Auswirkungen der Fluorchlorkohlenwasserstoffe auf die Ozonkonzentration

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1 Auswirkungen der Fluorchlorkohlenwasserstoffe auf die Ozonkonzentration [Eine Arbeit für das Fach Formales Denken und Arbeiten von Philippe Hässig und Noël Graber] 17. Februar 2004

2 Inhalt Inhalt 2 Einleitung 3 Was sind FCKWs? 4 Was sind eigentlich Atmosphäre und Stratosphäre? 5 Was ist Ozon? 7 Wie schädigen die FCKW unsere Atmosphäre? 9 Die Auswirkungen von FCKW modelliert 11 Fazit 15 Quellenverzeichnis 16 Noël Graber & Philippe Hässig Seite 2 von 16

3 Einleitung Ozonloch? Was geht mich das an? Wer kennt sie nicht, die Touristen, welche mit krebsrotem Teint an der Sonne verharren, ohne die Tube mit Sun-Blocker überhaupt eines Blickes zu würdigen. Wie heute allgemein bekannt ist, kann dies ein Spiel mit dem eigenen Leben sein. Sonnenbrand ist bewiesenermassen ein entscheidender Faktor bei der Auslösung von Hautkrebs. Woher aber kommt dieser scheinbar plötzlich aufgetauchte Rummel um die schädlichen Sonnenstrahlen. Hat denn die Sonne unsere Haut früher nicht angegriffen? Natürlich hat sie. Jedoch nicht in gleichem Masse. Im Laufe der Jahre wurde die Ozonschicht immer dünner und dünner, immer mehr lebensfeindliche UV Strahlung gelangte so bis zur Erdoberfläche. Wieso? Natürlich wegen den FCKW Gasen hört man die Medien berichten. Wir möchten diesen FCKW Gasen in dieser Semesterarbeit etwas näher auf den Zahn fühlen. Was ist das eigentlich, ein FCKW Gas? Was genau zerstören FCKW? Können wir eigentlich etwas gegen die FCKW Verschmutzung unseres Planeten tun? Schliesslich die zentrale Frage: Wie lange bleiben diese FCKW Gase noch in unserer Atmosphäre? Um all diese Fragen zu beantworten, versuchen wir das Thema Ozon und FCKW von Grund auf zu verdeutlichen. Wir beginnen bei grundlegenden Erläuterungen der Stratosphäre und des Ozons, machen einen Abstecher in die Welt der Chemie, um die Abläufe des Ozonabbaus darzulegen und kommen schlussendlich zu einem Punkt, wo wir den gesamten Kreislauf von FCKW und Ozon an einem dynamischen System in STELLA simulieren und auswerten. Noël Graber & Philippe Hässig Seite 3 von 16

4 Was sind FCKWs? FCKW bedeutet Fluorchlorkohlenwasserstoffe. Die FCKW-Moleküle zeichnen sich durch eine hohe thermische und chemische Belastbarkeit aus. Dazu haben sie eine geringe Toxizität (Giftigkeit), was die Industrie dazu bewegte, sie als Kühlmittel, Treibgase oder Feuerlöschmittel einzusetzen. Die wichtigsten FCKWs sind Trichlorfluormethan (Cl 3 CF), Dichlordifluormethan (Cl 2 CF 2 ), Trichlortrifluorethan (Cl 3 C-CF) und Dichlortetrafluorethan (ClC-CF 5 ) ([1], Fluorchlorkohlenwasserstoffe). Wie wir sehen können trägt keines dieser Moleküle Wasserstoff in sich, weshalb man korrekterweise nicht mehr Fluorchlorkohlenwasserstoffe sagt, sondern meist nur noch Chlorfluorkohlenstoffe (CFK). Durch die Verwendung der FCKW in verschiedenen Produkten verteilen sie sich in der Atmosphäre und steigen bis in die Stratosphäre zur Ozonschicht auf. Am 29. Juni 1990 wurde in London eine Konferenz zum Schutze der Ozonschicht abgehalten. Man beschloss, die Herstellung und Verwendung ab dem Jahr 2000 zu verbieten oder zumindest stark einzuschränken. Die EU führte das Verbot jedoch schon 1995 ein, alle anderen Industriestaaten folgten Bis aber alle FCKW in der Atmosphäre abgebaut sind, wird es noch eine ganze Weile dauern. ([2], FCKW ) Bildquelle: Noël Graber & Philippe Hässig Seite 4 von 16

