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Die deutsche Arktisstation im Netzwerk der Stratosphärenforscher

Die Koldewey-Station auf Spitzbergen ist seit Oktober 1992 als eine von fünf besonders qualifizierten Fernerkundungsbasen in das Network for Detection of Stratospheric Change (NDSC) einbezogen, das insbesondere auch die gegen schädliche Ultraviolett-Einstrahlung schützende Ozonhülle der Erde untersucht.

Seit die saisonale Ausdünnung der stratosphärischen Ozonschicht über der Antarktis – das sogenannte Ozonloch – unstrittig ist, schauen die Stratosphärenforscher besorgt auch auf die Nordhemisphäre. Fragten sie gegen Ende der achtziger Jahre, ob über der Arktis die Konzentration des dreiatomigen Sauerstoffs (O3) ebenso kraß abnehme, wie es die südpolaren Frühjahrsminima befürchten ließen, so suchen sie heute zu verstehen, warum dies nicht oder noch nicht der Fall ist.

Die NDSC-Stationen haben ganzjährige Observationen zum Ziel, um den physikalischen und chemischen Zustand der Stratosphäre sowie deren Dynamik aufzuklären; dabei steht die Ozonforschung im Mittelpunkt. Sie dienen zugleich als Referenzstationen für Satellitenmessungen. Außerdem haben sie die Aufgabe, neue Beobachtungsverfahren zu etablieren – die bisherigen erwiesen sich als nicht ausreichend, um die komplizierte Chemie der Stratosphäre aufzuklären.

Die deutsche NDSC-Station auf Spitzbergen (siehe Kasten auf Seite 107) wird vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven gemeinsam mit dem Norwegischen Institut für Luftuntersuchungen (NILU) in Oslo und der Universität Bremen betrieben. Sie ist in die Koldewey-Station des AWI in Ny-Ålesund, einer kleinen Wissenschaftlersiedlung am Kongsfjord, integriert. Im Winter arbeiten dort etwa 15 Forscher, im Sommer mehr als 100, zumeist Skandinavier, aber auch Engländer, Franzosen, Japaner, Amerikaner und eben Deutsche.

Ny-Ålesund (Bild 1) unterscheidet sich von den üblichen Polarstationen durch seinen anheimelnden Charakter. Es ist ein historisch gewachsener, von einer norwegischen Bergbaugesellschaft gegründeter Ort. Überall sind noch Relikte des Steinkohle-Tiefbaus wahrzunehmen. Die einstige Kohlepier, ein Betonbunker, das alte Kraftwerk, Gleise und einige Waggons der Grubenbahn samt Lok (ehedem das nördlichste Eisenbahnsystem der Welt, gebaut von der Berliner Firma Borsig) geben der Siedlung einen montan-musealen Hintergrund. Nach einem schweren Grubenunglück im Jahre 1962 wurde der Schacht geschlossen. Seitdem haben sich nach und nach Forschungsinstitute in Ny-Ålesund einquartiert.

Zentrum der Koldewey-Station ist das ehemalige Direktoriumsgebäude der Bergbaugesellschaft, das Blaue Haus (Bild 2): Darin befinden sich vier Wohnräume für Überwinterer und Sommergäste, der Arbeitsplatz für den Meteorologen, ein Ozonsondenlabor mit Empfangsanlage und Datenverarbeitung sowie ein Rechnerraum. In der alten Schmiede ist das Chemielabor untergebracht. Dann gibt es noch ein Häuschen zur Vorbereitung der Höhenballone, eine Garage, diverse Lagerräume und zwei Container, in denen eine Lidar-Anlage und das Infrarotspektrometer stehen.

Ein bis zwei Mitarbeiter des Alfred-Wegener-Instituts sind den ganzen Winter über vor Ort. Sie haben die Routinemessungen, die täglichen Ballonaufstiege und die kontinuierliche Datenerfassung zu bewältigen. Während spezieller Meßkampagnen wie auch in den Sommermonaten finden bis zu acht Personen auf der Station Unterkunft.

