Was passiert jetzt mit dem Ozonloch über der Antarktis?

Autor: Wei Ke

Am 16. Mai 1985 veröffentlichte die renommierte Zeitschrift Nature einen Artikel von Joseph Farman von der British Antarctic Expedition und seinen Kollegen Brian Gardiner und Jon Shanklin. Sie wiesen darauf hin, dass es am Halley-Bay-Observatorium in der Antarktis seit Mitte der 1970er Jahre zu einem gravierenden Ozonabbau gekommen sei. Anfang der 1980er Jahre lag der durchschnittliche Ozonabbau im Oktober bei über 40 %. Von da an rückte das Ozonloch über der Antarktis, eine ernste Umweltkrise, in das Blickfeld der Weltöffentlichkeit.

Anschließend überprüfte die NASA die Satellitenbeobachtungsdaten und stellte überrascht fest, dass sich über der Antarktis ein riesiges Ozonloch gebildet hatte. Natürlich handelt es sich hierbei nicht um ein echtes „Loch“, aber die Ozonkonzentration darin ist viel niedriger als in der Umgebung. Im Vergleich zur Umgebung ist es, als ob sich ein „Loch“ gebildet hätte. Sie fanden heraus, dass die Fläche dieses „Lochs“ Tausende von Quadratkilometern beträgt und damit größer ist als die Landfläche der Vereinigten Staaten.

Nach den 1980er Jahren trat das Ozonloch über der Antarktis fast jedes Jahr saisonal auf und seine Fläche wurde immer größer. Im Oktober 1992 und 1993 war der Ozonabbau so schwerwiegend, dass die Ozonkonzentration in einigen Bereichen der Stratosphäre um 99 % sank. Im Dezember 1998 stellte die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) fest, dass das Ozonloch über der Antarktis an fast 100 aufeinanderfolgenden Tagen eine Fläche von mehr als 10 Millionen Quadratkilometern hatte, und im September desselben Jahres erreichte die maximale Fläche einen Rekordwert von 27,9 Millionen Quadratkilometern (19. September 1998). Das antarktische Ozonloch erreichte am 9. September 2000 mit einer Fläche von 29,9 Millionen Quadratkilometern seine maximale Ausdehnung. Ein so großes Ozonloch reicht aus, um Feuerland, die südlichste Spitze des südamerikanischen Kontinents, und den südlichen Teil von Santa Cruz in Argentinien zu gefährden.

Ozonlöcher treten nicht nur über der Antarktis, sondern auch auf der Nordhalbkugel auf, ihre Häufigkeit ist jedoch relativ gering und kommt etwa alle 10 Jahre vor. In der Arktis traten 1997 und 2011 größere Ozonlöcher auf. Im März 2020 bildete sich in der Arktisregion erneut ein größeres Ozonloch. Diesmal erreichte das Gebiet mit niedrigem Ozongehalt die Größe von drei Grönlandgebieten, also etwa sechs Millionen Quadratkilometer, wobei die Fläche, die die Ozonloch-Standards erfüllte (Gesamtozonwert unter 220DU), eine Größe von über einer Million Quadratkilometern überschritt. Dies zeigt, dass die Verringerung der Gesamtozonkonzentration global ist.

UV-Barriere: Ozonschicht

Die Ozonschicht ist ein lebensrettender Regenschirm. Obwohl Ozon in Bodennähe ein erheblicher Schadstoff ist, ist Ozon in großen Höhen ein Schutzschild für das Leben auf der Erde. Die Ozonschicht kann den größten Teil der für den Menschen schädlichen ultravioletten Sonnenstrahlen absorbieren , hauptsächlich einen Teil der UV-A-Strahlung (Wellenlänge 320–400 nm), den größten Teil der UV-B-Strahlung (Wellenlänge 280–320 nm) und die gesamte UV-C-Strahlung (Wellenlänge 200–280 nm). UVB ist die sogenannte Erythem-Wirkung der ultravioletten Strahlen und der Hauptfaktor für die Entstehung von Hautkrebs und Katarakten. UVA, auch als ultraviolettes Licht mit dunklem Fleckeneffekt bekannt, ist der Todfeind der Hautaufhellung. Es ist die Strahlung, die hauptsächlich zur Bräunung, Alterung und Faltenbildung der Haut führt. Aktuellen Forschungsergebnissen zufolge ist es auch eine der Ursachen für Hautkrebs. UVC, auch als kurzwelliges sterilisierendes ultraviolettes Licht bekannt, kann die DNA-Struktur des Lebens zerstören. Es ist das gefährlichste ultraviolette Licht. Ultraviolette keimtötende Lampen verwenden UVC zur Sterilisation von Luft und Lebensmitteln. Daher lässt sich die Rolle des Ozons in der Umwelt wie folgt zusammenfassen: „Buddha im Himmel und Teufel auf der Erde.“

