Chemienobelpreis 1995: Paul Josef Crutzen — Mario José Molina — Frank Sherwood Rowland
Der Niederländer Crutzen, der Mexikaner Molina und der Amerikaner Rowland erhielten gemeinsam den Nobelpreis für »ihre Arbeiten zur Chemie der Atmosphäre, insbesondere über Bildung und Abbau von Ozon«.
Biografien
Paul Joseph Crutzen, * Amsterdam 3. 12. 1933; 1954-58 Arbeit in einem Konstruktionsbüro für Brücken in Amsterdam, ab 1959 am Meteorologischen Institut an der Stockholmer Universität, 1977-80 Direktor am National Center for Atmospheric Research in Boulder (Colorado), ab 1980 am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz.
Mario José Molina, * Mexico City 19. 3. 1943; ab 1968 Forschungen über die Dynamik von Molekülen anhand von Lasern an der University of California in Berkeley, ab 1973 Zusammenarbeit mit Rowland in Irvine (Kalifornien), 1974 Habilitation, ab 1989 am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.
Frank Sherwood Rowland, * Delaware (Ohio) 28.6. 1927; 1943-45 Studium an der Ohio Weslyan University, 1948-52 an der University of Chicago, von 1952-56 an der Princeton University, 1964 Habilitation und Professur an der University of California in Irvine.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Ozon ist ein chemisch aggressives Gas und in reinem Zustand sehr giftig. Technisch dient es der Entkeimung von Wasser oder dem Bleichen. Aufgrund seiner Reizwirkung galt es noch vor wenigen Jahrzehnten als stimulierend für die Atmungsorgane. Heute ist es als ein wesentlicher Bestandteil des so genannten Sommersmogs und aufgrund der von ihm verursachten Belastungen für Asthmatiker und Kleinkinder zu Recht verrufen. Auf der anderen Seite schützt der Ozongürtel der Stratosphäre, in 10-50 Kilometer Höhe, vor der schädlichen ultravioletten Strahlung. Nimmt die Ozonkonzentration in der Statosphäre ab, so gelangt mehr UV-Licht auf die Erdoberfläche. Die Menschen erkranken an Hautkrebs, ein längerer Aufenthalt in der Sonne wird zum Gesundheitsrisiko, auch das Wachstum der Pflanzen wird beeinträchtigt, die Zusammensetzung der bodennahen Luftschichten, der Troposphäre, ändert sich.
Die Auswirkung von Stickoxiden auf das Ozon
Crutzen analysierte in den 1960er-Jahren die bis dahin vorliegenden Annahmen über die Bildung, Verteilung und Zerstörung von Ozon in der Stratosphäre. Durch die Analyse der Reaktionskonstanten verschiedener möglicher chemischer Reaktionen konnte er die bestehenden Modelle über die atmosphärenchemischen Vorgänge wesentlich verfeinern. Er nahm daraufhin an, dass die Zersetzung des Ozons im natürlichen Kreislauf von der Anwesenheit von Stickoxiden abhängig war. Unter der Bezeichnung »Stickoxide« werden die chemischen Verbindungen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) zusammengefasst. Stickoxide entstehen in der Stratosphäre durch die Reaktion von Sauerstoff mit Lachgas. Lachgas (N2O) ist eine natürlich vorkommende chemische Verbindung, die durch mikrobiologische Abbauprozesse im Boden und im Wasser entsteht. Die entstehende Menge ist im 20. Jahrhundert durch den Einsatz von Kunstdüngern, die forcierte Rinderzucht, einen ausgeweiteten Reisanbau und durch Abgase von Überschallflugzeugen wesentlich gewachsen.