Die Ortswahl Ny-Ålesund war ein Glücksfall. Als das Bundesministerium für Forschung und Technologie 1988 das Ozonforschungsprogramm beschloß und auch dem AWI signalisierte, es möge künftig stärker im Nordpolargebiet tätig werden, wandten sich die bremischen Logistiker an die Norweger. Mit deren Polarforschungsinstitut bestand ein auf die Antarktis bedachter, recht allgemein gehaltener Vertrag, der gegenseitige Unterstützung versprach; richtig zur Geltung kam er aber dann beim Stationsaufbau im Norden. Das NILU empfahl sich mit seiner Dependance in Ny-Ålesund als kooperativer Nachbar.

Die dort vorhandene hervorragende Infrastruktur ermöglichte den deutschen Forschern unverzüglichen Einsatz. Das kleine arktische Dorf gehört nach wie vor der Kings Bay Kull Companie, die für alle logistischen Grundleistungen sorgt. Ny-Ålesund ist ganzjährig per Flugzeug oder Helikopter von Longyearbyen, dem Verwaltungszentrum Spitzbergens, zu erreichen. Der Kongsfjord friert nur wenige Monate im Jahr zu, so daß auch Schiffe die Station anfahren können.

Das norwegische Polarinstitut beschränkt sich in Spitzbergen auf Arbeiten zur Glaziologie, Geologie und Biologie sowie auf Bodenwetterbeobachtungen für den Wetterdienst. Das NILU untersucht die untere Atmosphärenschicht, die Troposphäre, gemeinsam mit der Universität Stockholm. An dieses Höhenprofil anschließend, befaßt sich das Alfred-Wegener-Institut vornehmlich mit der Stratosphäre; dazu gehören Radiosondenaufstiege, Strahlungsmessungen, Ozonsondierungen sowie die spektroskopische Erfassung von Spurengasen und des Aerosols.

Ozonmessungen mit Lidar

Die Ozonsondierung über der polaren Nordhemisphäre war bis vor kurzem in der globalen Stratosphärenforschung unterrepräsentiert. Außer einigen kanadischen und russischen Messungen, den Satellitenbeobachtungen und den Ergebnissen einzelner Kampagnen wie CHEOPS (Chemistry of Ozone in the Polar Stratosphere) 1987 und 1989 im nordschwedischen Kiruna, der Flugerkundung der NASA im Winter 1989 und dem European Arctic Stratospheric Ozone Experiment (EASOE) 1991/92 stand nichts zur Verfügung. Das mag, da dem wissenschaftlich aktiven Westeuropa das Nordpolargebiet viel näher als der Südpol liegt, verwunderlich scheinen – aber die Arktis ist noch schwerer zugänglich als Antarktika. Das Polarmeer verhindert einen regulären Observatoriumsbetrieb, und die sibirischen Gebiete waren aus politischen Gründen für Forscher aus dem Westen unzugänglich.

Für die Ozonmessungen werden an der Koldewey-Station genutzt:

– ein Lidar-Gerät mit zweiwelligem gepulstem Ultraviolett-Laser mit einer Reichweite von 13 bis 50 Kilometern Höhe (Lidar steht analog zu Radar für light detection and ranging),

– Ballone mit angehängten elektro-chemischen Ozonsonden, die bis etwa 30 Kilometer hochsteigen, und

– ein Mikrowellenradiometer, das bis in 60 Kilometer Höhe und damit weit über die Obergrenze der Ozonschicht reicht; es wurde vom Institut für Fernerkundung der Universität Bremen entwickelt und im letzten Winter erfolgreich erprobt.

Seit es leistungsstarke Pulslaser gibt, werden immer häufiger Lidar-Verfahren in der Atmosphärenforschung eingesetzt. Das Prinzip besteht darin, daß die Atmosphäre einen kleinen Teil der Strahlungspulse in alle Raumrichtungen streut. Die rückläufigen Signale werden mit einem Teleskop gesammelt und von einem Photodetektor in elektrische Signale umgewandelt. Aus der Laufzeit des Lichts läßt sich die Reflexionshöhe bestimmen; die Intensität des empfangenen Signals ist ein Maß für die Dichte der streuenden Teilchen in der Atmosphäre.

