Atmosphäre: Was ist die Ozonschicht?

Ozon ist paradox. Einerseits und für sich genommen ist es ein für den Menschen giftiges Atemgas. Andererseits wäre menschliches Leben auf dem blauen Planeten ohne eine hohe Konzentration des Spurengases über den Wolken nicht möglich. Denn die Ozonschicht schützt den Menschen vor der ungefilterten UV-Strahlung der Sonne, die nicht nur das Immunsystem des Menschen schädigt, sondern für alle Lebewesen der Erde lebensbedrohliche Folgen hat.

Doch was genau ist die Ozonschicht? Wie entsteht sie und warum ist sie so wichtig? Welche Risiken birgt ein Ozonloch und was hat es mit dem Klimawandel zu tun? Alles zum Thema Ozonschicht, Entstehung und Auswirkungen.

Was ist Ozon?

Ozon ist ein farbloses, leicht bläuliches Gas, das sich aus drei Sauerstoffatomen zusammensetzt und daher mit der chemischen Formel O3 bezeichnet wird. Es tritt in hoher Konzentration als Ozonschicht in der Stratosphäre auf – eine Luftschicht in rund 15 bis 50 Kilometern Höhe, die sich an die erdnahe Troposphäre anschließt und damit über dem sichtbaren Wetter liegt. Sie enthält 90 Prozent des atmosphärischen Ozons. 

Ozon kann aber auch unter bestimmten Bedingungen in geringerer Konzentration unterhalb dieser Sphäre in Bodennähe auftauchen. 

Wie entsteht Ozon?

Ozon entsteht, wenn die sehr energiereiche ultraviolette Sonnenstrahlung (UV-C-Strahlung) auf Sauerstoffmoleküle triff. Zuerst spaltet die energiereiche UV-C-Strahlung den molekularen Sauerstoff in zwei Sauerstoff-Radikale. Bei diesem Prozess wird die UV-C-Strahlung vollständig absorbiert und kann nicht mehr in die Troposphäre eindringen – dorthin also, wo Mensch und Tier leben. 

Da also in den sehr hohen Schichten der Atmosphäre sehr wenig Sauerstoff vorhanden ist und in die tiefer gelegenen Schichten kaum UV-C-Strahlung einfällt, herrschen für die Ozonbildung nur in einem Teilbereich der Stratosphäre optimale Bedingungen, etwa in 15 bis 35 Kilometer Höhe.

In Bodennähe auftretendes Ozon dagegen entsteht durch eine Reaktion von intensiver UV-Strahlung und Luftsauerstoff mit Stickoxiden wie NO2, die zumeist aus Autoabgasen stammen. Eine der Folgeerscheinungen von Ozon ist daher die bekannte Smog-Bildung in Großstädten. 

Was ist UV-Strahlung?

Ultraviolette Strahlung (UV) ist für das Auge nicht sichtbar, man unterteilt sie nach Energieintensität in drei Kategorien. Gemessen werden sie nach Wellenlänge in Nanometern (nm). Je höher der Wert, desto sichtbarer und energieärmer die Strahlung. Folgenden Sonnenstrahlen-Typen werden unterschieden: 

• UV-A (320–400 nm): 95% der UV-Strahlen, die auf die Erdoberfläche auftreffen.
• UV-B (280–320 nm): 5% der UV-Strahlen, die auf die Erdoberfläche auftreffen. Sie führen fast 1000-mal schneller zu einem Sonnenbrand.
• UV-C (100–280 nm) werden in der Atmosphäre absorbiert und gelangen für gewöhnlich nicht auf die Erdoberfläche.

Warum ist die Ozonschicht so wichtig?

Die Ozonschicht schützt die Erde vor der schädlichen Ultraviolettstrahlung der Sonne, indem sie die gefährlichen UV-C und auch UV-B-Strahlen absorbiert. Sie schützt damit Pflanzen, Organismen, Tiere und Menschen vor gesundheitlichen Akut- und Folgeschäden. 

Eine dünnere Ozonschicht lässt vor allem mehr vom UV-B-Anteil der Sonnenstrahlung zum Erdboden durch, mit gefährlichen Nebeneffekten. 

Laut dem "Bundesamt für Strahlenschutz" (BFS) kann sich dies kurzfristig und langfristig auswirken. Zu den akuten Auswirkungen gehören der Sonnenbrand oder die Bindehautentzündung am Auge. Chronische Folgeerscheinungen sind vorzeitige Hautalterung und Hautkrebs oder auch die Linsentrübung im Auge (Grauer Star).

Wie misst man Ozon und Ozonschicht?

An rund 300 Messstationen in Deutschland wird die Ozonkonzentration in der Luft gemessen und von den zuständigen Behörden der Länder zeitnah im Internet veröffentlicht. Das Umweltbundesamt (⁠UBA⁠) veröffentlicht aktuelle Ozondaten für ganz Deutschland. 

Die Ozonkonzentration in der Atmosphäre hingegen kann mit Stratosphärenballons bis 30 km und durch Messung der Infrarotstrahlung der Erde mittels Erdsatelliten gemessen werden. Die Ballonsonden messen dabei den Ozongehalt elektrochemisch und funken die Werte während ihres Aufstiegs bis über 30 km zur Erde. 

Abbau der Ozonschicht und seine Ursachen

1974 warnten die Physikochemiker Mario J. Molina und Frank Sherwood Rowland, die Zunahme der schwer abbaubaren Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) in der Atmosphäre würde zu einem wesentlichen Rückgang der Ozonkonzentration führen. Sie erhielten dafür 1995 zusammen mit dem Atmosphärenchemiker Paul J. Crutzen den Nobelpreis für Chemie.

Einige Substanzen, so fanden die Forscher heraus, die durch Industrie, Verkehr und Landwirtschaft freigesetzt werden, erhöhen den Ozonabbau. In den Polargebieten wird er zudem unter bestimmten klimatischen Bedingungen, wie niedrige Temperaturen, verstärkt, sodass dort die Ozonschicht besonders dünn ist.

Eine wichtige Rolle beim Abbau der Ozonschicht spielen nicht zuletzt FCKW und Halogenverbindungen. Der Mensch setzt diese Gase vor allem in der Industrie und durch den Verkehr frei. Zudem verstärken auch Lachgas (N2O) und Methan (CH4) den Abbau von Ozon in der Atmosphäre. Das Methan-Gas setzt sich beispielsweise beim Reisanbau und in der Viehzucht frei, Lachgas wiederum entsteht bei der Herstellung und Verwendung von Düngemitteln.

Was ist ein Ozonloch?

Wenn die Ozonschicht um weniger als die Hälfte ihres Umfangs reduziert ist, spricht man von einem Ozonloch. Da sich die Folgen der Treibhausgase und anderen ozonabbauende Substanzen unabhängig vom Ort des Ausstoßes über die ganze Welt verteilen, sind grundsätzlich alle Gebiete der Erde betroffen. Das erste Loch in der Ozonschicht entdeckten britische Forscher Ende der 1960er-Jahre über der Antarktis.

Am stärksten sind die Folgen des Ozonlochs bisher in den sonnenintensiven Gebieten der Südhalbkugel zu beobachten. So ist die Gefahr an Hautkrebs zu erkranken beispielsweise in Australien und Neuseeland stark angestiegen. 

Klimawandel und Maßnahmen zur Erhaltung der Ozonschicht

Unter dem wachsenden Problembewusstsein der Gefahren einer zurückgehenden Ozonschicht schlossen sich am 16. September 1987 eine Reihe von Industriestaaten zum "Montrealer Protokoll" zusammen. Die Vertragspartner verpflichteten sich, Produktion und Verbrauch von acht wichtigen FCKW und Halogenen zu verringern. Ein Meilenstein in der Reduzierung erderwärmender Treibhausgase.

Für Markus Rex allerdings, Forscher des Bremerhavener Alfred-Wegener-Instituts, reichen die bis heute gültigen Richtlinien nicht aus: "Wenn wir unsere Treibhausgasemissionen nicht schnell und umfassend reduzieren, könnte der arktische Ozonverlust trotz des großen Erfolgs des Montrealer Protokolls bis zum Ende des laufenden Jahrhunderts immer schlimmer werden statt der allgemein erwarteten Erholung zu folgen", so der deutsche Polar- und Klimaforscher in einer Studie aus dem Jahr 2021.