Ozon - 4 rings

Ozon in der Stratosphäre
2009
ZIAI Khalid
1.
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Ozon in der Stratosphäre
ZIAI Khalid
1. Definition
Der Name Ozon kommt ursprünglich von dem griechischen Wort
"ozein", was zu deutsch "riechen" bedeutet.
Es ist ein Spurengas, das mit starken zeitlichen und räumlichen
Schwankungen in niedrigen Konzentrationen in der Atmosphäre
enthalten ist.
Ozon ist ein süßlich riechendes, bläuliches Gas, dessen Moleküle
aus drei Sauerstoffatomen bestehen. Es ist eine besondere Form von
Sauerstoff. Wenn sich zwei einzelne Sauerstoffatome mit der
chemischen Bezeichnung "O" verbinden, ergeben sie das uns
vertraute Sauerstoffmolekül "O2". Hängt sich jedoch noch ein drittes
an,
entsteht
Ozon,
also
"O3".
Die
Verbindung
zwischen
dem
Sauerstoffmolekül und dem dritten Sauerstoffatom ist jedoch nicht
so fest.
Sie kann durch chemische Reaktionen in der der Atmosphäre wieder
getrennt werden. Dadurch reagiert und oxidiert es mit allen Stoffen
sehr heftig. Aufgrund dieser oxidierbaren Wirkung ist es für den
Menschen
giftig.
Zur
Spaltung
des
Ozonmoleküls
ist
eine
beachtliche Energie von 284 Kilojoule pro Mol notwendig, wie sie
zum Beispiel das UV-Licht besitzt. Es zerfällt folglich sehr leicht in
molekularen (zweiwertigen) und atomaren Sauerstoff und ist daher
sehr explosiv.
Der Geruch von Ozon ist charakteristisch, unangenehm und in
geschlossenen Räumen wahrnehmbar ab Konzentrationen von etwa
50 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft. Die Lebensdauer beträgt 3
Tage bei 20 °C.
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2. Die Geschichte des Ozons
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3. Vorkommen und Auftreten
Das Ozon entsteht überall dort, wo atomarer Sauerstoff entsteht, der
auf molekularen Sauerstoff einwirken kann. Durch die UV-Strahlung
der Sonne kommt es in der Erdatmosphäre zu einer Homolyse des
O2. Der dabei entstandene Monosauerstoff vereinigt sich dann mit
dem
O2
zu
Ozon.
Zudem
entsteht
Ozon
in
der
Nähe
von
Quarzlampen, radioaktiven Präparaten und bei starken elektrischen
Entladungen (Blitz beim Gewitter).
4. Verwendung und Einsatzgebiete
Ozon wird auf Grund seiner antibakteriellen Eigenschaften vor allem
zu
Desinfektion
von
Trink-
und
Abwasser
eingesetzt.
In
der
lebensmittelverarbeitenden Industrie wird Ozon zur Konservierung
von Lebensmitteln und zur Geruchsbeseitigung in den Fabriken und
Kühlhäusern benutzt. Außerdem wird es zum Bleichen von Ölen,
Fetten, Wachsen, Synthesefasern, Papieren, Zellstoff, Textilien
u.s.w. verwendet.
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5. Die heutige Atmosphäre
Heute ist die Atmosphäre ein Gemisch aus Gasen und winzigen
festen Substanzen. Obwohl sie eine solch luftige Konsistenz ist, ist
sie kein Leichtgewicht. Sie bringt ca. 1,5 Billiarden Tonnen auf die
Waage.
Die
Zusammensetzung
der
Atmosphäre
ist
äußerst
kompliziert.
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6. Die Atmosphäre
Aufbau vom untersten Bereich beginnend:
Troposphäre:
Sie ist der unterste Bereich, in dem sich jene Prozesse abspielen,
die wir unter dem Begriff "Wetter" zusammenfassen. Obwohl sie die
dünnste Schicht ist, befinden sich hier 75 – 90 Prozent der
Gesamtmasse der Atmosphäre.
Stratosphäre:
Sie enthalt rund 90 Prozent des gesamt Ozons, davon befinden sich
rund dreiviertel in der sogenannten Ozonschicht, dem Höhenbereich
zwischen 15 und 20 Kilometern.
