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Lexikon der Biologie: Ozon

Ozon s [von griech. ozōn = stark riechend], Trisauerstoff, chemische Formel O3, Form des Sauerstoffs mit aus 3 Sauerstoffatomen bestehenden Molekülen. Ozon ist ein farbloses, sehr giftiges Gas mit charakteristischem Geruch, das noch in geringsten Spuren (1:500.000) wahrgenommen wird. Das nicht besonders stabile Ozon zerfällt im Labor mit einer Halbwertszeit von 3 Tagen (bei 20 °C) zu molekularem (O2) und atomarem Sauerstoff (O), der sehr stark oxidierend wirkt (Oxidation) und deshalb organische Verbindungen auch in lebenden Zellen zerstört. Ozon, das außer Fluor stärkste Oxidationsmittel, oxidiert Metalle in ihre höchste Oxidationsstufe, Sulfite zu Sulfaten, Ammoniak zu Salpetersäure, Kohlenstoff zu Kohlendioxid; viele organische Farbstoffe, Gummis, Ether, Alkohole und Fette werden oxidativ zerstört. An C–C-Doppelbindungen wird Ozon angelagert; die dadurch entstehenden Ozonide sind unbeständig und werden durch Wasser leicht zu Carbonylverbindungen (Carbonylgruppe) hydrolysiert. Diese als Ozonisierung bezeichnete Reaktion wird zur Bestimmung der Lage von Doppelbindungen (Ozonolyse) und zur Synthese von Carbonylverbindungen eingesetzt. Ozon tötet Mikroorganismen ab (bakterizid) und wird u.a. zur Luftreinigung, Entkeimung von Trinkwasser (Ozonisierung; Wasseraufbereitung) und Entfernung von Gerüchen verwendet. Die Ozonisierung von ungesättigten Fettsäuren ist vermutlich für die toxischen Effekte (Schädigungen der Atemwege, die sich durch Nasenbluten, Bronchitis, Lungen-Ödeme äußern) und für die desinfizierende Wirkung (Desinfektion) verantwortlich. Auch wirkt sich Ozon negativ auf den Gasaustausch der Pflanzen aus. Neuen Ergebnissen zufolge verhindert es offenbar den Einstrom von Kaliumionen in die Schließzellen, weshalb die Pflanzen ihre Spaltöffnungen nicht mehr öffnen können. – Ozon kommt auf der Erde als atmosphärisches Spurengas in der gesamten Atmosphäre vor (zu Bildung und Abbau von Ozon in der Stratosphäre bzw. Troposphäre [Bodennähe]: vgl. Infobox ). Der natürliche Ozongehalt der Atmosphäre liegt im Bereich von etwa 10–6% (einige ppb; Konzentration). 85–90% sind in der Stratosphäre (etwa 12–50 km Höhe) enthalten, das Maximum der Ozonschicht oder Ozonosphäre liegt global gemittelt bei etwa 25 km Höhe ( vgl. Abb. 1 ), die Ozonkonzentration beträgt dort bis zu ca. 5·1012 Moleküle pro cm3. Der gesamte Ozongehalt einer Luftsäule ergäbe unter Normalbedingungen (1013,25 Hektopascal, 0 °C) eine reine Ozonschicht von nur etwa 3 mm Dicke. – Ozon entsteht in der Stratosphäre durch den Beschuß von Sauerstoffmolekülen durch die UV-Strahlung (Ultraviolett) der Sonne (Wellenlänge λ <242 nm). Die dabei gebildeten Sauerstoffatome (O) reagieren sogleich mit einem weiteren Sauerstoffmolekül (O2) zu Ozon (O3). Die Energie der UV-B-Strahlung der Sonne wiederum vermag das reaktionsfreudige Ozon wieder zu spalten ( vgl. Infobox ). Auf diese Weise kann diese lebensbedrohliche Strahlung mit Wellenlängen von weniger als 320 nm nur abgeschwächt zur Erdoberfläche durchdringen. Das stratosphärische Ozon schirmt somit also die Erdoberfläche vor der gefährlichen solaren UV-Strahlung ab, indem es Licht mit diesen Wellenlängen absorbiert. Es bleibt festzuhalten, daß das Sonnenlicht sowohl für die Entstehung des Ozons verantwortlich ist als auch für dessen Zerstörung. In der Stratosphäre hat sich auf diese Weise ein empfindliches Gleichgewicht eingestellt, das der Mensch nachhaltig stört (s.u.). – Die Menge des Ozons in der Atmosphäre wird als sog. Säulendichte in Dobson-Einheiten (Dobson-Units, DU) angegeben. Dabei entspricht 1 Dobson-Unit der Menge von reinem Ozon, die unter Normalbedingungen (s.o.) eine Schichtdicke von 10–3 cm hätte (1 DU = ca. 2,69 ·1016 Moleküle/cm2). Bei Ozondichten von unter 220 DU spricht man von einem "Ozonloch" ( vgl. Abb. 2 ). Der mittlere Wert der Ozondichte in der Atmosphäre liegt bei ca. 330 DU. Die Dicke der Ozonschicht ist nicht nur räumlich sehr variabel, sondern zeigt auch einen ausgeprägten Jahresgang. Im Mittel hat die globale Ozonschicht im Breitenbereich zwischen 60° s.Br. und 60º n.Br. seit 1980 um etwa 5% abgenommen ( vgl. Abb. 3 ). Dabei werden die stärksten Trends in mittleren Breiten und in den polaren Regionen beobachtet. Neben natürlichen Abbauprozessen (infolge UV-Strahlung) werden anthropogene Chemikalien (vor allem Fluorchlorkohlenwasserstoffe [FCKW] und bromhaltige Halone) für die Zerstörung der Ozonschicht verantwortlich gemacht ( vgl. Infobox ). "Ozonlöcher" kommen im September und Oktober jeden Jahres über dem Südpol (Antarktis) vor ( vgl. Abb. 4 ). Eine wesentliche Rolle für ihre Bildung spielen dabei die polaren stratosphärischen Wolken und der südpolare, großräumige Luftwirbel (Vortex): Als Folge der Abkühlung der Atmosphäre während der Polarnacht können polare Stratosphärenwolken (Perlmutterwolken, polar stratospheric clouds, PSC) entstehen, an deren Oberflächen Chlorsubstanzen (Chlor, Chlorchemie, Chlorkohlenwasserstoffe) durch heterogene Reaktionen sehr effektiv in aktive, ozonzerstörende Verbindungen umgewandelt werden. Aufgrund der Zunahme des Chlorgehalts der Atmosphäre durch die Emission von FCKWs in den letzten Jahrzehnten auf mehr als das 5fache des natürlichen Werts hat sich die Ausdehnung des antarktischen Ozonlochs seit seinem ersten Auftreten Anfang der 1980er Jahre ständig vergrößert. Auch die Stärke der Ozonabnahme nahm seither zu. In der Höhe des natürlichen Maximums der Ozonkonzentration (etwa 20 km) wird seit einigen Jahren sogar ein völliges Verschwinden des Ozons während des antarktischen Ozonlochs festgestellt. In den letzten 10 Jahren konnte zweifelsfrei nachgewiesen werden, daß die heterogenen Prozesse, die für den schnellen Ozonabbau im Ozonloch verantwortlich sind, auch während des Winters in der polaren Stratosphäre über dem Nordpol (Arktis) wirksam sind. Allerdings ist es wegen der unterschiedlichen meteorologischen Bedingungen im arktischen Polarwirbel noch nicht zu einem Ozonabbau gekommen, der mit dem Phänomen "Ozonloch" vergleichbar ist. Die Frage, inwieweit auch hier in Zukunft die Ozonzerstörung Ausmaße wie über der Antarktis erreichen könnte, ist Gegenstand intensiver Forschung. – Integrierte Modelle, welche die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Reaktionszyklen bei Bildung und Abbau von Ozon, die Dynamik der Atmosphäre und anthropogene Einflüsse berücksichtigen, sind noch sehr unzulänglich. Im Wärmehaushalt der Stratosphäre durch Strahlungsabsorption spielt Ozon neben Kohlendioxid und Wasserdampf eine gleichgewichtige Rolle, so daß bei Änderung der Ozonverteilung fühlbare Veränderungen des Wettergeschehens sowie des Klimas nicht ausgeschlossen werden können (Klimaänderungen, Treibhauseffekt). Crutzen (P.J.), Ladenburg (A.), Loschmidt (J.), Luftverschmutzung, Medizinmeteorologie, Methylbromid, Molina (M.J.), neuartige Waldschäden, Photooxidantien, Photooxidation, Rowland (F.S.), Schönbein (C.F.), Smog.

