Ozonschicht - Ozone layer

Ozon-Sauerstoff-Kreislauf in der Ozonschicht.

Die Ozonschicht oder Ozonschutzschild ist eine Region der Erde ist Stratosphäre dass die meisten der absorbiert Sun s ' ultravioletter Strahlung. Es enthält eine hohe Konzentration von Ozon (O 3 ) im Verhältnis zu anderen Teilen der Atmosphäre, obwohl sie im Verhältnis zu anderen Gasen in der Stratosphäre noch gering ist. Die Ozonschicht enthält weniger als 10 ppm Ozon, während die durchschnittliche Ozonkonzentration in der Erdatmosphäre insgesamt etwa 0,3 ppm beträgt. Die Ozonschicht befindet sich hauptsächlich im unteren Teil der Stratosphäre, etwa 15 bis 35 Kilometer (9 bis 22 Meilen) über der Erde, obwohl ihre Dicke saisonal und geografisch variiert.

Die Ozonschicht wurde 1913 von den französischen Physikern Charles Fabry und Henri Buisson entdeckt . Messungen der Sonne zeigten, dass die Strahlung, die von ihrer Oberfläche ausgesandt wird und den Erdboden erreicht, normalerweise mit dem Spektrum eines schwarzen Körpers mit einer Temperatur im Bereich von 5.500–6.000 K (5.230–5.730 °C) übereinstimmt, außer dass es gab keine Strahlung unterhalb einer Wellenlänge von etwa 310 nm am ultravioletten Ende des Spektrums. Es wurde gefolgert, dass die fehlende Strahlung von etwas in der Atmosphäre absorbiert wurde. Schließlich wurde das Spektrum der fehlenden Strahlung nur einer bekannten Chemikalie, Ozon, zugeordnet. Seine Eigenschaften wurden vom britischen Meteorologen GMB Dobson im Detail erforscht , der ein einfaches Spektrophotometer (das Dobsonmeter ) entwickelte, mit dem stratosphärisches Ozon vom Boden aus gemessen werden konnte. Zwischen 1928 und 1958 baute Dobson ein weltweites Netz von Ozonmessstationen auf, die bis heute in Betrieb sind. Die „ Dobson - Einheit “, ein geeignetes Maß für die Menge an Ozon - Overhead, wird in seiner Ehre genannt.

Die Ozonschicht absorbiert 97 bis 99 Prozent des mittelfrequenten ultravioletten Lichts der Sonne (von etwa 200  nm bis 315 nm Wellenlänge ), das andernfalls exponierte Lebensformen in der Nähe der Oberfläche möglicherweise schädigen würde.

1976 ergab eine atmosphärische Forschung, dass die Ozonschicht durch von der Industrie freigesetzte Chemikalien, hauptsächlich Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), zerstört wurde. Bedenken, dass eine erhöhte UV-Strahlung aufgrund des Ozonabbaus das Leben auf der Erde bedroht, einschließlich der Zunahme von Hautkrebs beim Menschen und anderer ökologischer Probleme, führten zu einem Verbot der Chemikalien, und die neuesten Beweise sind, dass sich der Ozonabbau verlangsamt oder aufgehört hat. Die Generalversammlung der Vereinten Nationen hat den 16. September zum Internationalen Tag für die Erhaltung der Ozonschicht erklärt .

Die Venus hat auch eine dünne Ozonschicht in einer Höhe von 100 Kilometern über der Oberfläche des Planeten.

Quellen

Die photochemischen Mechanismen, die entstehen die Ozonschicht durch den britischen Physiker entdeckt wurden Sydney Chapman 1930. Ozon in der Erde Stratosphäre wird durch UV - Licht - auffallende gewöhnliche erstellte Sauerstoffmoleküle , die zwei Sauerstoffatom (O 2 ), Splitting sie in einzelne Sauerstoffatom (atomarer Sauerstoff); der atomare Sauerstoff verbindet sich dann mit ungebrochenem O 2 , um Ozon, O 3 , zu erzeugen . Das Ozonmolekül ist instabil (obwohl es in der Stratosphäre langlebig ist) und wenn ultraviolettes Licht auf Ozon trifft, spaltet es sich in ein O 2 -Molekül und ein einzelnes Sauerstoffatom auf, ein fortlaufender Prozess, der als Ozon-Sauerstoff-Zyklus bezeichnet wird . Chemisch kann dies wie folgt beschrieben werden:

Etwa 90 Prozent des Ozons in der Atmosphäre sind in der Stratosphäre enthalten. Die Ozonkonzentrationen sind zwischen etwa 20 und 40 Kilometern (66.000 und 131.000 Fuß) am größten, wo sie zwischen etwa 2 und 8 Teilen pro Million liegen. Wenn alle des Ozons zu dem Druck der Luft auf Meereshöhe komprimiert wurden, wäre es nur dann 3 Millimeter ( 1 / 8 - Zoll) dick ist .