Die Ozonschicht ist nur etwa 600 Millionen Jahre alt. Zuvor konnten die ultravioletten Strahlen des Sonnenlichts ungehindert auf die Erdoberfläche scheinen. Unter der Bestrahlung mit kurzwelligen ultravioletten Strahlen (UVC) waren auf der Erdoberfläche keinerlei Lebenszeichen zu erkennen. Daher kroch das Leben vor 600 Millionen Jahren in der Tiefsee herum und entwickelte sich sehr langsam. Als sich vor etwa 600 Millionen Jahren die Ozonschicht bildete, wurden die Meeresoberfläche und das Land sicher, und es wurden Gebiete für die Entwicklung des Lebens geschaffen. Vor etwa 540 Millionen Jahren ereignete sich auf der Erde die gewaltige „Kambrische Explosion“. Auf der Erde tauchten plötzlich alle möglichen Lebewesen auf. Das Leben entwickelte sich von der Tiefsee zum Flachmeer und dann vom Flachmeer zum Land. Die Evolution beschleunigte sich und führte zu den späteren Dinosauriern und den heutigen Menschen.

Die Stabilität der Ozonschicht hängt mit der Gesundheit des Lebens auf der Erde zusammen. Das Auftreten eines Ozonlochs wird die Intensität der UV-B-Strahlung, die die Erdoberfläche erreicht, erheblich erhöhen und der menschlichen Gesundheit und der ökologischen Umwelt ernsthaften Schaden zufügen. Einer Analyse zufolge würde sich bei einer Abnahme des stratosphärischen Ozons um 1 % die weltweite Häufigkeit von Katarakten um 0,6 bis 0,8 % erhöhen und die Zahl der durch Katarakte erblindeten Menschen würde sich jedes Jahr um 10.000 bis 15.000 erhöhen. Wenn die Ozonkonzentration um 10 % sinkt, steigt die Häufigkeit nicht bösartiger Hauttumore um 26 % und das menschliche Immunsystem wird geschwächt. Darüber hinaus kann UV-B das Chlorophyll der Pflanzen zerstören, ihre Photosynthese beeinträchtigen und die Ernteerträge verringern. Daher löste die Entdeckung des Ozonlochs weltweites Aufsehen aus und die weltweiten Arbeiten zum Schutz der Ozonschicht nahmen Fahrt auf.

Zerstörung und Schutz der Ozonschicht

Die Wissenschaft weist seit den 1970er Jahren klar darauf hin, dass die durch den Menschen freigesetzten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zu einer ernsthaften Zerstörung der Ozonschicht führen. Diese ozonschädigenden Substanzen (ODS-Substanzen) sind in Bodennähe sehr stabil und werden häufig in großen zentralen Klimaanlagen, Haushaltsklimaanlagen, Autoklimaanlagen, Kühlschränken und anderen Kühlgeräten sowie in Polyurethan-(PU)-Hartschaum-Treibmitteln, Extraktionsmitteln, Lösungsmitteln, Trockenreinigungsmitteln, Sequenzierungsmitteln, Treibmitteln für Aerosolinsektizide usw. verwendet. Nachdem sie jedoch in die Atmosphäre freigesetzt werden, werden sie in der Stratosphäre ultravioletter Strahlung ausgesetzt und setzen freie Cl-Partikel frei, die als Katalysator zur Zerstörung der Ozonschicht wirken können. Es wird geschätzt, dass ein Cl-Ion 100.000 Ozonmoleküle zerstören kann. Paul Crutzen, F. Sherwood Rowland und Mario J. Molina, die den Mechanismus des Ozonabbaus entdeckten, erhielten 1995 auch den Nobelpreis für Chemie.

Zum Schutz der Ozonschicht verabschiedete die internationale Gemeinschaft 1985 das Wiener Übereinkommen zum Schutz der Ozonschicht und 1987 das Montrealer Protokoll über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen. Dieses Protokoll beschränkte die Produktion, den Verkauf und die Verwendung von acht Stoffen, die die Ozonschicht weltweit ernsthaft schädigen, darunter fünf Fluorchlorkohlenwasserstoffe und drei Halone.

