Alles begann 1929 mit einer genialen Erfindung des US-amerikanischen Maschinenbauingenieurs und Chemikers Thomas Midgley vom Autokonzern General Motors. Die von ihm erstmals hergestellten Fluorchlorkohlenwasserstoffe schienen völlig harmlose Gase und Flüssigkeiten zu sein, die weder Organismen angriffen noch die Natur schädigen oder mit Gasen in der Atmosphäre wechselwirkten. Gleichzeitig boten sie eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten: vom Reinigen von Werkstoffen in der Industrie über die Verwendung als Treibgas in Haarspray oder als Kühlgas in Eisschränken bis hin zu Feuerlöschmitteln. Sehr beliebt waren die FCKW auch, um Kunststoffe aufzuschäumen.

Ein Ozonloch wird ignoriert

Allerdings warnten bereits 1974 die Wissenschaftler Mario Molina und Frank Sherwood Rowland von der University of California in Irvine, Sonnenlicht würde aus diesen FCKW so genannte Chlorradikale abspalten, und diese wiederum könnten Ozon zerstören. Die Entdeckung erregte durchaus schon damals Aufmerksamkeit, man ahnte, dass dadurch die Ozonschicht in Mitleidenschaft gezogen werden könnte, die in den oberen Etagen der Atmosphäre ultraviolettes Sonnenlicht abfängt und so beispielsweise vor Hautkrebs schützt. Als aber niemand eine Abnahme dieser Ozonschicht messen konnte, wurde die Warnung von den meisten Beteiligten als Fehlalarm zu den Akten gelegt.

So vermaß etwa der Wettersatellit Nimbus 7 seit November 1978 regelmäßig die Ozonschicht – und registrierte keine besonderen Vorkommnisse. Dabei war der Ozonabbau bereits in vollem Gang. Nur hatten die Ingenieure des Messgeräts TOMS allenfalls eine leichte Abnahme der Ozonkonzentration erwartet und daher den Bordrechner so programmiert, dass er extrem niedrige Ozonwerte als Messfehler aussortierte. Als sich über der Antarktis dann das so genannte Ozonloch öffnete und die Konzentration des schützenden Gases in den Keller sackte, ignorierte der Rechner diese Werte prompt.

Anfang der 1980er Jahre maßen britische Antarktisforscher jedoch vom Boden aus extrem niedrige Ozonwerte in den Luftschichten hoch über dem ewigen Eis. 1984 veröffentlichten sie ihre Daten. Daraufhin änderten die Betreiber des TOMS-Messgeräts die Einstellungen des Bordcomputers. Als die niedrigen Messwerte nicht mehr aussortiert wurden, meldete der Satellit beinahe in jedem Frühjahr ein Ozonloch.

Radikale in der Atmosphäre

Verantwortlich für die Lücke im Ozonschutzschild sind chemische Prozesse, die vom ultravioletten Licht der Sonne angetrieben, zunächst einzelne Chloratome aus den FCKW abspalten. Diese einzelnen Atome, Radikale genannt, reagieren heftig mit sehr vielen Molekülen. Unter anderem zerstören sie sehr schnell das Ozon, ein Molekül aus drei Sauerstoffatomen.

Perlmuttwolken
© Markus Rex, Alfred-Wegener-Institut
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So schön die Wolken auch sein mögen, sie sind maßgeblich am Ozonabbau beteiligt: Polare Stratosphärenwolken bilden sich aus gefrorener Salpetersäure und Schwefelsäure, wenn die Temperaturen in der Stratosphäre in rund 20 Kilometer Höhe unter etwa -78 Grad Celsius fallen. In ihnen entstehen dann die Verbindungen, welche die schützende Sauerstoffverbindung Ozon angreifen.

Rasch klärten die Forscher, weshalb die Ozonschicht zwar über der Antarktis verschwindet, kaum aber über dem Äquator und den gemäßigten Breiten: Hier entstehen zwar auch die gefährlichen Chlorradikale, doch Stickoxide und bestimmte Wasserstoffverbindungen reagieren mit ihnen zu Chlorwasserstoff und Chlornitrat und machen sie so unschädlich. Beides sind recht stabile Verbindungen, die in den unseren Breiten die allermeisten der aggressiven Chlorradikale schnell abfangen.

