Mit Daten des im KIT entwickelten MIPAS-Gerätes auf dem europäischen Umwelt-Satelliten ENVISAT konnten die KIT-Wissenschaftler gemeinsam mit Kollegen aus Oxford den Beginn eines Phänomens beobachten, das in dieser Ausprägung bisher nur über dem Südpol auftrat.

Satellitenmessungen und Modelle zeigen in diesem Winter einen ungewöhnlich stabilen Luftwirbel über dem Nordpol, der für enorme Windstärken und sehr kalte Temperaturen sorgt. In diesem arktischen Wirbel finden spezielle chemische Prozesse statt, die zu einem sehr schnellen katalytischen Ozonabbau führen, sobald das erste Sonnenlicht auf die polare Atmosphäre fällt. Ein vergleichsweise großer, stabiler und bis ins Frühjahr anhaltender Wirbel wurde bislang nur über der Antarktis beobachtet.

Ein Zusammenhang mit dem vergleichsweise milden Winter und dem Klimawandel liegt nahe, erfordert aber weitere, genauere Untersuchungen.

„Wissenschaftler des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) des KIT bereiten schon seit Anfang Februar stratosphärische Ballonmessungen auf der ESRANGE-Basis in Kiruna (Nordschweden) vor“, erklärt Professor Dr. Johannes Orphal, Leiter des IMK, Bereich Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung. „Bislang konnten die Höhenballons wegen der in diesem Jahr extremen Winde noch nicht starten. Diese schwierigen Messungen werden aber in den nächsten Wochen viele spannende Details über die in diesem Jahr sehr ungewöhnliche Atmosphäre über dem Nordpol enthüllen.“ An der Messkampagne sind zahlreiche Wissenschaftler aus Deutschland, Frankreich, Russland und den Niederlanden sowie die französischen Agenturen CNES und CNRS beteiligt.

Hintergrund

Das so genannte Ozonloch, eine starke Abnahme der Ozonschicht in der mittleren Atmosphäre – der Stratosphäre – in Höhen zwischen 10-50 km, ist ein atmosphärisches Phänomen, das Mitte der 1980er Jahre entdeckt wurde. In voller Ausprägung trat es bisher nur über der Antarktis auf, wo sich in den meisten Jahren ein sehr stabiler Polarwirbel, eine Kaltluftströmung, die um den Südpol kreist, ausbildet. Innerhalb dieses Wirbels herrschen sehr tiefe Temperaturen, die eine Voraussetzung für die Entstehung des Ozonlochs sind. Eine weitere Voraussetzung ist Chlor, das durch katalytische Prozesse für den Ozonabbau verantwortlich ist. Durch die von Menschen eingesetzten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW’s) ist der Chlorgehalt in der mittleren Atmosphäre in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts stark angestiegen und wurde erst durch das Montreal-Protokoll 1989 eingedämmt.

Bei den tiefen Temperaturen im Polarwirbel entstehen in der Stratosphäre polare stratosphärische Wolken (PSC’s). An den Kristallen dieser Wolken wird Chlor aus so genannten Reservoirgasen, in denen es normalerweise chemisch inaktiv gespeichert ist, befreit und steht dann in reaktiver Form zur Verfügung. Sobald nach dem Polarwinter die Sonne aufgeht, setzt mit Hilfe von UV-Strahlung der katalytische Ozonabbau ein.

Über dem Nordpol bildet sich normalerweise kein stabiler Polarwirbel aus, da die ungleichmäßige Landverteilung die Strömungen stört. Deshalb gibt es auch keine ausreichend tiefen Temperaturen für die Entstehung der PSC’s und damit weniger reaktives Chlor.

In diesem Winter ist die Situation anders: Erstmals hat sich ein über einen langen Zeitraum stabiler Polarwirbel auch über dem Nordpol ausgebildet. Damit sind die Temperaturverhältnisse mit dem Südpol vergleichbar, es entstehen PSC’s, damit reaktives Chlor. Die Wissenschaftler erwarten ein Ozonloch, das in seinen Ausmaßen mit dem Ozonloch über dem Südpol vergleichbar sein könnte, zumal es derzeit noch keine Hinweise gibt, dass der Polarwirbel zusammenbricht.

Ob die starke Ausprägung des Polarwirbels in diesem Jahr ein zufälliges Ereignis ist oder mit dem Klimawandel zusammenhängt, ist derzeit noch offen. Hierfür sind umfangreiche Modellrechnungen notwendig.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts und staatliche Einrichtung des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Das KIT verfolgt seine Aufgaben im Wissensdreieck Forschung - Lehre - Innovation.

