Das Ozon bildet in der Atmosphäre über der Erdoberfläche eine sphärische Schicht mit einer Dicke von 90 Kilometern, in der die Ultraviolettstrahlung abgefangen wird. Da die UV-Strahlung für Eiweiße und Nukleinsäuren zerstörerisch ist, stellt die Verringerung der Ozonkonzentration in der Atmosphäre für das ganze Leben auf der Erde eine Gefahr dar.

Die Ozonmenge einer vertikalen atmosphärischen Säule am konkreten Punkt wird an der Absorption und Zerstreuung der Sonnenstrahlung im UV-Bereich gemessen. Als Maßeinheit des gesamten Ozongehalts wird die Dobson-Einheit (DU) verwendet. 100 DU entsprechen einer 1-mm-Dicke der Ozonschicht. Auf dem Planeten beläuft sich der gesamte Ozongehalt durchschnittlich auf 300 DU.

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Der Ozongehalt in der Stratosphäre ändert sich im Laufe des Jahres. In großen Mengen bildet Ozon sich in der Stratosphäre der tropischen und mittleren Breiten aufgrund von fotochemischen Reaktionen. Im Frühling zieht das Ozon aus den Tropen Richtung mittlere und hohe Breiten um. Deshalb wird beispielsweise auf der Südhalbkugel das jährliche Maximum an Ozon im Oktober und November beobachtet.Zwischen Januar und Juli ist die Ozonkonzentration hier am niedrigsten, da vom Dezember bis April mittlere und hohe Breiten gut besonnt werden. Dies trägt zur Zerstörung des Ozons während der fotochemischen Reaktionen bei, deren Katalysatoren verschiedene Verbindungen in der Atmosphäre sein können.

Das globale Interesse am Ozonproblem entstand in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Die Forscher fanden eine langfristige Tendenz zur Verringerung des Gesamtozons und zur saisonmäßigen – im Oktober bzw. November – Entstehung des berühmten Ozonlochs über der Antarktis.

Das hat zur Hypothese über die anthropogene, also menschengemachte Zerstörung der Ozonosphäre geführt. 1973 fanden US-Chemiker in einem Laborexperiment heraus, dass die Zerfallsprodukte der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW oder Freone) die Ozonschicht zerstören können. Mit diesem Ergebnis haben die Forscher den Entstehungsprozess des Ozonlochs über der Antarktis begründet.

1987 unterzeichneten die führenden Weltmächte das Montreal-Protokoll: ein Abkommen zum Stopp der Produktion und Nutzung von Freonen, etwa als Kältemittel in Kühlschränken. Aufgrund dessen wurden Kühlschränke und Klimaanlagen weltweit ersetzt. 2016 stellte sich heraus, dass die neuen Kältemittel auch Treibhausgase sind, wonach eine Protokolländerung und ein neues Verbot folgten.

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Vor der Unterzeichnung des Protokolls waren die Daten bekannt, die auf der Satellitenüberwachung der Ozonschicht basierten. Aus den Daten ging hervor, dass das Ozonloch in der Antarktis eine natürliche Formation ist. Die Oberhand gewann jedoch die chemisch-anthropogene Theorie über die Zerstörung des Ozons durch den Menschen. Aber sie konnte nicht die Frage lösen, warum die Ozonanomalie einst auf der Südhalbkugel entstanden ist, denn Freone bildeten sich hauptsächlich auf der Nordhalbkugel.Allerdings ist es unmöglich, die Theorien und mathematische Modelle der Chemiker unter den Bedingungen der Antarktis experimentell auf den Prüfstand zu stellen. Bei der Unterzeichnung des Montreal-Protokolls wurde bekanntgegeben, dass das Ozonloch in der Antarktis bereits zum Jahr 2010 vollständig verschwinden wird, aber es taucht bis heute jährlich wieder auf. So wurde 2017 die Größe von 22 Millionen Quadratkilometern erreicht, was für die letzten 25 Jahre typisch ist.

Auf eine Reihe von Fragen, die mit dem Problem der Bildung von Ozonlöchern verbunden sind, zu antworten, gelang jetzt mit Hilfe einer neuen Methode zur Verfolgung von Luftstrombewegungen, die von den Forschern in Krasnojarsk vorgeschlagen wurde. Auf Grundlage der Analyse der physischen Erscheinungen in der Atmosphäre entwickelten sie ihr eigenes Modell zur Bildung der Ozonanomalie auf der Südhalbkugel.

„Es hat sich so ergeben, dass das geophysikalische Problem – der Zustand der Ozonschicht der Erde – nicht den Geophysikern und Meteorologen in die Hände gefallen ist, sondern den Experten im Bereich Chemie der Atmosphäre, und dass es jetzt als ein rein chemisches Problem gilt. Leider richten sich fast alle Forschungen über das Phänomen des Ozonlochs über der Antarktis auf Beweise über seine anthropogene Herkunft.

Dafür bieten sich verschiedene chemische und fotochemische Reaktionen an, und es werden mathematische Modelle entwickelt. Doch wird der sehr große Umfang von faktischen Daten geophysikalischen Charakters ignoriert“, erläutert einer der Autoren der Forschung, Valentin Kaschkin, Professor am Institut für Ingenieurphysik und Radioelektronik an der Sibirischen Föderalen Universität.

