In etwa 15 bis 35 Kilometer Höhe absorbiert Ozon (O3) den größten Teil der ultravioletten Strahlung der Sonne und schützt somit das Leben auf der Erdoberfläche vor deren schädlichen Wirkungen. Seit Anfang der 1980er-Jahre lässt sich zwischen August und November eine sehr starke Ausdünnung dieser stratosphärischen Ozonschicht über der Antarktis von bis zu 70 Prozent beobachten. Grund hierfür sind erhöhte Chlor- und Bromkonzentrationen in der Stratosphäre, bedingt vor allem durch menschengemachte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die zu einem Abbau des Ozons führen. Über der Nordpolarregion ist das Phänomen weniger stark ausgeprägt, was mit den im Vergleich zur Antarktis milderen Temperaturen und einem instabileren Polarwirbel zu tun hat.
Bereits 1987 reagierte die internationale Politik mit einem globalen Abkommen auf das bedrohliche Ozonloch: mit dem Montrealer-Protokoll zum Schutz der stratosphärischen Ozonschicht. Seitdem berichtet die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) regelmäßig über deren Zustand. Die Berichte dokumentieren neben dem aktuellen Forschungsstand auch die Umsetzung der Verminderung bzw. die Einhaltung des Verbots der Produktion und des Gebrauchs von ozonzerstörenden Substanzen (insbesondere der FCKW), die im Rahmen des Montrealer-Protokolls und den nachfolgenden, verschärfenden Ergänzungen ratifiziert wurden. Der Erfolg dieser international bindenden Regeln ist heute erkennbar. So ging der stratosphärische Chlorgehalt von etwa Mitte der 1990er-Jahre bis zum Jahr 2020 um rund 11 Prozent zurück. Auch erste Hinweise auf die Erholung der Ozonschicht als Folge davon sind sichtbar.
Wie es weitergeht, ist eine weiterhin aktuelle Forschungsfrage. In den letzten Jahrzehnten hat sich das Grundlagenwissen zur Physik und Chemie der Atmosphäre deutlich verbessert: Lange Messreihen geben Aufschluss über relevante dynamische und chemische atmosphärische Größen. Gewonnen werden sie mit unterschiedlichen Geräten und Messmethoden vom Boden aus, an Ballonen und aus Flugzeugen, in Kombination mit satellitengestützten, globalen Messungen. Auch durch numerische Modelle konnten viele Prozesse der Atmosphäre analysiert werden.
Wichtig ist die Frage nach dem Einfluss des menschengemachten Klimawandels auf die Ozonschicht. Durch erhöhte Konzentrationen von Treibhausgasen erwärmt sich die unterste Atmosphärenschicht, die Troposphäre („Globale Kli-maentwicklung“ auf Seite 120). In der darüber liegenden Stratosphäre, wo sich auch die Ozonschicht befindet, führen erhöhte Treibhausgaskonzentrationen hingegen zu einer Abkühlung.
In den vergangenen Jahren zeigten sich auffällige Schwankungen der winterlichen stratosphärischen Temperaturen in beiden Polarregionen. So waren relativ hohe Temperaturen in der antarktischen Stratosphäre wie in 2019 mit geringen Ozonverlusten verbunden. Umgekehrt gingen sehr stabile, kalte Verhältnisse mit starken stratosphärischen Ozonabbau einher (z .B. 2020). Ähnliche Beobachtungen gab es in der Nordhemisphäre. Eine Zeitreihe der Jahre 1995 bis 2024 der antarktischen Ozondaten finden Sie auf Seite Seite 248.
Daran zeigt sich, dass die Entwicklung der stratosphärischen Ozonwerte stark von der Dynamik der Stratosphäre abhängt – und damit auch von der Abkühlung der Stratosphäre durch erhöhte Treibhausgaskonzentrationen. Klima-Chemie-Modelle können die seit den späten 1970er-Jahren nachgewiesene rapide Abnahme des Ozongehalts in der Stratosphäre gut nachvollziehen, vor allem in den Polargebieten im Frühjahr. Da die Menge der FCKW (d. h. hier der Chlorgehalt der Atmosphäre) nun wieder abnimmt, erholt sich die Ozonschicht – vor allem in den Polarregionen. Ferner führt die Abkühlung der Stratosphäre durch erhöhte Treibhausgase in Zukunft zu mehr Ozon (vor allem im Bereich der mittleren und oberen Stratosphäre), da sich die ozonabbauenden chemischen Reaktionen hier bei niedrigeren Temperaturen verlangsamen. Für die Zukunft zeigen die Rechnungen in den Klimaszenarien mit starken bzw. gemäßigten Anstiegen der atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen, dass sich die Ozonschicht außerhalb der Tropen bis etwa zur Mitte dieses Jahrhunderts regeneriert. Danach dürften die Ozonwerte weiter steigen – vor allem in den Klimaszenarien mit stark ansteigenden Treibhauskonzentrationen werden zukünftige Ozonwerte berechnet, die deutlich über den Ozonwerten der 1960/70er-Jahre liegen könnten. Die Simulationsergebnisse der Klima-Chemie-Modelle mit zurückgehenden Treibhauskonzentrationen zeigen teilweise ein etwas anderes Bild: Es ist möglich, dass der Ozongehalt in der Stratosphäre in den mittleren geografischen Breiten und auch in der Südpolarregion kaum auf die Werte der 1960er-Jahre bis 1970er-Jahre zurückkehren wird, trotz des erwartenden Rückgangs der ozonabbauenden Stoffe.
In den Tropen kommt ein weiterer Prozess hinzu, der in den Modellabschätzungen dazu führt, dass hier in den meisten Szenarien der Gesamtozongehalt nicht auf die Werte der 1960er-Jahre bis 1970er-Jahre zurückkehrt. Grund ist unter anderem ein Transportphänomen: In den Klimamodellrechnungen mit erhöhten Treibhausgaskonzentrationen verstärkt sich die polwärts gerichtete Zirkulation mit aufsteigenden Luftmassen in den Tropen und absteigenden Luftmassen in hohen Breiten. Der Aufstieg von Luftmassen in den Tropen würde sich also verstärken, was lokal zu einem geringeren Ozongehalt führt, da ozonärmere Luftmassen verstärkt aus der Troposphäre in die untere Stratosphäre verschoben werden.
Einerseits ist es gut zu sehen, dass es erste Hinweise einer Erholung der Ozonschicht gibt. Das Montrealer-Protokoll wirkt und dies ist ein großer Erfolg! Andererseits ist auch erkennbar, dass die Rückbildung des stratosphärischen Ozons regional unterschiedlich abläuft. Weitere Untersuchungen sind daher notwendig.
Satelliten als neue Gefahr
Eine ganz neue Bedrohung der Ozonschicht könnte aus den Tausenden kleinen und kurzlebigen Kommunikationssatelliten für globale Internetabdeckung hervorgehen: Hunderte von ihnen werden jedes Jahr geplant auf die Erde zurückstürzen und in den hohen Atmosphärenschichten verglühen. Das Material könnte dort wieder zu einer Anreicherung von ozonvernichtenden Chemikalien führen. Damit stellen die Megakonstellationen von Starlink und anderen Anbietern neben der Störung des Nachthimmels durch ihre Lichtreflexe eine ernste Bedrohung für den Übergangsbereich zwischen Atmosphäre und Weltraum dar.