Ozonschicht - Wikipedia

Die Region der Stratosphäre der Erde, die den größten Teil der UV-Strahlung der Sonne absorbiert.

Die Ozonschicht oder des Ozonschilds ist eine Region der Stratosphäre der Erde, die das meiste Ultraviolett der Sonne absorbiert Strahlung. Es enthält eine hohe Ozonkonzentration (O ₃ ) in Bezug auf andere Teile der Atmosphäre, wenn auch im Vergleich zu anderen Gasen in der Stratosphäre noch gering. 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 über der Erde, obwohl ihre Dicke saisonal und geographisch variiert. ^[1]

Die Ozonschicht wurde 1913 von den Franzosen entdeckt Physiker Charles Fabry und Henri Buisson. Messungen der Sonne zeigten, dass die Strahlung, die von der Oberfläche ausgesandt wird und den Boden der Erde erreicht, gewöhnlich mit dem Spektrum eines schwarzen Körpers mit einer Temperatur im Bereich von 5.500 bis 6.000 K (5.227 bis 5.727 ° C) übereinstimmt, mit Ausnahme dessen am ultravioletten Ende des Spektrums gab es keine Strahlung unterhalb einer Wellenlänge von etwa 310 nm. Daraus wurde abgeleitet, dass die fehlende Strahlung von etwas in der Atmosphäre absorbiert wurde. Schließlich wurde das Spektrum der fehlenden Strahlung an nur eine bekannte Chemikalie, Ozon, angepasst. ^[2] Seine Eigenschaften wurden vom britischen Meteorologen GMB Dobson im Detail untersucht, der ein einfaches Spektrophotometer (das Dobsonmeter) entwickelte, mit dem stratosphärisches Ozon gemessen werden kann vom Boden. Zwischen 1928 und 1958 gründete Dobson ein weltweites Netzwerk von Ozonmessstationen, die bis heute in Betrieb sind. Ihm zu Ehren wird die "Dobson-Einheit" genannt, ein bequemes Maß für die Menge an Ozon.

Die Ozonschicht absorbiert 97 bis 99 Prozent des ultravioletten Ultraviolettlichts der Sonne (etwa 200 nm bis 315 nm Wellenlänge), was ansonsten freiliegende Lebensformen in der Nähe der Oberfläche beschädigen könnte. ^{[3] ]}

1976 hat die Atmosphärenforschung ergeben, dass die Ozonschicht durch in der Industrie freigesetzte Chemikalien, hauptsächlich Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), abgebaut wird. Bedenken, dass die erhöhte UV-Strahlung aufgrund von Ozonabbau das Leben auf der Erde gefährdete, einschließlich Hautkrebs beim Menschen und anderen ökologischen Problemen ^[4]führten zu einem Verbot der Chemikalien, und der jüngste Beweis ist, dass sich der Ozonabbau verlangsamt oder gestoppt hat. Die Generalversammlung der Vereinten Nationen hat den 16. September zum Internationalen Tag für die Erhaltung der Ozonschicht ernannt.

Venus hat auch eine dünne Ozonschicht in einer Höhe von 100 Kilometern von der Planetenoberfläche. ^[5]

Quellen [ edit

Die photochemischen Mechanismen, die zur Ozonschicht führen wurden von dem britischen Physiker Sydney Chapman im Jahr 1930 entdeckt. Ozon in der Stratosphäre der Erde wird durch ultraviolettes Licht erzeugt, das auf gewöhnliche Sauerstoffmoleküle mit zwei Sauerstoffatomen trifft (O ₂ ) und diese in einzelne Sauerstoffatome (atomarer Sauerstoff) aufspaltet. ; Der atomare Sauerstoff verbindet sich dann mit ungebrochenem O ₂ um Ozon zu erzeugen, O ₃ . Das Ozonmolekül ist instabil (obwohl es in der Stratosphäre langlebig ist), und wenn ultraviolettes Licht auf Ozon trifft, spaltet es sich in ein Molekül von O ₂ und ein einzelnes Sauerstoffatom, ein fortlaufender Prozess, der als Ozon- Sauerstoffkreislauf. Chemisch kann dies als beschrieben werden:

O ₂ + ℎν _Uv → 2 O

O + O ₂ O ₃

Ungefähr 90 Prozent von Das Ozon in der Atmosphäre ist in der Stratosphäre enthalten. Die Ozonkonzentrationen sind zwischen 20 und 40 Kilometern (66.000 bis 131.000 ft) am größten und liegen zwischen 2 und 8 ppm. Wenn das gesamte Ozon auf Luftdruck auf Meereshöhe komprimiert worden wäre, wäre es nur 3 Millimeter dick ( ¹ ₈ inch). ^[6]

Ultraviolettlicht ]

UV-B-Energieniveaus in mehreren Höhen. Die blaue Linie zeigt die DNA-Empfindlichkeit. Die rote Linie zeigt das Energieniveau der Oberfläche mit einer Abnahme von Ozon um 10 Prozent.

