Karbonatausfällung erklärt den Ozonabbau

Modellstudie zeigt, dass die Karbonatausfällung beim Gefrieren des
Meerwassers die „Bromexplosion“ in Gang setzen und damit den Abbau des
troposphärischen Ozons in den Polargebieten auslösen kann

27. Oktober 2006

Vor einigen Jahren wurde mit Erstaunen entdeckt, dass es nicht nur das berüchtigte Ozonloch in der Stratosphäre gibt, sondern dass im polaren Frühjahr Ozon auch in der Troposphäre – der untersten Schicht der Atmosphäre – völlig verschwinden kann. Gleichzeitig mit dem Ozonverlust steigt die Konzentration von reaktivem Bromoxid über Meereis und in Küstennähe deutlich an (s. Abb. 1). Dieses troposphärische Ozonloch wurde deshalb der so genannten Bromexplosion zugeschrieben, einer Kettenreaktion ausgelöst durch Bromid-Ionen aus dem Meersalz. Es wurde bislang jedoch noch nicht verstanden, wie dieses Bromid aus dem leicht alkalischen Meerwasser in gasförmige Substanzen umgewandelt werden kann, obwohl die chemischen Reaktionen dieser Bromexplosion nur in sauren Lösungen ablaufen.

Verteilung des bodennahen Bromoxids im polaren Frühjahr 2006 (links: April 2006, rechts: September 2006). Die Verteilung wurde aus Messungen des Satelliteninstruments SCIAMACHY berechnet und zeigt stark erhöhte Bromoxid-Konzentrationen über Meereis und in Küstennähe.

Wissenschaftler vom Max-Planck Institut für Chemie (Mainz), dem Institut für Umweltphysik (Bremen) und dem Institut für Meereskunde (Hamburg) haben nun eine neue und überzeugende Hypothese durch Computersimulationen mit dem Atmosphärenchemiemodell "MECCA" bestätigt: Wenn sich im Frühling Risse im Eis bilden (Abb. 2), wird flüssiges Meerwasser der noch sehr kalten Luft ausgesetzt. Schnell bildet sich an der Oberfläche eine neue, dünne Eisschicht. Darüber entsteht eine flüssige Salzlake, in der die gut löslichen Salze enthalten sind. In der Kälte schlechter lösliche Salze wie Natriumsulfat und Kalziumkarbonat bleiben im Eis zurück. Salzhaltige Teilchen – Aerosole – werden durch Aufwinde an den Rinnen im Meereis emporgehoben. Der entscheidende Punkt hierbei ist, dass die so produzierten Aerosole kaum noch Karbonat enthalten: Im Ozean puffert das Karbonat den pH-Wert im alkalischen Bereich, das karbonatarme Aerosol kann jedoch leicht angesäuert und somit die Bromexplosion in Gang gesetzt werden. Ebenfalls von Bedeutung ist, dass eine Verschiebung der chemischen Gleichgewichte bei kalten Temperaturen die Kettenreaktion begünstigt. Dies beeinflusst die Oxidationskapazität der bodennahen Luftschicht und zerstört große Mengen Ozon und führt außerdem noch zur Ablagerung von Quecksilber in den Polargebieten.

Meereis in der Framstraße nördlich von Spitzbergen. Meereis wirkt als Isolator zwischen dem relativ warmen Ozean und der kalten Atmosphäre. Der Stoff- und Wärmeaustausch an Stellen von eisfreien Rinnen ist auf dem Foto zu sehen: Seerauch dampft aus den Rinnen im Meereis. Foto aus etwa 500 m Höhe, 1998.

Anders als das Ozonloch in der Stratosphäre hat diese Ozonzerstörung keine direkten Auswirkungen auf unsere Gesundheit. Die neuen Erkenntnisse über die ablaufenden Reaktionen können aber zu einem besseren Verständnis des Klimasystems beitragen, sie eröffnen auch viele neue Fragen über die zukünftige Zusammensetzung der Atmosphäre beim Abschmelzen der arktischen Meereisdecke sowie der fortschreitenden Versauerung der Ozeane.

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