Ballonflüge im arktischen Polarwirbel

Die Ozonschicht, die uns vor übermäßiger UV-Strahlung schützt, hat nicht nur über dem Südpol ein Loch, sie wird auch über der Arktis immer dünner. Wissenschaftler des Instituts Stratosphäre (ICG-I) untersuchen die chemischen Prozesse und die meteorologischen Phänomene, die dem bedrohlichen Ozonabbau zugrunde liegen.

Wichtige Ergebnisse brachte im Winter 1999/2000 das Großexperiment SOLVE/THESEO 2000 in Nordschweden. Mit zwei Ballonflügen und umfassenden theoretischen Modellrechnungen waren die Jülicher Forscher dabei.

„Die Arktis wird der Antarktis immer ähnlicher“, stellt Dr. Cornelius Schiller fest. Damit meint der derzeitige Leiter des Instituts nicht, dass demnächst Pinguine den Nordpol bevölkern oder Eisbären zum Südpol auswandern werden. Sein Forschungsgebiet befindet sich einige Kilometer höher als der Lebensraum der polaren Tierwelt. Die Luftschichten 15 bis 30 Kilometer über der Erdoberfläche sind es, die Schiller und sein Team interessieren. Hier dreht sich in den Wintermonaten der so genannte Polarwirbel (Bild 2). In diesen sehr kalten, durch starke Windströmungen von der Umgebung isolierten Luftmassen der Stratosphäre schwindet das Ozon seit einigen Jahren dahin. Von einem Ozonloch über dem Nordpol möchte Schiller dennoch nicht sprechen. „Ein wirkliches Loch existiert bisher nur über der Antarktis. Dort ist es kälter und aufgrund der geographischen Bedingungen gibt es noch weniger Austausch zwischen dem Polarwirbel und den umgebenden Luftmassen. Die Prozesse, die dem Ozonabbau zugrunde liegen, wirken sich daher folgenschwerer aus“, erläutert der Physiker. 1985 belegten Messungen erstmals, dass Chlor- und Bromschadstoffe über der Antarktis die Ozonschicht zerstören. „Doch gibt es inzwischen auch einen massiven Ozonabbau über der Nordhalbkugel. In einigen Wintern waren die Verhältnisse bereits so, wie Mitte der 80er Jahre über dem Südpol, als sich dort das Ozonloch auftat“, berichtet Schiller.

Erfolg beim zweiten Anlauf

Stratosphärenballon

Um die Verhältnisse im nördlichen Polarwirbel genauer zu untersuchen, machten sich die Jülicher Forscher im Winter 1999/2000 nach Kiruna in Nordschweden auf, wo sie mit zahlreichen Forscherteams aus aller Welt – mehr als 400 Wissenschaftler und Techniker waren beteiligt – die bisher größte Messkampagne über der Arktis unternahmen. Im Gepäck der Jülicher: Messgeräte für den Einsatz auf einem Stratosphärenballon. Diese Apparaturen erfassen Chlor- und Bromverbindungen sowie Wasserdampf. Auch ein Luftprobensammler zur Messung langlebiger Spurengase war an Bord – er gehörte einem Team der Universität Frankfurt, mit dem die Jülicher Forscher eng zusammenarbeiten. Der erste Start allerdings, geplant für den 19. Januar 2000, ging schief: Der mit 100.000 Kubikmeter Wasserstoff gefüllte Ballon bekam ein Loch und musste leider unten bleiben.

Doch schon eine Woche später ist, kurz vor Sonnenuntergang, der zweite Versuch erfolgreich. Und der brachte höchst interessante Ergebnisse: „Erstmals konnten wir über der Arktis in bestimmten Schichten eine Dehydrierung nachweisen. Das heißt, dort gab es weniger Wasser als erwartet. Das wiederum beweist indirekt, dass sich zuvor in etwa 20 Kilometer Höhe Eiswolken gebildet hatten. Diese sanken dann ab und entfernten so das Wasser aus der Stratosphäre“, erklärt Cornelius Schiller. Solche Wolken tragen aber entscheidend zum Ozonabbau bei. Denn an der Oberfläche der kleinen Eiskristalle entstehen die aggressiven Brom- und Chlorverbindungen, die der Ozonschicht zusetzen, beispielsweise das Chlormonoxid-Radikal ClO. Sie stammen vor allem aus Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) – Verbindungen, die in der Natur nicht vorkommen, aber bis 1996 industriell hergestellt und genutzt wurden. Treffen die aus solchen Verbindungen freigesetzten Radikale in den Eiswolken mit Ozon (O₃) zusammen, wird dieses in „normalen“ Sauerstoff (O₂) umgewandelt. „Der erste Nachweis solcher Eiswolken über den nördlichen Polargebieten ist wissenschaftlich ein schönes Ergebnis. Ob man sonst fröhlich darüber sein kann, ist allerdings eine andere Frage“, bemerkt Schiller trocken. Heiß oder kalt?