Um den Prozess zu beschleunigen, mehr Entwicklungsländer einzubeziehen und die Arten verbotener Verbindungen zu erweitern, wurden nach der Verabschiedung des Montrealer Protokolls nacheinander die Londoner Änderung (Juni 1990), die Kopenhagener Änderung (November 1992), die Wiener Anpassung (Dezember 1995), die Montrealer Änderung (1997), die Pekinger Änderung (November 1999) usw. verabschiedet. Dadurch wurden im Montrealer Protokoll „gemeinsame, aber differenzierte Verantwortlichkeiten“ geschaffen, die Entwicklungs- und Industrieländer entsprechend ihrer jeweiligen Situation behandeln. Die Industrieländer übernahmen die Führung bei der Umsetzung von Maßnahmen und stellten den Entwicklungsländern finanzielle und technische Unterstützung zur Verfügung, um deren Fähigkeiten zu verbessern und so letztlich ein gemeinsames Vorgehen zu erreichen.

Durch diese Initiative wurde das Montrealer Protokoll zum ersten nationalen Umweltübereinkommen, das unterschiedliche Verpflichtungen für Industrie- und Entwicklungsländer vorsah. Zudem wurde das Montrealer Protokoll zum ersten Abkommen in der Geschichte, das von allen Ländern der Welt völlig einstimmig angenommen wurde. Der ehemalige UN-Generalsekretär Kofi Annan lobte das Montrealer Protokoll als „das bislang erfolgreichste internationale Abkommen“.

In den mehr als zehn Jahren seit Unterzeichnung des Abkommens wurden über 85 % der ozonschädigenden Stoffe eliminiert. Seit dem Jahr 2000 hat sich die vom Menschen verursachte Schädigung der Ozonschicht verringert, die Selbstheilungsfunktion der Atmosphäre hat begonnen, zu wirken, das immer größer werdende Ozonloch hat seine Verschlechterung gestoppt und ist in eine Bodenbildungs- und Erholungsphase eingetreten. Am 30. Juni 2016 veröffentlichten Professor Susan Solomon, eine berühmte Atmosphärenchemikerin und Klimatologin vom Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences am Massachusetts Institute of Technology, und andere einen Artikel in der renommierten Fachzeitschrift Science, in dem sie der Welt eine gute Nachricht überbrachten: Das Ozonloch über der Antarktis erholt sich . Dies gilt als erster Hoffnungsschimmer auf dem Weg zur „Heilung“ des antarktischen Ozonlochs.

Seit 1989 wird alle vier Jahre ein wissenschaftlicher Sachstandsbericht zur globalen Zerstörung der Ozonschicht veröffentlicht. Jüngsten Einschätzungen zufolge haben Länder und Regionen auf der ganzen Welt seit der Umsetzung des Montrealer Protokolls aktiv Alternativen eingeführt und die Verwendung ozonschädigender Substanzen (ODS) schrittweise eingestellt, um den Abbau der Ozonschicht zu verringern. Die Gesamtchlorkonzentration der ozonabbauenden Stoffe (ODS) ist seit ihrem Höchstwert von 3.660 ppt im Jahr 1993 um mehr als 10 % gesunken (die Anzahl der Moleküle dieses Gases pro Billion Gasmoleküle in trockener Luft), und die Gesamtbromkonzentration ist seit 1998, als sie 22,0 ppt betrug, um mehr als 11 % gesunken.

Der lange Weg zur Wiederherstellung der Ozonschicht

Dank gemeinsamer globaler Anstrengungen hat sich das Ozon in der Antarktis deutlich erholt und auch das polare stratosphärische Ozonloch hat sich weiter erholt. Seit dem Jahr 2000 ist der Ozongehalt in der polaren Stratosphäre jedes Jahrzehnt um 1 bis 3 Prozent gestiegen. Laut numerischen Simulationsprognosen wird die globale durchschnittliche Gesamtozonkonzentration vor 2050 wieder das Niveau von 1980 erreichen, und das Ozonloch in der Antarktis wird erst um 2060 wieder das Niveau von 1980 erreichen. Um 2100 wird die Ozonschicht in der Antarktis wieder das Niveau von 1960 erreichen, und das Ozonloch wird zu diesem Zeitpunkt vollständig verschwinden.

