4. Erhöhte UV-Belastung von Mensch und Biosphäre

Die Ozonschicht bewirkt, daß die für Organismen schädliche UV-Sonnenstrahlung bei Wellenlängen unterhalb 320 nm stark und unterhalb von 290 nm praktisch vollständig herausgefiltert wird. Sinkt der Ozongehalt, dann nimmt die Strahlung zwischen 320 und 290 nm Wellenlänge (UV-B) zu. Dies geschieht nicht gleichmäßig für das ganze UV-B-Spektrum. Sondern die einfallende Sonnenstrahlung verschiebt sich zu den kürzeren UV-B-Wellenlängen hin. Diese sind viel energiereicher und damit gefährlicher.

Die biologische Wirkung steigt generell mit der Kürze der Wellenlänge wegen der erhöhten Energie. Für die einzelnen biologischen Organismen existieren aber spezifische Wellenlängen, die für sie jeweils am ungünstigsten sind. Menschliche Haut etwa ist am empfindlichsten gegen UV-B von 305 nm (fünf Mal mehr als gegen 320 nm). Dabei entsteht Sonnenbrand (Erythem). Menschliches Erbgut (DNS), Pflanzen, Bakterien usw. weisen ihre maximale UV-Schädigung bei anderen Wellenlängen auf (haben andere "Wirkungsfunktionen"). Für die meisten biologischen Organismen und Organe liegen die destruktivsten Wellenlängen jedoch zwischen 300 und 310 nm. Darüber sind die Wellenlängen nicht energiereich genug. Darunter ist die einfallende Strahlungsmenge zu gering, um schaden zu können.

Zur standardisierten Beschreibung der biologisch wirksamen Strahlung wird die auf die Erdoberfläche einfallende Strahlung mit der spezifischen Wirkungsfunktion des fraglichen Organismus bzw. Organs gewichtet. In der Regel wird dafür die Erythem-Wirkungsfunktion genommen, auf deren Basis sich diejenige effektive Strahlung ergibt, die Hautrötung bzw. "Sonnenbrand" erzeugt. Sie liegt auch der Angabe des "UV-Index" zugrunde, der zur einfachen Beschreibung der biologisch wirksamen UV-Strahlung weltweit eingeführt wurde. Seit August 1994 erstellt der Deutsche Wetterdienst täglich einen "UV-Index" (www.uv-index.de), der über die zu erwartende UV-Belastung für alle Hauttypen informiert. Er wird auf einer nach oben offenen Skala dargestellt und nimmt erfahrungsgemäß in Deutschland Werte zwischen 0 und 8, in den Bergen auch bis 9 an. In den Tropen können Werte bis 12 erreicht werden. Je höher der Wert, desto eher wird die Haut beim ungeschützten Aufenthalt in der Sonne geschädigt.

4.1 Ozonabbau und UV-B-Strahlungsbelastung

Wieviel Strahlung aller Wellenlängen einen bestimmten Ausschnitt der Erdoberfläche erreicht, hängt in erster Linie davon ab, wie hoch die Sonne steht (Sonnenwinkel). Je steiler der Sonnenwinkel, desto kürzer der Strahlungsweg durch die Atmosphäre. Die Solarstrahlung schwankt daher nach geographischer Breite, Jahres- und Tageszeit. Ein begrenzender Faktor ist die Wolkendecke. Die höchste Einstrahlung ist in den Tropen, mittags, im Sommer, bei wolkenlosem Himmel. Was die Strahlung der Wellenlängen im UV-B-Bereich betrifft, so hängt ihr Einfall auf die Erde zusätzlich vom Gesamtozon ab.

Bei wolkenfreiem Himmel führt die Verminderung des Gesamtozons um 1 Prozent zu einer Zunahme des sonnenbrandwirksamen UV-B um etwa 1,1 Prozent. Der sog. Strahlungsvervielfachungsfaktor RAF (Radiation Amplification Factor) beträgt etwa 1,1.