Ganz anders sieht die Situation über dem Nord- und Südpol aus. Dort laufen bei extrem niedrigen Temperaturen im Winter Vorgänge ab, die ihren Ursprung auf der Erdoberfläche haben: Bei biologischen Prozessen entsteht am Boden Lachgas, das in der Stratosphäre zu Salpetersäure oxidiert wird. Gleichzeitig entlassen Mikroorganismen im Meer die Verbindung Carbonylsulfid in die Atmosphäre, aus der nach einiger Zeit Schwefelsäure entsteht. Luftströmungen verteilen beide Substanzen in der Stratosphäre. Fallen dort in der Polarnacht die Temperaturen unter minus 78 Grad Celsius, bilden sich aus diesen Verbindungen winzige Tröpfchen oder Eiskristalle – so genannte Perlmuttwolken, die man sogar von der Erde aus sehen kann. Wissenschaftler nennen sie polare Stratosphärenwolken und kürzen sie nach dem englischen Begriff Polar Stratospheric Clouds mit PSC ab.

Eine endlose Schleife

An der Oberfläche der Kristalle in den PSC wandeln sich die eigentlich recht stabilen Verbindungen Chlorwasserstoff und Chlornitrat in Salpetersäure und Chlor um, das seinerseits zunächst Moleküle aus je zwei Atomen bildet, die dann im Dämmerlicht der Polarnacht zu Chlorradikalen zerfallen. Damit ist die schädigende Substanz erneut frei geworden und kann das Ozon angreifen. Reagiert sie mit dem Ozon, bilden sich Chloroxidradikale, die aus einem Chlor- und einem Sauerstoffatom bestehen, und sich zu zweit zu einem "Dimer" zusammenlagern.

"Im Lauf der Polarnacht sammeln sich riesige Mengen dieser aktiven Chlorverbindungen in der Stratosphäre über den hohen Breiten", erklärt der Ozonspezialist Markus Rex vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) in Potsdam. Scheint im Polarfrühjahr die Sonne wieder intensiver, spaltet ihre Strahlung die Dimere in ein Sauerstoffmolekül und zwei Chlorradikale – die Reaktion kann von vorne beginnen.

In einer Art Endlosschleife entsteht also für jedes Chlorradikal, das ein Ozonmolekül zerstört hat, ein neues Chlorradikal. Nach einem kalten Polarwinter kommt so eine Kettenreaktion in Gang, die in der betroffenen Stratosphärenschicht das Ozon komplett zerstören kann. "Allerdings bleiben in den Luftschichten darüber und darunter noch geringere Mengen Ozon übrig", erklärt Markus Rex. Daher messen Satelliten statt eines Lochs "nur" einen Ozonverlust von 60 oder 70 Prozent, während in der eigentlichen Ozonschicht dieses Gas komplett verschwunden ist. Erst wenn im Sommer neues Ozon aus tropischen Breiten Richtung Antarktis strömt, schließt sich das Ozonloch langsam wieder.

Die Politik reagiert

Die Weltpolitik reagiert auf diese Zusammenhänge ganz anders als bei vielen anderen Umweltproblemen, siehe den Klimawandel. Der ehemalige Generalsekretär der Vereinten Nationen Kofi Annan spricht sogar vom "bis heute vielleicht erfolgreichsten internationalen Einzelabkommen": Bereits 1987 verpflichten sich 196 Länder und die Europäische Union im Protokoll von Montreal, die Produktion von FCKW bis 1999 zu halbieren. Am 29. Juni 1990 verschärfen sie diese Regelung auf einer Folgekonferenz in London und entscheiden, die Produktion von FCKW binnen zehn Jahren komplett einzustellen. Ausgenommen sind nur bestimmte Asthmamedikamente, die für die Gesamtbilanz aber kaum ins Gewicht fallen.

Trotz des Londoner Beschlusses wuchs das Ozonloch erst einmal weiter. Weil die verschiedenen FKCW-Moleküle kaum mit anderen Substanzen reagieren, verschwinden sie erst nach durchschnittlich 44 bis 180 Jahren aus der Luft. Erst als in der Mitte der 1990er Jahre ihre Produktion deutlich gesunken war und immer weniger dieser Substanzen zusätzlich in die Luft entweichten, endete sein Wachstum.

Das antarktische Ozonloch in seiner größten Ausdehnung
© NASA
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Mit 27,5 Millionen Quadratkilometer erreichte das antarktische Ozonloch Ende September 2006 seine bislang größte Ausdehnung.

Da seit 2000 praktisch keine neuen FCKW mehr dazukommen und die alten ganz langsam abgebaut werden, scheint 2012 und 2013 zum ersten Mal das Ozonloch über der Antarktis ein wenig kleiner geworden zu sein. Allerdings ist bisher noch nicht klar, ob dazu nicht auch das Wettergeschehen einiges beigetragen hat. "In den kommenden Jahrzehnten sollte das Ozonloch jedoch wirklich schrumpfen", ist AWI-Forscher Markus Rex gemeinsam mit seinen Kollegen in aller Welt überzeugt. Um das Jahr 2070 könnte es sich ganz schließen, wobei dieser Prozess durchaus auch ein paar Jahrzehnte länger dauern könnte.