Ozonspiegel in verschiedenen Höhen und Blockierung verschiedener Banden ultravioletter Strahlung. Im Wesentlichen ist die gesamte UV-C (100–280 nm) durch Disauerstoff (von 100–200 nm) oder durch Ozon (200–280 nm) in der Atmosphäre blockiert. Der kürzere Teil der UV-C-Bande und das energiereichere UV oberhalb dieser Bande verursachen die Bildung der Ozonschicht, wenn einzelne durch UV-Photolyse von Disauerstoff (unter 240 nm) erzeugte Sauerstoffatome mit mehr Disauerstoff reagieren. Die Ozonschicht blockiert auch die meisten, aber nicht alle, des sonnenbrandbildenden UV-B-Bandes (280–315 nm), das in den Wellenlängen länger als UV-C liegt. Das UV-A-Band (315–400 nm), das dem sichtbaren Licht am nächsten liegt, wird kaum von Ozon beeinflusst und das meiste gelangt auf den Boden. UV-A verursacht zwar nicht in erster Linie Hautrötungen, es gibt jedoch Hinweise, dass es zu langfristigen Hautschäden führt.

Obwohl die Ozonkonzentration in der Ozonschicht sehr gering ist, ist sie für das Leben lebenswichtig, da sie biologisch absorbiert schädliche ultraviolette (UV) Strahlung aus der Sonne. Extrem kurzes oder Vakuum-UV (10–100 nm) wird durch Stickstoff ausgesiebt. UV-Strahlung, die Stickstoff durchdringen kann, wird basierend auf der Wellenlänge in drei Kategorien unterteilt. 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 vollständig durch eine Kombination von Disauerstoff (< 200 nm) and ozone (> etwa 200 nm) in einer Höhe von etwa 35 Kilometern (115.000 ft) ausgesondert. UV-B-Strahlung kann für die Haut schädlich sein und ist die Hauptursache für Sonnenbrand. Übermäßige Exposition kann auch zu Katarakten, Unterdrückung des Immunsystems und genetischen Schäden führen, was zu Problemen wie Hautkrebs führen kann. Die Ozonschicht (die etwa 200 nm bis 310 nm mit einer maximalen Absorption bei etwa 250 nm absorbiert) ^[7] ist sehr wirksam beim Ausblenden von UV-B; Bei Strahlung mit einer Wellenlänge von 290 nm ist die Intensität am oberen Rand der Atmosphäre 350 Millionen Mal stärker als an der Erdoberfläche. Trotzdem erreicht UV-B, insbesondere bei den längsten Wellenlängen, die Oberfläche und ist wichtig für die Vitamin D-Produktion der Haut.

Ozon ist für die meisten UV-A-Strahlen transparent, so dass der größte Teil der längerwelligen UV-Strahlung die Oberfläche erreicht und der größte Teil der UV-Strahlung die Erde erreicht. Diese Art von UV-Strahlung ist für die DNA wesentlich weniger schädlich, obwohl sie möglicherweise immer noch zu physischen Schäden, vorzeitiger Hautalterung, indirekter genetischer Schädigung und Hautkrebs führen kann. ^[8]

Verteilung in der Stratosphäre [ edit ]

Die Dicke der Ozonschicht variiert weltweit und ist im Allgemeinen am Äquator dünner und in der Nähe der Pole dicker. ^[9] Die Dicke bezieht sich auf den Ozongehalt einer Kolonne in einem bestimmten Gebiet und variiert von Saison zu Saison Jahreszeit. Die Gründe für diese Schwankungen sind auf atmosphärische Zirkulationsmuster und Sonnenintensität zurückzuführen.

