von Dr. Birgit Quack, GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel
Es gibt zwei Bereiche in unserer Atmosphäre, in denen das Spurengas Ozon besonders wichtig ist: in der Stratosphäre und in der Grenzschicht an der Erdoberfläche. In der oberen Region unserer Atmosphäre, der Stratosphäre, entsteht Ozon durch den Zerfall von Sauerstoff im Sonnenlicht und wirkt als wichtiger UV-Strahlenschutz für das Leben auf der Erde. Es wird durch Radikalreaktionen von Halogenen wie Chlor, Brom und Jod, die in verschiedenen Formen in unserer Atmosphäre vorkommen, rasch zerstört. In den 1980er Jahren trat ein großes Ozonloch auf, das mit den langlebigen Fluorchlorkohlenwasserstoffen in Verbindung gebracht werden konnte, die in den 1990er Jahren durch das Montrealer Protokoll verboten wurden. Seitdem nehmen das Ozonloch über der Antarktis und das Ozon in der oberen Stratosphäre im Allgemeinen langsam wieder zu. In der unteren Stratosphäre der Tropen nimmt es jedoch weiterhin ab. Das Oberflächenozon hingegen nimmt zu, was auf die Luftverschmutzung zurückzuführen ist, insbesondere auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe.
Unter windy.com kann jeder weltweit, der Zugang zum Internet hat, eine globale Karte von Oberflächenozon und lokale Werte für jeden Ort der Welt finden (Abbildung 1). Oberflächenozon, das auch ein Treibhausgas ist, wird auf natürliche Weise bis zu einer Hintergrundkonzentration von 10-40 µg/m3 produziert. Da es ein starkes Oxidationsmittel ist, kann es in höheren Konzentrationen Augen und Lunge reizen. Für Städte, in denen die Umgebungskonzentrationen im Sommer über 100 µg/m3 ansteigen und empfindliche Menschen schädigen können, wurden gesetzliche Grenzwerte und Warnsysteme eingerichtet.
Abbildung 1 zeigt die Ozonkonzentration an der Oberfläche in dem Gebiet, in dem unsere Fahrt SO305 im Golf von Bengalen stattfand. Sie ist tagsüber über ganz Indien sehr hoch, und es ist auch offensichtlich, dass die Ozonkonzentrationen an den Küsten und zum offenen Ozean hin stark abnehmen. Dies ist hauptsächlich auf eine aktive Halogenchemie zurückzuführen, die das Ozon über den Ozeanen zerstört, verursacht durch natürliche halogenierte flüchtige Verbindungen, die in den Ozeanen durch Sonnenlicht, Phytoplankton und chemische Reaktionen gebildet werden. Zu diesen Verbindungen gehören Bromoform (CHBr3), Dibrommethan (CH2Br2), Methyljodid (CH3I), Dijodmethan (CH2I2), Jodchlormethan (CH2CII), Dichlorbrommethan (CHBrCl2) und andere. Sie gelangen in die Atmosphäre und setzen dort Halogene frei, die mit Ozon reagieren. Alle Verbindungen haben eine kurze Lebensdauer von Minuten bis zu weniger als sechs Monaten. Die industriellen Lösungsmittel Dichlormethan (CH2Cl2) und Chloroform (CHCl3) aus der Süßwasserchlorierung tragen ebenfalls zum Ozonabbau in der Atmosphäre bei. Die Verbindungen, die durch tiefe Konvektion in den Tropen in die Stratosphäre gehoben werden, setzen ihre Halogene in der unteren Stratosphäre frei, während sie sich zum Nord- und Südpol bewegen. So wirken sich die tropischen Prozesse global aus.
In den letzten vier Wochen waren wir nun im tropischen Golf von Bengalen, der 2001 als Hauptquelle für einige natürliche halogenierte flüchtige Verbindungen für die Atmosphäre entdeckt wurde, mit RV Sonne unterwegs.
Jule, die ihre Masterarbeit zu diesem Thema schreibt, Julia, die zum zweiten Mal als studentische Hilfskraft auf der RV Sonne mitfährt und ich, die seit über 30 Jahren auf den Weltmeeren flüchtige Halogenkohlenwasserstoffe untersucht, brachten unser Analysesystem mit an Bord, das seit Beginn der Fahrt rund um die Uhr in Schichten von jeweils 8 Stunden reibungslos lief, wobei das Gerät jede Stunde eine neue Probe erhält. Wir haben Wasser aus der Tiefsee und dem Oberflächenozean und Luft aus der Atmosphäre entnommen (Abbildung 3). Die Luftproben werden von Elliot Atlas in den USA analysiert, mit dem ich seit 2002 in 15 Kampagnen zusammengearbeitet habe. Aus den Konzentrationen im Ozean und in der Atmosphäre berechnen wir den Gasaustausch zwischen Luft und Meer, und versuchen zu verstehen, wie die Verbindungen in der Region mit physikalischen und biogeochemischen Parametern zusammenhängen, und schätzen ab, wie sich die ozeanische Quelle und Senke in Zukunft entwickeln könnten und was dies für Ozon als Treibhausgas und als UV-Schild bedeutet.
Bei jeder Schiffsexpedition in den 30 Jahren, in denen wir die Ozeane bereisten, erforschte ein Team von Wissenschaftlern und Crew an Bord verschiedener Forschungsschiffe den Ozean als ein uraltes Zusammenspiel von Wasser, Chemikalien, Billionen von Bakterien und höheren Organismen, das durch die Schwerkraft, die Erdrotation sowie durch Sonnenlicht und den Mond beeinflusst wird. Die Biologie reagiert auf die Verteilung von nahrhaften Chemikalien im Wasser, das in enger Wechselwirkung mit der Atmosphäre steht, von der Meeresoberfläche bis zur Stratosphäre. Bei jeder Fahrt wurde ein kleiner Teil der Myriaden von globalen und regionalen geheimen Wechselwirkungen, die die Grundlage unseres Lebens bestimmen, entdeckt und veröffentlicht. Das alte Zusammenspiel wird nun durch menschliche Aktivitäten stark beeinflusst. Ich hoffe, dass sie das wechselwirkende Gleichgewicht nicht kippen, so dass künftige Generationen weiterhin die Chance haben, es tiefer zu entschlüsseln, um nachhaltig damit leben zu können.
Meine letzte Fahrt konnte ich auf der RV Sonne, einem Starschiff der deutschen Forschungsflotte, mit einer professionellen Besatzung durchführen, die durch den reibungslosen Betrieb des Schiffes bis zum Hafen von Singapur wieder sehr gute Datensätze ermöglichte. In den nächsten Jahren werde ich vermutlich meine Datensätze hauptsächlich mit KI erforschen, um das meiste Wissen aus ihnen herauszuholen. Jule und Julia werden hoffentlich mehr Gelegenheiten finden, ihre Karriere mit Entdeckungsreisen auf dem Meer zu verbinden, da diese nicht nur Wissen fördern, sondern auch soziale Fähigkeiten wie Teamarbeit, Disziplin, Ausdauer, Rücksichtnahme und Toleranz entwickeln. Ich werde die täglichen Herausforderungen einer erfolgreichen Forschungsfahrt vermissen.
Birgit Quack, Singapur 18.05.2024