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Umweltatlas Berlin

03.06 Bodennahes Ozon (Ausgabe 1993)

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Problemstellung

Was ist Ozon, und wo kommt es vor ?

Ozon ist ein natürliches Spurengas der Atmosphäre. Im Gegensatz zum zweiatomigen Sauerstoff (O2) besteht Ozon aus Sauerstoff mit drei Atomen (O3). Während O2 zu etwa 20 % in der Luft enthalten ist, kommt Ozon in sehr viel geringeren Konzentrationen vor.

Im Vergleich zum Luftsauerstoff ist der Ozongehalt sehr großen zeitlichen und räumlichen Schwankungen unterworfen, die durch Entstehung und Abbau von Ozon verursacht werden. Damit O3 gebildet werden kann, muß zunächst ein Sauerstoffatom aus dem Luftsauerstoff oder anderen sauerstoffhaltigen Molekülen abgespalten werden. Dies ist aufgrund der chemischen Stabilität meist mit erheblichem Energieaufwand verbunden. Deshalb kann Ozon auf natürliche Weise nur dort entstehen, wo elektrische Entladungen stattfinden (z.B. Blitze) oder energiereiche (Sonnen-) Strahlung (UV-Licht) vorhanden ist, wie am oberen Rand der Atmosphäre, der sogenannten Stratosphäre in 12 - 40 km Höhe.

Abbildung 1
Abb. 1: Schematisches Vertikalprofil des Ozon-Mischungsverhältnisses in der Atmosphäre (nach Schurath 1984)

Ein Teil der lebensbedrohenden UV-Strahlung wird dort für die Bildung von Ozon aus O2 verbraucht. Ein weiterer Teil wird vom Ozon selbst absorbiert (vgl. Abb. 1). Die Existenz der Ozonschicht ist deshalb unbedingte Voraussetzung für das Leben auf unserem Planeten. Ihr Bestand ist durch die anthropogene Emission von Stoffen gefährdet, deren Bestandteile das empfindliche chemische Gleichgewicht zwischen Ozonbildung und -abbau zugunsten der Ozonzerstörung in der Stratosphäre verschieben.

In der Troposphäre, dem unteren Stockwerk der Atmosphäre, ist die Ozonbildung aus O2 mangels energiereicher Strahlung nicht mehr möglich. Der schwächere, durch die Ozonschicht hindurchtretende Teil des UV-Lichts ist allerdings in der Lage, aus Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen Ozon zu bilden. Da diese Stoffe ohne menschliches Zutun nur in relativ geringen Konzentrationen in der Atmosphäre vorhanden sind und sich Ozon durch Kontakt mit Materialien am Boden abbaut, kommen normalerweise, auch aufgrund des nur langsam ablaufenden vertikalen Transports aus der Stratosphäre, nur relativ geringe Ozonkonzentrationen in der Troposphäre zustande (vgl. Abb. 1).

Hier wirkt Ozon aufgrund seiner Reaktionsfreudigkeit als Reinigungsmittel der Atmosphäre. Es oxidiert andere Spurenstoffe, wie Schwefeldioxid und Stickoxide. Am Ende dieser chemischen Prozesse entstehen feste Reaktionsprodukte, sogenanntes Aerosol, das den Dunst in der Atmosphäre ausmacht und mit dem Regen ausgewaschen wird.

Eine weitere Rolle spielt das troposphärische Ozon als Treibhausgas. Es absorbiert ähnlich wie Kohlendioxid einen Teil der vom Erdboden ausgehenden Wärmestrahlung und trägt damit zur Erwärmung der Atmosphäre bei. Die Wirkung jedes Ozonmoleküls als Treibhausgas ist dabei umso geringer, je weiter es vom Erdboden, der die Wärme in die Atmosphäre abstrahlt, entfernt ist. Daher trägt das mengenmäßig überwiegende Ozon in der Stratosphäre in relativ geringem Maße zum Treibhauseffekt bei, während das Ozon in der Troposphäre trotz seiner relativ geringen Konzentration für etwa 8 % des anthropogenen Treibhauseffektes verantwortlich gemacht werden kann (vgl. Deutscher Bundestag 1990).

Mögliche Schadwirkungen von Ozon am Boden

Die Reaktionsfreudigkeit von Ozon wirkt sich jedoch nachteilig auf die Natur aus, wenn zusätzlich Ozon aus den anthropogenen Vorläuferstoffen durch photochemische Vorgänge produziert wird und dadurch höhere Konzentrationen in Bodennähe auftreten. Aufgrund seiner stark oxidierenden Eigenschaft tritt eine Schadwirkung an Oberflächen auf, die mit höheren Ozonkonzentrationen in Kontakt kommen. Dies sind

  • bei Bauwerken die Oberfläche von Metallteilen, auf die Ozon eine korrodierende Wirkung ausübt,
  • bei Pflanzen die Blatt- und Nadeloberfläche. O3 kann die entsprechende Schutzschicht bzw. das Blattgewebe selbst schädigen. Die Folgen können erhöhter Schädlingsbefall und eine Minderung des Pflanzenwachstums sein. Verschiedene Pflanzenarten reagieren sehr unterschiedlich auf Ozon. Die erhöhten Ozonwerte im Sommer werden als waldschädigender Faktor angesehen,
  • bei Menschen und Tieren vor allem der Atemtrakt. Da Ozon schwer wasserlöslich ist, gerät es bis in die Lunge und wirkt dort in höheren Konzentrationen zerstörerisch auf das Lungengewebe.

Bei der Frage nach den Verursachern der für Ozonbildung verantwortlichen primären Emissionen steht der Kraftfahrzeugverkehr an erster Stelle. Stickoxide werden bei der Kraftstoffverbrennung im Motor erzeugt, ebenso wie ein Teil der Kohlenwasserstoffe durch unvollständige oder fehlende Verbrennung des Benzins. Als weitere Stickoxidemittenten sind die Kraftwerke, industrielle Feuerungsanlagen und der Hausbrandsektor zu nennen (vgl. SenStadtUm, in Vorbereitung).

Ein wesentlicher Teil der Kohlenwasserstoffe gelangt durch Verdunstung des Benzins aus dem Tank der Fahrzeuge oder beim Umschlagen des Kraftstoffes in Tanklagern in die Atmosphäre. Weitere Quellen für Kohlenwasserstoffe sind die Verflüchtigung von Lösemitteln aus Farben und Lacken, verschiedene Prozesse der Industrie und des Kleingewerbes, aber auch die Abgabe durch die Vegetation und durch die Ozeane. Die aus natürlichen Quellen abgegebenen Mengen an flüchtigen Kohlenwasserstoffen übersteigen im weltweiten Maßstab die anthropogenen Emissionen zwar deutlich, in überwiegend industriell geprägten Regionen spielen sie für die Ozonbildung aber nur eine untergeordnete Rolle (vgl. Deutscher Bundestag 1990).

In Tabelle 1 sind u.a. Schwellenwerte der Ozonkonzentration aufgeführt, die der seit September 1992 europaweit gültigen EG-Richtlinie zu Ozon entnommen sind.

Tabelle 1
Tab. 1: Richt- und Leitwerte zur Konzentration von Ozon

Excel
[Die Tabelle liegt auch im Excel-Format vor (MS-Excel wird benötigt).]

Der sogenannte Schwellenwert für den (menschlichen) Gesundheitsschutz gibt die Konzentration an, die im Falle länger andauernder Belastungen nicht überschritten werden sollte. