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Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben als Leitautoren und Gutachter bei der Erstellung des aktuellen Berichts der World Meteorological Organization (WMO) zur Entwicklung der Ozonschicht in der Stratosphäre mitgewirkt. Eine Zusammenfassung des wissenschaftlichen Berichts wurde von der in Genf ansässigen WMO im September 2014 präsentiert: Nach neuesten Abschätzungen wird demnach die Ozonschicht etwa Mitte des 21. Jahrhunderts wieder die gleiche Dicke haben wie zu Beginn der 1980er Jahre.
"Diese positive Entwicklung ist nur dann gewährleistet, wenn die Vereinbarungen des Montrealer Protokolls weiterhin strikt befolgt werden."
Das Ozonloch wird seit Anfang der 1980er Jahre jeweils zu Beginn des antarktischen Frühlings - Mitte September bis Mitte Oktober - beobachtet. Es ist die Folge des hohen Chlorgehaltes in der Stratosphäre, also in der Atmosphärenschicht zwischen etwa 10 und 50 Kilometer Höhe, der durch die Emissionen von FCKWs bedingt wird. Durch die drastische Reduktion des FCKW-Gehalts in der Atmosphäre konnte diese positive Wirkung auf die Ozonschicht hervorgerufen werden. Seit Mitte der 1990er Jahre ist die Verwendung von FCKWs nahezu ganz verboten. In Folge dessen beobachtet man seitBeginn dieses Jahrhunderts einen Rückgang der stratosphärischen Chlorbeladung.
Zusammenhang: Klimawandel und Ozonschicht
In dem Bericht der WMO wird neben den positiven Effekten der FCKW-Reduktion auf die Ozonschicht dargestellt, dass in Zukunft der Klimawandel die Ozonschicht verstärkt beeinflussen wird. Das Ozonloch über der Antarktis wird sich bis etwa Mitte dieses Jahrhunderts wieder weitestgehend geschlossen haben. In einigen Regionen kann es zu einer sogenannten "Übererholung" kommen. Das bedeutet, dass die Ozonkonzentrationen nach dem vollständigen Abbau der FCKW sogar höher sind als vor dem ersten Auftreten des Ozonlochs in den frühen 1980er Jahren. Veränderungen klimarelevanter Spurengase, allen voran Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Distickstoffmonoxid (N2O), werden ab Mitte dieses Jahrhunderts einen deutlichen Einfluss auf die Ozonschicht haben. Es wird vorhergesagt, dass ansteigende Konzentrationen von CO2 und CH4 die globale Ozonschicht verstärken werden, wohingegen ansteigende N2O Konzentrationen zu einer Ozonabnahme führen. Insgesamt führen diese Effekte ausserhalb der tropischen Regionen ab Mitte des Jahrhunderts zu einer dickeren Ozonschicht. In den Tropen hingegen reduziert sich die Dicke der Ozonschicht in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts. Denn dort erwarten die Wissenschaftler zusätzlich zu den chemischen Prozessen veränderte vertikale Luftströmungen durch den Klimawandel, die deutlichen Einfluss auf die Ozonverteilung haben. "Es zeigt sich, dass das komplexe Wechselspiel von Klimaveränderungen und der Ozonchemie dazu führen, dass sich die Ozonschicht weiter verändern wird und dies regional unterschiedlich. Die Entwicklung der Ozonschicht muss daher stets weiter beobachtet und analysiert werden", so Dameris.
Klima-Chemie-Modell als Grundlage
Grundlage für die Vorhersagen des Ozon-Berichts sind Rechenmodelle, mithilfe derer physikalische, dynamische und chemische Prozesse in der Atmosphäre simuliert werden. Diese sogenannten "Klima-Chemie-Modelle" wurden unter anderem im DLR-Institut für Physik der Atmosphäre erstellt. Im Vordergrund der Arbeiten stehen Untersuchungen zum Einfluss des Klimawandels auf die Chemie der Atmosphäre im Allgemeinen und auf die Ozonschicht im Speziellen. Zur Untersuchung der Ozonschicht wurden im DLR-Institut Langzeitsimulationen durchgeführt, die in der Vergangenheit beginnen (zum Beispiel im Jahr 1960) und bis in die Zukunft reichen. Rechenergebnisse für die Vergangenheit werden mit Beobachtungsdaten verglichen, unter anderem um die Qualität der Modellergebnisse zu bewerten. Nur auf Grundlage gut evaluierter Modelle ist es dann möglich, zuverlässige Abschätzungen zukünftiger Entwicklungen wie zum Beispiel der Ozonschicht zu liefern.
