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Bestimmung der chemischen Ozonverluste in der arktischen Stratosphäre (Match)EinleitungEine besondere Rolle in der globalen Ozonbilanz spielen die Vorgänge in den großen Tiefdruckgebieten, die sich in jedem Winter in der polaren Stratosphäre ausbilden. Die Luftmassen rotieren dann in einem sogenannten Polarwirbel horizontal um dessen Zentrum in Nähe des Pols. Dadurch bleiben einerseits die Luftmassen im Innern des Wirbels für lange Zeit von der Umgebung isoliert, andererseits kühlt die Stratosphäre unter den Bedingungungen der Polarnacht stark ab. Bei Temperaturen unter circa -80°C können sich polare stratosphärische Wolken (Polar Stratospheric Clouds (PSC)) ausbilden. Es gilt als erwiesen, daß an den Oberflächen der Partikel, aus denen die PSC bestehen, heterogene chemische Reaktionen ablaufen, die für den Ozonabbau von entscheidender Bedeutung sind.Anthropogen erzeugte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und Halone gelangen seit einigen Dekaden in the Troposphäre und reichern sich dort aufgrund ihrer langen natürlichen Lebenszeiten an, die im Bereich mehrerer Jahrzehnte liegen. Ein Bruchteil wird durch Austauschprozesse jedes Jahr in die Stratosphäre getragen. In großen Höhen angekommen, vermag die dort einfallende kurzwellige UV-Strahlung der Sonne die sonst so stabilen Moleküle aufzubrechen. Durch Reaktionen der Fragmente mit den Luftmolekülen werden neue Chlorverbindungen erzeugt. Der überwiegende Anteil der neuen Verbindungen ist inaktiv und kann den Ozonhaushalt kaum beeinflussen. Bei den tiefen Temperaturen der Polarnacht werden diese inaktiven Reservoirverbindungen jedoch durch heterogene Reaktionen an den PSC Partikeln in reaktive Chlorverbindungen überführt. Im folgenden Polarfrühling werden diese Verbindungen leicht durch das Licht der wiederkehrenden Sonne photolytisch gespalten. Dadurch werden zusammen mit den aus den Halonen stammenden Bromverbindungen ozonzerstörende katalytische Reaktionszyklen in Gang gesetzt. In der Antarktis führt dies alljährlich zum saisonalen Ozonloch in den Monaten September/Oktober. Die in diesem Zusammenhang wichtigen Fragen lauten daher: Findet auch auf der Nordhemisphäre ein Ozonabbau nach diesem Mechanismus statt und wenn ja in welchem Ausmaß? Der arktische Polarwirbel ist kleiner, weniger stabil und löst sich früher auf als sein antarktisches Pendant. Deswegen können dort die Temperaturen nicht so tief sinken und die PSC bilden sich weniger häufig aus. Gleichwohl wurden auch hier in der Vergangenheit mehrmals hohe Konzentrationen an reaktiven Chlorverbindungen gemessen. Da sie aber jeweils am Ende der Polarnacht schnell wieder in die inaktiven Reservoire überführt wurden, blieb der Ozonabbau bis vor wenigen Jahren vergleichsweise niedrig. Der Ozongehalt in der arktischen Stratosphäre kann neben der beschriebenen Chemie auch aus Transportgründen zeitlich variieren. Er schwankt lokal über einer Meßstation schon alleine aufgrund der stratosphärischen Winde. Diese bewirken, daß ständig neue Luftmassen erscheinen, die zueinander Ozonunterschiede aufweisen, die vormals natürlich entstanden waren. Diese Schwankungen können gerade in der Arktis beträchtliche Ausmaße erreichen. Ferner können aus mittleren Breiten Luftmassen mit niedrigem Ozongehalt in die Arktis eindringen und sich mit den Luftmassen am Rande des Polarwirbels mischen. Auch dies bedeutet wiederum eine natürliche Schwankung des Ozongehalts. Die dynamischen Effekte überlagern jeden chemischen Verlust, weshalb der Ozonabbau über der Arktis schwerer nachzuweisen und zu quantifizieren war als über der Antarktis. MethodeEine erfolgreiche Methode, den chemischen Ozonabbau nachzuweisen, wurde erstmals für den Winter 1991/92 vom AWI und der Universität Bremen entwickelt (von der Gathen et alii, 1995, Rex et alii, 1998a) und in den Wintern 1994/95 (Rex et alii, 1998b), 1995/96 (Rex et alii, 1997), und 1996/97 unter dem Projektnamen Match in größerem Umfang weitergeführt. Während eines Match Experiments wurden international circa 600 bis 1200 Ozonsonden von über 30
Stationen um den Nordpol und in mittleren Breiten koordiniert eingesetzt.
Zu diesem Zweck wurden die Bewegungen (Trajektorien aus Berechnungen der
FU Berlin) von Luftmassen analysiert und prognostiziert, um Ozonsonden
derart einzusetzten, daß bestimmte Luftpakete gezielt mehrmals beprobt
werden konnten. Eine gemessene Abnahme der Ozonkonzentrationen in
der Zeitspanne zwischen zwei Sondenflügen ist dann einem chemischen
Abbau zuzuschreiben. Es gelang auf diese Weise durch die große
Anzahl der erzielten Sondenpaare, die chemischen Abbauprozesse direkt nachzuweisen
und statistisch signifikant zu quantifizieren.
