetenzen
Die Schülerinnen und Schüler können
Fachwissen
  • die Begriffe Ozon und Ozonloch erklären,
  • Merkmale und Eigenschaften von Ozon und der Ozonschicht charakterisieren,
  • die Bedingungen für die Ozonbildung beschreiben,
  • den Ozonaufbau und -abbau an der Erdoberfläche und in der Stratosphäre erläutern,
  • die verstärkte Ozonbildung in den Mittagsstunden begründen,
  • erklären, durch welche anthropogenen Einflüsse es zu Ozonabbau in der Stratosphäre kommt,
  • die deutliche Ausprägung des Ozonlochs in den Polargebieten, besonders in der Antarktis, begründen,
  • Maßnahmen, das Ozonloch abzubauen, beschreiben,
  • mögliche neue Gefahren für die Menschheit nach Abbau des Ozonlochs erkennen.
Räumliche Orientierung
  • Schichten mit hoher Ozonkonzentration in der Atmosphäre lokalisieren,
  • das Ozonloch in den Polarregionen verorten.
Erkenntnisgewinnung/Methoden
  • eine einfache Skizze der Atmosphäre mit den Schichten mit hoher Ozonkonzentration anfertigen,
  • Lösungsstrategien zum Ozonabbau entwickeln,
  • Karten, Diagramme, Schemata auswerten.
Bewertung/Beurteilung
  • die Bedeutung von Ozonkonzentrationen in der Atmosphäre für den Klimahaushalt und die Gesundheit der Menschen beurteilen,
  • Lösungsstrategien für eine Reduzierung des Ozonabbaus bewerten.
Methodische Analyse
Zur Auseinandersetzung mit der Ozonthematik stehen den Schülerinnen und Schülern vier Arbeitsblätter zur Verfügung:
Anhand des Arbeitsblattes 1 erarbeiten sie sich die Begriffe Ozon und Ozonloch, charakterisieren Merkmale und Eigenschaften des Ozons und der Schichten in der Atmosphäre, die eine erhöhte Ozonkonzentration aufweisen. Zudem lokalisieren sie in einer einfachen Skizze der Atmosphäre diese Schichten.
Auf Arbeitsblatt 2 beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit dem Ozonaufbau und -abbau. Dabei stellen sie fest, dass vor allem in den Mittagsstunden, zu einem Zeitpunkt starker Erwärmung, die Ozonkonzentration in der Luft am Boden am größten ist.
Mit dem Arbeitsblatt 3 erfahren die Schülerinnen und Schüler, welche Bedeutung das Ozon für die Gesundheit der Menschen hat. Sie erkennen, dass der Mensch selbst erst die Bedingungen geschaffen hat, dass das Ozonloch diese Ausmaße, wie wir sie in den letzten Jahrzehnten spüren konnten, angenommen hat.
Die Lernenden entwickeln anhand der Materialien des Arbeitsblattes 4 einfache Lösungsstrategien zur Vermeidung einer Ozonschwächung in der Stratosphäre und erfahren, welche Maßnahmen die Menschheit zur Eindämmung des Ozonlochs in den letzten Jahrzehnten unternommen hat.
Sie setzten sich auch mit der These auseinander, dass sich nach dem von Wissenschaftlern prognostizierten Verschwinden des Ozonlochs Mitte des 21. Jahrhunderts neue Gefahren für die Menschheit andeuten.
Literatur und Internetquellen
Bliefert, C. (1997): Umweltchemie. 2. Auflage. Weinheim: Wiley VCH
Roedel, W. und Th. Wagner (2011): Physik unserer Umwelt. Die Atmosphäre. 4. Auflage. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag
Sirocko, F. (Hrsg.) (2012): Wetter, Klima, Menschheitsentwicklung. Von der Eiszeit bis in die Gegenwart. Darmstadt: WBG