Für Deutschland wurde ein etwas höherer Wert (1,5) ermittelt. Die auf dem Hohenpeißenberg seit 1990 gemessenen und bis 1968 rückwirkend bestimmten Daten zeigen: Das Totalozon hat seit 1968 insgesamt um knapp 10% abgenommen bzw. pro Jahrzehnt um rund 3% (vgl. Abb. 8). Die UV-Strahlung ist im gleichen Zeitraum um etwa 15% angestiegen. Der größte Anstieg erfolgte im Frühjahr, also gerade in der Jahreszeit, in der Menschen und Pflanzen sonnenungewohnt und damit besonders UV-empfindlich sind (Köpke 1999, 16).

Die UNEP schätzt für Ende der 90er Jahre die durch Ozonverlust bedingte Zunahme sonnenbrandwirksamer UV-B-Strahlung gegenüber den 70er Jahren wie folgt ein:

• um 7% auf der Nordhalbkugel mittlerer Breiten im Winter/Frühling (O3-Verlust 6%);
• um 4% auf der Nordhalbkugel mittlerer Breiten im Sommer/Herbst (O3-Verlust 3%);
• um 6% auf der Südhalbkugel mittlerer Breiten auf Ganzjahresbasis (O3-Verlust 5%);
• um 22% im arktischen Frühling (O3-Verlust 15%);
• um 130% im antarktischen Frühling (O3-Verlust 50%). (UNEP 1998 update)

Die extreme UV-Zunahme in der Antarktis um 130% findet in der Zeit des Ozonlochs statt. Der entsprechende Ozonverlust beträgt 50%. Der Strahlungsvervielfachungsfaktor RAF ist hier also größer als 1,1 (1,1% UV-Zunahme bei 1% Ozonabnahme). Dieser Wert gilt nur bei kleinen Ozonabnahmen von wenigen Prozent. Die Beziehung zwischen UV- und Ozonveränderung wird für größere Ozonveränderungen nicht-linear. Mit anderen Worten: Bei starkem Ozonverlust steigt die UV-B-Belastung überproportional an.

Dies verdeutlicht Abbildung 14 mit den von Booth und Madronich 1994 veröffentlichten UV- und Ozondaten am Südpol für Februar bis Dezember.

Abb. 14. Nach Messungen am Südpol bewirkt eine Abnahme des Gesamtozons eine überproportionale Zunahme der UV-Strahlung. Bildquelle: http://www.epa.gov/ozone/science/ozone_uv.html.

Wie entwickelt sich die UV-Belastung in den nächsten Jahrzehnten? Ein Szenario für die sonnenbrandgewichtete UV-Belastung 1980-2100 in Abhängigkeit vom Gesamtozon wurde von Madronich et al. 1998 für die UNEP entwickelt, und zwar exemplarisch für 45° Nord, wo die Besiedlung sehr dicht ist. Es wird unterstellt, daß die vom 1997 verbesserten Montrealer Protokoll noch erlaubte FCKW-Produktion (1999 in Peking nur minimal verändert) voll ausgeschöpft, aber nicht übertroffen wird.

Diesem in Abb. 15 grafisch dargestellten UNEP-Szenario zufolge hat die UV-Belastung um das Jahr 2000 ihr Maximum. Danach sinkt sie. Die UV-B-Werte der Zeit vor 1980 werden in der Mitte des 21. Jahrhunderts wieder erreicht.

Abb. 15. Szenario 1980-2100 für die sonnenbrandgewichtete UV-Belastung (rechts) in Abhängigkeit vom Gesamtozon (links) für 45° Nord nach Madronich et al. 1998. Bildquelle: UNEP 1998 update (modifiziert).

4.2 Gesundheitsschäden für die Menschen

Wer sich viel im Freien bewegt, setzt sich heute einer erhöhten UV-Bestrahlung aus. Aufgrund der geringen Eindringtiefe der UV-Strahlung in biologisches Gewebe sind im wesentlichen Augen und Haut exponiert. Erhöhtes UV-B verursacht vor allem Schädigungen der Haut, des Auges und des Immunsystems.

Hautschädigung: Von den akuten Wirkungen ist an erster Stelle der Sonnenbrand zu nennen. Langfristig gesehen bewirkt erhöhte UV-Bestrahlung vorzeitiges Altern der Haut ("Photoalterung").

