Vorbesprechung

‚Die stratosphärische Ozonschicht‘ Modul ‚Meteorologie der Mittleren Atmosphäre‘, WS 2009/10, Vorbesprechung 

Vorlesung 

mit praktischen p Übungen g 

Modul: Meteorologie der Mittleren Atmosphäre 

Die stratosphärische Ozonschicht 

Prof. Dr. Ulrike Langematz 

Tel: 838 71165 

Email: Ulrike.Langematz@met.fu-berlin.de 

Dipl.-Phys. Anke Hamann-Reinus 

Tel: 838 71173 

Anke.Hamann-Reinus@met.fu-berlin.de 

Wintersemester 2009/10 

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Dr. Markus Rex 

Alfred-Wegener-Institut für Polar- und 

Meeresforschung, Potsdam 

Email: Markus.Rex@awi.de


• Modul im Studienbereich Meteorologische g Spezialthemen 

p 

(Wahlpflicht) des M.Sc. Studiengangs 

• Bestehend aus: 

- Vorlesung ‚Meteorologie der Mittleren Atmosphäre‘ 

(2 SWS, SS 2009) 

- Vorlesung g mit pprakt. Übungen: g ‚Die ‚ stratosphärische p Ozonschicht‘ 

(2 SWS, WS 2009/10), 

in Zusammenarbeit mit Dr. Markus Rex, AWI Potsdam 

- Seminar ‚Ausgewählte Ausgewählte Probleme der Mittleren Atmosphäre‘ 

Atmosphäre 

(2 SWS, WS 2009/10) 

• Kriterien für erfolgreiche Absolvierung des Moduls: 

- Programmierung eines numerischen Modells (40%) 

- Durchführung einer Wetterbesprechung (20%) 

- SSeminarvortrag i t von ca. 45 Mi Minuten t (40%) 

• Regelmäßige Teilnahme an den Übungen und am Seminar 

• 6 LP 

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Termine: 

Vorlesung: 

Dienstag, 15:00-16:30 Uhr, bis 15.12.2009 

Programmierteil: 

2 Tage im Januar/Februar 2010 

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Vorlesungskript 

�� in elektronischer Form als pdf pdf-Datei Datei 

� über Internet-browser herunterzuladen von 

http://www.geo.fu-berlin.de/met/ag/strat/lehre/index.html 

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Inhalt 

Einführung / Allgemeines 

- Messverfahren und Messgrößen für Ozon 

- Ozonverteilung 

- Solarstrahlung, Strahlungstransport in der Atmosphäre 

- UV-B Belastung am Boden / Wirkung auf Ökosysteme, Menschen und Landwirtschaft 

Chemie der Ozonschicht 

- Reaktionskinetik u. Thermodynamik von Gasphasenreaktionen 

- “Chapman Chapman Chemie” Chemie , O Ox Chemie 

-NOx, Chemie 

-HOxChemie - FCKWs und Halogenchemie 

Dynamik der Ozonschicht 

- Mittlere zonale Zirkulation der Stratosphäre, Meridionalzirkulation, Residualzirkulation 

- Polarwirbel, subtropische Barriere 

- Wellen in der Stratosphäre, Wellenbrechung und “Downward Control” Prinzip 

Variabilität der Ozonschicht 

- Ozon und QBO 

- Vulkane und Sonne 

- Ozonminilöcher 

Anthropogener Ozonabbau / “Ozonloch” 

- Aerosole in der Stratosphäre, polare Stratosphärische Wolken 

- Heterogene Chemie, polarer Ozonabbau, Ozonloch 

- Wechselwirkung zwischen Klima (Treibhausgase) und Ozonabbau 

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Literatur 

(1) Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006 

World Meteorologic Organization Organization, Global Ozone Research and Monitoring Project - 

Report No. 50, 572pp, Geneva, Switzerland, 2007 

ISBN: 978-92-807-2756-2 

=> Neuester SStand der Ozonforschung. O f Teilweise etwas Vorkenntnisse zum Verständnis 

erforderlich. Kostenlos online erhältlich. 

Überblick: http://www.esrl.noaa.gov/csd/assessments/2006/ 

http://www esrl noaa gov/csd/assessments/2006/ 

Download: http://www.esrl.noaa.gov/csd/assessments/2006/report.html 

(2) St Stratospheric t h i OOzone - AAn El Electronic t i TTextbook tb k 

NASA-Goddard Space Flight Centre 

Paul Newman and Gary Morris und Beiträge von vielen weiteren Autoren 

=> Leicht verständlicher Überblick. Kostenlos online erhältlich. 

http://www.ccpo.odu.edu/SEES/ozone/oz_class.htm 

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(3) The Chemistry and Physics of Stratospheric Ozone 

AAndrew d DDessler, l AAcademic d i PPress, 2000 2000, ISBN: ISBN 0122120515 

=> Leicht verständlicher Überblick, nicht online erhältlich. 

(4) Aeronomy of the Middle Atmosphere - Chemistry and Physics of the Stratosphere and 

Mesosphere 

Thi Third d revised i d andd enlarged l d Editi Edition 

Guy P. Brasseur, S. Solomon 

Springer, Dordrecht, Netherlands, 2005 

ISBN: 1-4020-3284-6 

=> Sehr detailliertes erschöpfendes Buch, nicht online erhältlich. 

(5) Chemical Kinetics and Photochemical Data for Use in Atmospheric Studies, 

Evaluation Number 15 

JPL Publication 06-2, , 2006 

=> Fast alle kinetischen Daten (“die Bibel”). Kostenlos online erhältlich. 

http://jpldataeval.jpl.nasa.gov/download.html 

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(6) Ozonloch Ozonsmog (Grundlagen der Ozonchemie) 

EErnst-Peter t P t Röth 

B.I. Taschenbuchverlag, 1994, ISBN: 3-411-10421-X 

=> Leicht verständlicher Überblick über Grundlagen der Ozonchemie, aber Prognosen 

Leicht verständlicher Überblick über Grundlagen der Ozonchemie, aber Prognosen 

nicht mehr aktuell 

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Ozon: 

• griech; „das Duftende“ 

• besitzt einen deutlich wahrnehmbaren Geruch 

• bei gewöhnlichen Temperaturen gasförmig, 

bläulich gefärbt 

• kondensiert bei –111.9 111 9 °CC zu tiefblauer Flüssigkeit 

• erstarrt bei –192.5 °C zu schwarzvioletten Kristallen 

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Ozon und Sauerstoff 

Sauerstoff- Sauerstoff 

Sauerstoff- Ozonatom 

(O) molekül (O2) molekül (O3) • Ozon ist ein „Spurengas“. p g 

• Ozongehalt in mittleren Breiten am Erdboden: ~30 ppbv=0,03 ppmv 

1 ppb: 1 Teil Ozon in 109 Teilen Luft 

1 ppm: 1 Teil Ozon in 106 Teilen Luft 

• Ozongehalt in der Stratosphäre: max max. 10 ppmv (~300 mal höheres 

Mischungsverhältnis als am Erdboden) 

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Meilensteine der Ozonforschung 

~ 2600 bp Odyssee (Homer): Erzählungen des Odysseus, 12. Kap., Vers 417: Zeus 

schlug mit dem Blitz in das schiff ein, „dass es, getroffen vom Strahle des Zeus, 

rings g wirbelnd sich drehte, , ganz g voll von Schwefelgeruch“ g 

1774: Entdeckung von O2 durch J. Priestley und Karl 

Wilhelm Scheele 

1785: Martin von Marum 

entdeckt charakteristischen, intensiven Geruch 

bei elektr. Entladungen in Sauerstoff 

1839 Entdeckung des Ozons durch Christian 

Friedrich Schönbein 

• deutscher Chemiker 

• Prof. für Physik und Chemie an Uni Basel 

• 10.4.1840: Bericht an Bayrische Akad. d. 

Wissenschaften: „Beobachtungen über 

dden bbei i dder El Elektrolyse kt l ddes WWassers und d 

dem Ausströmen der gewöhnlichen 

Elektrizität aus Spitzen sich entwickelnden 

de Geruch“(→ Ge uc ( Namen) a e ) 

Christian Friedrich Schönbein Schönbein, 1799-1868 

• entwickelt erstes Nachweisverfahren 

Naturhistorisches Museum (Basel) 

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ab ca. 1850 Bodenozonmessungen mit Ozonometern1) und anderen Verfahren an 

mehr als 300 Stationen in Europa, Europa Russland und Nordamerika 

Nordamerika, 

Australien 

z.B. Wien (1854-1920), Montsouris (Paris) (1876-1910), Athen (1901- 

1940) 

1) : chemischer Ozonnachweis; Kaliumiodid-Stärkepapier färbt sich bei Kontakt mit Ozon blau. Bestimmung der 

Ozonkonzentration durch Vergleich mit 10-stufiger Blauskala 

1858 Schönbein: Theorie von Ozon und Antozon als 2 aktive Sauerstoffformen; 

später widerlegt 

1864 Soret: Ozon ist ein aus 3 Sauerstoffatomen bestehendes Molekül. 

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Kurioses: 

1865: Nationale Kommission 

der Akademie der 

Wissenschaften (Paris) 

bestimmt Kommission zur 

Reduktion der Zahl der 

Veröffentlichungen e ö e c u ge übe über OOzon. o


Höhere Ozonwerte durch verstärkten N–S Transport der Luft? 

Erste Erkenntnisse: 

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Bojkov, 1986 

• Im Freien gibt es mehr Ozon als in geschlossenen 

Räumen. 

• Im Gebirge gibt es mehr Ozon als im Flachland. 

• Die Ozonkonzentration ist an Siedlungen geringer 

als im Wald („ozonreiche Waldluft“?) 

• Ozon nimmt bei Gewittern zu. 

