Zwei Fliegen, eine Klappe

Der Kampf gegen das Ozonloch gilt als einer der größten Erfolge internationaler Kooperation in Umweltfragen. Sein Kernstück ist das Montreal-Protokoll, das vor rund 30 Jahren in Kraft trat und dem alle UN-Mitgliedsstaaten beigetreten sind. Es regelt einen schrittweisen Ausstieg aus Herstellung und Nutzung ozonschädigender Substanzen wie Fluorkohlenwasserstoffen (FCKW). Der Effekt: Laut Bundesumweltministerium ging der Einsatz von FCKW weltweit bis 2004 um 97 Prozent zurück. Eigentlich sollte sich damit die Ozonschicht erholen. Daten der MOSAiC-Expedition, der größten Arktis-Expedition aller Zeiten, zeigen für die Nordpolarregion jedoch das Gegenteil: In der arktischen Stratosphäre sank der Ozongehalt in 18 bis 20 Kilometer Höhe im Frühjahr 2020 um 95 Prozent. Stärker als je zuvor.

Schuld daran sind nicht nur die bekannten Ozonkiller. Von ihnen befindet sich immer noch reichlich in der höheren Lagen der Atmosphäre, denn sie werden nur langsam abgebaut. Eine wesentliche Rolle spielt auch der Klimawandel: Wenn der globale Treibhausgasausstoß nicht rasch sinkt, könnte sich der Ozonabbau im arktischen Polarwirbel bis Ende des Jahrhunderts sogar noch verstärken, so eine jüngst im Wissenschaftsjournal »Nature Communications« online erschienene Studie des Alfred-Wegener-Instituts Helm᠆holtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), der University of Maryland (USA) und des Finnish Meteorological Institutes. Dabei stützen die Wissenschaftler*innen sich auf die Analyse meteorologischer Daten und Modellrechnungen.

Das meiste Ozon bildet sich über den Tropen, in etwa 40 Kilometer Höhe. Von dort wird es von der Brewer-Dobson-Zirkulation polwärts transportiert. »Dabei handelt es sich um eine sehr langsame Bewegung von Luftmassen in der Stratosphäre. Es braucht etwa zwei bis fünf Jahre, bis die Luft an den Polen angekommen ist«, erklärt der Erstautor der Studie, Peter von der Gathen.

Zumindest ein Teil des Ozons wird Ende des Winters im arktischen Polarwirbel abgebaut, in einem relativ abgeschlossenem Tiefdruckgebiet, das sich jährlich im Herbst über der zentralen Arktis bildet und bis ins Frühjahr fortbesteht. Bei Temperaturen um minus 78 Grad Celsius bilden sich darin polare stratosphärische Wolken. Chemische Reaktionen in ihrem Inneren und an ihrer Oberfläche setzen in bislang unschädlichen Verbindungen gebundenes Chlor frei. »In der Folge zerstört es zusammen mit Brom bei Sonneneinstrahlung Ozon«, so der AWI-Atmosphärenphysiker. Diese saisonale Erscheinung unterliegt starken Schwankungen - anders als über der Antarktis.

»Der Ozonabbau wird davon bestimmt, wie stark sich der polare Wirbel jeweils ausbildet«, erklärt der Umweltphysiker an der Universität Bremen, Mark Weber. Durchschnittlich gebe es pro Jahrzehnt zwei Winter mit sehr schwacher Brewer-Dobson-Zirkulation. Die Folge seien tiefe Temperaturen in der arktischen Stratosphäre und ein stark ausgeprägter Polarwirbel. »2011 hatten wir einen Rekordwinter und 2020 auch. Wir haben selber in einer Studie festgestellt, dass der Ozonabbau im polaren Wirbel im Mittel in beiden Wintern sehr ähnlich war; 2020 war der Wirbel jedoch wesentlich größer, sodass mehr Ozon abgebaut wurde.«

Generell ist man sich in der Wissenschaft einig, dass die arktische Stratosphäre sich bei höherem Treibhausgasausstoß abkühlt. Bei der Auswertung meteorologischer Daten der letzten 56 Jahre beobachteten die Autor*innen der Studie einen signifikanten Trend zu tieferen Temperaturen in den stratosphärischen Wintern der Arktis, der einen noch stärkeren Ozonabbau begünstige. Sie vermuten, dass eine Änderung der herrschenden Windsysteme ebenfalls dazu beiträgt.

»Klimamodelle zeigen, dass mit der Zunahme der Treibhausgase die Brewer-Dobson-Zirkulation stärker wird«, so Weber. Damit gelange mehr Ozon an die Pole; zugleich fielen die stratosphärischen Winter wärmer aus, sodass weniger Ozon abgebaut werde. Es gebe also einerseits eine stärkere Kühlung der Stratosphäre, andererseits spreche eine Zunahme der Brewer-Dobson-Zirkulation für höhere stratosphärische Temperaturen in der Arktis. Dabei stelle sich die Frage, welcher der Prozesse die Oberhand gewinnt.

Ein Problem sieht Weber in der starken Variabilität, auch über Dekaden hinweg: »Es gibt Studien, die belegen, dass, auch wenn mit dem Anstieg der Treibhausgasemissionen die Brewer-Dobson Zirkulation generell zunehmen sollte, es dennoch Jahrzehnte geben wird, wo sie schwächer ausfällt. Wir sehen auch Indikatoren, die darauf hindeuten, dass diese Zirkulation sich sogar abschwächen könnte, können aber nicht sagen, ob dies bis Ende des Jahrhunderts so bleibt.« So entzündete sich an der Frage, ob kalte stratosphärische Winter in der Arktis immer kälter werden, eine lange wissenschaftliche Debatte. In der aktuellen AWI-Studie sieht Weber einen wertvollen Beitrag, weil sie zeige, dass bei den Klimaszenarien mit stark ansteigenden Treibhausgasen bis Ende diesen Jahrhunderts im Winter deutlich mehr Ozon abgebaut werde als erwartet.

Unabhängig davon wertet von der Gathen das Montreal-Protokoll als vollen Erfolg, ohne es »wäre die Lage sehr viel schlimmer«. Für die Zukunft der Ozonschicht sei es nun aber entscheidend, auch die Treibhausgasemissionen schnell und umfassend zu reduzieren. Davon profitieren auch die Menschen in Teilen Europas, Nordamerikas und Asiens: Driften Teile des Polarwirbels und damit saisonal ein Ozonloch zeitweilig nach Süden, steigt dort mit der UV-Strahlung die Hautkrebsgefahr. Da wir unseren Treibhausgasausstoß ohnehin bis Mitte des Jahrhunderts auf Netto-Null bringen müssen, um die Erderwärmung in Grenzen zu halten, schlagen wir damit zwei Fliegen mit einer Klappe.