Um Ozon messen zu können, bedarf das Lidar jedoch einer Modifikation. Man braucht zeitgleich zwei Wellenlängen – eine, bei der die normale Luftdichte bestimmt, und eine weitere, bei der die Strahlung von den Ozonmolekülen entsprechend ihrer Konzentration absorbiert wird. Dieses DIAL-Verfahren (kurz für differential absorption lidar) hat Herbert Walther, Professor für Experimentalphysik an der Universität München und einer der Direktoren des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching, perfektioniert.

Walther wählte als eine Wellenlänge 308 Nanometer (millionstel Millimeter), die in der Absorptionsbande des Ozons liegt, und als zweite 353 Nanometer, die zwar auch noch zum ultravioletten Spektrum gehört, auf die Ozon aber nicht reagiert. Der Trick besteht darin, daß man den Laserstrahl durch eine mit Wasserstoff gefüllte Zelle leitet: Durch den inelastischen Raman-Effekt wird etwa ein Drittel des Lichts an Wasserstoffmolekülen vorwärts gestreut, also in Richtung der unbeeinflußten Strahlanteile, wobei sich die Energie der gestreuten Photonen verringert, was eine Vergrößerung ihrer Wellenlänge bedeutet (der indische Physiker Chandrasekhara Venkata Raman erhielt für die Entdeckung des nach ihm benannten Effekts, daß sich bei der Streuung von Licht an Molekülen dessen Wellenlänge ändert, 1930 den Nobelpreis). Die Pulscharakteristik geht dabei nicht verloren, so daß das Gerät nun synchron Strahlungspulse zweier Wellenlängen aussendet.

Bisher konnte das DIAL-Verfahren nur während der dunklen Jahreszeit angewendet werden; bei Tageslicht war das Photonenrauschen viel zu stark, als daß man Rückstreusignale der ultravioletten Laser-Pulse hätte identifizieren können. Mit einer Kombination optischer Filter ließ sich jedoch die spektrale Empfindlichkeit des Empfängers so weit einengen, daß auf den Detektor auch im Sommer bei Sonnenschein nur noch Strahlung im Bereich der verwendeten Wellenlänge gelangt. Mit diesem ersten Tageslicht-DIAL können nun Jahresgänge der Ozonverteilung bis in 50 Kilometer Höhe aufgezeichnet werden.

Die zeitliche Auflösung des DIAL-Systems an der Koldewey-Station beträgt etwa eine Mikrosekunde; das entspricht Höhenschritten von 200 Metern.

Damit sind die Vorteile des DIAL-Verfahrens benannt: große Reichweite und hohe Auflösung. Das Gerät ist praktisch immer einsatzbereit. Die Messungen erfordern wenige Stunden und können kurz nacheinander wiederholt werden, zum Beispiel um einen Tagesgang zu bestimmen. Der laufende Betrieb verursacht nur geringe Kosten.

Nachteilig sind der noch hohe Anschaffungspreis (das System ist drei- bis viermal so teuer wie eine Ozonsondenstation) und die komplizierte Bedienung (nur wenige Spezialisten im AWI und an der Universität Bremen sind dazu imstande). Auch können die untersten Höhenschichten nicht erfaßt werden, weil die dorther rückgestreute Strahlung so intensiv ist, daß die empfindlichen Photomultiplier blind würden; die gesamte Troposphäre bleibt also ausgeblendet. Dennoch hofft Roland Neuber vom Bereich Luftchemie des AWI, der für die Lidar-Messungen auf Spitzbergen verantwortlich ist, daß die absorptionsspektroskopischen Verfahren zumindest teilautomatisiert werden und die klassischen Sondierungsmethoden mehr und mehr ergänzen können. Gegenwärtig ist das Lidar-System der Koldewey-Station das einzige in der Arktis, das regelmäßig Ozon mißt.

Nach wie vor ist das Auflassen von Ballonsonden die Standardmethode zur Messung der vertikalen Verteilung des Ozons (Bild 3). Obwohl mit vielen Handreichungen verbunden, lassen sie sich einfacher bewerkstelligen als die Lidar-Messungen.