Pressemitteilung: AWI

Die Arktis steht vor einem Rekordverlust an Ozon

Arktisweite Messungen belegen rasanten Abbau während der vergangenen Tage

Potsdam/Bremerhaven - Ungewöhnlich tiefe Temperaturen im Bereich der arktischen Ozonschicht führen dort aktuell zu einem rasanten Abbau von Ozon. Die Arktis steuert deshalb auf einen Rekordverlust des Spurengases zu, das die Erdoberfläche vor der ultravioletten Strahlung der Sonne schützt. Dies belegen Messungen eines internationalen Netzwerkes aus über 30 Ozonsondierungsstationen, die über die gesamte Arktis und Subarktis verteilt sind und von der Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft (AWI) koordiniert werden.

„Unsere Daten zeigen, dass in den letzten Wochen in dem für die Ozonkonzentration entscheidenden Höhenbereich der arktischen Atmosphäre bereits etwa die Hälfte des Ozons zerstört wurde“, beschreibt AWI-Forscher Dr. Markus Rex die gegenwärtige Lage. „Da die Bedingungen für diesen ungewöhnlich starken Ozonabbau weiter andauern, rechnen wir mit weiteren Ozonverlusten in den nächsten Wochen. “Die gegenwärtig zu beobachtenden Veränderungen könnten sich auch außerhalb der dünn besiedelten Arktis auswirken. Luftmassen, die dem Ozonverlust über der Arktis ausgesetzt sind, driften später oftmals südwärts. Durch die verminderte UV-Schutzwirkung der ungewöhnlich stark angegriffenen Ozonschicht können daher einzelne Episoden hoher UV-Belastung auch in mittleren Breiten auftreten. „Auf ausreichenden Sonnenschutz ist daher in diesem Frühjahr besonders zu achten“, empfiehlt Rex.

Zu Ozonabbau kommt es, wenn die Abbauprodukte von menschengemachten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) durch große Kälte in aggressive ozonzerstörende Substanzen verwandelt werden. Bereits seit einigen Jahren weisen die Wissenschaftler jedoch auch auf einen Zusammenhang zwischen Ozonverlusten und Klimaveränderungen hin. Im Bereich der arktischen Ozonschicht hat die Häufigkeit kalter Winter seit Mitte des letzten Jahrhunderts zwar eher etwas abgenommen, die Bedingungen während dieser kalten Winter sind aber immer eisiger geworden und haben solch schwerwiegenden Ozonverlust in der Arktis erst ermöglicht. „Der aktuelle Winter setzt die Entwicklung fort, die durchaus im Zusammenhang mit der globalen Klimaerwärmung stehen kann“, erläutert Atmosphärenforscher Rex einen nur auf den ersten Blick paradox erscheinenden Zusammenhang. „Vereinfacht gesagt halten steigende Treibhausgaskonzentrationen die Wärmestrahlung der Erde in tieferen Luftschichten zurück und erwärmen diese. In der darüber gelegenen Stratosphäre gelangt weniger der wärmenden Strahlung, dort kommt es dann zu einer stärkeren Abkühlung.“ Diese Abkühlung findet ausgerechnet im Bereich der Ozonschicht statt und bewirkt offensichtlich die nun beobachtete Verstärkung des Ozonabbaus. „Die komplizierten Details der Wechselwirkungen zwischen der Ozonschicht und Klimaänderungen sind jedoch noch nicht verstanden und Gegenstand aktueller Forschungsprojekte“, so Rex. Die Europäische Union finanziert diese Arbeiten im Projekt RECONCILE, ein mit 3,5 Millionen Euro unterstütztes Forschungsprogramm in dem 16 Forschungsinstitutionen aus acht europäischen Staaten an einem verbesserten Verständnis der arktischen Ozonschicht arbeiten.

Langfristig wird sich die Ozonschicht durch umfangreiche umweltpolitische Maßnahmen zu ihrem Schutz erholen. An dieser Erwartung ändert auch der aktuelle, rekordverdächtige Ozonverlust nichts. „Durch die langfristige Wirkung des Montrealer Protokolls wird nennenswerte Ozonzerstörung ab der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts nicht mehr auftreten“, erläutert Markus Rex. Das Montrealer Protokoll ist ein 1987 unter dem Dach der UNO verabschiedetes internationales Abkommen zum Schutz der Ozonschicht, welches inzwischen die Produktion der ozonzerstörenden FCKW weltweit praktisch verbietet. Die bereits freigesetzten FCKW werden allerdings erst in vielen Jahrzehnten wieder aus der Atmosphäre verschwunden sein. Bis dahin hängt das Schicksal der arktischen Ozonschicht wesentlich von der Temperatur in etwa 20 km Höhe ab und ist damit an die Entwicklung des Klimas gekoppelt.

Das Alfred-Wegener-Institut forscht in der Arktis, Antarktis und den Ozeanen der mittleren sowie hohen Breiten. Es koordiniert die Polarforschung in Deutschland und stellt wichtige Infrastruktur wie den Forschungseisbrecher Polarstern und Stationen in der Arktis und Antarktis für die internationale Wissenschaft zur Verfügung. Das Alfred-Wegener-Institut ist eines der siebzehn Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands.