Abb. 1: Ozeanische Emissionen

Abb. 2: Riesentang (Macrocystis)

01.01.2012

Wie Bromoform aus dem Ozean die Ozonschicht schädigt

Eine kurzlebige Verbindung mit lang anhaltender Wirkung

Bromoform (CHBr3) ist die stärkste Quelle organischen Broms für die Atmosphäre. Aus dieser kurzlebigen Verbindung werden Bromradikale freigesetzt, die für photochemische Reaktionen in Troposphäre und Stratosphäre verantwortlich sind. Sie spielen eine bedeutende Rolle beim Ozonabbau. Untersuchungen zur Chemie des CHBr3 bilden einen Schwerpunkt der chemischen Ozeanographie.

Bromoformquelle für die Atmosphäre

Bromoform (CHBr3) ist ein Spurengas in der Troposphäre (in 8 bis 17 Kilometern Höhe), dessen Konzentrationen über dem offenen Ozean mit circa einem ppt (1 Molekül pro 1 Billion Moleküle) sehr gering sind. Der größte Eintrag von CHBr3 in die Atmosphäre erfolgt durch die obersten Schichten der Ozeane (Abb. 1). Als Hauptquellen werden Makroalgen (im besonderen Braunalgen, Abb. 2) angesehen, da besonders über Küsten erhöhte Konzentrationen von 3 bis 400 ppt gefunden werden. Hohe Konzentrationen im offenen Ozean werden vor allem mit Planktonorganismen in Verbindung gebracht.

CHBr3 entsteht auch bei der Aufbereitung von Wasser für Kühl-, Bade- und Trinkzwecke und ist in allen chlorierten und ozonisierten Wässern enthalten. Vor allem in aufbereitetem Meerwasser entsteht auf Grund des dort vorhandenen hohen Bromgehaltes viel CHBr3.

Küstenkraftwerke, die chloriertes Meerwasser zu Kühlzwecken verwenden, stellen die stärksten anthropogenen Quellen dar. Solche anthropogenen Quellen erreichen eine Größenordnung von 0,3 Gmol pro Jahr. Sie sind lokal von großer Bedeutung, spielen im globalen Maßstab jedoch eine eher untergeordnete Rolle.

Die über das Jahr gemittelten globalen natürlichen ozeanischen CHBr3-Emissionen liegen in der Größenordnung von 9 bis 13 Gmol pro Jahr. Sie sind somit 30 bis 50 Mal höher als die menschlichen Quellen. Zum Gesamtfluss tragen Küsten mit 13 bis 17 Prozent, Schelfmeere mit 44 bis 48 Prozent, und der offene Ozean mit etwa 34 bis 43 Prozent bei (Abb. 3) (Quack und Wallce, 2003). Tropische und subtropische Ozeanregionen sowie alle Schelfgebiete sind vermutlich die bedeutendsten Quellgebiete.

Ozonabbau durch Brom aus CHBr3 und anderen Spurengasen

Brom gelangt hauptsächlich aus angesäuerten Seesalzaerosolen und Oberflächen von frischem Meereis in die Atmosphäre. Die direkt durch photochemische Prozesse freigesetzten sehr kurzlebigen Bromradikale sind in der unteren Troposphäre sehr wirksam. Dort sind sie am Ozonabbau und am Schwefelkreislauf beteiligt.

CHBr3, das drei Bromatome enthält, besitzt eine atmosphärische Lebenszeit von zwei bis drei Wochen und gelangt dadurch in höhere Stockwerke der Troposphäre und unteren Stratosphäre, wo es dort zum Ozonabbau beiträgt. Die ozonabbauende Wirkung der Bromradikale ist 50 bis 70 Mal größer als die der Chlorradikale, die aus Kältemitteln und Treibgasen, den Freonen, freigesetzt werden. Darüber hinaus unterstützen sich Brom- und Chlorradikale in Kreisprozessen gegenseitig, hierbei werden zusätzliche Brom- und Chlorradikale freigesetzt,was den Ozonabbau in der Stratosphäre um mehr als 20 Prozent erhöht.

Bisher wurden vor allem langlebige bromierte Halogenkohlenwasserstoffe, wie Halone (Feuerlöschmittel) und Methylbromid (Fungizide und circa 50 Prozent natürliche Quellen) untersucht, da sie in der Troposphäre und Stratosphäre nachweisbar sind. Bei neueren Untersuchungen zum stratosphärischen Bromhaushalt wurde jedoch festgestellt, dass sich die Menge anorganischen Broms in der unteren Stratosphäre nicht durch die Summe aus den langlebigen organischen Verbindungen erklären lässt. Als Quelle der fehlenden Bromradikale werden jetzt daher kurzlebige Bromverbindungen, darunter im besonderen das Bromoform (CHBr3) vermutet (Abb. 4).

Im Rahmen meereskundlicher und atmosphärischer Untersuchungen wird der gegenwärtige und zukünftige ozeanische Bromeintrag und dessen Auswirkungen auf das Ozon genauer beschrieben. Studien im tropischen Atlantik an Bord der Forschungsschiffe METEOR und POSEIDEON ergab zum ersten Mal Hinweise auf eine große biologische Quelle des CHBr3 in 40 bis 50 Metern Tiefe des offenen Ozean und zeigten Auftriebsgebeite als starke Quellen für die Atmosphäre.

 

Weiterführende Fachliteratur:

Quack, B., Atlas, E., Petrick, G., Wallace, D.W.R.,Bromoform and dibromomethane above the Mauritanian upwelling: Atmospheric distributions and oceanic emissions. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 112, D09321, doi:10.1029/2006JD007614, 2007.

Quack, B., Atlas, E., Petrick, Gert, Stroud, V, Schauffler, S., and Wallace, Douglas W.R., Oceanic bromoform sources for the tropical atmosphere, Geophysical Research Letters 31,(23), doi:10.1029/2004GL020597, 2004.

Quack, B., and Wallace, D.W.R., Air-sea flux of bromoform: Controls, rates, and implications, Global Biogeochemical Cycles, 17(1), 1023, 2003.

Carpenter, L.J., and P.S. Liss, On temperate sources of bromoform and other reactive organic bromine gases, J. Geophys. Res., 105, 20,539-20,547, 2000.

Jenner, H.A., Taylor, C.J.L., van Donk, M., and M. Khalanski, Chlorination by-products in cooling water of some european coastal power station, Mar. Env. Res., 43, 279-293, 1997.

Nielsen, J.E. and A.R. Douglass, Simulation of bromoform's contribution to stratospheric bromine, J. Geophys. Res., 106, 8,089-8,100, 2001.

Wamsley, P.R., et al., Distribution of halon-1211 in the upper troposphere and lower stratosphere and the 1994 total bromine budget, J. Geophys.Res., 103, 1,513-1,526, 1998.