Der größte Teil des Ozons wird in den Tropen produziert und durch stratosphärische Windmuster zu den Polen transportiert. In der nördlichen Hemisphäre machen diese als Brewer-Dobson-Zirkulation bekannten Muster die Ozonschicht im Frühjahr am dicksten und im Herbst am dünnsten. ^[9] Wenn Ozon in den Tropen durch Sonnen-UV-Strahlung erzeugt wird, geschieht dies durch Zirkulation Ozonarme Luft wird aus der Troposphäre in die Stratosphäre gehoben, wo die Sonne Sauerstoffmoleküle photolysiert und in Ozon verwandelt. Dann wird die ozonreiche Luft in höhere Breiten transportiert und fällt in untere Schichten der Atmosphäre. ^[9]

Untersuchungen haben ergeben, dass die Ozonwerte in den Vereinigten Staaten in den Frühlingsmonaten am höchsten sind April und Mai und niedrigste im Oktober. Während die Gesamtmenge an Ozon von den Tropen zu höheren Breiten zunimmt, sind die Konzentrationen in hohen nördlichen Breiten aufgrund des Ozonlochphänomens höher als in hohen südlichen Breiten. ^[9] Die höchsten Ozonmengen werden in der Arktis während des Jahres 2008 gefunden die Frühlingsmonate März und April, aber die Antarktis hat in ihren Sommermonaten September und Oktober die geringsten Ozonmengen.

Brewer-Dobson-Zirkulation in der Ozonschicht.

Erschöpfung [ edit ]

NASA-Projektionen von stratosphärischen Ozonkonzentrationen, wenn die Fluorchlorkohlenwasserstoffe nicht verboten worden wären.

Die Ozonschicht kann durch freie Radikalkatalysatoren, einschließlich Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffoxid (N ₂ O), Hydroxyl (OH), atomarem Chlor (Cl) und atomarem Brom (Br), erschöpft sein. Während es für alle diese Arten natürliche Quellen gibt, stiegen die Konzentrationen von Chlor und Brom in den letzten Jahrzehnten aufgrund der Freisetzung großer Mengen von künstlichen Organohalogenverbindungen, insbesondere von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) und Bromfluorkohlenwasserstoffen, deutlich an. ^[10] Diese hochstabil Verbindungen können den Aufstieg in die Stratosphäre 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 über 100.000 Ozonmoleküle abbauen kann. Bis zum Jahr 2009 war Lachgas der größte durch Ozeane zerstörende Stoff (ODS), der durch menschliche Aktivitäten emittiert wurde. ^[11]

Die von Satelliten gemessenen atmosphärischen Ozonwerte zeigen deutliche saisonale Schwankungen und scheinen deren Abnahme über die Zeit nachzuweisen.

Der Zusammenbruch von Ozon in der Stratosphäre führt zu einer verringerten Absorption von ultravioletter Strahlung. Folglich kann nicht absorbierte und gefährliche ultraviolette Strahlung die Erdoberfläche mit einer höheren Intensität erreichen. Der Ozongehalt ist seit Ende der 70er Jahre weltweit um etwa 4 Prozent gesunken. Für ungefähr 5% der Erdoberfläche, rund um den Nord- und Südpol, wurden deutlich größere saisonale Abnahmen beobachtet, die als "Ozonlöcher" bezeichnet werden. ^[12] Die Entdeckung der jährlichen Ozonabreicherung oberhalb der Antarktis wurde erstmals angekündigt von Joe Farman, Brian Gardiner und Jonathan Shanklin in einem Artikel, der am 16. Mai 1985 in Nature erschienen ist. ^[13]

Regulation [ edit ]

Nach erfolgreichen Regulierungsversuchen wurde der Ozonfall an Laien "mit leicht verständlichen Brückenmetaphern aus der Populärkultur" kommuniziert und mit "unmittelbaren Risiken mit alltäglicher Relevanz" in Zusammenhang gebracht. ^{[ Zitat benötigt ]} Die in der Diskussion verwendeten spezifischen Metaphern (Ozonschutzschild, Ozonloch) erwiesen sich als sehr nützlich ^[14] und im Vergleich zum globalen Klimawandel wurde der Ozonfall viel eher als "heißes Problem" und unmittelbar bevorstehendes Risiko angesehen. 19659048] Laien waren bei einer Depletio vorsichtig n der Ozonschicht und die Risiken von Hautkrebs.