Über das Sommerhalbjahr wird wöchentlich ein Ballon gestartet. Im November und Dezember, wenn sich die stratosphärische Zirkulation auf das Winterregime umstellt, sind es zwei und im Winter drei bis vier Aufstiege. Die Gummiballone platzen meist zwischen 25 und 30 Kilometer Höhe; schwieriger zu handhabende Plastikballone steigen noch etwas weiter auf. In jedem Fall wird das Maximum der Ozonschicht durchflogen. Vorteil dieser Sondierung ist, daß sie im Gegensatz zum Lidar schon Daten vom Boden ab liefert.

Der Beobachtungszeitraum der Koldewey-Station ist noch zu kurz, als daß schon Trendaussagen möglich wären. Ein Ozonloch wurde indes nicht beobachtet. Die jahreszeitliche Entwicklung verlief seit 1990 jeweils sehr ähnlich.

Überraschenderweise unterschieden sich auch die Monatsmittelwerte für Januar wenig. Im allgemeinen nimmt das Gesamtozon während der Wintermonate zu und erreicht im Frühjahr Werte bis zu 550 Dobson-Einheiten (1 Dobson-Einheit = 2,7 ¥ 1016 Moleküle pro Kubikzentimeter; das Maß für die gesamte Ozonmenge in der irdischen Lufthülle über einem geographischen Ort pro Flächeneinheit ist nach dem englischen Physiker Gordon Miller Bourne Dobson benannt, der in den zwanziger Jahren ein Spektrometer für solche Messungen entwickelt hatte). Das Ozonmaximum befindet sich in den Polargebieten in nur 18 Kilometern Höhe, während es in mittleren Breiten zwischen 20 und 30 Kilometern liegt. Sowohl der Zeitraum als auch die Dauer des Frühjahrsmaximums unterscheiden sich von Jahr zu Jahr. Der starke Ozonanstieg ist immer mit dem Zusammenbruch der winterlichen Zirkulation über der Arktis verbunden. Nach dem Frühjahrsmaximum nimmt das Gesamtozon kontinuierlich von mehr als 400 auf etwa 300 Dobson-Einheiten zum Jahresende hin ab.

Betrachtet man die Struktur allein der winterlichen Ozonschicht, so variiert sie in einigen Jahren ganz erheblich. Am 4. März 1991 zum Beispiel sank die Konzentration zwischen 14 und 17 Kilometern Höhe sogar auf ein Fünftel der normalen Werte, was mit einer Zufuhr an – in diesen niedrigen Höhen ozonarmer – Luft aus mittleren Breiten zu erklären ist.

Unabhängig von diesen advektiv hervorgerufenen Einbrüchen in den Ozonprofilen traten jedoch im letzten Winter (1993) deutlich niedrigere Ozonkonzentrationen auf als in den Jahren davor. So lag im Februar 1993 die Ozongesamtsäule um etwa 60 Dobson-Einheiten oder 20 Prozent niedriger als im fünfjährigen Mittel. Dies wird auch von anderen Meßstationen der nördlichen Hemisphäre gemeldet, die im weltweiten Ozon-Beobachtungssystem der World Meteorological Organization (WMO) zusammengefaßt sind. Hervorgerufen wurde dieser Ozon-Schwund vermutlich durch den im letzten Winter besonders stabilen arktischen Polarwirbel, in dem sich bei tiefen Temperaturen die für die Ozonzerstörung wesentlichen Polaren Stratosphärenwolken ausbilden konnten.

Stratosphärenwolken und vulkanisches Aerosol

Mit dem Lidar der Koldewey-Station wurden 1989 auch zum erstenmal Stratosphärenwolken über Spitzbergen beobachtet, fachlich kurz PSCs nach englisch polar stratospheric clouds genannt. Sie bestehen entweder aus Wassereis oder Salpetersäurehydraten und bilden sich unterhalb des Gefrierpunktes dieser Substanzen. Die Salpetersäuretrihydrat-Kriställchen (PSCs vom Typ I) sind wohl wesentlich am katalytischen Abbau der Ozonschicht beteiligt (Spektrum der Wissenschaft, August 1991, Seite 42).

