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Ein internationales Wissenschaftlerteam hat enträtselt, wie im Frühjahr 2011 das erste Ozonloch über der Arktis entstand. Die umfassende Analyse des ungewöhnlich hohen Ozonabbaus im März/April wurde jetzt vorab in der Online-Ausgabe des Fachmagazins «Nature» veröffentlicht.

Eislandschaft

«Das Ozonloch über der Arktis war nicht nur das Ergebnis einer Kombination vergangener Umweltbelastungen durch Luftschadstoffe, seine Entstehung hängt auch mit langfristigen Veränderungen im Klimasystem zusammen», fasst Dr. Markus Rex, Atmosphärenphysiker am AWI zusammen. In 15 bis 25 Kilometer Höhe bildet das Spurengas Ozon eine natürliche Barriere gegen schädliche UV-Strahlung aus dem Weltraum. Unter dem Einfluss langlebiger Luftschadstoffe, die durch tiefe Temperaturen erst richtig aktiviert werden, kann die schützende Ozonschicht zum Ende des kalten polaren Winters in grossem Umfang zerstört werden. Dabei löst die zurückkehrende Sonne eine Kette komplexer chemischer Reaktionen aus, die Ozon spalten. In der erheblich kälteren Antarktis führt dieser Prozess regelmässig zur Bildung eines Ozonlochs im antarktischen Frühjahr.

Ozonloch Arktis
Die Abbildung zeigt die Dicke der Ozonschicht über der Arktis Anfang April 2011. Der violette Bereich über der zentralen Arktis, Teilen Skandinaviens und Russlands zeigt die Lage des arktischen Ozonlochs in diesen Tagen. Hier entspricht die Dicke der Ozonschicht nur noch etwa 2,5mm reinen Ozons, verteilt über die Luftschicht in 10-30km Höhe. Normal wären Werte um die 4mm, wie sie um das Ozonloch herum in dem grün/roten Bereich auftreten.

Auch in der wärmeren Arktis gab es in der Vergangenheit in manchen Jahren Ozonverlust in erheblichem Umfang, ein regelrechtes Ozonloch hat sich dort jedoch bislang nicht bilden können. «Normalerweise ist die Arktis im Frühjahr von einer besonders dicken Ozonschicht geschützt und das Ausmass des Ozonverlusts war bislang nicht schwerwiegend genug, um in diesem dicken Polster ein Loch zu erzeugen. Unsere Analyse zeigt nun, dass in diesem Frühjahr der Ozonverlust über der Arktis erstmalig ebenso schwerwiegend war wie in den frühen Ozonlöchern der Antarktis in der Mitte der 1980er Jahre», erläutert Markus Rex.

In der Arktis bestimmen die Wetterbedingungen des jeweiligen Winters ganz entscheidend, wie weitreichend die Ozonschicht abgebaut wird, bevor sie sich im Sommer wieder regenerieren kann. Die Ozon zerstörenden Luftschadstoffe sind zwar inzwischen seit über einem Jahrzehnt verboten, in der Atmosphäre aber extrem langlebig. Ein wichtiger Aspekt der Studie konzentriert sich deshalb darauf, warum ausgerechnet in diesem Jahr erstmalig ein Ozonloch über der Arktis entstand - viele Jahre nach dem Verbot der entscheidenden Substanzen. Die Erklärung: «Im vergangenen Winter herrschten in der Stratosphäre 20 Kilometer über der Arktis antarktischere Verhältnisse als jemals seit Beginn der Beobachtungen Mitte der 1960er Jahre», beschreibt der Potsdamer Atmosphärenphysiker die Ursache.

Ozonverlust Arktis
Darstellung des Vertikalprofils des Ozonlochs in einer Höhe von ungefähr 15 und 25 Kilometern. Die rote Kurve zeigt, dass das Ozonverlustprofil im Frühjahr 2011 weitgehend dem antarktischer Ozonlöcher entsprach.

Zwei Bedingungen sind entscheidend für einen so dramatischen Ozonabbau, wie er im vergangenen Frühjahr zu beobachten war. Voraussetzung Nr. 1 sind ausgedehnte Bereiche in denen sich die Stratosphäre auf unter -78º Celsius abkühlt. Dann können sich aus natürlich vorkommender Salpeter- und Schwefelsäure auch in der extrem trockenen Stratosphäre Wolken bilden - so genannte Polare Stratosphärische Wolken. Chemische Prozesse in diesen Wolken machen die Ozonzerstörung durch die bekannten menschengemachten Schadstoffe erst möglich. Und hier lag im vergangenen Winter ein wesentlicher Unterschied zu «normalen» Jahren: «Im letzten Winter hatten wir praktisch durchgängig extrem tiefe Temperaturen in den oberen Luftschichten über der Arktis. Es gab wesentlich mehr Luftmassen, in denen es kalt genug zur Bildung dieser Wolken war, als wir es jemals seit Beginn der Beobachtungen in der Mitte der 1960er Jahre erlebt haben», so Rex.

Polarwirbel Arktis
In diesem grossen Luftmassenwirbel sind die Luftmassen wie in einem Kochtopf eingeschlossen und hier kommt es zur Ozonzerstörung und letztlich zum Ozonloch.

Voraussetzung Nr. 2 ist ein Luftwirbel über der Arktis, der bis in den April hinein stabil bleibt und die in ihm eingeschlossenen polaren Luftmassen von einem Austausch mit wärmeren Luftschichten aus dem Süden abschottet. Rex spricht in diesem Zusammenhang von einem «Kochtopf, in dem sich ein Ozonloch erst zusammenbrauen kann». Dieses «Polarwirbel» genannte Phänomen bildet sich in jedem Winter über beiden Polarregionen, ist aber in der Regel über der Arktis weniger stabil und bricht im Frühjahr erheblich früher zusammen als über der Antarktis. Grosse Kälte über der Arktis und ein stabiler Polarwirbel bedingen sich jedoch gegenseitig, und so ist es nicht überraschend, dass im arktischen Winter 2011 dieser Wirbel über der Arktis viel stabiler als sonst war. Der Wirbel blieb bis in die zweite Aprilhälfte hinein intakt, ermöglichte so die ungestörte Bildung des Ozonlochs und verhinderte das Nachströmen ozonreicherer Luft aus mittleren Breiten. Der Wirbel wandert über die Nordhemisphäre und erreicht auch regelmässig Bereiche über Zentraleuropa.

Quelle: AWI, Bremerhaven