In der Stratosphäre wird Ozon nach einer schon 1930 beschriebenen Reaktionsfolge auf- und abgebaut.
Zwischen diesen beiden Reaktionen stellt sich ein Gleichgewicht ein, das zu einem weitgehend konstanten Ozongehalt führt.
| Aufbau: | O2 | |
2 O. | l < 240 nm | (1) |
| O. + O2 | |
O3 | (2) | ||
| Abbau: | O3 | |
O2 + O. | l < 310 nm | (3) |
| O3 + O. | |
2 O2 | (4) |
In diesen Mechanismus von Aufbau und Abbau des Ozons können Spurengase eingreifen, die durch die Troposphäre unzersetzt hindurchwandern und in die Stratosphäre gelangen. Beispiele hierfür sind die Moleküle H2O (Wasser) und N2O (Lachgas):
| H2O | |
. OH + H. | l < 185 nm | (5) |
| N2O | |
N2 + O. | l < 320 nm | (6) |
Wegen der geringen Konzentration, in der sie vorliegen, ist ihre Wirkung vorwiegend katalytischer Natur. Auch andere Spurengase werden durch die harte und intensive UV-Strahlung in der Stratosphäre zu Radikalen (X.) gespalten, so daß der katalytische Abbau des Ozons über einen allgemein gültigen Mechanismus beschrieben werden kann:
| O3 + X. | |
O2 + XO. | (7) | |
| XO. + O. | |
O2 + X. | (8) | |
| Gesamtbilanz: | O3 + O. | |
2 O2 | (7 + 8) |
Die Bilanz weist aus, daß zusätzlich zu dem direkten Abbau nach Gleichung (3) ein katalytischer Mechanismus in gleicher Richtung wirksam ist und die Tendenz des Abbaus verstärkt. Als wichtigste Radikale sind zu nennen: X = HO, NO, Cl, Br.
Alle diese Radikale waren auch schon in vorgeschichtlicher Zeit in der Atmosphäre. Dies gilt auch für Chlor- und Bromradikale, da Chlor- und Bromkohlenwasserstoffe "natürlich" in Meeresalgen gebildet werden und von dort aus in die Atmosphäre gelangen. Dabei entfaltet ein einzelnes Chlorradikal eine besonders hohe katalytische Aktivität, indem es mehrere tausendmal die oben beschriebene Kettenreaktion durchlaufen kann, bevor es durch bestimmte Verbindungen abgefangen wird und seine katalytische Aktivität verliert. Die Menge an Brom- und Chlorradikalen, die schon vor der menschlichen Einwirkung in die Stratosphäre freigesetzt wurden, waren Teil des Gleichgewichtes.
Durch menschliche Aktivitäten gelangt heute ein Vielfaches der natürlichen Mengen an Chlor- und Bromradikalen in die Stratosphäre. Durch sie wird das empfindliche Gleichgewicht gestört, der Abbau des Ozons überwiegt.
Besonders wichtig sind hier die bereits erwähnten CFKW's. Wegen ihrer großen chemischen Stabilität werden sie in der Troposphäre nicht abgebaut und wandern langsam durch die Tropopause in die Stratosphäre. Dort können sie von harter UV-Strahlung gespalten werden - ein Vorgang, der erst ab einer Höhe von etwa 20 km abläuft.
| CF3Cl | |
CF3. + Cl. | l < 220 nm | (9) |
Die gebildeten Chlorradikale reagieren mit Ozon nach dem beschriebenen Mechanismus. Für das Abfangen der Chlorradikale sind vor allem Moleküle wie CH4 und NO2 wichtig, die über Diffusionsprozesse ebenfalls in die Stratosphäre gelangt sind:
| CH4 + Cl. | |
CH3. + HCl | (10) |
| NO2 + ClO. | |
ClONO2 | (11) |
Salzsäuregas (HCl) und Chlornitrat (ClONO2) sind die wichtigsten Senken für Chlor in der Stratosphäre, da diese Verbindungen unter den dort herrschenden Bedingungen sehr beständig sind. Sie wandern dann langsam zurück in der Troposphäre und gelangen mit dem Regen wieder zur Erde zurück. Die Abbildung 6 zeigt die beschriebenen Vorgänge in Überblick.
Abb. 6: Reaktionsweg der CFKW in der Erdatmosphäre