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Mesosphäre:
Sie reicht von 50 km bis zu 80 km. Da sich diese Sphäre über der
Ozonschicht befindet, ist das UV-Licht hier so stark, dass ein
menschlicher Körper sich schwerste Verbrennungen zuziehen
würde. Über ihr liegt die Mesopause.
Thermosphäre:
Erstreckt sich bis zu 25O km Höhe. Bei 100-200 km sind die
Hauptbestandteile der Atmosphäre immer noch Stickstoff und
Sauerstoff.
Lonosphäre:
Diese Schicht, die einen großen Ionengehalt hat, ist ein Teil der
Meso- und der Thermosphäre. Radiowellen und Licht werden von
hier reflektiert. Diese Reflexionen verursachen die an den
polaren Regionen sichtbaren Nordlichter.
Exosphäre:
Sie ist extrem dünn und am weitesten von der Erde entfernt. Diese
Sphäre ist die Übergangszone zwischen Erdatmosphäre und
Weltraum.
7. Ozon in der Stratosphäre
Die vertikale Struktur der Atmosphäre besteht vor allem aus zwei
übereinander liegenden Schichten, der bodennahen Troposphäre und
der daruber liegenden Stratosphäre. Der Übergang zwischen beiden
Schichten, die Tropopause, liegt in 10 bis 18 Kilometern Höhe
und stellt eine sehr effektive Barriere für den vertikalen Austausch
von Luftmassen dar. Dies bedeutet zunächst, dass überschüssiges
Ozon in Bodennähe nicht das in der Stratosphäre fehlende Ozon
(eben das Ozonloch) ersetzen kann. Umgekehrt schützt uns die
Tropopause vor stratosphärischem Ozon das die Hauptmasse (etwa
90%) des in der gesamten Atmosphäre vorhandenen Ozons
ausmacht. Das stratosphärische Ozon hat die für alles höhere
Leben wichtige Eigenschaft, die schädliche UV-Strahlung der Sonne
vom
Erdboden
fernzuhalten.
Erst
von
der
modernen
Industriegesellschaft in die Umwelt eingeleitete Stoffe
bringen diese einmalige ,,Konstruktion' durcheinander, z.B. können
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Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) mit der Zeit die Tropopause
durchdringen und in der Stratosphäre das ,,gute" Ozon zerstören.
8. Die chemischen Vorgänge der Atmosphäre
In der Troposphäre nimmt die Temperatur vom Erdboden bis zur
Tropopause, der Obergrenze der Troposphäre, von ca. 15oC auf etwa
- 50oC ab. Der Grund ist einerseits, dass die Troposphäre durch die
Absorption der Solarstrahlung durch die Erdoberfläche hautsächlich
von unten erwärmt wird. Andererseits werden die von der
Erdoberfläche ausgesandten Wärmestrahlen in der unteren
Troposphäre von den Treibhausgasen absorbiert. In der darüber
liegenden Stratosphäre nimmt die Temperatur wieder zu, da ein
Teil der Sonnenstrahlen in der Stratosphäre von dem hier
konzentrierten
Ozon
absorbiert
wird.
Die
Spaltung
der
Sauerstoffmoleküle durch UV-Strahlung erzeugt das Ozon. Die
gegenüber der oberen Troposphäre höheren Temperaturen in der
Stratosphäre begrenzen vertikale Luftbewegungen und schränken
damit das Wettergeschehen auf die Troposphäre ein.
Wesentliche Prozesse des Wettergeschehens sind Verdunstung und
Kondensation und die durch Temperaturunterschiede bedingte
atmosphärische Bewegung. Werden feuchte Oberflächen erwärmt,
entsteht durch Verdunstung Wasserdampf, der mit der erwärmten
Luft aufsteigt und bei Abkühlung in flüssiges Wasser kondensiert. So
kann auch die Bildung von Wolken und Niederschlag erklären. Bei
der Verdunstung wird Energie verbraucht, die in dem entstehenden
Wasserdampf gespeichert wird, als gebundene Wärme mit der Luft
aufsteigt und bei Kondensation wieder frei wird. Wolken spielen eine
wichtige Rolle im Energiehaushalt und sind sehr wichtig für das
Klima. Sie absorbieren und reflektieren sowohl die kurzwellige
Sonnenstrahlung als auch die langwellige Wärmestrahlung. Der
Effekt auf den Energiehaushalt der Erde ist eine leichte Abkühlung.
