Die Atmosphäre hat ein Loch

Wie ein Fahrstuhl in die Stratosphäre: Ein internationales Forscherteam hat ein riesiges Loch in der „Waschmittelschicht“ der Atmosphäre entdeckt. Chemische Verbindungen aus unteren Luftschichten gelangen durch dieses Loch über dem Westpazifik ungefiltert aufwärts in die Stratosphäre. Das bislang unbekannte Phänomen hat einen natürlichen Ursprung – es könnte aber wegen der steigenden Luftverschmutzung das zukünftige Klima der Erde erheblich beeinflussen und beantwortet ein Rätsel um das Ozonloch, schreiben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Atmospheric Chemistry and Physics“.

Der Himmel über unseren Köpfen sieht zwar überall gleich aus, ist aber ein komplexes chemisch-physikalisches Gemisch mit sehr unterschiedlichen Schichten. In den unteren Schichten der Atmosphäre, der Troposphäre, treiben tausende verschiedene chemische Verbindungen durch die Luft. Deshalb riecht es im Winter anders als im Frühjahr, im Gebirge anders als am Meer, in der Stadt anders als im Wald.

In den unteren Kilometern der Atmosphäre reagieren die meisten dieser Stoffe mit einem bestimmten Molekül, dem OH-Radikal. Dabei werden sie in wasserlösliche Teilstücke zerlegt und mit dem Regen ausgewaschen. So können sie nicht in die darüber liegende Stratosphäre gelangen und sich dort über den ganzen Globus verteilen. Die Luftschicht mit diesem Molekül, die „OH-Schicht“, bezeichnen Wissenschaftler daher auch als „atmosphärische Waschmaschine“, mit dem OH-Radikal als Waschmittel.

Mehrere tausend Kilometer Durchmesser

In dieser Waschmittelschicht haben Wissenschaftler unter der Leitung von Markus Rex vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) ein Loch von mehreren tausend Kilometern Durchmesser entdeckt. Dieses OH-Loch befindet sich über dem tropischen Westpazifik, sein Zentrum liegt nordöstlich von Neuguinea und den Philippinen.

In tropischen Gewitterstürmen Ÿber dem Westpazifik werden Luftmassen mit den darin enthaltenen chemischen Substanzen schnell bis an den Rand der Stratosphäre nach oben geschleudert. Sind ausreichend OH-Moleküle in der Atmosphäre vorhanden, wird die Luft durch chemische Umwandlungsprozesse weitgehend gereinigt. Bei geringen OH-Konzentrationen, wie sie jetzt in weiten Teilen des tropischen Westpazifiks festgestellt wurden, nimmt die Reinigungsleistung der Atmosphäre rapide ab. © Markus Rex, Alfred-Wegener-Institut

Entdeckt haben die Forscher das Loch in der Atmosphärenschicht über eine Vorläufer-Substanz, das bodennahe Ozon. Während einer Messexpedition mit dem Forschungsschiff „Sonne“ registrierten sie in diesem Gebiet ungewöhnlich niedrige Ozonwerte, das Gas aus drei Sauerstoffatomenen kam hier so gut wie nicht vor. Zwar sind niedrige Ozonwerte über dem Pazifik normal, denn hier gibt es kaum Stickoxide, die dieses Gas entstehen lassen. Fehlt aber dieses Gas völlig, dann kann kein neues OH entstehen und als Folge reisst ein Loch in der OH-Schicht auf.

Vom OH-Loch zum Ozonloch

Die Folge: Chemische Substanzen in der Luft können durch dieses Loch ungefiltert aufwärts strömen. „Man kann sich diese Region wie einen riesigen Fahrstuhl in die Stratosphäre vorstellen“, erklärt Rex. Sind die Chemikalien erst einmal in die Stratosphäre gelangt, können sich diese Stoffe und ihre Abbauprodukte dort verteilen und globale Auswirkungen haben.

Zu den Substanzen, die durch das OH-Loch in die Stratosphäre aufsteigen, gehören auch bromierte Kohlenwasserstoffe – eine chemische Verbindung, die zum Abbau der schützenden Ozonschicht in der Stratosphäre beiträgt. Normalerweise kann sie die OH-Schicht nicht durchdringen, doch das Loch in der Schicht macht es nun möglich.

Lage und Ausdehnung der geringen Ozonkonzentrationen und des OH-Lochs über dem Westpazifik © Markus Rex, Alfred-Wegener-Institut

Dies löst auch ein Rätsel um das Ozonloch: Trotz intensiver Forschungen war der tatsächliche Ozonschwund stärker als es Modelle vorhersagten. „Mit dem OH-Loch über dem tropischen Westpazifik haben wir jetzt vermutlich einen Beitrag zur Lösung dieses Rätsels gefunden“, sagt Rex. Seitdem die Wissenschaftler das OH-Loch in die Berechnungen zum Ozonabbau einbeziehen, stimmen ihre Modelle mit den Messdaten hervorragend überein. Das zeigt die globalen Auswirkungenn eines solchen Lochs in der Atmosphäre, wie der Forscher erkärt: Obwohl die Kohlenwasserstoffe über dem tropischen Westpazifik aufsteigen, verstärken sie den Ozonabbau in den Polarregionen.

Schlupfloch für Schwefeltröpfchen

Und noch einen globalen Effekt könnte das OH-Loch haben: Es lässt auch Schwefeldioxid aus den unteren Luftschichten in die Stratosphäre aufsteigen. Dort aber bildet das Gas einen Schleier aus feinen Partikeln, der das das Sonnelicht reflektiert und dadurch kühlend wirkt. Durch den atmosphärischen Fahrstuhl über der Südsee könnten die starken Schwefeldioxid-Emissionen aus Südostasien so das gesamte Erdklima beeinflussen.

In der Tat scheint die Menge an Schwefelteilchen in der Stratosphäre in den letzten Jahren zugenommen zu haben. Ob ein Zusammenhang mit dem OH-Loch besteht, wissen die Forscher allerdings noch nicht.

Aber wäre es nicht eine geradezu glückliche Fügung, wenn Luftschadstoffe aus Südostasien die Klimaerwärmung abmildern könnten? „Auf gar keinen Fall“, wehrt Rex energisch ab. „Das OH-Loch über der Südsee ist vor allem ein weiterer Beweis, wie komplex das Klimageschehen auf der Erde ist.“ Man sei weit davon entfernt, die Konsequenzen verstärkter Schwefeleinträge in die Stratosphäre auch nur annähernd abschätzen zu können. „Deshalb sollten wir alles daran setzen, die Prozesse in der Atmosphäre so gut wie möglich zu verstehen und alles vermeiden, sie bewusst oder unbewusst mit ungewissem Ausgang zu manipulieren“, betont der Forscher.

(Alfred-Wegener-Institut, 04.04.2014 – AKR)