Du lernst für: Studiengang Technischer Umweltschutz: Luftreinhaltung

Thema: Luftreinhaltung →Vorlesungen Luftreinhaltung I und II →Ozonschicht

• Ozonschicht

• ? Welche Forderungen muss ein Stoff erfüllen, um die Ozonschicht abzubauen?
• Er muss einerseits ein Ozonmolekül spalten, wobei er selbst ein Sauerstoffatom aufnimmt und ein Sauerstoffmolekül übrig bleibt. Andererseits müssen von diesem Stoff oder einem Folgeprodukt freie Sauerstoffatome abgefangen werden, um die Neubildung von Ozon zu unterbinden. Chloratome besitzen diese Eigenschaften. Sie reagieren mit Ozon zu Chloroxomolekülen ClO und Sauerstoff. Die Chloroxomoleküle wiederum fangen freie Sauerstoffatome ab, wobei unter Abgabe eines Sauerstoffmoleküls wieder Chloratome entstehen. Stickstoffmonoxid-Moleküle NO wirken ebenfalls als "Fänger" freier Sauerstoffatome und bilden mit diesem Stickstoffdioxid NO₂.

• ? Durch welche Reaktionen wird die Ozonschicht aufgebaut?
• 1. O₂-Moleküle werden durch UV-Strahlung in freie O-Atome gespalten, die sich mit weiteren O₂-Molekülen zu Ozon verbinden.
  2. NO₂ überträgt ein O-Atom auf ein O₂-Molekül und wird dabei selbst zu NO reduziert.

• ? Wie verhält sich der Ozonaufbau bzw. -abbau über der Antarktis im Jahresverlauf?
• Im polaren Sommer tritt nur ein geringer Ozonabbau ein, da die abbauaktiven Substanzen (Cl-Atome, Chloroxo-Moleküle, Stickoxide) inaktiviert werden, indem sie (unter Beteiligung von Methan, Wasserdampf und Schwefelsäure) in photostabile Substanzen (u. a. Chlornitrat ClONO₂, Chlorwasserstoff HCl und Salpetersäure HNO₃) umgewandelt werden. Diese UV-stabilen Stoffe sammeln sich in ca. 15 km hoch gelegenen sog. polaren stratosphärischen Wolken (Polar Stratospheric Clouds - PSC), die vor allem aus Salpetersäure- und Schwefelsäure-Eis bestehen. Mit Einbruch des polaren Winters (Polarnacht) nimmt die Ozonkonzentration ab, da in der Dunkelheit kein Ozon neugebildet wird. Gleichzeitig erfolgt Ozonabbau durch Chloratome, die ständig an den Oberflächen der Polarwolken gebildet werden. Für letztere Umwandlung sind OH-Radikale verantwortlich, die mit ansonsten passiven HCl-Molekülen zu Cl-Atomen und Wasser reagieren. Im Verlauf des antarktischen Winters bilden sich in der Stratosphäre über der Antarktis Luftwirbel aus, die neben einer stabilen Schichtung und so zu einem abgeschlossenen "Reaktionsgefäß" auch zu sehr tiefen Temperaturen unter -80°C führen. Bei diesen tiefen Temperaturen werden (an den Oberflächen der Salpetersäure-Eiskristalle, die als Katalysator wirken) in den stratosphärischen Wolken die photostabilen Substanzen in photolabile Substanzen wie Chlor Cl₂, unterchlorige Säure HClO und vor allem Dichlordioxid Cl₂O₂ umgewandelt. Mit Beginn des polaren Frühlings bilden sich aus diesen Substanzen schließlich riesige Mengen an Chlor- und ClO-Radikalen, die den starken Ozonabbau verursachen. Stickoxide, die dem Ozonabbau entgegenwirken könnten, sind noch in den Eiswolken festgelegt. Im polaren Sommer schließt sich das Ozonloch wieder, da Sonneneinstrahlung die Ozonbildung fördert, die Stickoxid-"Schutzmoleküle" wieder freigesetzt sind und das Heranströmen ozonhaltiger Luft nach Auflösung der stabilen Schichtung möglich wird. [B], [4], [3, S. 20-21]

• ? Ist die Bildung von Ozon aus Sauerstoffatom und Sauerstoffmolekül ein exothermer oder ein endothermer Prozess?
• Die Ozonbildung aus O₂ und freien Sauerstoffatomen ist eine exotherme Reaktion. [B]