Dieses Jahr feiert eine wichtige Messreihe ihren 100. Geburtstag: Es ist die weltweit längste kontinuierliche Messreihe des Gesamtozons - also der Menge an Ozon in der Stratosphäre und Troposphäre über einem bestimmten Punkt. Ein Jahrhundert gesammelter Daten ohne nennenswerte Lücken, von 1926 bis heute, macht die Schweiz zu einem weltweit einzigartigen Referenzstandort. Dieses Messprogramm, das trotz manch turbulenter Wendungen Epochen und Generationen überdauert hat, wird im heutigen Blog näher vorgestellt.

Was ist Ozon? Ozon ist ein farbloses bis blaues Gas. Ozon hat viele Gesichter, denn in der Stratosphäre vorkommend schützt es Lebewesen auf der Erde vor der gefährlichen ultravioletten Strahlung der Sonne. In hoher Konzentration auf der Erde allerdings ist Ozon sehr schädlich für Mensch und Natur. Ozon kann beim Menschen zu Atmungsproblemen führen und das Wachstum von Pflanzen hemmen. Aus diesen verschiedenen Gründen ist es wichtig, Ozon zu messen. 

Warum in der Schweiz?

Um zu verstehen, warum diese Messung von Ozon in der Schweiz begann, muss man einige Jahre vor 1926 zurückblicken. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Tuberkulose eine der häufigsten Todesursachen in Europa. Arosa und Davos lebten von ihren Sanatorien -Einrichtungen, in denen das alpine Klima, die reine Luft und die Sonneneinstrahlung als heilsam für die Kranken galten. Diese Orte zogen Patientinnen und Patienten aus ganz Europa an und bildeten eine wichtige Einkommensquelle dieser Gemeinden.

1921 engagierte die Gemeinde Arosa den Physiker F. W. Paul Götz, um die Sonnenstrahlung und das alpine Klima wissenschaftlich zu untersuchen - in der Hoffnung, die Auswirkungen der Höhenlage und der ultravioletten Strahlung auf die Gesundheit besser zu verstehen. Götz liess sich in Arosa nieder und begann mit verschiedenen Messungen vom Dach des Sanatoriums Arosa aus. Der Beginn der Gesamtozonmessungen war das jedoch noch nicht: Zunächst mass er dort die direkte Sonnenstrahlung und die UV-B-Strahlung.

1926: Die ersten Messungen

Einige Jahre später baute Götz in Arosa sein eigenes Haus, die Villa «Firnelicht», mit einem auf dem Dach eingerichteten Observatorium. Dort installierte er seine Instrumente und weitete seine Forschungen auf die Gesamtozonmessungen aus.

Paul Götz nahm Kontakt mit dem britischen Physiker Gordon Dobson von der Universität Oxford auf. Dobson hatte ein Spektrophotometer entwickelt - ein Instrument, das misst, wie die Atmosphäre das Sonnenlicht je nach Wellenlänge filtert, woraus sich die vorhandene Ozonmenge ableiten lässt. Er stellte Götz eines dieser Geräte zur Verfügung. Am 23. Juli 1926 begannen damit die ersten Gesamtozonmessungen in Arosa. Die beiden Männer arbeiteten eng zusammen, was dazu führte, dass das Dobson-Spektrophotometer zum weltweiten Referenzinstrument für die Gesamtozonmessung wurde - ein Instrument, das, über die Jahrzehnte hinweg weiterentwickelt, noch heute im Einsatz ist.

Eine Messreihe, die mehrmals kurz vor dem Aus stand

Götz' Institut arbeitete mit limitierten Mitteln, und die Ozonmessungen waren zu Beginn des Zweiten Weltkriegs besonders gefährdet, als die Zukunft des Instituts ungewiss war. Dennoch wurden die Messungen von der Villa «Firnelicht» aus fortgesetzt. Der Aufstieg der Antibiotika machte die Sanatorien weniger attraktiv, doch das wissenschaftliche Interesse an den Ozonmessungen wandelte sich: Das stratosphärische Ozon wurde zunächst als Indikator für Luftströmungen in der Atmosphäre und zur Verbesserung der Wettervorhersagen genutzt. Als Götz 1954 starb, war die Weiterführung der Messungen erneut ungewiss.