Nach der Entdeckung arktischer PSCs statteten die Luftchemiker des AWI das Lidar zusätzlich mit einem Neodym-YAG-Laser aus, so daß sie das optische Verhalten des Aerosols auf mehreren Wellenlängen untersuchen können. Im Januar 1990 wurden wieder PSCs beobachtet. In den folgenden Jahren aber blieben entsprechende Signale aus; die Stratosphäre war nicht kalt genug. Erst im Januar 1993 konnten wieder PSCs fast während des gesamten Monats mit der Mehr-Wellenlängen-Lidar-Anlage beobachtet werden.

Die Unbeständigkeit der arktischen PSCs ist symptomatisch für die komplizierte Dynamik der nordpolaren Stratosphäre. In der Antarktis sind die Verhältnisse viel stabiler. Dort bilden sich solche Stratosphärenwolken permanent und flächendeckend in jedem Winter aus. Grund dafür ist die im Vergleich zum Nordpolargebiet andere Morphologie: Der antarktische Kontinent ragt wie ein Kältefinger in die Atmosphäre. Dadurch kann sich der Polarwirbel gut zentrieren; dieses etwa hundert Kilometer breite Starkwindband folgt in 15 bis 25 Kilometern Höhe, grob betrachtet, der Küstenlinie des Kontinents. Er verhindert das Einströmen warmer Luftmassen aus mittleren Breiten. Folglich liegen die stratosphärischen Temperaturen im antarktischen Winter um entscheidende zehn Grad tiefer als im polaren Norden.

Demgegenüber befindet sich im Zentrum der Arktis ein von kontinentalen Rändern umgebenes Ozeanbecken, dessen Begrenzung unregelmäßig und zum Europäischen Nordmeer hin weit offen ist. Die Wintertemperaturen über dem Nordpolarmeer betragen nur minus 30 bis minus 40 Grad Celsius. Auch hier baut sich zwar ein Polarwirbel auf, aber er eiert gewissermaßen um den Nordpol, ist oft oval gestreckt und trennt sich zeitweise in Teilwirbel auf. Deswegen gelangt immer wieder mildere, in großen Höhen ozonreiche Luft aus dem Süden in den eigentlichen Wirbelbereich.

Das Modell der polaren winterlichen Stratosphäre als eines chemischen Reaktors, in dem Luftmassen mit bestimmten Substanzen durch einen stabilen Polarwirbel eingeschlossen sind, die nun miteinander reagieren, veranschaulicht recht gut die Verhältnisse über Antarktika. Die Stratosphärenforscher sind jetzt dabei zu prüfen, warum dieses Modell nicht auf die Arktis übertragbar ist. Einer neueren Hypothese zufolge gleicht das Geschehen dort eher dem in einem Durchflußreaktor: Es sollten innerhalb des arktischen Polarwirbels die gleichen ozonzerstörenden Reaktionen ablaufen wie über der Antarktis. Jedoch wird infolge des stetigen Nachströmens ozonhaltiger Luft lokal eine hohe Ozonkonzentration aufrechterhalten; und unten fließt aus diesem Reaktor weniger Ozon aus, weil es sich an Nachfolgeprodukten von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs) zersetzt. „Auf diese Weise könnte erklärt werden, weshalb in der Arktis bisher keine dramatische Ausdünnung des Ozons beobachtet wurde, obwohl im nordpolaren Winter über die letzten zehn Jahre die höchsten Ozonverluste festgestellt wurden“, erläutert Neuber.

Der Ozonhaushalt wird durch die festen und flüssigen Teilchen der Atmosphäre – eben das Aerosol, und im Prinzip sind die PSCs auch nur Aerosolansammlungen – maßgeblich beeinflußt: Zum einen besteht Aerosol großenteils selbst aus reaktiven Substanzen, zum anderen liefert es die Kondensationskeime, an deren Oberfläche die für die Ozonschicht abträglichen Reaktionen stattfinden. Die chemischen Prozesse selbst müssen allerdings in Laborversuchen simuliert werden; das Alfred-Wegener-Institut hat für derartige Experimente geeignete Tieftemperatur-Reaktoren entwickelt.

