Teil I: Der Schutz durch das Ozon
Im Jahr 1995 ging der Nobelpreis für Chemie in den Bereich Atmosphärenchemie für eine Entdeckung, die zeigte, dass der Mensch maßgeblich das Leben auf der Erde beeinflusst - und das nicht einmal mit Absicht. Sie verwies den Menschen darauf, dass er für sein Handeln Konsequenzen in nie bekannter Weise erwarten muss, wenn er nicht entgegensteuert: Paul J. Crutzen, Mario J. Molina und F. Sherwood Rowland erhielten den Nobelpreis „für ihre Arbeit zur Atmosphärenchemie, insbesondere zu Bildung und Abbau von Ozon” („for their work in atmospheric chemistry, particularly concerning the formation and decomposition of ozone“). Sie hatten das Ozonloch erforscht.
Dass eine Reaktion abläuft, wer die Reaktionsteilnehmer sind und was entsteht, ist schon eine harte Nuss, die man knacken muss. Doch sie ist erst der Beginn, wenn man eine Reaktion vollständig verstehen will. Denn genauso wichtig ist zu wissen, wie die Reaktionsteilnehmer reagieren.
Die Aufklärung dieser sogenannten Reaktionsmechanismen ist für die Chemie von zentralem Interesse. Wild rumpanschen, Vermutungen anstellen und auf ein Ergebnis hoffen ist natürlich sehr lustig ([/Ironie]), aber um zielgerichtete Modifikationen vorzunehmen oder effizient in den Ablauf eingreifen zu können ist es leichter, wenn man weiß, was genau auf dem Weg von A + B zu C passiert. Dabei gibt es Reaktionen, die über keine, eine oder über zig Zwischenstufen ablaufen. Auch die Atmosphärenchemie zeichnet sich durch eine Vielzahl von Zwischenstufen aus, die zu verfolgen manchmal gar nicht so leicht ist. Das Ozon hat sich dabei als erstaunlich wichtiges Teilchen entpuppt.
Die Strahlungen, die die Erde von der Sonne aus erreichen, sind weit gestreut in ihrem Energiebereich, haben daher auch unterschiedliche Auswirkungen auf das Leben. Relevant ist dabei neben dem sichtbaren Licht die ultraviolette Strahlung. Bestimmte Bereiche der ultravioletten Strahlung können die Haut bräunen, aber auch Sonnenbrände verursachen, die Augen schädigen, die DNS angreifen und manchmal Krebs auslösen. Und das sind nur die direkten Auswirkungen auf den Menschen. Dass wir dieser schädlichen Strahlung nicht ausgesetzt sein müssen, liegt am Ozon.
Ozon ist eine Form des Sauerstoffs. Sauerstoff kann aufgrund seiner Reaktivität nicht als Atom vorliegen, sondern schließt sich mit anderen Sauerstoffatomen zusammen zu O2 (Vgl. Chlor). O2 ist die gängige und stabilere Variante. Die Variante Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen (O3) und ist durchaus gesundheitsschädlich, weil es mit so ziemlich allem reagiert, mit dem es in Berührung kommt. Ozon kommt auch am Boden vor, es ist ein Bestandteil des „photochemischen Smogs“ (auch „Los-Angeles-Smog“ genannt), wo es als Treibhausgas wirkt. Es wird aber auch mit voller Absicht hergestellt, eben weil es ein enorm starkes Oxidationsmittel ist. So kann es zum Beispiel schon in kleinen Konzentrationen in Schwimmbädern als Desinfektionsmittel genutzt werden.
In der Atmosphäre, besser gesagt der Stratosphäre, wird Ozon aus Sauerstoff gebildet. Dazu ist vor allen Dingen elektromagnetische Strahlung nötig, ganz besonders Strahlung mit einer Wellenlänge (λ) kleiner als 240 Nanometer, die damit höhere Energie aufweist als das sichtbare Licht. Die Strahlung dieser Wellenlänge liegt im Bereich der fernen ultravioletten Strahlung (UV-C). Sie ist so energiereich, dass sie ein Sauerstoffmolekül zu zwei Sauerstoffatomen spalten kann.
Sauerstoffatome sind aber äußerst reaktiv. Sie haben nun die Möglichkeit, mit einem anderen Sauerstoffatom ein Sauerstoffmolekül zu bilden - also nichts anderes als die Rückreaktion. Doch wahrscheinlicher ist es, dass es mit der Fülle an Sauerstoffmolekülen reagiert, da diese schließlich in der Mehrheit vorliegen und es wahrscheinlicher ist, dass das Sauerstoffatom auf einen Haufen Sauerstoffmoleküle trifft statt auf ein anderes Sauerstoffatom. Wenn also ein Sauerstoffatom mit einem Sauerstoffmolekül reagiert entsteht Ozon.
