Wissenschaft
Das OzonlochEntstehung - Folgen - Entwicklung |
 Eine kurze wissenschaftliche Beschreibung der anthropogenen Klimakatastrophe |
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Inhalt: |
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| 1. Worum geht es ? 2. Was ist Ozon ? 3. Wie kommt es zum Abbau der Ozonschicht ? 4. Was ist das Ozonloch ? 5. Was sind die Umweltfolgen ? 6. Wie sind die Prognosen ? 7. Was bleibt zu tun ? 8. Quellen und Links? |
Hier gibt es den ganzen
Text als pdf-File (470kB). Ich empfehle den Text
herunterzuladen, da er sehr lang ist (ca. 10 DIN-A4 Seiten) und auf dem
Bildschirm deshalb eventuell schlecht zu lesen ist. Außerdem läßt
er sich dann besser ausdrucken. Stand: März 2004 © Aléxandros Kiriazis |
1. Worum geht es ? |
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| Begriffe wie Ozon, Ozonloch oder FCKW, die noch vor einem Jahrzehnt lediglich den eingeweihten Wissenschaftlern bekannt |
Halogenierte Kohlenwasserstoffe
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| waren, sind inzwischen in aller Munde. In
fast jeder Diskussion über die modernen Umweltprobleme fällt
früher oder später auch das Stichwort Ozon. Dabei muß
aber unterschieden werden, welche der beiden voneinander unabhängigen
Erscheinungen im Zusammenhang mit Ozon, gemeint ist: das bodennahe Ozon
beim sogenannten Sommersmog oder das Ozonloch in der Stratosphäre,
von dem im folgenden die Rede sein soll. Bei Meinungsumfragen in Deutschland fand man heraus, dass sich die Bundesbürger im Vergleich zu anderen Umweltproblemen vom Ozonloch am meisten bedroht fühlten. Das hatte bereits Auswirkungen auf die Urlaubsplanung: Neuseeland und Australien melden schon einen Rückgang bei der Zahl der Urlauber. Doch die Angst vor dem Ozonloch ist in der Regel diffuser Natur. Durch die Medien ist zwar inzwischen hinreichend bekannt, durch welche Stoffe das Ozonloch verursacht wird und wie man sie vermeiden kann doch der wissenschaftliche Mechanismus, und das reale und objektive Gefahrenpotential sind nicht bekannt. |
Mit dem Begriff Halogene werden die chemischen
Elemente Fluor, Chlor, Brom und Iod bezeichnet. Daraus ergibt sich die
Bezeichnung halogenierte Kohlen- wasserstoffe für Ihre Verbindungen
mit den Elementen Kohlenstoff und Wasser.
Verbindungen mit Fluor, die sogenannten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (kurz auch FCKW genannt) wurden vor allem in Spraydosen, Klimaanlagen und anderen Kühlanlagen eingesetzt. Halone sind die bromierten Varianten dieser Kohlenwasserstoffe Sie finden oft als Feuerlöschmittel Verwendung. Methylbromid ist ein beliebtes und sehr häufig eingesetztes Mittel bei der Pilzbekämpfung in der Landwirtschaft, vor allem in den Entwicklungsländern. |
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| Die folgende kurze, ganz bewusst einfach gehaltene Beschreibung solleinen Beitrag dazu leisten, dass Phänomen Ozonloch auch dem Laien verständlich zu erklären. |
2. Was ist Ozon ? |
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| Das Ozonmolekül selbst, kurz einfach Ozon |
Ozonbildung
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| genannt, entsteht durch die Reaktion von Sauerstoffmolekülen (O2) mit einem Atom Sauerstoff (O). O2 + O --> O3 Während die Sauerstoffmoleküle seit etwa einer Milliarde Jahren durch Photosynthese in die Atmosphäre gelangen, kommen die freien Sauerstoffatome nicht in den unteren Atmosphärenschichten vor. Die benötigten Sauerstoffatome werden erst in der Stratosphäre erzeugt, wo die UV-Strahlung der Sonne noch stark genug ist, die Sauerstoffmoleküle zu spalten. |
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| O2 + UV --> O + O |
Photosynthese
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| Damit die UV-Strahlung die zur Spaltung der Sauerstoffmoleküle (O2) erforderliche Energie besitzt, muss deren Wellenlänge kleiner als 242 nm sein. Strahlung dieser kleinen Wellenlänge dringt jedoch nur im geringen Umfang in die unteren Schichten der Atmosphäre vor. Das ist die Ursache dafür, dass sich das natürliche Ozon nur in den oberen Schichten der Stratosphäre bildet, die etwa in Höhe von |
Vorgang in den Blättern von Pflanzen, bei
dem mit Hilfe des Blattgrüns (Chlorophyll) und Sonnenlicht, Kohlendioxid
aus der Luft in Zucker umgewandelt wird, der den Pflanzen als Nahrung
dient. Dabei wird -quasi als Nebenprodukt- Sauerstoff an die Luft abgegeben.
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| 25 km beginnt. | ||
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Stratosphäre
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| Durch die Aufnahme von UV-Strahlung mit Wellenlängen von 170 bis 325 nm wird das Ozonmolekül rasch wieder zerstört. Dieser natürliche Prozess bildet die Abschirmung der Erdoberfläche vor der gefährlichen UV- Strahlung mit Wellenlängen von weniger als 320 nm. Am besten absorbiert das Ozon UV-Strahlung mit Wellenlängen unterhalb 290 nm. Ein Teil der sogenannten UV-A Strahlung, mit Wellenlängen zwischen 325 und 290 nm, kann daher die Oberfläche |
Schicht der Atmosphäre in Höhe von ca.
25-50 km. Hier befindet sich auch die Ozonschicht. Das Bild unten zeigt
die Lage der einzelnen Schichten der Atmosphäre. Zum Vergleich:
Flugzeuge fliegen in der Regel in einer Höhe von etwa zehn Kilometern.
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| der Erde erreichen und auf Organismen einwirken. |
3. Woher kommt der Abbau der Ozonschicht ? |
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| 1974 wiesen Forscher zum ersten Mal auf die mögliche Zerstörung |
Katalytische Ozonzerstörung
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| der Ozonmoleküle durch Chloratome hin. Doch bis 1980
lies sich in den Messreihen, die seit dem Ende der 50er Jahre in der Antarktis
durchgeführt werden, kein deutlicher Hinweis auf einen einsetzenden
Ozonabbau finden. Erst 1985 wurde erstmals die Entdeckung des Ozonlochs
über der Antarktis mitgeteilt. Nachdem anfänglich nur über
dem Südpol ein Ozonabbau beobachtet wurde, zeigten schließlich
erstmals 1988 Messungen auch auf der nördlichen Erdhalbkugel Verlust
an Ozon. Inzwischen gilt es als gesichert, dass der Ozonabbau durch halogenierte Kohlenwasserstoffe verursacht wird. Abbauprodukte dieser Stoffe wurden in der Stratosphäre nachgewiesen, obwohl sie |
In der Realität gibt es zahlreiche Mechanismen,
die zur Ozonzerstörung beitragen. Welcher Vorgang tatsächlich
abläuft, unterliegt nicht zuletzt auch saisonalen Schwankungen.
Der folgende Ablauf kann daher nur als ein Beispiel dienen:
ClO + BrO --> Br + Cl + O2 Cl + O3 --> ClO + O2 Br + O3 --> BrO + O2 ------------------------------------------------ netto: 2 O3 --> 3 O2 |
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| dort von Natur aus nicht vorkommen. | ||
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Polare Stratosphärenwolken
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| Etwa 85 Prozent der Chlorverbindungen und etwa die Hälfte
der Bromverbindungen in der Atmosphäre sind menschlichen Ursprunges.