Hautkrebs: Die Zahl der registrierten Hautkrebserkrankungen ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Sonnenbrand-auslösende UV-B-Strahlung um 300 nm Wellenlänge hat auch die größte Krebswirksamkeit. Sie erhöht das Risiko, an sog. Nichtmelanom-Hautkrebs (Spinaliom bzw. Stachelzellkrebs oder Basaliom bzw. Basalzellkrebs) zu erkranken. Dabei steigt das Risiko für Tumoren mit der Anzahl der Sonnenbrände. Besonders die UV-Belastung in den ersten zehn Lebensjahren (Sonnenbrand bei Kindern) beeinflußt das Krebsrisiko. Auch die Bildung maligner Melanome (bösartiger Tumor mit Metastasen-Bildung - "Schwarzer Hautkrebs") ist u.a. von der UV-Belastung abhängig. Hierbei spielt die Schädigung der DNS (Erbsubstanz) in den Hautzellen eine Rolle (Bildung von Thymidin-Dimeren, DNS-Mutation). Frühere nichtmelanome Hautkrebserkrankungen steigern das Risiko der Melanomentstehung erheblich.

Auge: UV-Strahlung bewirkt Entzündungen der Hornhaut (Keratitis) und Bindehaut (Konjunktivitis). Sie kann eine irreversible Trübung der Linsen auslösen (Grauer Star bzw. Katarakt), die unbehandelt zur Erblindung führt. Kataraktbildung ist für 50% der Erblindungen weltweit verantwortlich.

Immunsystem: UV-B-Bestrahlung schwächt das Immunsystem und die Körperabwehr bei Infektionskrankheiten schon als prompte, nicht erst nach Jahrzehnten eintretende Reaktion. Eine Schwächung des Immunsystems kann auch Auswirkungen auf Krebsentstehung und die Aktivierung des menschlichen Immunschwäche-Virus (HIV) haben. Im Unterschied zum Krebs- und Kataraktrisiko erlaubt der Forschungstand zur UV-bedingten Schwächung des Immunsystem noch keine quantitativen Prognosen.

Die befürchteten menschlichen Gesundheitsrisiken durch erhöhte UV-Belastung infolge Ozonvernichtung waren Hauptmotive für das Montrealer Protokoll 1987 zur Begrenzung der FCKW-Produktion und die 1990 und 1992 erfolgten Londoner und Kopenhagener Verschärfungen in Richtung auf totalen Produktionsstopp.

4.2.1 Zusätzlicher Hautkrebs mit und ohne Montrealer Protokoll

Hautkrebs ist weitverbreitet. Nach Schätzungen der WHO erkranken jährlich zwei Millionen Menschen weltweit an Basalzell- und Stachelzellkarzinomen der Haut und etwa 200 000 am Melanom. In Deutschland liegt die Zahl der Hautkrebs-Neuerkrankungen bei ca 120 000, davon entfallen 7 Prozent auf Melanome. Jährlich gehen in Deutschland je ca. 1600 Todesfälle auf Melanom- bzw. Nichtmelanom-Hautkrebs zurück. (Ärztezeitung 17.5.2000)

Die UNEP publizierte 1998 Abschätzungen einer niederländischen Forschungsgruppe (Slaper et al. 1996) über die zusätzlichen Hautkrebsfälle für 1980 bis 2100 bei 45° Nord, die der FCKW-bedingten Ozonschichtausdünnung zuzuschreiben sind (vgl. Abb. 16). Die Hautempfindlichkeit entspricht dort derjenigen der US-Bevölkerung, die 1980 etwa 2000 Hauskrebsfälle pro 1 Milllion Einwohner aufwies.

