Die wenigen Beobachtungswerte und Modellanalysen legen eine Zunahme des globalen troposphärischen Ozons seit vorindustriellen Zeiten bis heute von 25 DU auf 34 DU nahe.13 Vereinzelte europäischen Messungen, die bis ins späte 19. Jahrhundert zurückreichen, lassen vermuten, dass sich der Ozongehalt in Bodennähe im 20. Jahrhundert hier sogar verdreifacht hat. Auch Modellrechnungen ergeben aufgrund der zunehmenden Emissionen der Vorläufergase eine Verdreifachung des Ozongehalts in Europa, Nordamerika und Südostasien.14
Abb. 5: Veränderung der Ozonkonzentration seit der vorindustriellen Ära nach Modellberechnungen. Eine starke Konzentrationszunahme zeigen die stark industrialisierten Gebiete in Nordamerika und Ostasien, vor allem in den südlichen mittleren Breiten, da hier die Sonneneinstrahlung für eine hohe Ozonbildungsrate hoch genug ist.15
Neuere Datenreihen zeigen global eine Zunahme während der starken Nachkriegsindustrialisierung in den 1960er und 1970er Jahren, danach aber keinen klaren Trend mehr. Hier haben offenbar die Anstrengungen zur Kontrolle der Emission von Ozon-Vorläufergasen, insbesondere von Stickoxiden, in Nordamerika und Europa das Wachstum der Ozon-Konzentration stark gebremst. Besonders deutlich zeigt sich dieser Trend in den älteren Industrieländern selbst, wie die Messungen am Hohenpeissenberg in Süddeutschland belegen (Abb. 6). Die Ursachen der hier dargestellten Veränderung der Ozon-Konzentration in der freien Atmosphäre liegen allerdings nicht nur in den regionalen Verhältnissen, da hier auch globale Emissionsänderungen sowie Änderungen der atmosphärischen Zirkulation eine Rolle spielen können.
Abb. 6: Ozonkonzentration über Hohenpeißenberg in ca. 3000 m Höhe. 1975-1985 ist ein Anstieg von 40 auf 55 ppb zu erkennen, danach ein leichter Rückgang.16
In jüngster Zeit hat die schnelle Industrialisierung im östlichen Asien wieder zu deutlich gesteigerten Emissionen von Ozon-Vorläufergasen geführt. Aufgrund dessen, dass Ozon eine atmosphärische Lebensdauer von mehreren Wochen besitzt, d.h. der zirkumhemisphärischen Transportzeit nahe kommt, haben die kombinierten Emissionen von Nordamerika und Eurasien die troposphärische Hintergrundkonzentration von Ozon auf der Nordhalbkugel wieder zunehmen lassen. Auf der Südhalbkugel ist die Ozonkonzentration durch Biomassenverbrennung und die Nutzung fossiler Brennstoffe ebenfalls deutlich angestiegen. Schiffmessungen auf dem Atlantik, die ein gutes Bild der von regionalen Besonderheiten unabhängigen Hintergrundkonzentration liefern, haben zwischen 1977 und 2002 in den mittleren Breiten der Nordhemisphäre nur eine sehr geringfügige Zunahme, in den subtropischen und tropischen Breiten beider Hemisphären aber deutliche Zuwächse der Ozonkonzentration von z.T. über 50% ergeben.17
Modellprognosen für das 21. Jarhundert gehen davon aus, dass das troposphärische Ozon bis 2030 um ca. 5 ppb und bis 2100 um bis zu 20 ppb ansteigen könnte, in einigen Regionen wie vor allem in Süd- und Ostasien sogar um mehr als 45 ppb.18 Diesen Modellrechnungen liegen Annahmen über eine durchschnittliche Verdreifachung der Stickstoffemissionen von 2000 bis 2100 zugrunde. Dabei geht man von einer Verdopplung der N-Emissionen in Europa und Nordamerika aus, aber von einer Steigerung um das 5-8fache in Indien, Südostasien, Afrika und Südamerika. Auch die Zunahme der Emission von Kohlenmonoxid wird mit einem Faktor von durchschnittlich 2,4 angenommen, wobei Europa und Amerika bei 2 bzw. 1,6, die anderen oben