Durch die solare UV-Strahlung in den oberen Schichten der Atmosphäre
werden Chlor und Brom freigesetzt und greifen in den natürlichen
Ozonkreislauf ein, indem sie mit dem atomaren Sauerstoff reagieren, der
somit nicht mehr zur Ozonproduktion zur Verfügung steht. Fatalerweise
wird am Ende des Prozesses wieder aktives Halogen gebildet, welches für
weitere Abbaukreisläufe zur Verfügung steht. Es dauert sehr
lange, bis dies durch andere Reaktionen eliminiert wird. Begünstigt wird die Freisetzung der aktiven Halogene durch die im Winter und Frühjahr und in der Nähe der Erdpole häufig auftretenden Polaren Stratosphärenwolken. Die Wolken entstehen im Bereich der unteren Stratosphäre bei Temperaturen unterhalb von -78°C, also Temperaturen, die nur in der Nähe der Pole, vor allem am Südpol und im Winter erreicht werden. Die Bildung der Stratosphärenwolken hängt eng zusammen mit den Luftströmungen um die Polargebiete herum, dem Vortex.Tatsächlich |
Diese Wolken bestehen aus Eiskristallen, die neben
geringen Anteilen Schwefel- säure in der Hauptsache aus Salpeter-
säure und Wasser gebildet werden. Dabei ist die Salpetersäure
entscheidend,
da diese in der Lage ist, hohe Anteile des reaktiven Chlors an sich zu binden und für den Ozonabbau verfügbar zu halten.  Polare Stratosphärenwolken über Kiruna/ Nordschweden 1991 (Quelle: MPI / Spektrum der Wissenschaft, Heft 8/1991) |
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| ist der Vortex der Grund dafür, dass der Ozonabbau hauptsächlich | ||
| am Südpol erfolgt, obwohl mehr als 90 Prozent der halogenierten |
Vortex
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| Kohlenwasserstoffe auf der nördlichen Halbkugel in
die Luft abgegeben werden. In der nördlichen Hemisphäre tritt
der arktische Vortex sehr viel seltener auf. Ausserdem ist er wegen der
unter ihm liegenden, störenden Landmassen weniger stabil, als der
Vortex in der Antarktis. Daher kommt es über dem Nordpol nicht zu
so massiven Ozonverlusten, wie über dem Südpol. Ein weiterer, allerdings ein nicht durch den Menschen verursachter, |
Diese stabilen Luftwirbel entstehen durch die
sehr geringe Sonneneinstrahlung während des polaren Winters und
die dadurch bedingte Tiefdruckwetterlage. Die Luft innerhalb des Vortex
kühlt stark aus, was die Bildung der Eispartikel, aus denen die
Polaren Stratosphärenwolken bestehen, begünstigt.
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| Faktor für den Abbau von Ozon sind die Sulfat-Aerosole.
Es handelt sich um Tropfen von in Wasser gelöster schwefliger Säure.
Sie entstehen zum Beispiel bei großen Vulkanausbrüchen, die
gewaltig genug sind, um Schwefeldioxid bis in die Stratosphäre zu
katapultieren. So ließen sich zuletzt beim Ausbruch des Pinatubo
(Philippinen) im Juni 1991 deutliche Auswirkungen auf die Ozonmenge festzustellen.
Eine weitere natürliche Quelle für grössere Mengen an halogenierten Kohlenwasserstoffen entdeckten Wissenschaftlerteams aus Japan, den USA und Deutschland. Sie fanden heraus, dass in Salzmarschen, an den tropischen Küsten und im Boden große Mengen der ozonschädlichen Substanzen Methylbromid und Methylchlorid gebildet werden. |
4. Was ist das Ozonloch ? |
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Dobson-Einheiten
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| Die Ozonschicht ist nicht an allen Stellen auf der Erde gleich dick. Am dünnsten ist Sie über den Tropen zu den Polen hin wird sie immer dichter. Das Maß für die Stärke der Ozonschicht sind Dobson-Einheiten. Sie beträgt im Jahresmittel in den Tropen etwa 260 Dobson-Einheiten und in Mitteleuropa etwa 350 Dobson-Einheiten. Vor allem im Winter schwanken die Werte je nach den meteorologischen Bedingungen zwischen 200 und 500 Dobson-Einheiten Fallen die Werte unter 200 Dobson-Units, wird von einem Ozonloch gesprochen. |
Durch Messungen wurde in den 1920er Jahren die
Ozonschicht durch den Engländer Dobson entdeckt. Ihm zu Ehren wird
heute die Menge des Ozons in der Atmosphäre in Dobson Einheiten
(engl.: Dobson Units = DU) angegeben. Eine Dobson Unit entspricht 2,69
x 10^16 Molekülen pro Quadratzentimeter, was einer drei Millimeter
dicken Schicht bei Normaldruck entspricht.