Abb. 16. Zusätzliche Hautkrebsfälle durch UV-Strahlung infolge Ozonabbau nach Slaper et al., 1996. Ohne Restriktionen und selbst nach dem ursprünglichen Montrealer Protokoll (obere Kurven) wären die zusätzlichen Hautkrebsfälle in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel bis 2040 bzw. 2055 auf 500 pro 1 Million Einwohner gestiegen. Die Verschärfungen des Montrealer Protokolls seit 1992 (untere Kuven) lassen nunmehr um 2060 einen Gipfel bei 100 zusätzlichen Fällen pro 1 Million Einwohner erwarten. Bildquelle: UNEP 1998 update.

Das Krebsrisiko durch Ozonverlust über den mittleren nördlichen Breiten erhöht sich bis 2050 um jährlich 100 zusätzliche Fälle (pro Million Einwohner), wenn die 1997 beschlossenen Verschärfungen des Montrealer Protokolls voll eingehalten werden (WMO-Szenario 1998). Siehe in Abb. 16 die untere Kurve.

Aus der gleichen Grafik geht die große Bedeutung des Montrealer Protokolls und seiner Folgevereinbarungen hervor: Ohne jegliche Restriktionen hätten die zusätzlichen Hautkrebsfälle um 2040 bereits die fünffache Zahl, nämlich 500 pro 1 Million Einwohner, erreicht (obere steile Kurve).

4.2.2 Zusätzliche Katarakte mit und ohne Montrealer Protokoll

Eine gleichfalls quantifizierende Risikoabschätzung hat die Umweltbehörde der USA (EPA) für das Kataraktrisiko aufgestellt und für die UNEP aktualisiert (UNEP 1998). Nach den Montrealer Verschärfungen des Protokolls von 1997 (in Kraft seit 1999) wird bis ca. 2030 mit etwa 25 zusätzlichen Erkrankungen pro 1 Million Einwohner jährlich gerechnet (s. Abb. 17 untere Kurve). Die Daten wurden für die US-Bevölkerung kalkuliert, sind aber auf Europa übertragbar. Auch hier wurden die zusätzlichen Erkrankungsfälle abgeschätzt, die ohne das Montrealer Protokoll und seine Verschärfungen eingetreten wären.

Abb. 17. Zusätzliche Katarakt-Fälle durch UV-Zunahme infolge Ozonabnahme nach Schätzungen der USEPA für mittlere Breiten der Nordhalbkugel. Nach dem ursprünglichen Montrealer Protokoll (obere Kurve) hätten die zusätzlichen Erkrankungen bereits 2030 die Zahl von jährlich 60 Fällen pro 1 Million Einwohner übertroffen. Die Verschärfungen des Montrealer Protokolls seit 1992 (untere Kurven) lassen um 2050 einen Gipfel zwischen 25 und 30 jährlichen Neuerkrankungen pro 1 Million Einwohner erwarten. Bildquelle: UNEP 1998 update.

Bei unverändertem ursprünglichen Montrealer Protokoll von 1987 (oberste Kurve) wäre bereits um 2025 die Zahl von 60 zusätzlichen Erkrankungen pro 1 Million Einwohner übertroffen worden, ohne daß der Aufwärtstrend gestoppt worden wäre. Den Londoner Verschärfungen von 1990 wird die Wirkung zugeschrieben, bis 2060 das Maximum der zusätzlichen Fälle von Katarakt auf 45 pro 1 Million Einwohner gesenkt zu haben (zweite Kurve von oben). Erst ab 1992/97 wurde das Risiko deutlich vermindert.

4.2.3 Das Montrealer Protokoll zeigt Wirkung

Schon wegen der vielen vermiedenen Erkrankungen (und Todesfälle) hat sich der politische Aufwand für das Montrealer Protokoll bereits heute gelohnt. Dazu erklärte die WMO 1998:

"Die Konzentration ozonzerstörender Gase betrüge ohne das Protokoll im Jahre 2050 mindestens 17 ppb äquivalentes Chlor (bei 3% Jahreswachstum jener Gase) und wäre damit etwa fünf Mal größer als heute.(Abb. 18 zeigt etwas geringere Werte, weil sie die Chlorbelastung ohne Brom wiedergibt.Der Ozonabbau beliefe sich in den mittleren Breiten der Nordhemisphäre auf mindestens 50%, im Süden auf mindestens 70%. Insgesamt wäre er zehn Mal stärker als heute."