Außer dem Aerosol-Lidar setzen die Forscher im Sommer ein von Ulrich Leiterer am Aerologischen Observatorium Lindenberg im Land Brandenburg entwickeltes Sonnenphotometer ein. Ausgewertet werden die Aerosol-Meßdaten in der Forschungsstelle Potsdam des AWI, die aus der kleinen Koordinierungsgruppe der DDR-Polarforschung hervorgegangen ist und auf etwa 40 Mitarbeiter erweitert wurde. Überhaupt sollen künftig die wissenschaftlichen Aktivitäten an der Koldewey-Station von Potsdam aus geleitet werden; die Forschungsstelle dort konzentriert sich, im Unterschied zum marin orientierten Stammhaus des AWI in Bremerhaven, mehr auf die terrestrische Polarforschung.

Beim troposphärischen Aerosol gilt das Hauptaugenmerk der vom Menschen verursachten Verschmutzung der Atmosphäre, insbesondere der arctic haze genannten Dunstschicht, die sich im Frühjahr über der Arktis bildet. In dieser Zeit erreicht die Trübung Werte wie sonst nur über Industriegebieten. In der Antarktis war dieses Phänomen bisher nicht wahrzunehmen.

Welch entscheidenden Einfluß die globale atmosphärische Zirkulation auf die Luftchemie hat, offenbarte einmal mehr der Ausbruch des philippinischen Vulkans Pinatubo im Juni 1991. Bereits zwei Monate später registrierten die Wissenschaftler auf Spitzbergen ein schlagartiges Ansteigen des Aerosolgehalts in Höhen zwischen 11 und 18 Kilometern (Bild 4). Mit einem so raschen Transport aus den Tropen in hohe nördliche Breiten hatte man nicht gerechnet.

Bemerkenswert ist der verhältnismäßig tiefe Höhenbereich des vulkanischen Aerosols direkt über der Tropopause. Es besteht zumeist aus winzigen Schwefelsäuretröpfchen, an deren Oberfläche vermutlich ebenfalls Reaktionen ablaufen, die bei der Ozonzerstörung eine Rolle spielen.

Außer allen anderen routinemäßig erfaßten meteorologischen Parametern wird an der Koldewey-Station auch die Strahlungsbilanz ermittelt. Dafür gibt es dort einen sogenannten Strahlungspark: eine ungestörte Fläche mit diversen Meßgeräten vom Infrarot- bis zum Ultraviolett-Bereich. Die Station ist in das globale Baseline Surface Radiation Network (BSRN) einbezogen.

Spurengase

Der dritte Forschungskomplex ist die für die Ozonchemie relevante Untersuchung der Spurengase. Dabei arbeitet die Koldewey-Station wieder mit einer interessanten Weiterentwicklung: einem Infrarot-Spektrometer, das eine große Anzahl von Spurengasen gleichzeitig mißt. In der Atmosphärenchemie ist das besonders wichtig, denn die Kenntnis einzelner Konzentrationen reicht nicht aus, um die komplexen chemischen und dynamischen Prozesse zu verstehen; man braucht stets den Vergleich mit anderen Elementen und Verbindungen.

Der Prototyp des Gerätes, nach Vorgaben von Otto Schrems, Professor für Atmosphärenchemie an der Universität Bremen und Leiter der luftchemischen Arbeitsgruppe des AWI, von einer Karlsruher Firma gebaut, wurde im März 1992 in Ny-Ålesund erprobt. Zu dieser Jahreszeit dient, wie allgemein üblich in der Absorptionsspektroskopie, die Sonne als Quelle infraroter Strahlung. Im letzten Winter gelang es jedoch erstmalig, das vom Mond reflektierte Licht zu nutzen. Da dessen Infrarot-Anteil mindestens hunderttausendfach geringer ist als derjenige der direkten solaren Strahlung, dauert ein Meßgang etwa drei Stunden. Aber die Sensibilität der Filter-Detektor-Kombinationen läßt es erstmals zu, auch in der Polarnacht eine Vielzahl von Spurengasen gleichzeitig zu erfassen und endlich die Datenlücke zu schließen, die sich bisher über die Monate November bis Februar auftat.