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| Wie oben beschrieben, wird während des polaren Winters die |
Saisonale Entwicklung
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| Ozonschicht durch die Bildung der Polaren Stratosphärenwolken besonders stark stark ausgedünnt. Nachdem die Sonne wieder über den Horizont tritt und genügend Energie in die polaren Gebiete einstrahlt, bricht der Vortex zusammen. Es strömt wieder ozonreiche Luft ein, die das Ozonloch auffüllt. Das Ozonloch über dem Südpol ist also kein permanentes, sondern ein saisonales Phänomen. Noch bis Ende der 70er Jahre wurden im Oktober, dem Monat in dem das Ozonloch am größten ist, etwa 330 Dobson-Einheiten mit natürlichen Schwankungsbreiten von etwa 20 Dobson-Einheiten gemessen. Inzwischen liegen die Oktoberwerte im Mittel zwischen 100 und 150 Dobson-Einheiten. |
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Entwickung des Ozonlochs am Südpol (Antarktis)
Durchschnittliche Fläche des antarktischen Ozonlochs |
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Entwicklung des Ozonlochs am Nordpol 1979 - 1994 (Arktis)
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Entwicklung des Ozonlochs am Nordpol 1996 - 2003(Arktis)
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5. Was sind die Umweltfolgen ? |
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| Die unmittelbare Gefahr durch die dünnere Ozonschicht besteht in |
UV-Strahlung:
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| der verstärkten UV-Strahlung, die bis zum Boden vordringen
kann. Wieviel UV-Strahlung zusätzlich bis auf den Erdboden gelangt,
kann nicht exakt gemessen werden, da die Stärke der UV-Strahlung
auch durch das Wetter und durch die Luftverschmutzung beeinflusst wird.
Als Faustregel gilt, dass durch jedes Prozent weniger Ozon, 2% mehr UV-Strahlen
den Erdboden erreichen, was wiederum zu einem Anstieg der Hautkrebsrate
um 3% führt. Der Mensch kann diese Strahlung nicht wahrnehmen, doch sie kann verheerende Auswirkungen auf lebende Organismen haben. Durch die fehlende Wahrnehmung, werden die Zerstörungen allerdings in der Regel erst dann erkannt, wenn sie bereits eingetreten sind. Wie stark die Wirkung der Strahlung auf den Organismus ist, hängt von der Wellenlänge dieser Strahlung ab. Je kleiner die Wellenlänge, desto grösser ist ihre Energie und desto grösser sind die biologischen Wirkungen. Selbstverständlich spielt auch die Expositionsdauer eine wesentliche Rolle. Untersuchungen haben ergeben, dass das genetische Erbmaterial von Lebewesen extrem empfindlich ist gegenüber der UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 bis 323 nm, also genau jenem Bereich, für den das Ozon |
UV ist die Abkürzung für Ultraviolett.
Es handelt sich um eine kurzwellige Licht-Strahlung unterhalb des sichtbaren
Lichtes, die vom Menschen nicht wahrgenommen werden kann. Es werden
drei UV Wellenlängenbereiche unterschieden:
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| der wesentliche Filter ist. Die Absorbtion des Ozons ist so gut, dass | ||
| bereits in den ersten 3% der Ozonschicht, 90% von der einfallenden |
Phytoplankton
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| UV-B-Strahlung absorbiert wird. Insgesamt werden etwa 97
bis 99% der UV-B-Strahlung absorbiert. Die unmittelbaren Folgen der vermehrten UV-B-Strahlung auf den Menschen sind:
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Als Phytoplankton wird der pflanzliche Anteil
des maritinem Planktons bezeichnet, der zur Photosynthese fähig
ist. Neben Algen werden Protozoen und Cyanobakterien zum Phytoplankton
gezählt. Phytoplankton ist bei weitem der wichtigste Primärproduzent
im offenen aquatischen Bereich. Die vom Phytoplankton produzierte Menge
an organisch gebundenem Kohlenstoff wird auf ca. 12-19 Milliarden Tonnen
jährlich geschätzt. Phytoplankton gilt außerdem
als Basis der Nahrungskette im Ozean. Es stellt die Hauptnahrung für den Krill dar, der wiederum die Lebensgrundlage für die im Ozean lebenden Säugetiere bildet. |
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| schon seit längerem eine erhöhte Hautkrebsrate zu registrieren ist, | ||
| führen Dermatologen in erster Linie auf unsinniges Freizeitverhalten |
Cyanobakterien
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| zurück. Wobei manche Studien nahelegen, dass die Anwendung
von Sonnenschutzmitteln möglicherweise nicht vor Hautkrebs schützt,
sondern sogar mit einem erhöhten Risiko verbunden sein könnte.
Das Tragen des Sonnenschutzes reduziert zwar die Exposition von UV-B,
bietet aber wenig Schutz vor der UV-A Exposition, die aber wichtig bezüglich
des Melanom-Risikos ist. Doch nicht nur der Mensch ist betroffen. Die stärkere UV Strahlung wirkt auch auf andere Organismen ein. Insbesondere an niederen |
Cyanobakterien sind Mikroorganismen,
die vor allem in Feuchtgebieten und beim Reisanbau vorkommen. Sie tragen
dort entscheidend dazu bei, daß der im Boden gebundene Stickstoff
für die Pflanzen verfügbar gemacht wird. Das Wachstum, Entwicklung
und verschiedene andere physiologische Reaktionen der Bakterien werden
vom solaren UV beeinflusst.