"Die UV-B-Belastung hätte sich gegenüber 1980 im Norden verdoppelt und im Süden vervierfacht. Zum Vergleich: die gegenwärtige Zunahme beträgt in der nörlichen Hemisphäre 5% und in der südlichen 8%."

Abb. 18. Abschätzung der stratosphärischen Chlorbelastung (ohne Brom) bis 2100 ohne Montrealer Protokoll (obere Kurve), mit Protokoll von 1987 (mittlere Kurve) und mit Kopenhagener Verschärfungen von 1992 (untere Kurve). Erst die letzteren haben eine Trendumkehr eingeleitet. Bildquelle: WMO 1998.

Das UNEP-Ozonsekretariat schätzt ab, was die Unterlassung des Montrealer Protokolls und seiner Verschärfungen für die menschliche Gesundheit bis 2050 bedeutet hätte:

"Die Folgen dieser Zunahme (der UV-B Strahlung; d.V.) wären schrecklich: 19 Million zusätzliche Fälle von nichtmelanomem Hautkrebs, 1,5 Million zusätzliche Fälle von malignem Melanom. Dazu kämen 130 Millionen zusätzliche Fälle von Katarakt." (Ozone Secretariat 1998)

4.3 Auswirkungen auf Pflanzen bzw. terrestrische Ökosysteme

Zwar können sich Pflanzen z.T. durch verstärkte Bildung von Pigmenten (Farbstoffen) gegen erhöhte UV-Bestrahlung schützen, und sie verfügen über einen Mechanismus, der z.T. UV-B-Strahlungsschäden an der DNS reparieren kann. Aber Untersuchungen an über 300 Pflanzenarten (meist Kulturpflanzen) ergaben für mehr als die Hälfte Beeinträchtigungen beim Blatt- und Sproßwachstum, bei der Photosyntheseleistung und generell eine verminderte Biomasse, wenn sie erhöhter UV-B-Strahlung ausgesetzt wurden (Tevini 1996). Dies gilt nicht nur für Untersuchungen unter künstlichen Bedingungen von Gewächshäusern, sondern auch im Freiland.

Bei manchen Sojabohnensorten sinken etwa Photosynthese und Ertrag um 25%, wenn das Gesamtozon um 25% reduziert wird. Es gibt allerdings auch Sojabohnensorten, die keine Schädigung zeigen. Gleiches gilt für Reis. In welchem Umfang ein Anstieg der allgemeinen UV-Belastung Ernteschäden bewirken kann, läßt sich u.a. wegen solcher Unterschiede noch nicht quantifizieren. Die unterschiedlich starke Empfindlichkeit von Pflanzen gegen zusätzliche UV-Strahlung dürfte zumindest zu Verschiebungen im Artenspektrum führen. Dies gilt auch für Nicht-Kulturpflanzen wie Waldbäume usw.

4.4 Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme

Phytoplankton, Algen: Die massenhaft im Wasser treibenden pflanzlichen Kleinstlebewesen (Algen, Diatomeen, Cyanobakterien) dienen anderen Organismen als Nahrung und stehen am Anfang der Nahrungskette. Global gesehen sind sie die größten Produzenten von Biomasse in aquatischen Ökosystemen. Das Phytoplankton lebt in geringer Tiefe unterhalb der Wasseroberfläche, wo es genügend Sonnenlicht für die Photosynthese erhält. Damit ist es auch gegenüber erhöhtem UV-B exponiert, weil dessen Wirkung in den oberen Wasserschichten noch wenig abgeschwächt wird. Gegenüber UV-B-Strahlung ist das Phytoplankton sehr empfindlich, viel empfindlicher als Landpflanzen (die sich stärker anpassen und Schutzmechanismen entwickeln mußten). Geschädigt werden u.a. die Photosynthese, das Orientierungsvermögen und die DNS des Phytoplanktons (Häder 1997).