Dabei wirken die niedrigen Wolken deutlich abkühlend, da bei ihnen
die Reflexion der Solarstrahlung überwiegt, während die hohen
Eiswolken (Siehe „Polare stratosphärische Wolken“) einen
erwärmenden Effekt haben, da sie wie Treibhausgase die
Sonnenstrahlung eher durchlassen, die Wärmestrahlung aber
absorbieren.
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9. Das Ozon als Schutz der Erdatmosphäre
Jeder von uns kennt Licht. Das Licht kann man in ein so genanntes
„Lichtspektrum“ aufteilen:
Ultraviolett, Sichtbar und Infrarot. In der aufgezählten Reihenfolge
nimmt die Wellenlänge des Lichtes zu, d.h. aber die Energie wird
geringer. Deswegen ist das ultraviolette Licht für den Menschen das
gefährlichere; der ultraviolette Bereich wird weiterhin in den UV-A,
UV-B und UV-C Bereich unterteilt. Die Auflistung zeigt die Bereiche
mit den entsprechenden Wellenlängen:
(Ein Nanometer = 1nm = 0,000 000 001 m).
UV-C Strahlung 200 nm – 280 nm kleine Wellenlänge,
UV-B Strahlung 280 nm – 320 nm hohe Energie
UV-A Strahlung 320 nm – 400 nm
400 nm (violett)
Sichtbarer Bereich
760 nm (rot)
Infraroter Bereich 760 nm – 1 mm (1 000 000 nm) große Wellenlänge,
geringe Energie
Beim Durchgang des Sonnenlichts durch die Atmosphäre werden die
einzelnen Strahlungsbereiche unterschiedlich stark absorbiert, je
nach dem welche Stoffe sich in dem betrachteten Teil der
Atmosphäre befinden. So unterscheidet sich die Zusammensetzung
des Sonnenlichts (Sonnenspektrum) je nach betrachteter Höhe.
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Ein ganz entscheidender Einfluss auf das Ausblenden verschiedener
Bereiche des Sonnenlichts haben molekulare Sauerstoff (O2) und
Ozon (O3). So wird Licht dessen Wellenlänge kleiner als 240 nm ist,
von molekularem Sauerstoff absorbiert.
Dieses Absorbieren von Licht entspricht einer Aufnahme von
Energie. Das Molekül gerät in immer stärkere Bewegung
(Schwingungen), bis es schließlich in die Atome zerfällt. Es sind jene
Sauerstoff Atome, die dann wiederum durch Anlagerung an
molekularem Sauerstoff Ozon bilden können. Ozon ist ein weiteres
Molekül, das in der Lage ist, für uns schädliche Teile des
Sonnenspektrums abzufangen. Die Fähigkeit des Ozons Licht zu
absorbieren liegt in einem Wellenlängenbereich zwischen 200 und
310 nm. Die Absorptionsfähigkeit des Ozons nimmt mit zunehmender
Wellenlänge ab. Wird nun die Ozonschicht dünner, kommt auch
verstärkt Licht im Bereich zwischen 280 und 320 nm bis zur
Erdoberfläche durch, also genau das Licht, das der gefährlichen
UV–B Strahlung entspricht.