ResultateIn allen vier Wintern konnten die Ozonabbauraten bestimmt werden. Es konnte nachgewiesen werden, daß nur in den von der Sonne beschienenen Teilen der Trajektorien Ozon zerstört wird. Zudem trat der Abbau in der Regel mit leichtem zeitlichen Versatz zu den Zeiträumen auf, in denen die meteorologischen Voraussetzungen für PSC bestanden. Beide
Sachverhalte stützen die gängige Theorie. Allerdings weichen
Modellrechnungen quantitativ um ein Drittel von den experimentell bestimmen
Ozonabbau ab. Neben dem erwarteten generellen Verhalten konnten insbesondere
im Winter 1995/96 zwei weitere Effekte beobachtet werden, die für
die Arktis von Bedeutung sind bzw. unter Umständen an Bedeutung gewinnen
werden.
Der erste Effekt - von uns `Chlornitratfalle' genannt - tritt auf, wenn die Temperaturen lang anhaltend moderat tief liegen. In einem solchen Fall wird zu Anfang alles verfügbare Chlor durch eine Reaktion der beiden dominierenden Reservoirspezien Chlornitrat und Chlorwasserstoff miteinander an den PSC aktiviert. Im weiteren Verlauf geht sukzessive ein Teil des Chlors durch photochemische Prozesse in das Chlornitrat zurück. Da jedoch gleichzeitig die Chlorwasserstoff nicht entsprechend stark zurückgebildet wird, kann dieses Chlor nicht umgehend an den immer noch vorhandenen PSC-Oberflächen wieder in aktive Chlorsubstanzen überführt werden. Das Chlor sitzt in der Form von Chlornitrat in der Falle. Dadurch nehmen die Ozonabbauraten trotz weiterhin tiefer Temperaturen ab, was in den Matchdaten klar zum Ausdruck kommt. Die Chlornitratfalle ist in der Antarktis nicht von Bedeutung, da sie
dort von einem zweiten Effekt verhindert wird. Fallen die Temperaturen
nämlich extrem tief und erreichen daher etwa -90°C, wie es für
die winterliche Stratosphäre der Antarktis charakteristisch ist, kondensieren
in den PSC so große Partikel, daß sie relativ schnell `ausschneien'
(sedimentieren). Dadurch werden weite Teile der Stratosphäre denitrifiziert
und dehydriert und eine Rückführung des Chlors in die Reservoirverbindungen
wird erheblich über den Zeitraum der tiefen Temperaturen hinaus verzögert. Aufgrund der für arktische Verhältnisse sehr tiefen stratosphärischen Temperaturen und dem dadurch verstärkten Auftreten von PSC war der von den Match Experimenten beobachtete Ozonabbau in den letzten drei Wintern so stark wie er noch nie zuvor über der Arktis nachgewiesen worden ist. So betrugen die chemischen Verluste in den Ozonsäulen bis zu 30 %. In einigen Höhenschichten wurden sogar mehr als 60 % des Ozons zerstört. Die Ozonabbauraten beim Entstehen des antarktischen Ozonlochs an sich sind nicht viel größer. Dort findet der Ozonverlust allerdings über ein größeres Höhenintervall und über einen längeren Zeitraum wegen der regelmäßigen Denitrifizierung insbesondere in den sonnenreichen Frühling hinein statt. Dies führt zu den wesentlich größeren Gesamtverlusten. AusblickDie Entwicklung des arktischen Polarwirbels ist von Jahr zu Jahr starken Schwankungen unterworfen. Entsprechend können sich die Bedingungen für den Ozonabbau verändern. In ein bis zwei Jahren wird das Maximum des stratosphärische Chlorgehalts erwartet. Dies bedeuted allerdings keine Entwarnung. Verbunden mit dem troposphärischen Treibhauseffekt ist ein negativer Temperaturtrend in der Stratosphäre. Hält ein bislang schon nachgewiesener negativer Temperaturtrend in der Arktis auch in den kommenden Jahrzehnten an, wird die Chlornitratfalle nicht mehr wie in den vergangenen Jahren in der Lage sein, den Ozonabbau zu beschränken. Es drohen dann in einigen Wintern durch stärkere Denitrifizierungseffekte Zustände, ähnlich denen des antarktischen Ozonlochs. Dies würde einen weiteren Anstieg der UV-B Belastung der nordhemisphärischen Biosphäre bedeuten. Da sich die Luftmassen des Polarwirbels im Laufe des Frühlings mit den Luftmassen der mittleren Breiten vermischen, sind von der erhöhten UV-B Belastung auch die Menschen in den bevölkerungsreichen Gebieten Europas und Nord-Amerikas betroffen.Literatur
nördlichen Breiten, in "Spurenstoffe in der Atmosphäre", HGF, Materialsammlung zur Vortragsveranstaltung Bonn, 26. November 1997. Zusammenarbeit
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