genannten Regionen bei 4-6,5 liegen könnten. Nicht berücksichtigt sind in diesen Rechnungen die Folgen des Klimawandel auf das Ökosystem und seine Emissionen der Ozon-Vorläufergase, weshalb sie mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Auch andere Prognosen (bis 2025 und 2050) gehen davon aus, dass aufgrund der starken NOx-Emissionen in den asiatischen Industrieregionen die Hintergrundkonzentration von O3 auf der gesamten nördlichen Hemisphäre weiter ansteigen und selbst in wenig belasteten ozeanischen Regionen der Südhalbkugel noch um 10-20% zunehmen wird.19
Abb. 7: Veränderung der troposphärischen Ozon-Menge (Jahresmittel) des dadurch verursachten Strahlungsantriebs nach geographischer Breite seit Beginn der Industrialisierung in DU. Die stärkste Veränderung gab es in den strahlungsreichen und stark industrialisierten mittleren Breiten der Nordhemisphäre. Atmosphärischer Transport sorgte auch für eine relativ starke Zunahme in höheren Breiten. Der Strahlungsantrieb in höheren Breiten wird durch die Absorption reflektierter Strahlung verstärkt.20
Welche Auswirkungen hat die veränderte Konzentration des troposphärischen Ozons auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre und das Klima? Ozon absorbiert Strahlung sowohl im langwelligen als auch - im Unterschied zu den langlebigen Treibhausgasen - in geringerem Maße im kurzwelligen Bereich. Die Absorption im langwelligen Bereich ist bei 9,6 μm besonders hoch, da hier Wasserdampf nur sehr schwach absorbiert. Die kurzwellige Absorption ist vor allem über den Polen wichtig, da Ozon hier zusätzlich zu der einfallenden Sonnenstrahlung auch noch die reflektierte Strahlung absorbiert, wodurch sich die hohen Werte über Eis- und Schneeflächen in den hohen nördlichen Breiten erklären (vgl. Abb. 8). Der Strahlungsantrieb durch Ozon seit Beginn der Industrialisierung beträgt nach Modellberechnungen etwa 0,4 W/m2, was ungefähr 20% des Strahlungsantriebs der langlebigen Treibhausgase (Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid und FCKW) ausmacht bzw. etwa dem direkten Strahlungsantrieb durch Sulfat-Aerosole, allerdings mit umgekehrtem Vorzeichen, entspricht. Bis 2050 haben Modellprognosen einen zusätzlichen Antrieb von 0,25 bis 0,4 W/m2 berechnet.21
Abb. 8: Modellberechnung der geographischen Verteilung des Strahlungsantriebs von Ozon an der Tropopause seit vorindustrieller Zeit in W/m2 im Sommer (Juni-August)22
Aus dem Strahlungsantrieb seit der vorindustriellen Ära folgt ein Anstieg der globalen bodennahen Temperatur durch die anthropogene Ozon-Zunahme um etwa 0,28 oC. Durch die unterschiedliche geographische Verteilung von Ozon sind die Effekte regional sehr verschieden. Auf der Nordhalbkugel wird der Temperaturanstieg auf 0,4 oC, mit Maximawerten im Lee der industrialisierten Gebiete in Europa, Asien und Nordamerika von 0,8 oC, auf der Südhalbkugel auf 0,2 oC geschätzt.23 Außerdem hat die Zunahme des troposphärischen Ozons seit vorindustrieller Zeit zur Abnahme der Temperatur der unteren Stratosphäre um fast 1 oC geführt. Das wiederum hat Folgen für den stratosphärischen Ozongehalt, da durch die Verringerung der Temperaturen des polaren Vortex die Wiederherstellung der ursprünglichen Ozonschicht trotz verminderter FCKW-Emission in die Stratosphäre verzögert werden könnte. Eine ähnliche Wirkung haben natürlich auch die übrigen Treibhausgase.
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12.11.2009
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