Als mögliche Folge der Schädigung des Phytoplanktons, das am Anfang der Nahrungskette der Fische steht, wird eine Beeinträchtigung des Fischfangs diskutiert. Immerhin deckt ein Sechstel der Weltbevölkerung ein Drittel seines Bedarfs an tierischem Eiweiß aus den Ozeanen. Da aquatische Bakterien ebenfalls vom UV-B geschädigt werden, werden auch indirekte UV-Schäden an Nutzpflanzen diskutiert: Beim Reisanbau kann die Schädigung der stickstoffbindenden und damit düngenden Cyanobakterien zu Ernteverlusten führen.

Eine durchgreifende Schädigung des Phytoplanktons hätte nicht nur Auswirkungen auf die menschliche Nahrungsversorgung. Das Phytoplankton spielt auch eine wichtige Rolle im globalen Kohlendioxid-Haushalt als CO2-Senke, die den Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre und damit den Treibhauseffekt abbremst. Einem Rückgang der phytoplanktischen Biomasse um 10% entspricht eine etwa gleich große Verminderung der CO2-Bindung um etwa 5 Milliarden Tonnen Kohlenstoff. Die Kohlenstoffmenge, die dann nicht mehr vom Ozean aufgenommen würde, sondern in der Atmosphäre verbliebe, wäre jährlich genauso groß, wie aus fossiler Verbrennung in die Atmosphäre gelangt. Folge wäre eine enorme Beschleunigung des Treibhauseffekts.

Seit Entdeckung des Ozonlochs zog das Phytoplankton besondere Aufmerksamkeit der Forschung auf sich. Das antarktische Meeresplankton ist (wegen des flachen Sonnenwinkels) kaum an starke UV-Belastung angepaßt - anders als tropische Meeresorganismen. Im Jahre 1990 fanden Biologen (Smith et al. 1992) einen Rückgang des Phytoplanktons um 6-12%, als ihr Forschungsschiff im Frühling in die Zone unter dem Ozonloch einfuhr. Das Ozonloch hält 10-12 Wochen an. Das bedeutet - auf das Jahr verteilt - einen Verlust des Phytoplanktons von 2-4%. Diese Größenordnung wurde in jüngerer Zeit bestätigt (Neale et al. 1998). Die Gefahr des immens beschleunigten Treibhauseffekts kann folglich so lange gebannt werden, wie das südpolare Ozonloch in räumlicher und zeitlicher Ausdehnung grundsätzlich im gegenwärtigen Rahmen bleibt. Die Aussichten dafür hat das Montrealer Protokoll 1987/97 stark verbessert.

Meerstiere: Wirbellose Tiere des Meeres wie verschiedene Krebse, Krabben, Korallen, Schwämme u.a. reagieren sensibel und mit erhöhter Sterblichkeit auf steigende UV-Bestrahlung. Das gilt auch für die besonders empfindlichen Larvenstadien, die in der Antarktis und Arktis z.T. gerade zum Zeitpunkt des abrupten UV-Anstiegs im Frühjahr massenhaft auftreten. Bei Korallen wurden Ausbleicheffekte beobachtet.

Fische: Bei Fischen ist bekannt, daß UV-Strahlung die Größe und Überlebensfähigkeit der Larven direkt vermindert. Die Larven der Sardelle (einer der wichtigsten Nutzfische) leben fast ausschließlich in der obersten Wasserschicht (bis 50 cm Tiefe). Berechnungen für das nordamerikanische pazifische Schelf ergaben bei einer angenommenen 16-prozentigen Ozon-Verminderung im Juni eine Absterberate der Sardellen-Larven je nach Alter zwischen 50 und 100 Prozent.

Amphibien: Bei einer Reihe von Amphibien (Frösche, Kröten, Molche) wird weltweit ein Rückgang ihres Bestandes beobachtet. Zu den Ursachen dürfte auch die (zeitweilige) Zunahme der UV-Strahlung zu zählen sein, die zu einer Schädigung des Erbguts (DNS) in den oft in nur flachen Gewässern abgelegten Eiern führt. Viele Amphibien haben kein besonders gut funktionierendes System zur DNS-Reparatur. Außerdem wird bei ihnen eine UV-Schädigung des Immunsystems der Larven diskutiert.