Damit ist bereits ein Teil der Strahlung, nämlich alles unterhalb 240 nm adsorbiert worden und die erste Stufe des Schutzes ist eingetreten. Doch das ist nur die halbe Miete. Im nächsten Schritt wird vom Ozon Strahlung der Wellenlänge kleiner 310 nm adsorbiert, was wiederum zur Zerstörung des Ozons beiträgt.
Das entstandene Sauerstoffatom kann sich nun wieder das nächste Sauerstoffmolekül schnappen und erneut zu Ozon reagieren.
Es kann aber auch mit einem anderen Ozonmolekül reagieren,
wodurch Sauerstoffmoleküle entstehen. Auch diesmal ist es wahrscheinlicher, dass der erste Fall eintritt, einfach weil es wahrscheinlicher ist, dass das Sauerstoffatom eher elektromagnetische Strahlung zu spüren bekommt als dass es ein Ozonmolekül erwischt. Es stellt sich aufgrund des ständigen Auf- und Abbaus des Ozons ein Gleichgewicht ein, welches von der Anzahl der Sauerstoffmoleküle aber auch von der UV-Strahlung abhängt. All das führt dazu, dass in ungefähr 20 km Höhe in der Stratosphäre besonders viel Ozon vorhanden ist. Na ja. „Besonders viel“ ist relativ zu sehen, das gesamte Ozon in eine Schicht komprimiert (also ohne andere Gase) wäre nur wenige Millimeter dick, doch es reicht aus um die UV-Strahlung, die uns schadet, abzufangen.
Alles in allem besteht der Schutz also darin, dass Strahlung in die Zerstörung des Sauerstoffs oder aber in die Zerstörung des Ozons fließt und den Erdboden damit nicht erreicht.
Jetzt ist es aber so, dass man seit der Entdeckung des Ozons auch mitbekommen hat, dass die Ozonschicht sich immer weiter ausdünnt. Über einen der Gründe könnt ihr im zweiten Teil weiterlesen.
Anmerkungen
Die exakten Zahlenwerte stammen aus Riedel, E., Janiak, C. Anorganische Chemie, 7. Aufl., de Gruyter Berlin 2007, den Mechanismus habe ich zur entsprechenden Zeit aus Bruice, P., Organische Chemie, 5. Aufl., Pearson Studium, 2007 (Woah, was für ein klasse Buch, nur viel zu fett. :D) gelernt.
Im Jahr 1995 ging der Nobelpreis für Chemie in den Bereich Atmosphärenchemie für eine Entdeckung, die zeigte, dass der Mensch maßgeblich das Leben auf der Erde beeinflusst - und das nicht einmal mit Absicht. Sie verwies den Menschen darauf, dass er für sein Handeln Konsequenzen in nie bekannter Weise erwarten muss, wenn er nicht entgegensteuert: Paul J. Crutzen, Mario J. Molina und F. Sherwood Rowland erhielten den Nobelpreis „für ihre Arbeit zur Atmosphärenchemie, insbesondere zu Bildung und Abbau von Ozon” („for their work in atmospheric chemistry, particularly concerning the formation and decomposition of ozone“). Sie hatten das Ozonloch erforscht.
Dass eine Reaktion abläuft, wer die Reaktionsteilnehmer sind und was entsteht, ist schon eine harte Nuss, die man knacken muss. Doch sie ist erst der Beginn, wenn man eine Reaktion vollständig verstehen will. Denn genauso wichtig ist zu wissen, wie die Reaktionsteilnehmer reagieren.
Die Aufklärung dieser sogenannten Reaktionsmechanismen ist für die Chemie von zentralem Interesse. Wild rumpanschen, Vermutungen anstellen und auf ein Ergebnis hoffen ist natürlich sehr lustig ([/Ironie]), aber um zielgerichtete Modifikationen vorzunehmen oder effizient in den Ablauf eingreifen zu können ist es leichter, wenn man weiß, was genau auf dem Weg von A + B zu C passiert. Dabei gibt es Reaktionen, die über keine, eine oder über zig Zwischenstufen ablaufen. Auch die Atmosphärenchemie zeichnet sich durch eine Vielzahl von Zwischenstufen aus, die zu verfolgen manchmal gar nicht so leicht ist. Das Ozon hat sich dabei als erstaunlich wichtiges Teilchen entpuppt.
Die Strahlungen, die die Erde von der Sonne aus erreichen, sind weit gestreut in ihrem Energiebereich, haben daher auch unterschiedliche Auswirkungen auf das Leben. Relevant ist dabei neben dem sichtbaren Licht die ultraviolette Strahlung. Bestimmte Bereiche der ultravioletten Strahlung können die Haut bräunen, aber auch Sonnenbrände verursachen, die Augen schädigen, die DNS angreifen und manchmal Krebs auslösen. Und das sind nur die direkten Auswirkungen auf den Menschen. Dass wir dieser schädlichen Strahlung nicht ausgesetzt sein müssen, liegt am Ozon.
