Ursachen für das Ozonloch
Warum gibt es ein Ozonloch ausgerechnet über der Antarktis? Die Emissionsquellen der Ozon zerstörenden FCKW liegen vor allem in den dichtbesiedelten Staaten der Nordhalbkugel.
Die Ursachen für die extreme Ozonzerstörung über der Antarktis liegen in den besonderen meteorologischen Bedingungen des antarktischen Winters und Frühjahrs. Drei miteinander zusammenhängende Faktoren sind dafür verantwortlich, dass sich die Chlorchemie der Antarktis (und in geringerem Maße auch der Arktis) von der der übrigen Stratosphäre unterscheidet:
1. extrem niedrige Temperaturen,
2. die Bildung eines stabilen Polarwirbels,
3. die meteorologische Isolation und
4. die Bildung polarer stratosphärischer Wolken.
Grundlegend sind die niedrigen Stratosphären-Temperaturen, die während des antarktischen Winters bei -80 oC und weniger liegen. Dadurch kommt es es über der Antarktis zum Absinken von Luftmassen, wodurch in der Stratosphäre ein kräftiges Tiefdruckgebiet entsteht. Die in das Tief einströmende Luft wird durch die Corioliskraft zu einem sich im Uhrzeigersinn drehenden zirkumpolaren Wirbel umgelenkt. Die Untergrenze des Polarwirbels liegt einige km über der Tropopause, die Obergrenze bei etwa 30 km Höhe. Die den Pol umkreisende Winde verhindern das Eindringen wärmerer und ozonreicherer Luftmassen aus niederen Breiten. Ohnehin sind die planetaren Wellen, die für einen meridionalen Lufttransport Richtung Pol sorgen könnten, aufgrund der Land-Meer-Verteilung auf der Südhalbkugel nur schwach ausgebildet. Durch diese Isolation der antarktischen Stratosphäre von der übrigen Atmosphäre können sich die spezifischen meteorologischen Bedingungen über mehrere Monate ungestört auswirken.
Abb. 12: Antarktischer Polarwirbel und Polare Stratosphärenwolken (PSC) sind die Grundlage der stratosphärischen Ozonchemie, die zu Entstehung eines Ozonlochs führt.
Die wichtigste Folge im Hinblick auf die antarktische Ozonzerstörung ist die Entstehung von polaren Stratosphärenwolken (PSC für engl. Polar Stratospheric Clouds), die sich bei Temperaturen unter - 78 oC bilden. Bei weiter sinkenden Temperaturen wachsen in den PSC-Tröpfchen Eiskristalle heran, die als Perlmuttwolken beobachtet werden können. Die besonderer Bedeutung der PSC-Wolken für die Entstehung eines Ozonlochs besteht darin, dass auf den Oberflächen ihrer Partikel chemische Reaktionen ablaufen, die Chlorreservoirmoleküle in Chlormoleküle umwandeln. Vor allem reagieren dabei die Reservoirmoleküle Chlornitrat und Salzsäure miteinander:
ClONO2 + HCl -> Cl2 + HNO3
Das dabei entstehende Chlormolekül (Cl2) ist für das Ozon zunächst unproblematisch. Es wird jedoch am Ende der Polarnacht durch die ersten Sonnenstrahlen in Chlorradikale gespalten, die dann in den katalytischen Chlorzyklus eintreten.:
Cl2 + hv -> Cl + Cl
Die Reaktionen an den PSC-Partikeln vernichten nahezu das gesamte Chlornitrat im Umfeld der Stratosphärenwolken und legen dadurch die Grundlage für seine Umwandlung in Chlorradikale. Hinzu kommt, dass größere PSC-Partikel während des polaren Winters absinken und dabei nahezu vollständig Salpetersäure (HNO3) aus der Ozonschicht entfernen. Das ist deswegen problematisch, weil unter normalen Bedingungen aus Salpetersäure unter Einwirkung von Sonnenstrahlung Stickstoffdioxid (NO2) entsteht und über die Reaktion mit Stickstoffdioxid Chlormonoxid (ClO) in das Reservoirmolekül Chlornitrat (ClONO2) eingebaut wird:
HNO3 + hv -> NO2 + OH
NO2 + CLO -> ClONO2
Je weniger Salpetersäure vorhanden ist, desto weniger Stickstoffdioxid steht für diesen Prozess zur Verfügung. Dadurch wird der Wiedereinbau von Chlorradikalen in Reservoirmoleküle im Frühjahr deutlich verzögert und die Ozonzerstörung verlängert.
Die Temperaturen der polaren Stratosphäre spielen nicht nur für die Entstehung der PSC eine wichtige Rolle, sondern beeinflussen auch direkt die Reaktivität von Chlor, die bei Temperaturen um -78 oC besonders hoch ist. Höhere Temperaturen reduzieren die Reaktion mit Ozon. Das ist von besonderer Bedeutung für die Ausdehnung des Ozonlochs, dessen Rand entscheidend durch die dort herrschende Temperatur bestimmt wird. Eine Temperaturabnahme um 1 oC am Ozonlochrand bewirkt eine Vergrößerung der Fläche des Ozonlochs um 1,1 Mio km2. Die Temperaturen hier hängen wiederum stark von der Wirkung troposphärischer Wellen auf die Stratosphäre, d.h. von dem Einstrom wärmerer Luft, ab.