10. Der Kohlendioxid - Zyklus
Die Temperatur der Erdoberfläche wird durch das Gleichgewicht der
von der Sonne eingestrahlten und der von der Erde wieder
abgestrahlten Energie bestimmt. Bei fehlender Atmosphäre oder bei
Abwesendheit von Kohlendioxid und auch Wasserdampf wäre die
Durchschnittstemperatur auf der Erde bei etwa -20 °C. Flüssiges
Wasser gäbe es also nicht. Während die auf der Erde eingestrahlte
Sonnenenergie vor allem im Bereich des sichtbaren Lichtes liegt,
strahlt
die
Erde
vor
allem
Energie
der
langwelligeren
Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) ab. Molekularer Stickstoff (N2)
und molekularer Sauerstoff (O2), die Hauptkomponenten unserer
Atmosphäre, können die von der Erde reflektierte Infrarotstrahlung
nicht aufhalten und damit als Wärme im Erdnahen Bereich
halten. Kohlendioxid und Wasserdampf ist das aber möglich. Diese
Luftbestandteile fangen die abgestrahlte Energie zum Teil wieder
ein und strahlen sie auf die Erde zurück, so dass die zur Erwärmung
der Erdatmosphäre vorhandene Energie vermehrt wird. Als Vergleich
dient die Wirkung eines Glashauses, wo die Glasscheiben auch
einen Teil der zurückgestrahlten Energie auffangen. Daher stammt
auch
die
Bezeichnung
„natürlicher
Glashaus“
–
oder
„Treibhauseffekt“.
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Kohlendioxid ist auch ein wichtiges Element im Lebenskreislauf der
Pflanzen. Es versorgt diese mit Kohlenstoff. Unter dem Einfluss von
Sonnenlicht zerlegen die Pflanzen den Kohlendioxid in Kohlenstoff
und molekularen Sauerstoff. Sie nehmen den atomaren Kohlenstoff
selbst auf und geben den Sauerstoff an die umgebende Luft ab. Der
Kohlenstoff gelangt über die Pflanze in die Erde, wo er von
Mikroorganismen durch Verbindung mit molekularem Sauerstoff
wieder als Kohlendioxid freigesetzt wird. Kohlenstoff – und
Sauerstoffmengen befinden sich also in einem Gleichgewicht.
Pflanzen erzeugen keinen Sauerstoff sondern halten den Kreislauf
bei gleich bleibenden Mengen einfach in Gang.
Der Sauerstoff unserer Atmosphäre stammt ursprünglich aus der
Spaltung von Wasser, der Kohlenstoff wurde dem Kreislauf in den
früheren Epochen als fossile Ablagerung entzogen. Durch starke
Nutzung dieser Kohlenstoffreserven wie Erdöl und Kohle, kann der
Mensch heute die in Umlauf befindliche Menge an Kohlendioxid
erhöhen und so das künftige Temperaturgleichgewicht der Erde
stark beeinflussen.
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11. Chapman Reaktionen (Ozon-Zyklus)
1929 / 1930 veröffentlichte S. Chapman die Theorie der Bildung von
Ozon und seines Abbaus. Die Reaktionen haben bis heute Gültigkeit
und werden als ‚Chapman-Zyklus' oder 'Chapman-Reaktionen'
bezeichnet.
Während sich die Kreisläufe von Wasser und Kohlenstoff im
erdnahen Bereich abspielen, geht der Ozonkreislauf in der
Stratosphäre vor sich, die 90 % der gesamten Ozonmenge
enthält. Dort ist es eines der bedeutendsten Spurengase unserer
Lufthülle. Leben und Klima sind davon abhängig. Während das
schützende, „gute“ Ozon in der Stratosphäre ständig abnimmt,
nimmt in Bodennähe das schädliche, „böse“ Ozon ständig zu. Die
Zunahme des Ozons in Bodennähe lässt sich auf menschliche
Ursachen zurückführen. Vor allem auf der Industrieintensiven
Nordhalbkugel unserer Erde ist die Ozonbelastung der
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unteren Luftschichten höher als auf der Südhalbkugel. Das
vermehrte Ozon in der Troposphäre könnte nie das fehlende Ozon in
der Stratosphäre ausgleichen. Durch Austauschvorgänge kann das
troposphärische Ozon nicht in die Stratosphäre transportiert
werden, um dort zu „gutem“ Ozon zu werden. Dazu ist das Ozon viel
zu kurzlebig und zu reaktionsfreudig.
