Die Ozonschicht ist ein Teil der Stratosphäre, in der unter Einwirkung der energiereichen ultravioletten Strahlung der Sonne Sauerstoff in Form von O2 (auch als Dioxygen bezeichnet) in Ozon (O3) umgewandelt wird. Sie beginnt in einer Höhe von 10 bis 17 Kilometern und erstreckt sich bis in eine Höhe von ca. 50 km.[1]
Das Ozon bildet sich aus Sauerstoff. Die vergleichsweise hohe Konzentration von Ozon (bis ca. 8 ml/m³) absorbiert UV-Strahlung, insbesondere UV-B, wobei das Ozon teilweise von dieser Strahlung wieder in Sauerstoff zerlegt wird, so dass sich ein chemisches Gleichgewicht, der sogenannte Ozon-Sauerstoff-Zyklus ausbildet, bei dem die Menge von Ozon annähernd konstant bleibt.
Ozonbildung:
Ozonzerfall:
Beide Prozesse werden also durch die Energie der UV-Strahlung aktiviert, wobei unterschiedliche Wellenlängen absorbiert werden. Die einzelnen Reaktionsschritte verlaufen über die Bildung von freien Sauerstoffradikalen.
Die höchste Dichte von Ozon befindet sich in gut 20 km Höhe, der höchste Volumenanteil in ca. 40 km Höhe. Würde man alles Ozon, das sich in der Atmosphäre befindet, extrahieren und auf Normaldruck komprimieren, ergäbe das eine ca. 4 mm hohe Schicht auf der Erdoberfläche.[2] Zum Vergleich: Die Luftsäule mit den anderen Gasen (vor allem Stickstoff und Sauerstoff) wäre ungefähr 8 km hoch.
Trotz der geringen Menge reicht die Anzahl der Ozonmoleküle in 20-30 km aus, das Vorhandensein der Ozonschicht mit bloßem Auge erkennen zu können. Sie lässt sich in den Abend- und Morgenstunden an zwei verschiedenen atmosphärisch optischen Erscheinungen beobachten[3]:
Vor etwa 3,5 Milliarden Jahren enthielt die Erdatmosphäre noch keinen freien Sauerstoff (O2). Mit dem Auftreten der ersten oxygen-phototrophen (bei der Photosynthese O2 freisetzenden) Mikroorganismen, wahrscheinlich Cyanobakterien, begann die Freisetzung von Sauerstoff (O2) aus Wasser. Der freigesetzte Sauerstoff (O2) gelangte aber vorerst nicht in die Atmosphäre, sondern wurde bei der Oxidation der im Wasser gelösten unedlen Metall-Ionen, vor allem Fe2+, und des ebenfalls im Wasser gelösten Sulfids verbraucht. Erst als nach sehr langer Zeit diese Oxidationen abgeschlossen waren, konnte sich freier Sauerstoff in der Erdatmosphäre ansammeln. Diese Phase der Entwicklung der Erdatmosphäre wird als große Sauerstoffkatastrophe bezeichnet. Durch Konvektion und Diffusion gelangte Sauerstoff bis in die Stratosphäre, wo dann durch den Ozon-Sauerstoff-Zyklus die Ozonschicht entstand.
Als Entdecker der Ozonschicht gelten die französischen Physiker Charles Fabry und Henri Buisson. Sie konnten 1913 durch UV-spektroskopische Messungen erstmals Ozon in höheren Atmosphärenschichten nachweisen.
Bestimmte Gase, insbesondere die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), können durch katalytische Effekte während der Nacht einen beschleunigten Abbau des Ozons bewirken, so dass die Konzentration in Richtung Sauerstoff O2 verschoben wird. Dieses führt während der langandauernden Polarnächte zum Ozonloch.
Strahlt gegen Ende der Polarnächte die Sonne durch das noch nicht wieder geschlossene Ozonloch auf die Erde, nimmt auf der Erde die UV-B-Exposition zu, so dass mit einem deutlichen Anstieg von Hautkrebsfällen und schweren Augenerkrankungen zu rechnen ist. Auch das Immunsystem wird gestört. Bei Pflanzen wird die Photosynthese im Blattgrün beeinträchtigt - mit der Folge starker Ernterückgänge. In den Meeren geht die Entstehung der Kleinstlebewesen (Phytoplankton) zurück - mit spürbaren Folgen für die gesamte Nahrungskette.
Die stratosphärische Ozonschicht steht nicht in Verbindung mit dem bodennah vermehrt auftretenden Ozon bei Sommersmog.
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