Der Grund für die langsame Erholung der Ozonschicht liegt vor allem darin, dass die für die Zerstörung der Ozonschicht verantwortlichen ODS-Substanzen eine extrem lange durchschnittliche Lebensdauer in der Atmosphäre haben . Beispielsweise beträgt die Lebensdauer von FCKW-11 50 Jahre, die von FCKW-12 100 Jahre und die von FCKW-115 sogar 1020 Jahre. Daher werden sie auch künftig noch für einen beträchtlichen Zeitraum die Ozonschicht in der Atmosphäre zerstören und ihre Konzentrationen werden noch immer viel höher sein als das Niveau vor der signifikanten Zerstörung der Ozonschicht in der Atmosphäre. Darüber hinaus sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die Wiederherstellung der Ozonschicht in der Atmosphäre mit zahlreichen komplexen physikalischen, chemischen und dynamischen Prozessen verbunden ist und ein komplexes wissenschaftliches Thema darstellt. Dies macht den Wiederherstellungsprozess der atmosphärischen Ozonschicht sehr kompliziert und ist mit vielen Unsicherheiten behaftet. Daher ist es notwendig, die Kontrolle ozonschädigender Stoffe kontinuierlich zu verstärken.

Doch „Krankheit kommt wie ein einstürzender Berg und geht wie ein Faden, der herausgezogen wird.“ Der Weg zur Wiederherstellung der Ozonschicht ist nicht einfach und es wird verschiedene Rückschläge geben. Das Jahr 2015 war beispielsweise eine Ausnahme. Die Fläche des Ozonlochs war in diesem Jahr relativ groß und erreichte am 2. Oktober mit 28,2 Millionen Quadratkilometern ihren Höchstwert. Die Größe des Ozonlochs wird auch von verschiedenen anderen Faktoren beeinflusst, beispielsweise von Vulkanausbrüchen, El Niño, der globalen Erwärmung und Veränderungen der stratosphärischen Luftzirkulation. September und Oktober sind die Monate, in denen das Ozonloch in der Antarktis die größte Fläche aufweist und die Ozonzerstörung am stärksten ausgeprägt ist. Am 8. Oktober 2022 erreichte die Fläche des antarktischen Ozonlochs 24 Millionen Quadratkilometer. Am 1. Oktober erreichte der niedrigste Zentralwert 97 DU, was weniger als 1/3 des Normalwerts ist. Es ist ersichtlich, dass der Ozonabbau in der Antarktis noch immer sehr ernst ist .

Obwohl es einige Zeit dauern wird, bis sich die Ozonschicht vollständig erholt hat, sind wir bereits auf dem Weg der Besserung. Mithilfe einer Simulationsanalyse des Erdsystemmodells haben die Forscher darauf hingewiesen, dass der globale Ozonabbau sehr gravierend gewesen wäre, wenn die Ozonschicht seit den 1980er Jahren nicht unter Kontrolle gebracht worden wäre. Die Ozonkonzentration in der Arktis wäre dann auf 50 bis 100 DU gesunken, also weit unter dem Konzentrationsniveau von 1960 (500 DU). Es wäre zu einem gravierenden Ozonloch in der Arktis gekommen, die Intensität der ultravioletten Strahlung auf der Erdoberfläche hätte sich verdoppelt und die Zahl der Hautkrebserkrankungen wäre sprunghaft angestiegen.

Das Ozonloch in der Antarktis ist ein großes Umweltproblem in der Geschichte der Menschheit. Durch die Arbeit zum Schutz der Ozonschicht haben wir erkannt, dass Mensch und Natur eine organische Einheit bilden. So wie Fische nicht ohne Wasser leben können, kann Wasser ohne lebendige Fische nicht existieren. Unsere soziale Entwicklung und unser wissenschaftlicher und technologischer Fortschritt dürfen nicht auf Kosten der Umweltzerstörung gehen. Stattdessen müssen wir dem Konzept des „gemeinsamen Wachstums mit der Natur“ folgen, die grünen Berge und klaren Gewässer schützen, den „Kampf zum Schutz der Erde“ immer wieder gewinnen und unser kostbares Zuhause, von dem unser Überleben abhängt, bewachen und schützen.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Wei Ke

Gutachter: Huangfu Jingliang, Taifun-Experte am Institut für Atmosphärenphysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.