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| Pflanzen und Mikroben lassen sich direkte Schäden nachweisen. | ||
| Bei höheren Pflanzen sind die Wirkungen vor allem in der Änderung |
Materialschäden
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| des Wachstumsverhaltens und anderer physiologischen Prozesse
zu beobachten. Bei höherer UV-B Intensität sind weltweite Ernterückgänge
zu erwarten. Kontrovers wird weiterhin die Interpretation von Daten über die UV-B-Wirkung auf das antarktisches Phytoplankton diskutiert. Die Schätzungen der Abnahme der gesamten Biomassenproduktion gehen bis zu 12%. Es wurden Verschiebungen in der Gemeinschaftsstruktur des Phytoplanktons nachgewiesen, welches Konsequenzen für die Nahrungskette haben könnte. |
Schäden durch verstärkte UV-Strahlung
lassen sich nicht nur in der belebten Natur nachweisen oder vorhersagen.
Auch viele Gebrauchsgenständen sind betroffen. Forschergruppen
wiesen Einflüsse auf Acrylate, Polystyrene, Polyethylene und Polypropylene
nach. Bei Polycarbonaten wurde z.B. ein verstärktes Vergilben festgestellt.
Bei den genannten Kunststoffen handelt es sich um Materialien, die in
vielen Dingen des täglichen Bedarfs verarbeitet sind.
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| An Cyanobakterien wurde nachgewiesen, dass der Mechanismus
der Fixierung des Stickstoffs durch UV-B Strahlung gestört wird.
Weitere Effekte konnten unter anderem festgestellt werden bei der Entwicklung
von Amphibienlarven, Seeigeln und Korallen. Andererseits wurden gerade in der Flora und Fauna der Arktis und Antarktis auch äußerst erstaunliche Resistenzen gegen die UV Strahlen festgestellt. So sind die arktische Wirbeltiere wie Pinguine, Robben und Seevögel durch Federn und Fell sehr gut geschützt. Auch ihre Augen sind als Anpassung an die drohende Schneeblind- heit besser geschützt, als die ihrer nicht polaren Verwandten. |
7. Was bleibt zu tun ? |
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| Weiterhin muss das Hauptbestreben darauf ausgerichtet sein,
die Produktion und den Einsatz von halogenierten Kohlenwasserstoffen weiter
zu verringern. Ungeachtet der vorhandenen Ersatzstoffe steigt der Bedarf
an FCKW in den Entwicklungsländern weiter an. In manchen Staaten,
zum Beispiel in den Staaten der ehemaligen Sowjetunion, werden FCKW trotz
des Verbotes weiter produziert. Ausserdem dürfen eine Reihe Substanzen,
von denen bekannt ist, dass sie die Ozonschicht schädigen, immer
noch produziert werden. So zum Beispiel Methylbromid, ein Pilzvernichtungsmittel,
dass vor allem in Entwicklungsländern eingesetzt wird und noch bis
2005 verwendet werden darf. Es wird diskutiert, durch ein dichtes Netz
von Messstellen herauszufinden, in welchen Regionen noch halogenierte
Kohlenwasserstoffe produziert werden. Mit Druck auf die Regierungen könnte
dies dann sicher begrenzt werden. Doch obwohl die halogenierten Kohlenwasserstoffe hierzulande weitgehend aus den Schaumstoffen und Spraydosen eliminiert sind, besteht auch noch Handlungsbedarf. Zum Beispiel werden noch immer zahllose Kühlaggregate mit FCKW betrieben, das durch Leckagen oder bei unsachgemäßer Entsorgung in die Atmosphäre entweicht. Als Alternativen bieten sich hier Propan oder Ammoniak als Kühlmittel an. |
8. Quellen und Links |
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| Unzählige Sites im Internet bieten weitere Informationen
zum Thema Ozonloch an. Ich habe daraus mal vier herausgepickt, die meiner
Meinung nach herausragend sind: Das Zentrum für Atmosphärenwissenschaft bietet eine virtuelle Ozonlochtour in vier Teilen an. Auch auf den Seiten der NASA finden sich Informationen zum Thema Ozon.. Rüdiger Gerndt berichtet sehr sachkundig über die Zerstörung des stratosphärischen Ozons Aktuelle Berichterstattung zum Thema Ozon gibt es in der Bild der Wissenschaft online |
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