5 Was sind eigentlich Atmosphäre und Stratosphäre? Wir alle kennen sie, die Atmosphäre. Aber wissen wir eigentlich worüber wir reden, wenn wir sie ansprechen? Das Wort Atmosphäre ist zusammengesetzt aus den griechischen Wötern atmos, was soviel wie Dampf bedeutet und sphaira. Sphaira bedeutet seinerseits Kugel, gemeint ist dabei unsere Erdkugel. Bildquelle: Die Erdatmosphäre ist eine Gashülle, welche verschiedene Gase enthält, die für unser Überleben von Bedeutung sind. Sie umschliesst den gesamten Planet Erde. In ihr spielen sich das Wetter und das Klima ab. Wie aus der Grafik ersichtlich ist, setzt sich die Atmosphäre aus vier grundlegenden Schichten zusammen. Diese Schichten werden durch Temperaturunterschiede definiert. Die unterste Schicht ist die Troposphäre (bis ca. 10km). In ihr ist fast der gesamte Wasserdampf der Atmosphäre versammelt. Sie beinhaltet auch dreiviertel der gesamten atmosphärischen Masse. Einer der wohl wichtigsten Prozesse, der sich in der Troposphäre abspielt, ist der Regen. Als Reinigungsprozess bringt er wasserlösliche Gase und Partikel wieder zur Erdoberfläche zurück. Die zweite Schicht ist die Stratosphäre (bis ca. 50km). Dies ist die interessante Schicht, wenn man vom Ozonproblem spricht. Darin (auf ca. 30km Höhe) befindet sich nämlich die Ozonschicht. Die äusseren beiden Schichten, also Meso- und Thermosphäre sind für Ozondiskussionen kaum relevant. Trotzdem sind sie natürlich Bestandteil der Atmosphäre. Meteore können bis in die Mesosphäre vordringen. In der äussersten Schicht, der Thermosphäre (Thermo: Griechisch für heiss ) bilden sich die bekannten Polarlichter. In der Thermosphäre steigt die Temperatur mit zunehmender Höhe an. (von -90 C bis ~1000 C) Das Ende der Thermosphäre Noël Graber & Philippe Hässig Seite 5 von 16

6 (und damit auch das Ende der Atmosphäre) kann nicht genau bestimmt werden. (zwischen 500km und 1000km) Heute setzt sich die Atmosphäre aus Stickstoff (~78%) aus Sauerstoff (~21%) und Argon (knapp 1%) zusammen. Einfluss auf die Vorgänge in der Atmosphäre (also Beispielsweise auf den Ozonabbau) haben aber vor allem Spurengase. (Gase welche nur in geringen Konzentrationen in der Atmosphäre enthalten sind. Bsp: FCKW) ([6], Atmosphäre/Stratosphäre ) ([7]) Noël Graber & Philippe Hässig Seite 6 von 16

7 Was ist Ozon? Im Alltag wird Ozon oft als etwas Schädliches betrachtet. Im Sommer hören wir in den Nachrichten, dass es durch die vielen Abgase und die Hitze zuviel Ozon in der Luft hat. Es stimmt durchaus, dass eine zu hohe Konzentration in unserer Luftschicht für den menschlichen Körper schädlich ist, doch nicht überall ist Ozon schlecht. Das Ozon-Gas besteht aus einer Verbindung von drei Sauerstoffatomen und hat seine grösste Anhäufung in der Stratosphäre. O 3 kondensiert bei -111,9 C zu einer tiefblauen Flüssigkeit. Bei -192,5 C bilden sich blaue Kristalle. Nach seiner Halbwertszeit von etwa drei Tagen zerfällt es zu Sauerstoff. O 3 O 2 + ½ O 2 ([1], Ozon ) Gebildet wird Ozon überall dort, wo durch Einwirkung energiereicher Strahlung, zum Beispiel Sonnenstrahlen oder elektrische Entladungen, Sauerstoffatome aus Sauerstoffmolekülen freigesetzt werden. Die freien Sauerstoffatome reagieren mit anderen Sauerstoffen (O 2 ) zu Ozon. Jeder kennt den starken Geruch, den wir schon bei geringer Konzentration von O 3 wahrnehmen können. Bei alltäglichen Handlungen, wie Schweissen, Photokopieren oder Laserdrucken setzen wir den Prozess der Ozonbildung in Gang. Am Geruch können wir das feststellen. Wie gesagt, haben wir mit Ozon selber vor allem im Sommer Probleme. Durch das gleichzeitige Auftreten von starker Sonneneinstrahlung, Stickoxiden, Kohlenmonoxiden und Kohlenwasserstoffen bildet sich das dreiatomige Ozonmolekül. Dies geschah zwar schon immer, doch durch die starken Abgase von Verkehr und Industrie, welche die drei Grundmoleküle liefern wird der Effekt vervielfacht. Das Auftreten solcher Ozonkonzentrationen in Bodennähe nennt man Sommersmog. Das Ozon-Gas ist äusserst giftig, es reizt unsere Schleimhäute und stört das Zentralnervensystem, was zu Übelkeit und starken Kopfschmerzen führt. Es kann auch zu erheblichen Schäden in der Vegetation führen. Ausserdem steht Ozon im Verdacht krebserregend zu sein. Doch trotz seiner Toxizität wird das Gas künstlich hergestellt. Die Industrie setzt dabei kalten, trockenen Sauerstoff elektrischen Entladungen aus. Das reine Ozongas eignet sich gut als Oxidationsmittel und wird zur Desinfektion von Trinkwasser oder zum Bleichen von Fetten und Ölen verwendet. Kommen wir nun aber zum wichtigsten Vorkommen von Ozon. In der Stratosphäre befindet sich in etwa 20 bis 35 Kilometern Höhe eine Schicht, in der die Konzentration von Ozon bis zu 10ppm erreicht. Das heisst, es gibt 10 Ozon-Teilchen pro einer Million Teilchen in der Luft. Die Aufgabe dieser Ozonschicht ist es, die gefährlichen UV Strahlen der Sonne zu absorbieren und den Planeten davor zu schützen. Dabei geht es vor allem um die kurzwelligen Varianten. Während wir UV-A Strahlen Noël Graber & Philippe Hässig Seite 7 von 16

8 ( nm) noch recht gut ertragen, sind UV-B ( nm) und vor allem UV-C ( nm) höchst gefährlich. Die sehr kurzwelligen UV-C Strahlen werden aber fast gänzlich von der Ozonschicht absorbiert, UV-B etwa zu 90%. Die Auswirkungen des energiereichen UV-Lichts auf den Menschen können fatal sein. Es führt zu Sonnenbrand, Bindehautentzündung, Grauer Star, vorzeitige Hautalterung oder sogar zu Hautkrebs. Auch das Immunsystem kann erheblichen Schaden nehmen. Die UV-Strahlen haben aber nicht nur negative Auswirkungen. Sie helfen dem Körper nämlich auch das wichtige Vitamin D3 zu bilden, welches zur Bekämpfung der Knochenweiche (Rachitis) erheblich beiträgt. Dreimal Wöchentlich den Handrücken oder das Gesicht für zehn Minuten der Sonne auszusetzen genügt aber bereits. ([1], Ozon ) Seit Millionen von Jahren unterliegt die Ozonschicht einem natürlichen Ab- und Aufbauprozess. Durch den natürlichen Abbauprozess von Ozon zerfällt sie und durch die Strahlen der Sonne wird sie glücklicherweise regeneriert. In den letzten 30 Jahren wurde aber mehr Ozon abgebaut, als durch einen natürlichen Aufbauprozess wiederhergestellt werden konnte. Noël Graber & Philippe Hässig Seite 8 von 16

9 Wie schädigen die FCKW unsere Atmosphäre? Zahlen und Fakten Durch die Verwendung von FCKW Gasen als Treib- sowie Kühlmittel kommt es in der Stratosphäre zum Ozonabbau. Verringert sich die Ozonschicht um über 50% spricht man von einem Ozonloch. Seit 1970 hat sich die stratosphärische Ozonkonzentration im Sommer um etwa 3% und im Winter um etwa 5% verringert. Da die wichtigsten, ozonzerstörenden Reaktionen erst bei Temperaturen unter -80 C ablaufen sind Arktis und Antarktis die am meisten betroffenen Gebiete. Das grösste Ozonloch trat im Winter des Jahres 1989 auf. So schrumpfte doch die Ozonschicht am Südpol auf alarmierende 19% zusammen. Um dem Ozonabbau auf den Grund zu gehen, müssen wir (wohl oder übel) zur Chemie greifen. Der natürliche Abbau von Ozon (Chemie I) Ozon wird in unserer Atmosphäre schon seit tausenden von Jahren abgebaut. Dies ist ein natürlicher Zyklus welcher sich so abspielt: O 3 + Licht O 2 + O Ozon (O 3 ) wird unter Einfluss von Licht (UV Strahlung) zu Sauerstoff (O 2 ) und einem einzelnen Sauerstoff Atom (O) gespalten. Bei dieser Reaktion handelt es sich um den natürlichen, nicht vom Menschen beeinflussten Abbau von Ozon. Er wird durch die natürliche Produktion von Ozon wieder aufgehoben. Abbau von Ozon durch FCKW (Chemie II) Sind FCKW Gase in der Troposphäre vorhanden, kommt es zuerst zu folgender Reaktion: CH 3 Cl + Licht CH 3 + Cl Ein FCKW Molekül (CH 3 Cl) wird durch Licht in zwei Bestandteile gespalten. Der eine Teil ist ein einzelnes Chlor Atom (Cl) der andere ist der Rest des Moleküls (CH 3 ). Einzelne Chlor Atome sind sehr reaktiv (Man nennt sie Chlorradikale). Für diese Chlorradikale sind die Ozonmoleküle jetzt ein gefundenes Fressen es laufen folgende Reaktionen ab: Cl + O 3 ClO + O 2 Zuerst reagiert das vorher abgespaltene Chlorradikal (Cl) mit einem Ozon Molekül (O 3 ). Daraus bildet sich Chloroxid (ClO) und Sauerstoff (O 2 ). Das Ozonmolekül ist also bereits zerstört (abgebaut), die Reaktion ist jedoch noch nicht zu Ende. Noël Graber & Philippe Hässig Seite 9 von 16

10 ClO + O Cl + O 2 Leider reagiert nun dieses Chloroxid (ClO) seinerseits mit einem der einzelnen Sauerstoff (O) Atome welche beim natürlichen Ozonabbau vorkommen. Daraus resultiert wiederum Sauerstoff (O 2 ) und ein Chlorradikal (Cl). Vor und nach der Reaktion des Ozons mit FCKW sind stark reaktive Chlorradikale (Cl) vorhanden (sog. Katalysatoren). Da Chlor nach der Reaktion in genau gleicher Form auftritt, kann er die oben erklärten Reaktionen unendlich viele Male durchlaufen. So wird Ozon in sehr grossen Mengen abgebaut. Bildquelle: Um dem Ozonabbau effektiv entgegenzuwirken, sind einige, drastische Massnahmen zu treffen (bzw. sind schon getroffen worden). Ein FCKW Verbot wurde von einer Mehrheit der UN im Jahre 1995 eingeführt. Trotzdem scheinen einige Nationen den Ernst der Lage noch nicht erkannt zu haben (Bsp: Ablehnung des Kyoto Protokolls durch USA). Abbau der FCKW Der Abbauprozess von Chlor in der Stratosphäre ist ein Prozess des Zufalls. Treffen sich zwei Chloroxidmoleküle bei extrem tiefen Temperaturen, bilden sich ein Cl 2 - und ein O 2 -Molekül. Es können keine weiteren Ozonteilchen mehr zerstört werden. ClO + ClO Cl2 + O2 Dieser Prozess ist der einzige, der zum Abbau von Chlor in der Atmosphäre führt, was die Gefährlichkeit von FCKW in der Atmosphäre zeigt. ([2], Ozonloch ) Noël Graber & Philippe Hässig Seite 10 von 16

11 Die Auswirkungen von FCKW modelliert Um die Auswirkungen von FCKW auf die Ozonschicht besser erklären zu können, wollen wir dem Leser folgendes Modell näher bringen. Das Modell scheint auf den ersten Blick ziemlich kompliziert. Wir werden aber versuchen, die einzelnen Vorgänge möglichst anschaulich zu erläutern. Noël Graber & Philippe Hässig Seite 11 von 16

12 Emission von FCKW Der unterste Teil des Modells simuliert die Produktion der FCKW und deren Weg in die Atmosphäre. 1. CFC prodn stellt die variable Produktionszahl von FCKW dar. Diese sollte nach den neuesten Umweltbestimmungen gegen 0 abnehmen. 2. Nach der Entlassung (release) der FCKW verweilen sie zunächst für eine bestimmte Zeit in der unteren Atmosphäre, der Troposphäre. 3. Danach steigen sie in die Stratosphäre auf, 4. wo einzelne Chlorradikale abgespalten werden. 5. Einige Chlorteilchen werden durch den oben erklärten, natürlichen Prozess zerstört. (Siehe Seite 10: Abbau von FCKW) Der Sauerstoffkreislauf 1. Das grosse Viereck stellt die Gesamtmenge an Sauerstoff in der Ozonschicht dar. Es gibt einen Anfangswert, der sich natürlich im Laufe der Zeit ändert. 2a. Sauerstoff entsteht aus dem natürlichen Zerfall von Ozon. (Seite 7: Was ist Ozon?) 2b. Sauerstoff entsteht ebenfalls wenn Ozon durch Chlor abgebaut wird. (Seite 9: Abbau von Ozon durch FCKW) 3. impact of cl 2 stellt die Rate der mit Chlor reagierenden O 2 -Moleküle dar. Diese Rate ist je nach der Menge Chlor verschieden und nimmt nicht linear ab. Noël Graber & Philippe Hässig Seite 12 von 16

13 4. Anhand der Zahl aus impact of cl 2 wird berechnet, wie viele O 2 -Moleküle pro Zeiteinheit abgebaut werden. Der Abbau geschieht durch den Einfluss von UV-Strahlen. Der Ozonkreislauf 1. Der blaue Kasten stellt die Gesamtmenge an Ozon in der Ozonschicht zu einem definierten Zeitpunkt dar. 2. Dies ist die natürliche Produktion von Ozon aus durch UV-Licht gespaltenem Sauerstoff. 3. Der natürliche Zerfall von Ozon wird aus der Lebenszeit eines O 3 -Moleküls berechnet. Ozon zerfällt wieder zu Sauerstoff. (Seite 9: Der natürliche Abbau von Ozon) 4. O3 per Cl radical bestimmt wie viele Chlorradikale überhaupt mit Ozon reagieren können. Wir interpretieren, dass diese Formel mit chemischen Kenntnissen entwickelt wurde, welche wir (als Laien) nicht direkt nachvollziehen können. 5. Dies ist der Zerfall von Ozon, der unter der Einwirkung von Chlorradikalen stattfindet. (Seite 9: Abbau von Ozon durch FCKW) Auswertung der Simulation Aus der Simulation des aufgezeichneten dynamischen Systems haben wir folgende Diagramme erhalten: 1.80E E E E E E E E E E+00 Oxygen Ozone Time Dieses Diagramm zeigt die Menge an Ozon und Sauerstoff in der Ozonschicht im Verlaufe von 230 simulierten Jahren bei einer angenommenen Ausgangsmenge. In den ersten 20 Jahren ist keine Veränderung festzustellen. Das FCKW braucht bekanntlich seine Zeit, bis es in der Stratosphäre mit Noël Graber & Philippe Hässig Seite 13 von 16

14 dem Ozon reagieren kann. Danach nimmt der Ozongehalt rapide ab und bleibt mehrere Jahre auf einem tiefen und immer weiter fallenden Niveau. Im Jahre 124 haben wir den Stopp der FCKW- Emissionen simuliert. Nach einer kurzen Verzögerung nimmt die Ozonmenge sichtlich zu und der Gehalt an Sauerstoff ab. Wie wir sehen können, tritt die Normalität ziemlich genau 100 Jahre nach dem simulierten FCKW-Stopp wieder ein. Auch nach der vollständigen Regeneration der Ozonschicht bleibt immer noch ein Rest Chlorradikale, wie wir am folgenden Diagramm aus derselben Simulation sehen können. Der Anteil nimmt aber nach dem FCKW-Stopp merklich ab. Offensichtlich ist eine kleine Menge Chlor in der Ozonschicht nicht schädlich und beeinträchtigt den natürlichen Zerstörungs- und Wiederaufbauprozess nicht. Chlorradikale in der Stratosphäre Cl-Radikale Time Hier nimmt schon vor dem FCKW-Stopp der Anteil an Chlorradikalen ab. Dies liegt daran, dass plötzlich weniger neue Radikale dazukommen, als natürlich abgebaut werden. Noël Graber & Philippe Hässig Seite 14 von 16

15 Fazit Nach diesen ganzen Ausführungen haben wir gesehen, dass auch nach dem Verbot der Produktion von FCKW weiter die Ozonschicht abgebaut wird. Es ist also kein Problem, dass sich von heute auf morgen beseitigen liesse. Trotzdem haben wir zeigen können, dass der Anteil an schädlichen Chlorradikalen im Laufe der Zeit abnimmt und gegen 0 geht. Doch dieser Zeitpunkt liegt noch in weiter Ferne. Den vollständigen Abbau der in der Ozonschicht erheblichen Schaden anrichtenden freien Chlorradikale können wir in etwa 90 bis 100 Jahren feststellen. Dies behaupten wir aufgrund unserer Simulation und zahlreicher Expertenmeinungen in der Fachpresse. Doch schon vorher wird der Abbau des Ozons durch die FCKW soweit gesunken sein, dass sich die Ozonschicht regenerieren kann. Sämtliche Berechnungen gehen jeweils davon aus, dass die ausgehandelten und von den meisten Industriestaaten unterschriebenen Umweltprotokolle weitgehend eingehalten werden. Vor allem das Protokoll von London (1990) und dessen Verschärfung in Kopenhagen (1992) haben einen grossen Beitrag zum Rückgang der FCKW-Belastung geführt. Bleibt zu hoffen, dass führende Industrienationen über ihren Schatten springen und die FCKW Produktion endgültig einstellen, unserer Gesundheit zuliebe. Noël Graber & Philippe Hässig Seite 15 von 16

16 Quellenverzeichnis [1] Microsoft Encarta 2003 (DVD) [2] (Januar 2003) [3] (Januar 2003) [4] Physik der Atmosphäre II (Januar 2003) [5] (Januar 2003) [6] (Januar 2003) [7] (Januar 2003) Noël Graber & Philippe Hässig Seite 16 von 16