Ultraviolettes Licht

UV-B-Energieniveaus in mehreren Höhen. Die blaue Linie zeigt die DNA-Sensitivität. Die rote Linie zeigt das Oberflächenenergieniveau mit 10 Prozent Abnahme des Ozons
Ozonwerte in verschiedenen Höhen und Blockierung verschiedener ultravioletter Strahlungsbänder. Im Wesentlichen wird das gesamte UV-C (100–280 nm) durch Sauerstoff (ab 100–200 nm) oder auch durch Ozon (200–280 nm) in der Atmosphäre blockiert. Der kürzere Teil des UV-C-Bandes und das energiereichere UV über diesem Band verursacht die Bildung der Ozonschicht, wenn einzelne Sauerstoffatome, die durch UV- Photolyse von Disauerstoff (unter 240 nm) erzeugt werden, mit mehr Disauerstoff reagieren. Die Ozonschicht blockiert auch den größten Teil, aber nicht ganz, des Sonnenbrand erzeugenden UV-B-Bandes (280–315 nm), das in den Wellenlängen länger als UV-C liegt. Die UV-Bande, die dem sichtbaren Licht am nächsten ist, UV-A (315–400 nm), wird durch Ozon kaum beeinflusst und erreicht den größten Teil davon den Boden. UV-A verursacht nicht primär Hautrötungen, aber es gibt Hinweise darauf, dass es langfristige Hautschäden verursacht.

Obwohl die Konzentration des Ozons in der Ozonschicht sehr gering ist, ist es lebenswichtig, da es die biologisch schädliche ultraviolette (UV) Strahlung der Sonne absorbiert. Extrem kurzes oder Vakuum-UV (10–100 nm) wird durch Stickstoff abgeschirmt. UV-Strahlung, die Stickstoff durchdringen kann, wird nach ihrer Wellenlänge in drei Kategorien eingeteilt; diese werden als UV-A (400–315 nm), UV-B (315–280 nm) und UV-C (280–100 nm) bezeichnet.

UV-C, das für alle Lebewesen sehr schädlich ist, wird durch eine Kombination aus Sauerstoff (< 200 nm) und Ozon (> etwa 200 nm) in einer Höhe von etwa 35 Kilometern (115.000 ft) vollständig abgeschirmt. UV-B-Strahlung kann schädlich für die Haut sein und ist die Hauptursache für Sonnenbrand ; eine übermäßige Exposition kann auch Katarakte, eine Unterdrückung des Immunsystems und genetische Schäden verursachen, die zu Problemen wie Hautkrebs führen können . Die Ozonschicht (die von etwa 200 nm bis 310 nm absorbiert mit einer maximalen Absorption bei etwa 250 nm) ist sehr effektiv beim Abschirmen von UV-B; für Strahlung mit einer Wellenlänge von 290 nm ist die Intensität am oberen Rand der Atmosphäre 350 Millionen Mal stärker als an der Erdoberfläche. Dennoch gelangt ein Teil des UV-B, insbesondere bei seinen längsten Wellenlängen, an die Oberfläche und ist für die Vitamin-D -Produktion der Haut wichtig .

Ozon ist für die meisten UV-A-Strahlen durchlässig, daher erreicht der größte Teil dieser längerwelligen UV-Strahlung die Oberfläche und bildet den größten Teil des UV-Lichts, das die Erde erreicht. Diese Art von UV-Strahlung ist für die DNA deutlich weniger schädlich , kann aber dennoch potenziell körperliche Schäden, vorzeitige Hautalterung, indirekte genetische Schäden und Hautkrebs verursachen.

Verteilung in der Stratosphäre

Die Dicke der Ozonschicht variiert weltweit und ist im Allgemeinen in Äquatornähe dünner und in Polnähe dicker. Die Dicke bezieht sich darauf, wie viel Ozon sich in einer Säule in einem bestimmten Bereich befindet und variiert von Saison zu Saison. Die Gründe für diese Schwankungen liegen in atmosphärischen Zirkulationsmustern und der Sonnenintensität.

Der größte Teil des Ozons wird über den Tropen produziert und durch stratosphärische Windmuster zu den Polen transportiert. Auf der Nordhalbkugel machen diese Muster, die als Brewer-Dobson-Zirkulation bekannt sind, die Ozonschicht im Frühjahr am dicksten und im Herbst am dünnsten. Wenn Ozon in den Tropen durch solare UV-Strahlung erzeugt wird, geschieht dies durch Zirkulation, die ozonarme Luft aus der Troposphäre in die Stratosphäre befördert, wo die Sonne Sauerstoffmoleküle photolysiert und in Ozon umwandelt. Dann wird die ozonreiche Luft in höhere Breiten getragen und fällt in tiefere Schichten der Atmosphäre.

