Untere Atmosphäre

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Ozonvorkommen -Troposphärische Ozonwerte verstehen

Woher kommt Ozon? Durch welche Mechanismen wird seine Bildung und sein Abbau bestimmt? Wir versuchen besser zu verstehen, warum das Auftreten von Ozon in unserer Luft nicht so einfach zu beschreiben ist.

Ozonkontrolle durch Stickoxide und organische Verbindungen

In Einheit 3 der Basis-Seiten lernen wir die typischen Eigenschaften von Ozon kennen. Schaue nochmals in das Kapitel 'Ozonsmog' und betrachte die folgende Abbildung.
 

1. Wie Ozonsmog gebildet wird. - Schema: Elmar Uherek
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Hohe Ozonkonzentrationen in und um die städtischen Gebiete treten auf, wenn an heißen Tagen Verkehr, Emissionen und organische Gase (sogenannte VOC = volatile organic compounds = leichtflüchtige organische Verbindungen) zusammenkommen.

Die Anwesenheit von Stickoxiden und Sonnenlicht, oft auch mit hv ^*) abgekürzt, alleine führt noch nicht notwendigerweise zu einer Bildung von Ozon. Denn Ozon reagiert mit Stickstoffmonoxid NO wieder zurück. Die Konsequenz eines solchen Kreislaufes ist, dass es zwar eine hohe Umwandlungsrate gibt, aber netto weder eine Bildung noch einen Abbau von Ozon. Wir sprechen von einem Nullzyklus. Kreisläufe dieser Art finden sich öfter in der Atmosphäre, nicht nur mit Ozon.

In der Luft gibt es jedoch auch flüchtige (gasförmige) organische Verbindungen (VOC). In chemischen Reaktionen werden sie oft mit RH abgekürzt (H = Wasserstoff, R = organischer Rest). Sie reagieren mit OH-Radikalen, bilden Peroxy-Radikale RO₂ und diese wiederum oxidieren NO. Da diese Reaktion zu dem Ozonverbrauch in Konkurrenz tritt, wird mehr Ozon gebildet als verbraucht.

In einem Diagramm sogenannter Isoplethen zeigen schwarze Linien dieselbe Ozonkonzentration an. Ob mehr oder weniger Ozon gebildet wird, hängt in hohem Maße von der richtigen Mischung von Stickoxiden NO_x und flüchtigen organischen Substanzen VOC ab. Sind viele Stickoxide in der Luft, aber nicht genügend VOC, so wird kein Ozon gebildet (blauer Punkt A). Ozon kann sogar in den Stadtzentren verbraucht werden. Sind in großen Mengen VOC vorhanden, aber kaum Stickoxide NO_x, so ist die Ozonkonzentration ebenfalls niedrig (Punkt B). Nur wenn die richtige Mischung vorhanden ist, beide in relativ hohen Konzentrationen, können auch die Ozonwerte steigen (Punkt C). Da sich die Ozonwerte sehr schnell den örtlichen Verhältnissen anpassen, schwanken sie stark mit der Tageszeit, dem Sonnenlicht und den Emissionen vor Ort. Es ist deshalb sehr schwierig, einen weltweiten Durchschnitt an Ozon zu errechnen, wie dies für Methan oder Kohlendioxid möglich ist.

Andere Quellen

Stadtverkehr ist nicht die einzige Ursache für die Bildung von Ozon. Denn der Stadtverkehr ist nicht die einzige Quelle von Stickoxiden, die für die Ozonbildung sehr wichtig sind. Sie können auch bei anderen Verbrennungsprozessen entstehen, z.B. in Vegetationsfeuern (Wald-, Steppen-, Buschbrände ...). Das Bild rechts zeigt in weiß den Rauch und von grün über gelb nach rot steigende Ozonkonzentrationen in der Rauchfahne der großen Feuer in Indonesien 1997. Der nächste Text erklärt näher, was in solchen Feuern geschieht.
Blitze sind eine weitere Quelle von Stickoxiden. Einmal wurden hohe Ozonwerte über Australien gemessen. Die Wissenschaftler suchten zunächst nach Ursachen, die auf menschliches Tun zurückgehen. Nach einer Analyse der Windströmungen wurde dann klar, dass heftige Gewitter mit zahlreichen Blitzen über Südafrika die Ursache waren.

Ozonmessung

Bei der Betrachtung solcher Abbildungen wie der Ozonfahne über Indonesien und dem Indischen Ozean mag sich die Frage stellen, woher wir die Information über die Ozonkonzentration haben. In der Tat gibt es nicht viele Messstationen in Indonesien und erst recht nicht über dem Ozean. Ozon wird von Satelliten aus dem Weltraum gemessen. Allerdings müssen wir hierbei beachten, dass Satelliten für gewöhnlich die Gesamtmenge an Ozon über die gesamte Atmosphäre messen. Die Grafik links zeigt den Ozontrend, der am Observatorium Hohenpeissenberg im deutschen Voralpenland gemessen wurde. Bedeutet dieser Trend, dass die Ozonwerte in Deutschland sinken, obwohl wir gelernt haben, dass das Ozon in der Troposphäre fast überall zunimmt?

Keineswegs! Ozontrends hängen stark vom Ort der Messung ab und es gibt starke Schwankungen. Wir können Ozontrends weder allein aus Satellitendaten mit ihrem weltweiten Blick noch von Einzelmessungen einer einzigen Mess-station ableiten, sondern müssen die Werte verschiedener Messungen kombinieren. Die Abbildung rechts unterscheidet die Trends für zwei verschiedene Höhen. Wir wissen, dass Ozon in der stratosphärischen Ozonschicht abnimmt und lernen mehr hierüber im Themenfeld  'Obere Atmosphäre'. Satelliten sehen alle Luftschichten gleichzeitig, die Stratosphäre wie die Troposphäre. Aber erst wenn wir die Daten sorgfältig auf Grund der unterschiedlichen Phänomene in verschiedenen Schichten analysieren, können wir die recht komplizierten Ozonwerte und ihre Ursachen verstehen.

^*) hv steht für Licht, denn die quantenphysikalische Gleichung zur Beschreibung der Lichtenergie lautet: E = hv

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Die Bildung von Ozonsmog wird im Detail erklärt in:
Untere Atmosphäre - Basis - Einheit 3 - Ozonsmog

About this page:

author: Dr. Elmar Uherek - MPI for Chemistry, Mainz
scientific reviewer: Dr. Rolf Sander - MPI for Chemistry, Mainz 2004-05-18
last published: 2004-05-24
translation: Elmar Uherek 2004-06-08