In der dunklen Jahreszeit laufen die Prozesse ab, die dann im Frühjahr den verstärkten chemischen Ozonabbau auslösen können. Wenn die Sonne die Ausgangssubstanzen photolysiert, ist es eigentlich schon zu spät für aufschlußreiche Messungen. Die aktuellsten Serien von Spektren, die mit lunarer Infrarotstrahlung gewonnen wurden, stammen vom Dezember 1992 und Februar 1993. Bemerkenswert daran ist, daß sie sich auf die gleiche Luftmasse beziehen: Anfang Dezember bildete sich der Polarwirbel aus, und er war – was nicht immer vorkommt – im Februar über Spitzbergen noch vorhanden.

Obwohl die genauen Auswertungen einige Zeit dauern werden, kann Justus Notholt vom Bereich Physik und Chemie der Atmosphäre des AWI in Potsdam aus den Datenreihen erste Ergebnisse ableiten. Die Konzentration des Spurengases Salzsäure (HCl) nimmt in der Polarnacht stark ab. Im Februar sanken die Werte auf etwa ein Drittel im Vergleich zum Dezember. Diese Verbindung, die hauptsächlich aus den vom Menschen freigesetzten FCKWs entsteht, ist wegen des Bestandteils Chlor eine Vorstufe für direkt ozonzerstörende Substanzen. Verringert sich im Winter der HCl-Gehalt der Luft, so bilden sich offenbar schon in der Dunkelheit besonders reaktive Stoffe, zum Beispiel das Chloroxid ClO. Während der Messungen im Februar waren keine polaren Stratosphärenwolken vorhanden, die – wie sonst beobachtet – HCl hätten adsorbieren können. Dieses Ergebnis stimmt mit den Messungen während der amerikanischen Flugzeugkampagne 1991/92 überein, die spektakulär hohe Konzentrationen von ClO nachgewiesen hatten.

Stickstoffdioxid, das Chlorverbindungen abfangen und somit den katalytischen Ozonabbau unterbrechen kann, war im Polarwinter nur in geringer Konzentration vorhanden. Demgegenüber wurden im Dezember und Februar relativ hohe Werte von Chlornitraten (ClONO2) festgestellt. Chlornitrat, das aus Chlormonoxid und Stickstoffdioxid entsteht, kann mit anderen Verbindungen reagieren oder Licht absorbieren – dann wird das Chlor freigesetzt, das die Ozonmoleküle aufbrechen kann.

Außer der Atmosphärenforschung werden an der Koldewey-Station vor allem geophysikalische und biologisch-chemische Programme verfolgt. So untersuchten Mitarbeiter des AWI, welche Lebewesen in Polargebieten organische Halogenverbindungen freisetzen. Einige dieser Substanzen sind relativ stabil; sie könnten in die Stratosphäre aufsteigen und zum katalytischen Ozonabbau beitragen. Christian Wiencke und Frank Laturnus wiesen zum Beispiel nach, daß die in der Bucht vor Ny-Ålesund massenhaft vorkommenden Braunalgen relativ große Mengen von Halogenkohlenwasserstoffen abgeben (pro Kilogramm Pflanzenmaterial der Art Laminaria saccharina bis zu 150 Mikrogramm Bromoform am Tag). Die Forscher vermuten, daß die Algen solche Substanzen als Wund- und Freßschutz produzieren.

Besonders die durch Halogenaustausch aus Bromoform gebildeten, im Wasser schlecht löslichen und leicht flüchtigen Bromchlorverbindungen könnten bei photochemischen Reaktionen von Bedeutung sein. Das würde die Hoffnung mancher Wissenschaftler, die Ozeane seien eine sehr aufnahmefähige Kohlendioxidsenke, relativieren: Nach neuesten Untersuchungen der Gruppe von Victor Smetacek am AWI stimuliert ein zunehmender Kohlendioxidgehalt im Ozeanwasser das Algenwachstum.

Alles in allem bündeln sich die Arbeiten an der Koldewey-Station im großen Thema Klimawandel und in „Global Change“, einer umfassenden Forschungsinitiative des Internationalen Rates wissenschaftlicher Vereinigungen zu den Problemen globaler Veränderungen. Das deutsche Sekretariat für dieses Programm ist denn auch am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven eingerichtet worden. In Ny-Ålesund verfügt die Umweltforschung der Bundesrepublik nun über eine der nördlichsten Beobachtungsbasen der Erde.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 1993, Seite 104
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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