Das Ozongleichgewicht selbst unterliegt einem andauernden
Wechsel von Spaltung und Rückbildung. Durch UV-B-Strahlung bei
Wellenlängen unter 320 nm erfolgt die Spaltung. Es bricht die
Bindung des Ozonmoleküls, das in molekularen (O2) und atomaren
Sauerstoff zerfällt (O). Die UV-B- Strahlung wird bei dieser Reaktion
in Wärme umgewandelt die an die Umgebung abgegeben wird. Die
durchschnittliche Lebensdauer eines Ozonmoleküls bis zur
Spaltung durch UV-B beträgt weniger als 1 Stunde. Der atomare
Sauerstoff hat eine sehr kurze Lebensdauer und ist so
reaktionsfreudig, dass er sich sofort mit dem nächsten
Sauerstoffmolekül wieder zu Ozon verbindet.
12. Verschiedene Wirkungsweisen der Stickoxide
Die chemische Bildung von Ozon in der Troposphäre, die bis zu ca.
10 km in die Höhe reicht, ist das Sonnenlicht eine Voraussetzung,
aber es sind auch Stickoxide notwendig. Diese Stickoxide (NO, NO2)
entstehen meistens aus Verbrennungsprozessen, z.B. bei
Straßenverkehr,
Bränden
und
Kraftwerken
mit
fossilen
Energieträgern usw. Ein gutes Beispiel sind die Brandrodungen in
den Regenwäldern. Die Wirkungen der Stickoxide sind abhängig von
ihrer Konzentration. Liegt diese unterhalb eines Wertes von 10 ppt
(parts per trillion) wird durch photochemische Oxidation kein Ozon
mehr gebildet sondern verbraucht. Der genannte Wert wird auf der
Nordhalbkugel meistens überschritten was eine vermehrte
Ozonbildung in Erdnähe zur Folge hat.
 Wie geht das vor sich?
Zunächst ist vorwiegend Stickstoffmonoxid (NO) vorhanden, das aus
Kfz-Abgasen stammt. Wegen der vorhandenen Radikale (vor allem
aus der Wasserstofffamilie) wird ein O leicht zu Stickstoffdioxid
(NO2) umgesetzt (oxidiert). Es ist lichtempfindlich und zerfällt in NO
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und Energiereichen atomaren Sauerstoff, der dann dem bekannten
Mechanismus Ozon aufbaut.
NO2 + hv –> NO· + hv
O + O2 + M –> O3 + M
(hv= Energiereiche Strahlung)
(M= irgendein anderes Molekül, das als
Stoßpartner dient undüberschüssige
Energie aufnimmt)
Das
gebildete
Ozon
kann
mit
dem
verbleibenden
oder
nachgelieferten NO aus Schadstoffen reagieren und bildet NO2 und
molekularen Sauerstoff:
NO· + O3 –> NO2 + O2
Diese Reaktionskette läuft immer wieder ab und führt zu einem
Gleichgewicht. Liegt aber der Wert von Stickoxid unterhalb von 10
ppt sind die NO Mengen zu gering, dann reagiert das
Wasserstoffperoxyl-Radikal HO2 bevorzugt mit Ozon:
HO2 + O3 –> OH· + 2 O2
Ohne Stickoxide wird das bodennahe Ozon also abgebaut.
13. Allgemeine Auswirkungen auf die Umwelt:
· Anstieg des Meeresspiegels
· Verschiebung der Klimazonen
· Waldsterben
· Beeinträchtigung der Wasserressourcen vieler Gebiete
· Verschlechterung der Ernährungssituation großer Teile der
Menschheit durch Klimaanomalien, Missernten, vermehrten Schäden
an Kulturpflanzen etc.
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14. Wirkungen beim Menschen:
Wirkungen auf die Lungenfunktion:
Das Einatmen von Ozon führt zu verschiedenen Veränderungen der
Lungenfunktion. Diese Veränderungen zählen zu den am besten
untersuchten Wirkungen von Ozon beim Menschen. Eine wesentliche
Erkenntnis dieser Untersuchungen war, dass das Ausmaß der
Lungenfunktionsänderungen von der eingeatmeten Luftmenge und
damit von der körperlichen Aktivität der jeweiligen Personen
abhängig ist. Die Ozondosis ist daher ein besseres Maß für die
tatsächliche
Ozonbelastung
eines
Menschen
als
die
Ozonkonzentration. Für die Ozondosis ist außer den inhalierten
Luftvolumen auch noch die Dauer der Belastung des Organismus von
Bedeutung.