Es schneit Salpetersäure

Im hohen Norden fallen die die Temperaturen in der Stratosphäre normalerweise nicht so tief wie über der Antarktis. Darum bilden sich auch seltener die Perlmuttwolken, und wo doch, bestehen sie aus kleineren Partikeln, die nicht ausschneien. Anders als in der Antarktis bleibt dadurch ein großer Teil der Salpetersäure in der Stratosphäre. Im ersten Sonnenlicht entstehen daraus Stickoxide, die die aggressiven Chlorradikale mit der Zeit abfangen. Aus diesem Grund hat sich über dem Nordpolarmeer lange kein Ozonloch, sondern nur eine kleine "Ozondelle" gebildet: Zwar fielen mitunter bis zu 30 Prozent der Ozonschicht den Chlorradikalen in der Stratosphäre zum Opfer, doch gleichen winterliche Luftströmungen, die äquatoriales Ozon in den hohen Norden transportieren, die Lücke regelmäßig aus.

Der Klimawandel kühlt

Zumindest solange der Klimawandel außen vor bleibt. Werden Kohle, Erdöl und Erdgas verbrannt, entsteht jede Menge Kohlendioxid, das zusammen mit Treibhausgasen aus weiteren Quellen die vom Erdboden kommenden Wärmestrahlen abfängt. So heizen sich die tieferen Schichten der Atmosphäre auf, während weiter oben die Strahlung fehlt und die Stratosphäre abkühlt. Zusätzlich erreicht ein Teil der Treibhausgase auch die höheren Schichten der Atmosphäre. Dort aber kehren sich die Verhältnisse um, und zusätzliche Treibhausgase strahlen Wärme in den Weltraum ab, statt sie in der Atmosphäre zu halten.

War die Stratosphäre noch in den 1980er und 1990er Jahren in hohen nördlichen Breiten nicht kalt genug, um im Frühjahr eine ähnliche Kettenreaktion wie über der Antarktis zu ermöglichen, ändert sich diese Situation nun allmählich. Die besonders kalten Stratosphärenwinter über der Arktis sind heutzutage erheblich kälter als zum Beispiel in den 1960er Jahren.

Ozon unter Beobachtung

Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit für extrem kalte Temperaturen, bei denen im hohen Norden ähnlich wie in der Antarktis die Salpetersäure aus der Stratosphäre schneit und damit als wichtiger Radikalenfänger verloren geht. So kommt es in den nördlichen Breiten zu einem dramatischen Wettlauf: Wird die Stratosphäre im Norden so schnell kälter, dass noch genug FCKW vorhanden ist, um ein Ozonloch aufzureißen?

Auch über dem Nordpol
© Ozone Monitoring Instrument, NIVR, FMI
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Die Arktis Anfang April 2011: Der violette Bereich im Zentrum zeigt die Lage des arktischen Ozonlochs in diesen Tagen. Hier entspricht die Dicke der Ozonschicht nur noch etwa 2,5 Millimeter reinen Ozons. Normal wären Werte um die 4 Millimeter.

Diesen Wettlauf beobachten AWI-Forscher Markus Rex und seine Kollegen aus Europa, Kanada, Russland und Japan mit einer aufwändigen Methode: An 35 Stationen wie der Deutschen Koldewey-Station im Königsfjord der Eismeerinsel Spitzbergen warten jeweils einige Wissenschaftler auf den Befehl aus dem Computer, eine Ozonsonde zu starten. Diese hängt an einem Heliumballon mit rund zwei Meter Durchmesser, der ein Messgerät für Windgeschwindigkeit, Temperatur, Luftdruck und Ozonkonzentration bis in die Stratosphäre tragen kann.

Ozonloch bis Griechenland

Diese Sonde untersucht die Luftmasse in ihrer Umgebung. Aus den so gewonnenen Daten und verschiedenen Werten von Wetterstationen und Satelliten berechnet ein Computerprogramm dann, wohin diese Masse driftet. Sobald sie in die Nähe einer der anderen Stationen kommt, alarmiert der Rechner die dortigen Forscher und teilt ihnen mit, wann sie eine Sonde starten sollen, die unter Berücksichtigung der Abdrift durch Winde im unteren Bereich der Atmosphäre die gleiche Luftmasse erneut unter die Lupe nehmen kann. Bis zu zehn Tage lang beobachten die Forscher so ein bestimmtes Luftmassenpaket, das in dieser Zeit den Nordpol zweimal umrundet. Seit etwa 2005 zeigen die Ergebnisse erste Zusammenhänge zwischen Klimaveränderungen und Ozonverlust: "Sinkt die Temperatur in der arktischen Stratosphäre nur um ein Grad, verringert sich die Ozonmenge über der Arktis um fast fünf Prozent", erklärt AWI-Forscher Rex.