Lit.: Mégie, G.: Ozon. Atmosphäre aus dem Gleichgewicht. Berlin 1989. Moussiopoulos, N., Oehler, W., Zellner, K.: Kraftfahrzeugemissionen und Ozonbildung. Berlin 1989. Sandermann, H.: Ozon. Enstehung, Wirkung, Risiken. München 2001. Sonnemann, G.: Ozon. Natürliche Schwankungen und anthropogene Einflüsse. Berlin 1992. Zellner, R.: Chemie der Stratosphäre und der Ozonabbau. In: Guderian, R. (Hrsg.): Handbuch der Umweltveränderungen und Ökotoxikologie. Band 1A. Berlin 2000.



Ozon

Abb. 1: Typisches Höhenprofil der atmosphärischen Ozonkonzentration



Ozon

Abb. 2: Ozonloch: Abnahme der mittleren Ozonsäulendichte über der Station Halley Bay (76 s.Br.) in der Antarktis. Bodenbeobachtungen sind als Punkte, Satellitenmessungen als Kreise dargestellt.



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Abb. 3: Ozonschicht: Abnahme der Ozonschicht in mittleren Breiten (Observatorium Hohenpeißenberg) im Zeitraum von 1968–1996



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Abb. 4: Ozonloch: Anfang September 2000 nahm das Ozonloch über der Antarktis eine Fläche von 28,3 Millionen Quadratkilometern ein und war damit mehr als dreimal so groß wie die Fläche der USA. Die Abb. zeigt eine Aufnahme des Ozonlochs vom 21.9.2000. Es erstreckt sich bis zur Spitze von Südamerika (im Bild links).



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Abb. 5: Ozonbildung: Zunahme des Ozongehalts in Troposhäre und unterer Stratosphäre (Observatorium Hohenspeißenberg) im Zeitraum von 1967-1996 (DU = Dobson-Einheit)

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