Lexikon der Fernerkundung

Ozon

Ozon (O3),  griech. ozein: riechen, ist ein aus drei Sauerstoffatomen bestehendes, instabiles Molekül. Es ist ein starkes Oxidationsmittel. Ozon ist bei Zimmertemperatur und normalem Luftdruck gasförmig. Es greift viele andere Stoffe an und kann deshalb Menschen, Pflanzen und Materialien schädigen. Die gesundheitlichen Wirkungen von Ozon bestehen in einer verminderten Lungenfunktion, entzündlichen Reaktionen in den Atemwegen und Atemwegsbeschwerden. Ozon wird von Pflanzen durch die Spaltöffnungen der Blattorgane aufgenommen. Dadurch können bei Pflanzen Schäden an Blattorganen auftreten. Länger anhaltende Belastungen stellen ein Risiko für das Pflanzenwachstum, Ernteerträge und die Qualität landwirtschaftlicher Produkte dar. Ozon ist zudem ein Treibhausgas, trägt also zur Erwärmung der Erdatmosphäre bei.

Obwohl das meiste Ozon im Bereich des Äquators entsteht, befindet sich der überwiegende Teil des Ozons in gemäßigten und hohen Breiten, im Höhenbereich zwischen 15 und 25 Kilometern.

Ozon spielt in der Erdatmosphäre eine Doppelrolle: Oberhalb von 10 km, in der Stratosphäre, schützt die bestehende natürliche Ozonschicht die Erde vor der schädlichen Ultraviolettstrahlung der Sonne. Ca. 90 % des Ozons befinden sich in dieser Schicht. In Bodennähe kommt Ozon ebenfalls natürlich vor, wird aber zusätzlich aus Sauerstoff und Luftverunreinigungen, die überwiegend aus menschlicher Tätigkeit stammen, gebildet.

Ozon in der Atmosphäre Ozon in der Atmosphäre Quelle: Copernicus

Entstehung in der Atmosphäre:

Bodennahes Ozon ist wegen seiner Eigenschaft als Umweltgift unerwünscht, insbesondere bewirkt die lokal sehr unterschiedliche Ozonbelastung Reizungen der Atemwege, erhöhte Korrosion und Baumsterben (Sommersmog).

Bodennahes Ozon wird nicht direkt freigesetzt, sondern bei intensiver Sonneneinstrahlung durch komplexe photochemische Prozesse aus Vorläuferstoffen - überwiegend Stickstoffoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen - gebildet. Es wird deshalb als sekundärer Schadstoff bezeichnet. Hohe Lufttemperaturen und starke Sonneneinstrahlung begünstigen die Entstehung von bodennahem Ozon in der Atmosphäre. Dies ist typisch für die meteorologischen Bedingungen während sommerlicher Hochdruckwetterlagen.

Die höchsten Werte bodennahen Ozons treten am Stadtrand und in den angrenzenden ländlichen Gebieten auf, also entfernt von den Quellen der Vorläuferstoffe. Das klingt paradox, liegt aber daran, dass Stickstoffmonoxid, das in Autoabgasen enthalten ist, mit Ozon reagiert. Dabei wird Ozon abgebaut und Stickstoffdioxid (NO2) gebildet, so dass die Ozonbelastung in Innenstädten deutlich niedriger ist. Andererseits werden die Vorläuferstoffe (z.B. NO2) mit dem Wind aus den Städten heraus transportiert und tragen so entfernt von deren eigentlichen Quellen zur Ozonbildung bei.

In der Stratosphäre ist Ozon grundsätzlich erwünscht, weil es dort das schädliche UV-Licht der Sonne absorbiert (Ozonschicht). In der stratosphärischen Ozonschicht wird das erwünschte Ozon fortwährend gebildet, mit Luftströmungen transportiert und wieder abgebaut. Das wichtigste Quellgebiet ist die tropische Stratosphäre. Die sogenannte Brewer-Dobson Zirkulation sorgt insbesondere in der jeweiligen Winterhemisphäre für einen polwärts und letztendlich abwärts gerichteten Transport, wodurch das Ozon in der gesamten Erdatmosphäre verteilt wird. Dabei bilden sich je nach geographischer Region und Jahreszeit typische Verteilungsmuster aus. Herausragend ist dabei eine Akkumulation von Ozon rund um den Globus in etwa 15 (Pol) bis 25 km Höhe (Äquator), die eigentliche stratosphärische Ozonschicht. Sie wirkt wie eine Sonnenbrille der Erde und schützt das Leben vor zu intensiver UV-Strahlung. Obwohl sich 90 Prozent des atmosphärischen Ozons in der Stratosphäre befinden, kommen selbst dort auf eine Million Luftmoleküle nur einzelne Ozonmoleküle. Würde das in der gesamten Atmosphäre verteilte Ozon in einer Schicht reinen Ozons an der Erdoberfläche konzentriert, wäre diese Schicht durchschnittlich kaum mehr als 3 mm dick.

Durch menschliche Aktivitäten, d.h. insbesondere durch die massiven Emissionen von sogenannten FCKW, wurde der natürliche und lebensnotwendige Ozonkreislauf in der Stratosphäre empfindlich gestört. In einem katalytischen Prozess zerstören dabei schon wenige Chlorradikale sehr viele Ozonmoleküle, bevor sie selbst inaktiv werden. Zu stärkstem Ozonabbau kommt es über den Polen unserer Erde. Die dramatischste Entwicklung ist dabei die alljährliche Ausbildung des antarktischen Ozonloches.

Die Fläche des Ozonlochs über der Antarktis entwickelte sich im Herbst 2020 recht langsam, aber später, Anfang Oktober, wurden die niedrigsten Werte unter 100 DU beobachtet. Das gleiche Merkmal zeigte sich auch bei der Größe des betroffenen Gebietes. Die Größe des Lochs war zu Beginn der Saison recht gering, nahm aber gegen Oktober recht schnell zu.

Die folgende Animation der vertikalen Ozonsäule AC SAF wurde von GOME-2-Instrumenten an Bord der Metop-Satelliten gemessen und im DLR verarbeitet. Ein Klick auf die Grafik führt zur aktuellen Animation mit der Größe des Ozonlochgebiets zusammen mit den Schwankungen seit 2007.

Das Antarktische Ozonloch (Herbst 2020)
mit einem Minimum von weniger als 100 Dobson Units (DU) Antarktisches Ozonloch

Ein Klick auf das Bild öffnet einen externen Link zu einer Animation.

Quelle: EUMETSAT AC SAF

Ozonmonitoring

Von MeteoSchweiz werden beispielsweise verschiedene Methoden zur Ozonmessung verwendet, mit denen unterschiedliche räumliche und zeitliche Ebenen abgedeckt werden können. In Arosa messen Spektrophotometer die Durchlässigkeit der Atmosphäre für ultraviolette Sonnenstrahlung in verschiedenen Wellenlängen und berechnen daraus den Gesamtozongehalt in der Luftsäule. In Payerne wird das Ozonprofil direkt mittels Radiosondierungen (Ballonsonden) erfasst. Ebenfalls in Payerne ist ein Mikrowellen-Radiometer im Einsatz, mit welchem die stratosphärische und mesosphärische Ozonkonzentration zwischen 20 und 70 km bestimmt wird.