Im Frühjahr 2011 hatte der Klimawandel erstmals die Nase vorn in diesem Wettbewerb: "Im hohen Norden bildete sich ein Ozonloch, das bis zum 50. Breitengrad reichte", erklärt der Forscher. Zum Glück geschah das nicht über dem dicht besiedelten Mitteleuropa, wo Städte wie London, Frankfurt oder Berlin betroffen gewesen wären. Das Loch lag vielmehr über den nahezu menschenleeren Regionen Zentralasiens bis in die Mongolei. Das mag allerdings künftig anders aussehen: Einigen Berechnungen zufolge könnte sich ein neuerliches Nordozonloch bis nach Griechenland ausdehnen.

Kühlung für den Südpol

Während im Norden der Klimawandel das Ozonloch aufreißt, beeinflusst sein Pendant im Süden seinerseits das Klima, indem es vom Klimawandel angeheizten wärmeren Luftmassen den Weg Richtung Antarktis verbaut.

Der Motor für diese Entwicklung ist die kalte Luft, die sich über den kilometerdicken Eismassen des antarktischen Kontinents bildet. Von diesen im Schnitt gut 2500 Meter hohen Ebenen fließt die kalte Luft nach unten und nimmt dabei gehörig Fahrt auf. Französische Meteorologen maßen an der Station Dumont-d’Urville im Juli 1972 einen Superorkan mit einer Windgeschwindigkeit von satten 327 Kilometern in der Stunde.

Die Fallwinde werden ihrerseits von der Drehung der Erde abgelenkt und blasen an den Küsten der Antarktis im Uhrzeigersinn um den Kontinent herum. So bildet sich ein gigantischer Windwirbel, der den Luftmassen aus wärmeren Regionen den Weg zum Südpol verlegt.

Atmosphärenforschung mit Ballonen
© Heiko Gericke, Alfred-Wegener-Institut
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Ein Forscher des Alfred-Wegener-Instituts lässt von der Koldewey-Station, der AWIPEV-Forschungsbasis in Ny-Ålesund auf Spitzbergen, einen Ballon starten. Zusammen mit den Daten von Satelliten helfen solche Messungen, die Vorgänge in der Atmosphäre nachzuvollziehen.

Viel weiter oben rotiert im Bereich der Ozonschicht ein weiterer Wirbel, der mit dem unteren gekoppelt ist. Dort absorbiert das vorhandene Ozon normalerweise Sonnenlicht und wärmt dabei die Luft auf. Bildet sich nun ein Ozonloch, wird weniger Energie absorbiert, die Luft kühlt sich weiter ab, und der Wirbel wird stärker. Dadurch wiederum wehen auch die Winde um die Antarktis herum kräfiger, die so der wärmeren Luft noch wirksamer den Weg in die Antarktis blockieren können. Tatsächlich hat sich das Zentrum der Antarktis in den vergangenen Jahrzehnten leicht abgekühlt, während sich die meisten anderen Regionen der Erde aufwärmten.

Die Antarktische Halbinsel, die wie ein ausgestreckter Zeigefinger in Richtung Südamerika deutet, wird dagegen nicht von der Starkwindzone vor warmer Luft beschützt. Ganz im Gegenteil tragen die stärkeren Winde aus den benachbarten Meeren Wärme in diese Region. Auf der Antarktischen Halbinsel stiegen die Temperaturen so zwischen 1950 und 2010 um beinahe drei Grad Celsius, während im Durchschnitt der restlichen Welt nur um 0,6 Grad Celsius höhere Temperaturen registriert wurden.

Die Ozonpumpe wird stärker

In Zukunft aber sollten die FCKW-Werte langsam sinken und damit auch die Chancen auf ein Ozonloch geringer werden. Das würde den gigantischen Wirbel eisiger Luft ein wenig abmildern und so den Schutzwall gegen die Wärme aus dem Norden brüchiger machen.