Methanverteilung in etwa 19 Kilometer Höhe

Die Wahrscheinlichkeit, dass sich Eiswolken in der Stratosphäre bilden, ist in den letzten Jahren gestiegen, denn dort war es in den letzten Wintern oft ungewöhnlich kalt. Widerspricht das aber nicht der vielfach gemessenen globalen Erwärmung? „Keineswegs“, erklärt Cornelius Schiller, „beide Phänomene haben sogar die gleiche Ursache.“ Treibhausgase halten die Wärmestrahlung, die von der Erdoberfläche in den Weltraum abgestrahlt wird, zurück. Nimmt der Gehalt dieser Gase zu, heizen sich die erdnahen Schichten der Atmosphäre stärker auf. Damit aber gelangt – vereinfacht gesagt – weniger Wärmestrahlung in die darüber liegende Region, die Stratosphäre wird also kälter.

Da die arktische Ballonfahrt so interessante Ergebnisse brachte, konnten die Jülicher Wissenschaftler gar nicht genug bekommen. „Noch auf dem Rückflug beschlossen wir: In ein paar Wochen müssen wir da noch einmal hin!“, erinnert sich Schiller. Ende Februar ging es für ein zweites Ballonexperiment dann wieder nach Kiruna. Und während andere Teams noch auf besseres Wetter warteten, hatten die Jülicher schon am 1. März, vier Tage nach der Ankunft, wieder einen Ballon in der Stratosphäre, „in absoluter Rekordzeit“, freut sich Schiller. Auch bei diesem Flug ließen sich dehydrierte Luftschichten in der Stratosphäre nachweisen. Gemeinsam mit Ballonexperimenten anderer Arbeitsgruppen zeigen die Messergebnisse: Zwar ist dieses Phänomen nicht so stark ausgeprägt wie über der Antarktis. Doch in kalten Wintern bilden sich auch über den arktischen Polargebieten in ausgedehnten Bereichen Eiswolken. Die Wissenschaftler fürchten daher, dass der Ozonschwund sich künftig auch in dicht bewohnten mittleren Breiten der nördlichen Hemisphäre auswirken könnte.

Perlmuttwolken in der Stratosphäre

Die Ballonflüge liefern aber nicht nur genaue Messergebnisse von einzelnen Wintertagen. Sie helfen auch, Modellrechnungen immer weiter zu verbessern, die einmal genaue Vorhersagen ermöglichen sollen. Mit Simulationen, wie dem in Jülich entwickelten Computermodell CLaMS (Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere), soll sich eines Tages der Ozonverlust genau berechnen lassen. Doch dafür müssen alle chemischen Mechanismen und meteorologischen Zusammenhänge bekannt sein. Sonne, Wolken, Luftbewegungen und jede Menge Chemie gehen in diese Berechnungen ein. Wie gut sie die Realität widerspiegeln, lässt sich nur mit Messungen wie dem Experiment SOLVE/THESEO 2000 überprüfen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Modellrechnungen der Chlorchemie gut mit den gemessenen Werten übereinstimmen. Dagegen wurde der Ozonverlust im März in der Simulation eher unterschätzt. Doch je mehr Messwerte die Wissenschaftler zusammentragen und damit ihre Computer füttern, desto genauer werden die Prognosen.

Günstigere Vorhersagen sind leider kurzfristig nicht zu erwarten. Zwar gehen in der Troposphäre, also im untersten Stockwerk der Atmosphäre, die FCKW-Werte allmählich zurück. Hier zeigt das Protokoll von Montreal Wirkung, das 1987 die Verwendung dieser Substanzen erheblich einschränkte. Doch wirkt sich das in den oberen Etagen erst mit einigen Jahren Verzögerung aus.

Dagegen sorgen andere Prozesse vermutlich dafür, dass die Ozonschicht zunächst weiter dahinschwinden wird. So steigt seit einigen Jahrzehnten der Wasserdampfgehalt der Stratosphäre (siehe Kasten). Ebenso scheint die Zahl der kalten Winter in der arktischen Stratosphäre zuzunehmen, und das „Mehr“ an stratosphärischem Wasserdampf trägt zur weiteren Abkühlung der Stratosphäre bei. Beide Phänomene fördern das Entstehen von Stratosphärenwolken, an deren Oberflächen die ozonzerstörende Chemie in Gang gesetzt wird. „Wir befinden uns an der Schwelle zum Ozonloch über der Arktis“, erklärt Schiller. Er geht davon aus, dass sich die Lage noch einige Jahrzehnte lang verschlechtern wird. Erst wenn die Chlor- und Bromverbindungen auf vorindustrielles Niveau gesunken sind, geht von den Eiswolken keine Gefahr mehr für die Ozonschicht aus. „Bis dahin wird es aber wohl noch 50 bis 60 Jahre dauern“, fürchtet Schiller.