Untersuchungen haben ergeben, dass die Ozonwerte in den Vereinigten Staaten in den Frühlingsmonaten April und Mai am höchsten und im Oktober am niedrigsten sind. Während die Gesamtozonmenge von den Tropen in höhere Breiten zunimmt, sind die Konzentrationen in hohen nördlichen Breiten höher als in hohen südlichen Breiten, wobei die Ozonsäulen im Frühling in hohen nördlichen Breiten gelegentlich 600 DU überschreiten und durchschnittlich 450 DU ausmachen, während 400 DU a übliches Maximum in der Antarktis vor dem anthropogenen Ozonabbau. Dieser Unterschied entstand natürlich aufgrund des schwächeren Polarwirbels und der stärkeren Brewer-Dobson-Zirkulation in der nördlichen Hemisphäre aufgrund der großen Gebirgszüge dieser Hemisphäre und der größeren Kontraste zwischen Land- und Ozeantemperaturen. Der Unterschied zwischen hohen nördlichen und südlichen Breiten hat sich seit den 1970er Jahren aufgrund des Ozonlochphänomens vergrößert . Die höchsten Ozonmengen werden in den Frühlingsmonaten März und April über der Arktis gefunden, während die Antarktis in den Sommermonaten September und Oktober die niedrigsten Ozonmengen aufweist.

Brewer-Dobson-Zirkulation in der Ozonschicht.


Erschöpfung

Hauptartikel: Ozonabbau
NASA-Projektionen der stratosphärischen Ozonkonzentrationen, wenn Fluorchlorkohlenwasserstoffe nicht verboten worden wären .

Die Ozonschicht kann durch freie Radikalkatalysatoren, einschließlich Stickstoffmonoxid (NO), Distickstoffoxid (N 2 O), Hydroxyl (OH), atomarem Chlor (Cl) und atomarem Brom (Br) , abgereichert werden . Obwohl es für alle diese Arten natürliche Quellen gibt, sind die Konzentrationen von Chlor und Brom in den letzten Jahrzehnten aufgrund der Freisetzung großer Mengen von künstlichen Organohalogenverbindungen , insbesondere von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) und Fluorbromkohlenwasserstoffen, deutlich gestiegen . Diese hochstabilen Verbindungen sind in der Lage, den Aufstieg in die Stratosphäre zu überleben , wo durch die Einwirkung von ultraviolettem Licht Cl- und Br- Radikale freigesetzt werden. Jedes Radikal ist dann frei, um eine Kettenreaktion zu initiieren und zu katalysieren, die in der Lage ist, über 100.000 Ozonmoleküle abzubauen. Im Jahr 2009 war Lachgas die größte ozonabbauende Substanz (ODS), die durch menschliche Aktivitäten freigesetzt wurde.

Die von Satelliten gemessenen Werte des atmosphärischen Ozons zeigen klare jahreszeitliche Schwankungen und scheinen ihren Rückgang im Laufe der Zeit zu bestätigen.

Der Abbau von Ozon in der Stratosphäre führt zu einer verminderten Absorption ultravioletter Strahlung. Folglich kann nicht absorbierte und gefährliche ultraviolette Strahlung die Erdoberfläche mit einer höheren Intensität erreichen. Die Ozonwerte sind seit Ende der 1970er Jahre im weltweiten Durchschnitt um etwa 4 Prozent gesunken. Für ungefähr 5 Prozent der Erdoberfläche, um den Nord- und Südpol, wurden viel größere saisonale Abnahmen beobachtet, die als "Ozonlöcher" bezeichnet werden. Die Entdeckung des jährlichen Ozonabbaus über der Antarktis wurde erstmals von Joe Farman , Brian Gardiner und Jonathan Shanklin in einem am 16. Mai 1985 in Nature erschienenen Artikel angekündigt .

Verordnung

Hauptartikel: Ozonabbau und Klimawandel

Zur Unterstützung erfolgreicher Regulierungsversuche wurde der Ozonfall Laien „mit leicht verständlichen Brückenmetaphern aus der Populärkultur“ und bezogen auf „unmittelbare Risiken mit Alltagsrelevanz“ vermittelt. Die in der Diskussion verwendeten spezifischen Metaphern (Ozonschild, Ozonloch) erwiesen sich als sehr nützlich und im Vergleich zum globalen Klimawandel wurde der Fall Ozon viel eher als "heißes Thema" und unmittelbare Gefahr angesehen. Laien äußerten sich zurückhaltend hinsichtlich des Abbaus der Ozonschicht und der Gefahr von Hautkrebs.

