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Untere Atmosphäre

Basis

Troposphärisches Ozon

Ozon ist das vielleicht meist untersuchteste Gas in den Luftforschung. Warum?

Es ist ein sehr widersprüchliches Gas, hier benötigt, dort unerwünscht. Die einen beklagen sich über zu hohe Konzentrationen und den Ozonsmog. In schlimmen Fällen muss der Wagen in der Garage bleiben.

Dann wiederum sorgen sich die Leute, weil die Ozonschicht dünner wird, wo doch Ozon so dringend benötigt wird, um uns vor Hautkrebs zu schützen. Und schließlich erzählen uns die Wissenschaftler, Ozon sei auch noch ein Treibhausgas, das zur Erderwärmung beitrage. Was ist denn nun richtig?
In der Tat haben alle Recht.
Hier werden wir uns das bodennahe Ozon anschauen und sehen, dass es Pflanzen und Menschen schaden kann und ein Treibhausgas ist. Im Themenfeld 'Obere Atmosphäre' werden wir die Eigenschaften von Ozon als ein Schutzschild gegen die ultraviolette Strahlung studieren. Wir werden sehen, dass dasselbe Gas mehrere Rollen spielen kann.

1. a-e) Chronische Schäden sind typisch für den negativen Einfluss des Ozons auf Laub. Hier dargestellt sind Blätter von prunus serotina (Herbstkirsche) mit 0%, 4,4%, 7,8%, 12,3% und 24,5% Schädigung.
Quelle: Innes, Skelly, Schaub - Ozon, Laubholz- und Krautpflanzen, ISBN 3-258-06384-2 - Copyright by Haupt Verlag AG / Switzerland
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Ozon ist ein Gas mit verschiedenen Eigenschaften. Manche sehen wir als nützlich an, manche nicht. Ozon findet sich in verschiedenen Schichten der Atmosphäre. Zum einen in der Ozonschicht oberhalb von 10 km Höhe. Dort dient uns das Ozon als Filter und Schutz vor Hautkrebs. In diesem Kapitel aber geht es um die Troposphäre. Wenngleich hier Spuren von Ozon notwendig sind, um Prozesse der chemischen Reinigung in Gang zu setzen, so sollte es jedoch nicht zu viel sein. Über die letzten Jahrzehnte stieg die mittlere Ozonkonzentration in der Troposphäre kontinuierlich an. Während gewisser Wetterlagen war sie sogar so hoch, dass für die menschliche Gesundheit kritische Maximalwerte überschritten wurden.

2. Die Konzentration troposphärischen Ozons ist seit den ersten Messungen um das Jahr 1870 beständig gestiegen. Das Diagramm zeigt die Ozonmenge in Teilen Ozon an einer Milliarde Teilen Luft Volumen (parts per billion volume = ppbv).
Zusammenstellung der Daten: Valérie Gros, nach Marenco et al. 1992, EGS Assembly Edinburgh 1992
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Gefahr für die Atemwege

Ozon ist ein reaktives und reizendes Gas, das in hohen Konzentrationen zu Atemwegsproblemen führt. Es kann Lungen- und Bronchienentzündungen nach sich ziehen, die zwar in der Regel keine bleibenden Schäden hinterlassen, aber akut sehr gefährlich sein können. Unser Körper sucht die Lungenbläschen und Schleimhäute gegen das Ozon zu schützen. Dieser Schutz führt gleichzeitig dazu, dass auch nicht mehr soviel Sauerstoff aufgenommen werden kann. Die Sauerstoffversorgung ist nicht mehr hinreichend, das Herz muss schwerer arbeiten. Insbesondere Personen, deren Gesundheit ohnehin beeinträchtigt ist (z.B. durch Asthma), sind in Gefahr. Im schlimmsten Fall kann Ozon hier zum Tod führen.

Eine Variante des Sauerstoffs

Ozon ist eine spezielle Variante des Sauerstoffs. Normaler Sauerstoff (O₂) besteht aus zwei Sauerstoffatomen. Ozon (O₃) besteht aus dreien, ist weniger stabil und reaktiver, man könnte auch sagen aggressiv. Ozon ist in der Lage, organisches Material zu zerstören, wie im Teil 'Mehr..' genauer beschrieben wird. Daher greift es den menschlichen Organismus ebenso an, wie die Pflanzen. Die Bilder oben zeigen es am Beispiel von Blättern der Herbstkirsche.

3. Drei Formen des Sauerstoffs von völlig unterschiedlicher Stabilität. Die Reaktivität steigt in Pfeilrichtung.
Bild: Elmar Uherek

Tabelle: Formen des Luftsauerstoffs

Sauerstoffform

Anzahl Atome

Chemische Stabilität

Vorkommen in Luft

atomarer Sauerstoff

1 Atom

instabil / sehr reaktiv

kleinste Spuren

'normaler' Sauerstoff

2 Atome

stabil

21% der Luft

Ozon

3 Atome

relativ stabil / reaktiv

10 - 100 ppb

ppb = milliardstel Teile (parts per billion)

Ein Treibhausgas

Schließlich ist Ozon wie Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) ein Gas, das in der Troposphäre die Wärmestrahlung der Erde absorbiert und damit zum Treibhauseffekt beiträgt. Es ist das drittwichtigste Treibhausgas. Der zusätzliche Strahlungsantrieb F (engl.: radiative forcing) seit der Industrialisierung (etwa 1750) spiegelt den menschlichen Beitrag zur Erderwärmung wieder. Das Diagramm zeigt die Bedeutung von troposphärischem Ozon (graue Säule) im Vergleich zu anderen Treibhausgasen.

Aus all diesen Gründen möchten wir keine hohen Ozonkonzentrationen in der Troposphäre haben.

4. Der Beitrag verschiedener Treibhausgase zum Strahlungsantrieb F. (Daten IPCC AR4 2007) Wie hoch ist ihr Beitrag zur globalen Erderwärmung?

Berechne den Beitrag zur Erderwärmung!

Das Diagramm oben zeigt den Beitrag verschiedener Treibhausgase zur positiven Änderung des Strahlungsantriebes F an der Tropopause in Wm^-2. Der IPCC Bericht (Kapitel 6.2.1 TAR scientific basis) erklärt uns, dass wir diese Zahl in eine Änderung der mittleren Oberflächentemperatur auf der Erde T_S umrechnen können. Das Verhältnis ist etwa:

T_S / F = 0,5 °C / Wm^-2

Kannst du die Temperaturänderung T_S berechnen, die durch die Treibhausgase Kohlendioxid, Methan, Ozon, FCKW (engl. CFC) und Distickstoffmonoxid hervorgerufen wurde?

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