1978 haben die Vereinigten Staaten, Kanada und Norwegen Verbote für FCKW-haltige Aerosolsprays erlassen, die die Ozonschicht schädigen. Die Europäische Gemeinschaft lehnte einen entsprechenden Vorschlag ab, dies ebenfalls zu tun. In den USA wurden Fluorchlorkohlenwasserstoffe bis zu nach der Entdeckung des Ozonlochs in der Antarktis im Jahr 1985 in anderen Anwendungen wie Kälte- und Industriereinigung verwendet. Nach Verhandlungen über einen internationalen Vertrag (das Montrealer Protokoll) wurde die FCKW-Produktion auf 1986 begrenzt Ebenen mit Zusagen für langfristige Kürzungen. ^[16] Dies ermöglichte einen Entwicklungszeitraum von zehn Jahren für Entwicklungsländer ^[17] (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. ^[18] Heute haben alle 197 Länder der Welt den Vertrag unterzeichnet. Ab dem 1. Januar 1996 standen nur noch recycelte und bevorratete FCKW für den Einsatz in Industrieländern wie den USA zur Verfügung. Dieser Produktionsausfall war möglich, da alle ODS-Anwendungen durch Ersatzchemikalien und -technologien ersetzt werden sollten. ^[19]

Am 2. August 2003 gaben die Wissenschaftler bekannt, dass das Ozon vollständig verbraucht wird Die Schicht kann sich aufgrund der internationalen Regulierung der Ozon abbauenden Substanzen verlangsamen. In einer von der American Geophysical Union organisierten Studie bestätigten drei Satelliten und drei Bodenstationen, dass sich die Ozonabbaugeschwindigkeit in der oberen Atmosphäre im vergangenen Jahrzehnt erheblich verlangsamt hatte. Es kann davon ausgegangen werden, dass ein weiterer Zusammenbruch aufgrund von ODSs, die von Nationen verwendet wurden, die sie nicht verboten haben, und von Gasen, die sich bereits in der Stratosphäre befinden, anhält. Einige ODS, einschließlich FCKW, haben eine sehr lange Lebensdauer in der Atmosphäre zwischen 50 und über 100 Jahren. Es wurde geschätzt, dass sich die Ozonschicht nahe der Mitte des 21. Jahrhunderts auf das Niveau von 1980 erholen wird. ^[12] 2016 wurde ein allmählicher Trend zur "Heilung" berichtet. ^[20]

Verbindungen enthaltend CH-Bindungen (wie zum Beispiel Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder FCKWs) wurden entwickelt, um FCKWs in bestimmten Anwendungen zu ersetzen. Diese Ersatzverbindungen sind reaktiver und überleben weniger lange in der Atmosphäre, um in die Stratosphäre zu gelangen, wo sie die Ozonschicht beeinflussen könnten. Obwohl sie weniger schädlich als FCKW sind, können FCKWs die Ozonschicht negativ beeinflussen und werden daher ebenfalls abgebaut. ^[21] Diese werden wiederum durch Fluorkohlenwasserstoffe (HFCs) und andere Verbindungen ersetzt, die das stratosphärische Ozon nicht zerstören alles.

Die Restwirkung von FCKWs in der Atmosphäre führt zu einem Konzentrationsgradienten zwischen Atmosphäre und Ozean. Diese Organohalogenverbindung kann sich in den Oberflächengewässern des Ozeans auflösen und als zeitabhängiger Tracer fungieren. Dieser Tracer hilft Wissenschaftlern bei der Untersuchung der Meereszirkulation, indem er biologische, physikalische und chemische Wege verfolgt ^[22]

Implikationen für die Astronomie [ edit ]

Da Ozon in der Atmosphäre die meist energiereiche ultraviolette Strahlung nicht an die Oberfläche gelangt Auf der Erde müssen astronomische Daten in diesen Wellenlängen von Satelliten erfasst werden, die sich über der Atmosphäre und der Ozonschicht befinden. Das meiste Licht junger heißer Sterne befindet sich im ultravioletten Bereich. Daher ist das Studium dieser Wellenlängen für die Untersuchung der Entstehung von Galaxien wichtig. Das Galaxy Evolution Explorer, GALEX, ist ein umlaufendes Ultraviolett-Weltraumteleskop, das am 28. April 2003 eingeführt wurde und bis Anfang 2012 in Betrieb war.

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  Dieses GALEX-Bild des Cygnus Loop-Nebels konnte nicht von der Erdoberfläche aufgenommen werden, da die Ozonschicht die ultraviolette Strahlung blockiert, die vom Nebel abgegeben wird.
  

  
  

  
  

Siehe auch [ edit ]

Referenzen [ edit

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Weiterführende Literatur [ edit ]

Science

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Externe Links [ edit ]