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Laut der alternativen Hypothese zur Entstehung des Ozonlochs über der Antarktis ist es eine natürliche Bildung, die auf dynamische Prozesse in der Stratosphäre zurückzuführen ist. Für die Begründung war es ausreichend, die Daten über den Gesamtozongehalt zu verwenden, die von künstlichen Erdsatelliten seit 1978 registriert worden waren.Wie auch andere atmosphärische Bildungen hat Ozon eine wolkige Struktur. Wenn man die Satellitendaten vergleicht, die konsequent innerhalb von zwei Tagen erhalten wurden, so kann man anhand der Migration der Ozonwolken über die Bewegungsrichtung und —geschwindigkeit der Ozonmassen urteilen.

Es stellte sich heraus, dass Anfang September Ozonmassen vom Südpol Richtung Äquator migrieren. Das Ozon bewegt sich nach einer spiralförmigen Bahn, dreht sich schnell von Westen nach Osten und häuft sich im Endeffekt in einem Ring nahe dem 45. Breitengrad an. Das Ozon wird zwischen dem Ozonloch und diesem Ring umverteilt. Die Ozonmenge im Ring wächst, und der Gesamtozongehalt im inneren Teil verringert sich, was zur Entstehung des Ozonlochs über der Antarktis beiträgt.

Was ist eigentlich das Ozonloch? Es ist eine „Vertiefung“ in der Ozonschicht in polaren Breiten der Südhalbkugel mit anomal niedrigen Werten des Gesamtozongehalts. Das Ozonloch über der Antarktis ist von einem „Ring“ mit einem Durchmesser von mehreren Tausend Kilometern mit einem für die Südhalbkugel ungewöhnlich hohen Ozongehalt (bis zu 450 DU) umgeben.

Ab Mitte Oktober beginnt das Ozonloch mit Ozon befüllt zu werden, das sich aus dem Ring und den tropischen Breiten zurückbewegt. Anhand der Analyse der digitalen Karten konnten die Experten die Migration des Ozons vom Pol Richtung Äquator und zurück sowie seine Migration in östlicher und westlicher Richtung mit der Einschätzung der Migrationsgeschwindigkeit visuell beobachten.

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Im September und Oktober beginnt das Ozon auf der Südhalbkugel aus den Tropen in die mittleren Breiten zu gelangen. Die Forscher entdeckten einen zusätzlichen Ring auf dem 35. Breitengrad Süd, der auf diese Ozonmigration zurückzuführen ist. Der Ring bewegt sich unweit der Breite Buenos Aires‘ und Kapstadts. Schließlich bildet die Bewegung des Ozons Richtung Pol einen dritten Ring auf dem 80. Breitengrad Süd.Die Forscher von der Sibirischen Föderalen Universität entwickelten eine neue Verfahrensweise zur Analyse der sogenannten „mittleren Zonalen“. Dies gibt die Möglichkeit, den Gesamtozongehalt für die nachfolgenden Jahre genauer vorauszusagen. Die Tabellen der mittleren Zonalen gibt es im Internet. Sie werden so zusammengestellt: Die Fläche der Erdkugel von Pol zu Pol wird in Ringe mit jeweils 5° Breite zerlegt und der jeweilige Mittelwert des Gesamtozongehalts berechnet.

„Mit Hilfe der Analyse der mittleren Zonalen noch vor dem Jahr des Inkrafttretens des Montreal-Protokolls entdeckte die NASA Folgendes: Der Gesamtozongehalt in den Jahren zwischen 1979 und 1982 in Richtung des 44. Breitengrads Süd zum Südpol änderte sich vom August bis November fast nicht, und seine Verringerung im September unweit des Südpols wurde durch die Steigerung in den mittleren Breiten kompensiert.

Diese Ergebnisse zeugten davon, dass die Variationen des Gesamtozongehalts durch die dynamische Umverteilung des Ozons ausgelöst wurden und ganz und gar nicht durch chemische Prozesse. Jedoch unterminierte das die anthropogene Theorie der Verdünnung des Ozons und der Entstehung der Ozonlöcher. Die damalige wissenschaftliche Gemeinschaft hat in ihrer Mehrheit dieses Ergebnis nicht wahrgenommen – die Frage war faktisch für beendet erklärt.

Aber die Geschichte der dynamischen Theorie lief weiter: Wir konnten eine Reihe Fragen beantworten, die mit dem Problem der Bildung der Ozonlöcher verbunden sind. Insbesondere zeigten wir anhand der großen Menge an Daten, dass die Ozonmenge, die in die Zone des zirkumpolaren Wirbels gelang, mit einer Genauigkeit von nicht weniger als fünf bis sieben Prozent mit der Menge übereinstimmt, die sich aus dem Ozonloch über der Arktis wegbewegte. Unser Team hat diese Ergebnisse nicht nur in Zeitschriften veröffentlicht, sondern fasste sie auch in einer Monografie zusammen, die von der Sibirischen Föderalen Universität herausgegeben wurde“, sagt Walentin Kaschkin abschließend.