MeteoSchweiz verfügt über zwei weitere Methoden, um indirekt Ozonprofile durch das sogenannte "Remote Sensing" zu messen. Diese Messungen erfordern eine relativ komplexe Informationsverarbeitung und liefern ein Profil mit einer räumlichen Auflösung von 7-15 km, und das in einer Höhe von 20-70 km. Die erste Methode ist das Mikrowellenradiometer SOMORA, die zweite Methode ist eine Messung mit Hilfe von Dobson und Brewer, die bei Sonnenaufgang respektive -untergang durchgeführt wird (Umkehr-Methode). (MeteoSchweiz)

Im Weltall setzt das Instrument „Global Ozone Monitoring Experiment-2“ (GOME-2) die langfristige überwachung atmosphärischer Spurengasbestandteile fort, die mit Gome/ERS-2 und SCIAMACHY/Envisat begonnen wurde. Derzeit gibt es drei GOME-2-Instrumente, die an Bord der Wettersatelliten Metop-A, -B und -C von EUMETSAT eingesetzt werden. GOME-2 kann eine Reihe atmosphärischer Spurenbestandteile messen, wobei der Schwerpunkt auf der weltweiten Ozonverteilung liegt. Darüber hinaus werden Cloud-Eigenschaften und -Intensitäten ultravioletter Strahlung ermittelt. Diese Daten sind für die Überwachung der Zusammensetzung der Atmosphäre und die Erkennung von Schadstoffen von entscheidender Bedeutung. Das DLR erzeugt operative Produkte der Stufe GOME-2/MetOp 2 im Rahmen der EUMETSAT-Satelliten-Anwendungsanlage für die Überwachung der Atmosphärenchemie (AC-SAF). GOME-2-Produkte in Echtzeit sind bereits zwei Stunden nach der Erkennung erhältlich.

Instrumente an Bord von Satelliten können verschiedene für das troposphärische Ozon relevante chemische Spezies messen. Sie können neben Ozon Informationen über NO2, CO und Formaldehyd (HCHO) liefern. Kohlenstoffmonoxid kann in Deutschland via Satellit nur gemessen werden, wenn die lokalen Quellen sehr stark sind (z.B. Brände). Formaldehyd kann aus Satellitenmessungen über Deutschland im Winter nicht nachgewiesen werden und im Sommer nur mit relativ hohen Fehlern. Es lassen sich jedoch auf monatlichen Satellitenkarten durchaus erhöhte HCHO-Werte über einigen Gebieten in Europa wie der Po-Ebene, über bestimmten Waldgebieten und über Bränden nachweisen. Einzelmessungen außerhalb von Bränden liegen unterhalb der Nachweisgrenze, es können daher aus ihnen keine Informationen zu VOC (engl. volatile organic compounds; dt. flüchtige organische Verbindungen) hergeleitet werden. Ozonmessungen sind in Deutschland aufgrund des geringen thermischen Kontrasts zwischen dem Boden und der darüberliegenden Atmosphäre schwierig. Derzeit sind in Deutschland regelmäßig nur NO2-Messungen durch Satelliten möglich.

Seit 2018 misst das TROPOMI-Instrument an Bord des Satelliten Sentinel 5P die Gesamtsäule NO2 einmal täglich zur Überflugzeit von 13:30 mit einer Auflösung von 3,5 x 5,5 km2 unter wolkenfreien Bedingungen auf 30 % Genauigkeit. Die räumliche Abdeckung und die Messgenauigkeit können verbessert werden, indem Daten aus mehreren Überflügen gemittelt werden. Diese räumliche Auflösung ermöglicht einen direkten Vergleich mit regionalen numerischen Modellen. TROPOMI-Daten werden bereits für die Modellbewertung verwendet. TROPOMI-NO2-Messungen können auch direkt zur Lokalisierung von NO2-Quellen und zur Bestimmung ihrer Stärke verwendet werden. Dies ermöglicht eine direkte Evaluierung der Emissionsinventare.

Aufgrund des relativ aktuellen Starts von Sentinel 5P sind nur erste Ergebnisse zu verzeichnen. Zukünftige Generationen von geostationären Satelliten werden in der Lage sein, den Tageszyklus der atmosphärischen Zusammensetzung zu messen und so weitere Möglichkeiten zur Bewertung von Inventaren und Modellen zu schaffen.

Weitere Informationen:

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