Ozondosis =
T=
V=
C*T*V C= Ozonkonzentration
Einwirkdauer (Expositionszeit)
Inhaliertes Luftvolumen
Das erklärt, warum im Ruhezustand, das heißt bei geringen
inhalierten Luftvolumen, auch hohe Ozonkonzentrationen nicht zu
nennenswerten Veränderungen der Lungenfunktion führen. Je höher
die körperliche Aktivität und/oder je länger die Expositionszeit, umso
geringer sind die Ozonkonzentrationen bei denen Wirkungen
beobachtet werden können. Wegen des Zusammenhangs zwischen
inhaliertem Luftvolumen, das meist als Atemminutenvolumen AMV
ausgedrückt wird, und Ozondosis werden Untersuchungen zur
Wirkung von Ozon in der Regel mit körperlich aktiven
Versuchspersonen durchgeführt. Wie gut man die augenblicklich
vorherrschende Ozonbelastung verträgt, hängt nicht zuletzt
vom gesundheitlichen Allgemeinzustand ab und auch davon, wie
groß die individuelle Empfindlichkeit gegenüber Ozon ist. Wie
unterschiedlich die Umstände auch sein mögen, bei denen Ozon in
den Sommermonaten auf den körperlichen Mechanismus wirkt,
grundsätzlich wurden von der Wissenschaft die gesundheitlichen
Auswirkungen beobachtet.
Die Symptome sind z.B. „Trockenes Auge“ bei einer Konzentration
von ca. 100 μg/m³, ab 160 μg/m³ veränderte Lungenfunktion bzw.
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Entzündungen des Lungengewebes, ab 200 μg/m³ Tränenreiz,
Kopfschmerzen, Atembeschwerden. Es kann sogar zu massiven
Einschränkungen der körperlichen Leistungsfähigkeit und eine
höhere Gefahr von Asthmaanfällen bei 240 μg/m³ auftreten.
Zwar wurden diese Wirkungen überwiegend nur nach mehrstündigen
Expositionen unter körperlicher Belastung beschrieben. Doch diese
Situation ist an Strahlungsreichen Sommertagen bei weitem nicht
mehr die Ausnahme.
15. Wirkungen auf die Flora:
Wie z.B. SO2 (Schwefeldioxid) gehört Ozon zu den wichtigsten
Pflanzentoxischen Schadstoffen. Für empfindliche Pflanzenarten ist
Ozon schon in wesentlich niedrigeren Konzentrationen als für den
Menschen schädlich. Pflanzen reagieren auf ein zu hohes oder
zu niederes Angebot einzelner Luftbestandteile sehr empfindlich.
Während Menschen und Tiere ihre Atmung auf Sauerstoff ausrichten,
der mehr als 20 Volumenprozent ausmacht, ist der Gasstoffwechsel
der Pflanzen wesentlich empfindlicher, weil seine Ausrichtung auf
Kohlendioxid
(CO2)
mit
einem
Luftanteil
von
ca.
0,03
Volumenprozent besteht. Ozon wirkt auf die Oberfläche der Pflanze
ein und wird durch die Spaltöffnungen ins Blatt aufgenommen.
Umwelteinflüsse
wie
Licht,
Luftfeuchtigkeit,
Wärme,
Nährstoffmangel oder andere Zusatzbelastungen können die
Erweiterung der Spaltöffnungen fördern und verstärken somit die
Wirkung des Ozons. Das Ozon kommt über die Interzellularen Räume
mit den umliegenden Zellmembranen in Kontakt. Die Folgen sind
äußerlich sichtbare punktförmige Ausbleichungen, die auf einem
gestörten Wasser- und Nährstoffhaushalt, sowie Enzymstoffwechsel
und damit verbundenen zellulären Funktionen hinweisen. In
weiteren Stadien kommt es zu punktförmigen Zerstörungen des
Gewebes, die zu Flächen verschmelzen können. Ab einem
bestimmten Zerstörungsgrad stirbt das Blatt ab.