Crutzen schloss aus seinen Beobachtungen, dass eine Veränderung des chemischen Gleichgewichts durch einen Anstieg der Konzentration an Stickoxiden in der Stratosphäre sich in einer Zersetzung der Ozonschicht auswirken würde. Seine Arbeiten sind beispielhaft dafür, dass die Abschätzung der Folgen dem Entwicklungsstand der Technik hinterherhinkt. In späteren Arbeiten konnte Crutzen auch das Entstehen von Ozon in der Troposphäre erklären. Entscheidend trägt hierzu die Entstehung von Stickoxiden in Verbrennungsvorgängen bei, vor allem in Kraftwerken und in den Motoren von Last- und Personenkraftwagen.
Auf einer Konferenz im japanischen Kyoto diskutierten im Herbst 1973 Wissenschaftler erstmalig den Einfluss von chlorhaltigen Verbindungen auf die Stratosphäre, ausgehend vom Problem der Abgase der Raketentreibstoffe. Die Autoren kamen übereinstimmend zu dem Schluss, dass chlorhaltigen Verbindungen eine ähnliche katalytische Rolle zukommen könne wie den von Crutzen untersuchten Stickoxiden. Die Aussage, dass die in industriellem Maßstab produzierten Verbindungen Difluor-Dichlor-Methan und Monofluor-Trichlor-Methan (CF2Cl2 und CFCl3) harmlos seien, obwohl sie sich aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften wahrscheinlich in der Atmosphäre anreichern würden, schien zunächst plausibel. Schließlich ersetzten Fluor- und Chloratome nur die vier Wasserstoffatome des in vielen Gasheizungen verwendeten Gases Methan (CH4). Doch dies war irreführend. Von seinen Arbeiten zum Problem der Stickoxide sensibilisiert, griff Crutzen die Schlussfolgerungen aus einem Vorabdruck einer Publikation von Molina und Rowland auf und lud Rowland zu einem Vortrag nach Stockholm ein. Während dieser Veranstaltung waren auch Medienvertreter anwesend, die über die These einer Abnahme der Ozonschicht durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) berichteten. Die Wissenschaftler Molina und Rowland suchten in der Folgezeit bewusst den Kontakt zu den Medien, um ihren Ergebnissen und Thesen ein breiteres Forum zu verschaffen.
FCKWs in der Stratosphäre
Rowland war klar, dass FCKWs nicht unverändert in der Umwelt verbleiben. Selbst wenn die Substanzen chemisch und biologisch unangreifbar wären, würden sie sich unter dem Einfluss vonenergiereicher Strahlung zersetzen. Es stand fest, dass FCKWs spätestens dann, wenn sie in die Stratosphäre gelangen, auf Bedingungen treffen, die ihre Zersetzung bewirken. Dann können die chemisch hochreaktiven Bruchstücke die Umwandlung von Ozon in normalen Luftsauerstoff anregen. Rowland und Molina gelang die Entwicklung einer Theorie, die sich erst in späteren Experimenten bewähren sollte. Brisant waren diese Arbeiten, weil es sich bei FCKWs um Substanzen handelt, die ausschließlich durch menschliches Zutun in die Umwelt gelangen, durch Vorgänge, die nicht in biologische oder geologische Kreisläufe einbezogen sind. Rein industriell betrachtet handelt es sich bei FCKW um technisch nützliche Verbindungen, die als chemisch reaktionsträge, ungiftig und unbrennbar gelten. Es verwundert daher nicht, dass es erheblicher Anstrengungen bedurfte, bis in internationalen Übereinkünften das endgültige Aus für die FCKW-Produktion beschlossen wurde.
Rückblickend erzählte Crutzen, er habe seinerzeit bewusst ein Thema der »reinen Wissenschaft« bearbeiten wollen. Entgegen seinen Absichten führten die Arbeiten zu politisch brisanten Auseinandersetzungen. Die Bedeutung des Nobelpreises für Chemie 1995 liegt auch darin, dass drei Forscher ausgezeichnet wurden, die sich kritischer Reflexion bedienten und sich wissenschaftlich begründet gegen die vorherrschende Meinung mit ihren Erkenntnissen zum Wohl der gesamten Menschheit durchsetzten.
N. Fuchsloch