Satellitenbasierte Unterstützung der Messungen
Zum Verständnis atmosphärischer Vorgänge nutzen Atmosphärenforscher Daten des DLR-Instituts für Methodik der Fernerkundung. Die Wissenschaftler dieses Instituts sind an der Bereitstellung von globalen Ozon- und Spurengasmessungen beteiligt, die sich mithilfe satellitengestützter Messungen bestimmen lassen. Diese Satellitendatenprodukte werden im Institut mit anderen, unabhängigen Daten verglichen, um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erlangen. Operationelle Ozon- und Spurengasmessungen gewinnen die Wissenschaftler im DLR Earth Observation Center aus GOME-2 Messinstrumenten. Diese befinden sich auf den Satelliten MetOp-A und MetOp-B der Europäischen Organisation zur Nutzung meteorologischer Satelliten (EUMETSAT). GOME-2 setzt damit die Reihe der ESA-Instrumente GOME/ERS-2 und SCIAMACHY/ENVISAT fort, die seit 1995 beziehungsweise 2002 die Ozonschicht erfolgreich beobachten. Die GOME-2 Spektrometer auf MetOp-A und MetOp-B werden im Tandem betrieben und messen Spurengase in ihrer horizontalen und vertikalen Verteilung mit einer täglich globalen Abdeckung. Die Beobachtung der Atmosphärenzusammensetzung wird mittels der EU Copernicus-Satellitenmissionen Sentinel-5P, -4 und -5 in die nächste Dekaden vorgesetzt. "Dank der hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung können wir zukünftig mit den Sentinel-Spektrometern die Entstehung der Luftschadstoffe sogar auf Grossstadtebene beobachtet und ihre Verfrachtung verfolgen. Am Ende stehen hochwertige, qualitätsgeprüfte Daten, mit denen wissenschaftlich gearbeitet werden kann." Erklärt Dr.-Ing. Diego Loyola vom Institut für Methodik der Fernerkundung.
Die World Meteorological Organization (WMO) ist eine Sonderorganisation der Vereinten Nationen. Sie beschäftigt sich mit dem Zustand und dem Verhalten der Erdatmosphäre, ihren Interaktionen mit den Ozeanen, das durch sie entstehende Klima und der daraus resultierenden Verteilung der Wasserressourcen. Seit der Entdeckung des Ozonlochs im Jahr 1985 veröffentlicht die WMO alle vier Jahre einen Bericht zum Zustand der Ozonschicht in der Stratosphäre, der zweiten Schicht der Erdatmosphäre zwischen etwa 10 und 50 Kilometer Höhe. Die DLR-Wissenschaftler Prof. Martin Dameris, PD Dr. Veronika Eyring, Dr.-Ing. Diego Loyola, Dr. Hella Garny, Melanie Coldewey-Egbers und Prof. Robert Sausen waren als Leitautoren und Mitwirkende beziehungsweise Gutachter an der Erstellung des WMO-Dokumentes beteiligt.
Ozonloch
Als Ozonloch wird eine starke Ausdünnung der Ozonschicht bezeichnet. Diese wurde Anfang der Achtziger Jahre erstmals von britischen Wissenschaftlern über der Antarktis beobachtet und ist seitdem eine stetig wiederkehrende Erscheinung, die nach folgendem Muster abläuft:
Im antarktischen Winter (Polarnacht, Mai bis August) kühlt die Luft über der Antarktis wegen fehlender Sonnenstrahlung stark ab. Dadurch bildet sich in der Stratosphäre ein extrem starker Windwirbel um die Antarktis herum, der verhindert, dass ozonreiche Luft, die über den niedrigen Breiten gebildet wird, herangeführt werden kann. Durch die Abkühlung entstehen ausserdem so genannte polare stratosphärische Wolken, die im Frühling zusammen mit der wieder einsetzenden Sonnenstrahlung die chemischen Reaktionen des Ozonabbaus in Gang setzen und verstärken.
Eine entscheidende Rolle spielen dabei die vom Menschen in die Atmosphäre gebrachten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Deren Moleküle werden durch das Sonnenlicht in chemisch aktive Halogene - vor allem Chlor und Brom - gespalten, die dann wiederum das Ozon abbauen. Messdaten aus Jahren mit einem besonders starken Ozonabbau zeigen, dass sich der Ozonanteil der Atmosphäre über der deutschen Forschungsstation Neumayer in der Zeit von Mitte bis Ende August, also innerhalb von etwa zwei Wochen, um circa 40 Prozent reduziert hatte. Innerhalb der eigentlichen Ozonschicht in einer Höhe von 15 bis 17 Kilometern waren zur selben Zeit die maximalen Ozonkonzentrationen sogar um 70 Prozent und mehr gesunken.