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16. Messmethoden
 Dobson-Spektrophotometer
Mit dem Dobson-Spektrophotometer wird die UV-Strahlung der
Sonne in zwei bis sechs Wellenlängen gemessen. Dabei wird immer
die Strahlung eines Wellenlängenpaares betrachtet. Bei einer
Wellenlänge (zum Beispiel bei 305,5 nm) wird die Strahlung durch
das Ozon der Ozonschicht stark absorbiert, bei der anderen
(beispielsweise bei 325,4 nm) dringt die UV-Strahlung fast
ungehindert durch die Ozonschicht. Aus dem Verhältnis der
Intensität kann dann auf den Gesamt-Ozongehalt der Atmosphäre
geschlossen werden. Wenn die Strahlung beider Wellenlängen durch
die Atmosphäre gelangt, wird sie durch Luftmoleküle und
Staubpartikel
abgeschwächt
(gestreut).
Am
relativen
Intensititätsunterschied ändert sich dabei allerdings fast nichts, da
der Streuprozess nur sehr schwach wellenlängenabhängig ist. So ist
es
auch
möglich,
bei
völlig
bedecktem
Himmel
den
Gesamt-Ozongehalt zu bestimmen.
Das Licht der Sonne fällt im Gerät auf ein Prisma, das das
Sonnenlicht in sein Spektrum zerlegt. Das Spektrum wird im UVBereich ausgewertet. Dabei werden gleichzeitig beide Wellenlängen
des Wellenlängenpaars gemessen und die Intensität der ungestörten
Wellenlänge durch einen Graukeil auf die Intensität der gestörten
Wellenlänge gebracht. Die Position des Graukeiles entspricht dann
nach entsprechender Umrechnung dem Gesamt-Ozongehalt der
Atmosphäre. Die Einheit für den Gesamt-Ozongehalt heißt DobsonEinheit (Dobson-Unit, D. U.).
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 Brewer Spektrometer
Das Prinzip bei einem Brewer-Spektrometer ist sehr ähnlich dem des
Dobson-Spektrometers, der Unterschied liegt im dispergierenden
Element, da hier anstatt eines Prismas ein Gitter verwendet wird.
Der Vorteil hier ist, dass durch das feine Gitter sich die
Wellenlängen deutlicher voneinander trennen lassen. Hier werden
fünf Wellenlängen miteinander verglichen.
 MIPAS Michelson Interferometer for passive Atmospheric
Sounding
Die generelle Funktionsweise eines Interferometers besteht darin,
dass eine Lichtwelle in zwei Teile aufgeteilt wird. Diese zwei Wellen
durchlaufen dann unterschiedlich lange Strecken oder Medien, in
denen die Lichtgeschwindigkeit verschieden ist. Dadurch ergibt sich
eine Phasenverschiebung zwischen den zwei Wellen. Werden diese
dann wieder zusammengeführt, kommt es zur Interferenz.
Beim Michelson-Interferometer geschieht die Aufteilung der
Lichtwelle mittels eines halbdurchlässigen Spiegels. Das von der
Lichtquelle ausgehende Licht wird am halbdurchlässigen Spiegel
(Strahlteiler) teils durchgelassen (rot markiert), teils jedoch um 90
Grad reflektiert (blau markiert). Das durchgelassene und das
reflektierte Licht treffen nun jeweils auf einen (vollständig
reflektierenden)
Spiegel
und
werden
wieder
auf
den
halbdurchlässigen Spiegel zurück geworfen. Wieder wird ein Teil
reflektiert und ein Teil durchgelassen. Hinter dem halbdurchlässigen
Spiegel überlagern sich dann die zwei Wellen (gelb markiert), es
kommt zur Interferenz.
Verändert man die optische Weglänge einer der beiden Wellen, z. B.
indem man einen der beiden Spiegel verschiebt, oder indem man die
Brechzahl des Mediums in einem der beiden Interferometerarme
verändert, so verschieben sich die Phasen der beiden Wellen
gegeneinander. Sind sie nun in Phase, so addiert sich ihre Amplitude
(man spricht von konstruktiver Interferenz), sind sie jedoch
gegenphasig, so löschen sie sich gegenseitig aus (destruktive
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Interferenz). Über die Intensitätsmessung der resultierenden Welle
können bereits kleinste Veränderungen des Gangunterschieds
zwischen den beiden Wellen gemessen werden.
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