Ozon absorbiert Ultraviolett-Strahlung

Experimente:
Versuch: Absorption von UV-Strahlung durch Ozon
Versuch: Spektroskopische Konzentrationsbestimmung von Ozon im Elektrolysegas
Versuch: Wirkung von Ozonfiltern


Ozon ist in der Atmosphäre in einer nur unvorstellbar geringen Konzentration vorhanden: So kommen im Mittel auf 10 Millionen "Luftteilchen", also Sauerstoff- bzw. Stickstoffmoleküle sowie Edelgasatome, immerhin noch 3500 Moleküle des als Spurengas bezeichneten Kohlenstoffdioxids, aber nur etwa 4 bis 6 Moleküle Ozon. Dass es trotzdem für das Leben auf der Erde von derart zentraler Bedeutung ist, hängt mit einer charakteristischen Eigenschaft des Ozons zusammen: Es absorbiert extrem stark UV-Strahlung und schützt damit trotz seiner hauchdünnen Verteilung in der Atmosphäre das Leben auf der Erde.
Diese Tatsache ist seit langem bekannt, sie rückte aber erst vor ca. 15 Jahren in das Interesse der Öffentlichkeit. Seit dieser Zeit beobachtet man nämlich die Abnahme der Ozonkonzentration in der Stratosphäre, hervorgerufen durch menschliche Aktivitäten ("anthropogen"). Wegen der extrem starken Absorptionsfähigkeit des Ozons machen sich dabei schon geringe Konzentrationsänderungen im Strahlungsgleichgewicht bemerkbar.
Um also die "zwei Gesichter" des Ozons (schädliche Wirkung in Bodennähe, nützliche Wirkung in der Stratosphäre) experimentell zu erschließen, sollten nicht nur die chemischen Eigenschaften des Ozons untersucht, sondern auch das UV-Spektrum von Ozon aufgenommen werden (-> Versuch). Damit wird auch dem Ansatz fächerübergreifenden Lernens Rechnung getragen. Steht - auch in der Physiksammlung - ein Spektralfotometer nicht zur Verfügung, sollte zumindest der Schattenwurf eines mit Ozon gefüllten Gefäßes mit einer UV-Lampe vorgeführt werden. Bekannt ist, dass Ozon (wie z. B. in der Stratosphäre) UV-Strahlung absorbiert und damit das Leben auf dieser Erde schützt.
Ozon absorbiert UV-Strahlung zwischen 220 nm und 300 nm. Das Maximum liegt bei 254 nm (Bild 3). Dies entspricht einer Hg-Linie der meisten einfachen UV-Lampen ("Partylicht").
Das Bild zeigt aber auch, dass Ozon ein feinstrukturiertes, für Gase mit mehratomigen Molekülen typisches Rotations-Schwingungsspektrum hat. Das lässt erwarten, dass Ozon auch im IR-Bereich Strahlung absorbiert, also ein effektives "Treibhausgas" ist. Tatsächlich ist seine Treibhauswirkung etwa 2000mal höher als die des CO2.
Bodennahes Ozon wirkt also bei der Aufheizung der Troposphäre mit.

UV-Spektrum von Ozon
(Bedingungen: siehe V12) [2]


Die quantitative Bestimmung von Ozon in den Messstationen erfolgt ebenfalls durch Absorptionsmessungen im Absorptionsmaximum bei 254 nm (siehe Experimente, V 13). Dabei dient Luft, die man zuvor mit Hilfe eines Mangandioxid-Filters ozonfrei gemacht hat (siehe Experimente, V 20), als Vergleichswert.
Wegen der geringen atmosphärischen Ozonkonzentration in der Luft arbeitet man allerdings mit Küvetten, deren Schichtdicke z. B. 70 cm beträgt. Man misst auch über längere Zeit hinweg oder untersucht auch breitere Wellenlängenbereiche. Diese integralen Werte sind für Außenstehende nur schwer miteinander zu vergleichen. Deshalb darf man als Lehrer nicht traurig sein, wenn die eigenen Messwerte mit denen der offiziellen Messstationen nicht immer übereinstimmen. Aber auf jeden Fall stimmen längerfristige (z. B. ganztägige) Trendmessungen, wie es beim Schönbeinfilter beschrieben wurde [6].


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Literatur


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Letzte Überarbeitung: 26. Januar 2012, Dagmar Wiechoczek