Seine frühere Studentin Gertrud Perl übernahm die Messung bis 1962. –Perl nahm die Messungen nicht mehr von der Villa des verstorbenen Götz aus vor, sondern vom Sanatorium «Florentinum».

Ab 1962 übernahm Hans Ulrich Dütsch, ein ehemaliger Doktorand von Götz und Professor an der ETH Zürich, das Programm. Ab den 1970er Jahren gewannen die Ozonmessungen mit der der Debatte um den Ozonabbau in der Atmosphäre eine neue Relevanz. In dieser Zeit wurden die Dobson-Instrumente 1973 ins Haus Steinbruch in Arosa verlegt. Mit Dütschs Pensionierung 1985 wurde die Lage jedoch erneut fragil.

Die Messreihe geht weiter und modernisiert sich

1988 übernahm schliesslich MeteoSchweiz die operative Verantwortung, in enger Zusammenarbeit mit der ETH. Die Messmethode ist dieselbe geblieben wie zu Götz' Zeiten: die von der Atmosphäre gefilterte Sonnenstrahlung analysieren. Die Instrumente hingegen haben sich weiterentwickelt.

Das neuere und automatisierbare Brewer-Spektrophotometer wurde 1988 in Arosa eingeführt. Die Dobson-Instrumente wurden um 1990 halbautomatisiert. Zwischen 2011 und 2019 wurden die Messungen schrittweise von Arosa zum Physikalisch-Meteorologischen Observation Davos (PMOD/WRC) verlagert - in einer Phase, in der die Dobson-Instrumente vollständig automatisiert wurden. Dies, um die langfristige Kontinuität der Datenreihe zu gewährleisten. 

Heute sind drei Dobson-Instrumente und drei Brewer-Spektrophotometer im Dauerbetrieb, die gemeinsam von MeteoSchweiz und dem PMOD/WRC Davos betrieben werden. Die Messreihe wird nicht unterbrochen, sie passt sich an.

Warum sind hundert Jahre Daten so wichtig?

Um Trends in der Entwicklung des atmosphärischen Ozons zu erkennen, braucht es sehrviel Zeit. Eine nur wenige Jahre umfassende Messreihe reicht nicht aus, um einen echten Trend von natürlichen Schwankungen zu unterscheiden. Hundert Jahre homogener Daten, erhoben mit denselben Referenzmethoden und -instrumenten, ermöglichen es, Trends mit einer Zuverlässigkeit zu identifizieren, die keine kürzere Messreihe bieten kann.

Die Messungen des stratosphärischen Ozons über 100 Jahre zeigen erste Anzeichen einer durch menschliche Tätigkeiten verursachten Klimaänderung. Insbesondere den Abbau der Ozonschicht. Dies führte zu der Erkenntnis, dass weltweit Massnahmen zum Schutz der Ozonschicht ergriffen werden müssen. 1987 wurde das Montrealer Protokoll verabschiedet. Es verpflichtet die Vertragsstaaten, die Produktion und Verwendung ozonschichtschädigender Stoffe wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) schrittweise einzustellen. Es gilt als eines der erfolgreichsten internationalen Umweltabkommen und hat massgeblich dazu beigetragen, dass sich die Ozonschicht seit den 2000er-Jahren langsam erholt.

Um den Rückgang des Gesamtozons klar zu quantifizieren, ist es notwendig, eine „normale" Referenz zu etablieren. Die Arosa-Messreihe, deren Referenznorm die Jahre 1926 bis 1970 umfasst, ist eine der solidesten verfügbaren Grundlagen hierfür, und der Konzentrationsrückgang ist in ihr deutlich erkennbar. Sie hat massgeblich dazu beigetragen, die wissenschaftlichen Grundlagen zu legen, die zum Montrealer Protokoll führten. Noch heute ist sie unverzichtbar, um die Entwicklung des Ozons zu verfolgen und die Auswirkungen dieses Abkommens auf die Erholung der Ozonschicht zu messen.

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