Der Klimawandel könnte Mitteleuropa eine besonders dicke Ozonschicht bescheren

"Andererseits wird auch der weiter gehende Klimawandel die Ozonschicht in der Stratosphäre zunehmend beeinflussen", sagt Rex. Mit dem Klimawandel wächst etwa die Energie in der Atmosphäre und vergrößert so die Dynamik der Wettersysteme, die Ozon aus den Tropen nach Norden und Süden verfrachten. Mehr Dynamik bringt daher auch mehr Ozon in höhere Breiten, die Ozonpumpe läuft schneller. "Noch vor der Mitte des 21. Jahrhunderts könnte die Ozonschicht daher über Mitteleuropa wieder die Dicke erreichen, die sie vor der Freisetzung von FCKW hatte", fasst Markus Rex die Ergebnisse vieler Modellrechnungen zusammen.

Weil der Klimawandel auch danach anhalten dürfte, wird die Ozonschicht weiterwachsen. Das Schutzschild vor ultraviolettem Licht wird also besser, und die Risiken durch die UV-Strahlung sinken. Allerdings hat diese Entwicklung auch eine Schattenseite. Ultraviolettes Licht erzeugt in unserer Haut das lebensnotwendige Vitamin D. Schon heute kommen manche Bewohner Skandinaviens – oder ausgeprägte Stubenhocker hier zu Lande – in Schwierigkeiten, wenn zu wenig UV-Licht an ihre Haut gelangt. Mit einer dicker werdenden Ozonschicht wird sich diese Situation verschärfen und schlimmstenfalls technische Gegenmaßnahmen notwendig machen, wie sie die Norweger heute schon auf Spitzbergen demonstrieren, wo die Kinder in der Polarnacht regelmäßig in großen Hallen spielen, um von großen Lampen mit UV-Licht bestrahlt zu werden.

Das Ozonloch im Südpazifik

Völlig unabhängig vom Ozon in der Stratosphäre wird ebenso in den Luftschichten in der Nähe der Erdoberfläche das Gas produziert. Dabei spielen Stickoxide eine wichtige Rolle, die als Schadstoffe aus Industrieschornsteinen und Autoauspuffen entweichen oder bei starken Gewittern über Wäldern entstehen.

In den Weiten des Südpazifiks aber gibt es kaum Land und Menschen. Dort sind also auch Stickoxide und Ozon Mangelware. Als AWI-Forscher Markus Rex daher im Oktober 2009 an Bord des Forschungsschiffs "Sonne" auf der Fahrt von Japan nach Australien die Ozonkonzentrationen bestimmte, glaubte er seinen Augen nicht trauen zu können. Von den Wellen der Südsee bis in Höhen von 15 Kilometern maßen die Forschungsballons praktisch kein Ozon. "Über der Südsee haben wir in der Troposphäre die sauberste Luft weltweit gefunden. Mit den üblichen Instrumenten ließ sich Ozon dort gar nicht mehr nachweisen", meint der Wissenschaftler.

In der extrem reinen Luft des Südpazifiks aber ist Ozon die wichtigste Substanz, aus der so genannte Hydroxylradikale entstehen könnten. Diese Verbindungen aus einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom wirken wiederum wie eine molekulare Waschmaschine, die Substanzen aus der Luft entfernt, die von Tieren und Pflanzen ausgedünstet werden oder bei industriellen Prozessen entstehen. Aus Modellrechnungen schließt Markus Rex, dass dort vier- bis fünfmal weniger Hydroxylradikale als im Rest der Welt in der Luft sind. Die Waschmaschine funktioniert daher über dem Südpazifik schlechter.

Auch in diese eigentlich sehr sauberen Luft der Südsee gelangen aber verschiedene Substanzen. So steigt aus den Algen im Meer Methylbromid in die Luft, Schiffsmotoren blasen Schwefeldioxid in die Atmosphäre. Und auch die boomende Industrie in Südostasien liefert einige Schadstoffe. Anders als in anderen Weltregionen werden diese Substanzen im Südpazifik mangels Hydroxylradikalen schlechter aus der Luft gewaschen und steigen zwischen den Philippinen und den Fidschi-Inseln wie mit einem Fahrstuhl rasch bis in die Stratosphäre auf. Dort oben verstärken sie dann den Ozonabbau über der Antarktis und könnten weltweit das Klima beeinflussen.

Genaueres über dieses Phänomen dürfte Markus Rex mit Hilfe einer Messstation auf Palau in der Südsee erfahren, die er gerade aufbaut, um regelmäßig die Konzentrationen von Ozon und einiger weiterer Substanzen zu messen. Ein Ergebnis dürfte bereits sicher sein: Auch 25 Jahre nach dem Verbot der FCKW-Produktion wird das Ozonloch auf absehbare Zeit noch nicht aus den Schlagzeilen verschwinden.