• OOzon hat h t einen i Jahresgang J h mit it FFrühjahrsmaximum. ühj h i


Ozon in der freien Atmosphäre 

1862 James Glaisher und Henry Coxwell: 1. Ballonfahrt bis 11km zur 

Messung der vertikalen Ozonverteilung in Wolverhampton (UK) 

1878/79 Marie Alfred Cornu (1841-1902) 

Vermessung des Sonnenspektrums, Abbruch bei 300 nm, Absorption in 

Erdatmosphäre 

1880 Sir Walter Noel Hartley (1846-1913) 

Entdeckung der O3-Absorptionsbanden im UV des 

Sonnenspektrums (200-320 nm) 

1880 James Chappuis (1854-1934) 

Entdeckung der O 3-Absorptionsbanden im sichtbaren Bereich des 

Sonnenspektrums (500-700 nm) 

1890 Sir William Huggins (1824-1910) 

Entdeckung der Huggins-O Huggins-O3-Absorptionsbanden -Absorptionsbanden im 320-360 nm Bereich 

des Sonnenspektrums 

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1912/13 Beweis, dass Ozon hauptsächlich p in der Stratosphäre p vorkommt 

Ab 1913 Erste quantitative Messung des Gesamtozongehaltes (C. Fabry u. H.A. 

Buisson) 

1920 Gordon Miller Bourne Dobson (1889-1976) 

Bau des ersten Dobson-Spektrophotometers 

1926 Erstes Messnetz mit 6 identischen Dobson-Spektrometern zur weltweiten 

Messung des Gesamtozongehaltes 


• Zusammenhang zwischen Ozon und Wetterlage: nach 

Kaltfrontdurchgang und Einströmen von Polarluft: Ozonanstieg 

• Subtropische Luftmassen Luftmassen, stabile Hochs: wenig Ozon 

• Frühjahrsmaximum in hohen Breiten 

• Tropisches Minimum 

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Vertikale Ozonverteilung 

1929 Herleitung der Umkehrmethode zur Bestimmung des Ozonvertikalprofils 

(F.W. Paul Götz) 

1930 Sidney Chapman (1888-1970) 

Herleitung der photochemischen Theorie der Ozonbildung aus 

reinem Sauerstoff (Chapman-Zyklus) 

1934 Erste in-situ Messung der vertikalen Ozonverteilung mit Ballon- 

SSonden d (E (E. u. V.H. VH R Regener) ) 

1955 Globales Netz von Ozonsondenstationen vorgeschlagen für 

das "Internationale geoph geophysikalische sikalische Jahr" (IGY) 


• Ozon wird in der Stratosphäre erzeugt und durch Transporte und 

Turbulenz abwärts verfrachtet und in die Troposphäre eingemischt 

• Das Ozonmaximum liegt in ca. 22 km Höhe. 

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1966 Erste Ozonmessungen von Satelliten 

1971 Mögliche Ozonzerstörung durch NO x Mechanismus vorgeschlagen 

1974 ClO x-Chemie als ozonzerstörender Mechanismus vorgeschlagen 

1975 Erste internationale Bestandsaufnahme der globalen Ozonverteilung durch 

WMO 

ab 1981 WMO veröffentlicht Ozon-Statusberichte in 1981, 1985, 1988, 1989, 1991, 

1994 1994, 1998 1998, 2002 2002, 2006 

1984 Erste Veröffentlichung ungewöhnlich tiefer Totalozonwerte an der 

antarktischen Station Syowa im Oktober 1982 

1985 Beschluss der Wiener Konvention zum Schutz der Ozonschicht; 

Veröffentlichung von Daten über das antarktische Ozonloch im Frühjahr 

1986 Analyse der Montsouris-Bodenozonmessreihe (1873-1910) zeigt Anstieg 

des Bodenozons auf das Doppelte seit Anfang des Jahrhunderts 

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1987 Verabschiedung des Montrealer Protokolls zur Reduzierung ozon- ozon 

zerstörender Substanzen (unter Leitung von UNEP); Beginn einer 

grundlegenden Bestandsaufnahme der Ozonverteilung unter dem 

NASA/WMO Ozone Trends Panel 

1988 Dokumentation einer mehr als 10%igen Ozonabnahme pro Dekade in der 

unteren Stratosphäre 

Ende der Herleitung der für die Entstehung des Ozonlochs ursächlichen 

80er Jahre heterogenen chemischen Prozesse; Bestätigung durch Messungen von 

erhöhten, anthropogen erzeugten Chlor- und Bromkonzentrationen in der 

AAntarktis t kti 

1990 Londoner Erweiterung des Montrealer Protokolls mit dem Verbot der 

Herstellung und des Verbrauchs von FCKWs ab dem Jahr 2000. 

1991 WMO-Ozonstatusbericht zeigt eine globale Ozonabnahme (mit Ausnahme 

der Tropen) im ganzen Jahr; hohe ClO-Werte werden in der 

NNordpolarregion d l i gemessen 

1992, 1999 Kopenhagener und Beijinger Erweiterungen des Montrealer Protokolls mit 

weiteren Verschärfungen 

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Vorbesprechung

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