1978 erließen die USA, Kanada und Norwegen ein Verbot von FCKW- haltigen Aerosolsprays , die die Ozonschicht schädigen. Die Europäische Gemeinschaft hat einen entsprechenden Vorschlag abgelehnt. In den USA setzte Chlor in anderen Anwendungen verwendet werden, wie Kälte- und Industriereinigung, bis nach der Entdeckung des antarktischen Ozonlochs 1985 Nach Verhandlungen über ein internationales Abkommen (das Montreal - Protokoll ) wurde FCKW - Produktion in 1986 mit einer Kappe bedeckt mit Zusagen zu langfristigen Reduzierungen. Dies ermöglichte eine zehnjährige Phase-in-Phase für Entwicklungsländer (wie in Artikel 5 des Protokolls festgelegt). Seitdem wurde der Vertrag geändert, um die FCKW-Produktion nach 1995 in den Industrieländern und später in den Entwicklungsländern zu verbieten. Heute haben alle 197 Länder der Welt den Vertrag unterzeichnet. Ab dem 1. Januar 1996 standen in Industrieländern wie den USA nur recycelte und gelagerte FCKW zur Verfügung. Dieser Produktionsausstieg war möglich, weil Bemühungen sichergestellt waren, dass es für alle ODS-Anwendungen Ersatzchemikalien und -technologien geben würde.

Am 2. August 2003 gaben Wissenschaftler bekannt, dass sich der weltweite Abbau der Ozonschicht aufgrund der internationalen Regulierung von ozonabbauenden Substanzen verlangsamen könnte. In einer von der American Geophysical Union organisierten Studie bestätigten drei Satelliten und drei Bodenstationen, dass sich die Ozonabbaurate in der oberen Atmosphäre im letzten Jahrzehnt deutlich verlangsamte. Es ist zu erwarten, dass ein gewisser Zusammenbruch aufgrund von ODS, die von Nationen verwendet werden, die sie nicht verboten haben, und aufgrund von Gasen, die sich bereits in der Stratosphäre befinden, anhält. Einige ODS, einschließlich FCKW, haben eine sehr lange atmosphärische Lebensdauer, die von 50 bis über 100 Jahren reicht. Es wurde geschätzt, dass sich die Ozonschicht um die Mitte des 21. Jahrhunderts auf das Niveau von 1980 erholen wird. 2016 wurde von einem allmählichen Trend zur „Heilung“ berichtet.

Verbindungen mit C-H-Bindungen (wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder H-FCKW) wurden entwickelt, um FCKW in bestimmten Anwendungen zu ersetzen. Diese Ersatzverbindungen sind reaktiver und überleben in der Atmosphäre weniger wahrscheinlich lange genug, um die Stratosphäre zu erreichen, wo sie die Ozonschicht beeinflussen könnten. H-FCKW sind zwar weniger schädlich als FCKW, können sich aber negativ auf die Ozonschicht auswirken und werden daher ebenfalls abgeschafft. Diese werden wiederum durch teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) und andere Verbindungen ersetzt, die das stratosphärische Ozon überhaupt nicht zerstören.

Die Restwirkungen von FCKWs, die sich in der Atmosphäre anreichern, führen zu einem Konzentrationsgradienten zwischen Atmosphäre und Ozean. Diese halogenorganische Verbindung kann sich im Oberflächenwasser des Ozeans auflösen und als zeitabhängiger Tracer wirken . Dieser Tracer hilft Wissenschaftlern, die Ozeanzirkulation zu untersuchen, indem er biologische, physikalische und chemische Pfade verfolgt

Implikationen für die Astronomie

Da Ozon in der Atmosphäre verhindert, dass die energiereiche ultraviolette Strahlung die Erdoberfläche erreicht, müssen astronomische Daten in diesen Wellenlängen von Satelliten gesammelt werden, die über der Atmosphäre und der Ozonschicht kreisen. Das meiste Licht junger heißer Sterne liegt im Ultravioletten und daher ist das Studium dieser Wellenlängen wichtig für die Erforschung der Ursprünge von Galaxien. Der Galaxy Evolution Explorer, GALEX , ist ein ultraviolettes Weltraumteleskop im Orbit, das am 28. April 2003 gestartet wurde und bis Anfang 2012 in Betrieb war.

  • Dieses GALEX- Bild des Cygnus-Schleifen-Nebels konnte nicht von der Erdoberfläche aufgenommen worden sein, da die Ozonschicht die vom Nebel emittierte ultraviolette Strahlung blockiert.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Wissenschaft
Politik

Externe Links