Ozon ist eine Form des Sauerstoffs. Sauerstoff kann aufgrund seiner Reaktivität nicht als Atom vorliegen, sondern schließt sich mit anderen Sauerstoffatomen zusammen zu O2 (Vgl. Chlor). O2 ist die gängige und stabilere Variante. Die Variante Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen (O3) und ist durchaus gesundheitsschädlich, weil es mit so ziemlich allem reagiert, mit dem es in Berührung kommt. Ozon kommt auch am Boden vor, es ist ein Bestandteil des „photochemischen Smogs“ (auch „Los-Angeles-Smog“ genannt), wo es als Treibhausgas wirkt. Es wird aber auch mit voller Absicht hergestellt, eben weil es ein enorm starkes Oxidationsmittel ist. So kann es zum Beispiel schon in kleinen Konzentrationen in Schwimmbädern als Desinfektionsmittel genutzt werden.
In der Atmosphäre, besser gesagt der Stratosphäre, wird Ozon aus Sauerstoff gebildet. Dazu ist vor allen Dingen elektromagnetische Strahlung nötig, ganz besonders Strahlung mit einer Wellenlänge (λ) kleiner als 240 Nanometer, die damit höhere Energie aufweist als das sichtbare Licht. Die Strahlung dieser Wellenlänge liegt im Bereich der fernen ultravioletten Strahlung (UV-C). Sie ist so energiereich, dass sie ein Sauerstoffmolekül zu zwei Sauerstoffatomen spalten kann.
O2 → 2 O
Sauerstoffatome sind aber äußerst reaktiv. Sie haben nun die Möglichkeit, mit einem anderen Sauerstoffatom ein Sauerstoffmolekül zu bilden - also nichts anderes als die Rückreaktion. Doch wahrscheinlicher ist es, dass es mit der Fülle an Sauerstoffmolekülen reagiert, da diese schließlich in der Mehrheit vorliegen und es wahrscheinlicher ist, dass das Sauerstoffatom auf einen Haufen Sauerstoffmoleküle trifft statt auf ein anderes Sauerstoffatom. Wenn also ein Sauerstoffatom mit einem Sauerstoffmolekül reagiert entsteht Ozon.
O + O2 → O3
Damit ist bereits ein Teil der Strahlung, nämlich alles unterhalb 240 nm adsorbiert worden und die erste Stufe des Schutzes ist eingetreten. Doch das ist nur die halbe Miete. Im nächsten Schritt wird vom Ozon Strahlung der Wellenlänge kleiner 310 nm adsorbiert, was wiederum zur Zerstörung des Ozons beiträgt.
O3 → O2 + O
Das entstandene Sauerstoffatom kann sich nun wieder das nächste Sauerstoffmolekül schnappen und erneut zu Ozon reagieren.
Es kann aber auch mit einem anderen Ozonmolekül reagieren,
O3 + O → 2 O2,
wodurch Sauerstoffmoleküle entstehen. Auch diesmal ist es wahrscheinlicher, dass der erste Fall eintritt, einfach weil es wahrscheinlicher ist, dass das Sauerstoffatom eher elektromagnetische Strahlung zu spüren bekommt als dass es ein Ozonmolekül erwischt. Es stellt sich aufgrund des ständigen Auf- und Abbaus des Ozons ein Gleichgewicht ein, welches von der Anzahl der Sauerstoffmoleküle aber auch von der UV-Strahlung abhängt. All das führt dazu, dass in ungefähr 20 km Höhe in der Stratosphäre besonders viel Ozon vorhanden ist. Na ja. „Besonders viel“ ist relativ zu sehen, das gesamte Ozon in eine Schicht komprimiert (also ohne andere Gase) wäre nur wenige Millimeter dick, doch es reicht aus um die UV-Strahlung, die uns schadet, abzufangen.
Alles in allem besteht der Schutz also darin, dass Strahlung in die Zerstörung des Sauerstoffs oder aber in die Zerstörung des Ozons fließt und den Erdboden damit nicht erreicht.
Jetzt ist es aber so, dass man seit der Entdeckung des Ozons auch mitbekommen hat, dass die Ozonschicht sich immer weiter ausdünnt. Über einen der Gründe könnt ihr im zweiten Teil weiterlesen.
Anmerkungen
Die exakten Zahlenwerte stammen aus Riedel, E., Janiak, C. Anorganische Chemie, 7. Aufl., de Gruyter Berlin 2007, den Mechanismus habe ich zur entsprechenden Zeit aus Bruice, P., Organische Chemie, 5. Aufl., Pearson Studium, 2007 (Woah, was für ein klasse Buch, nur viel zu fett. :D) gelernt.
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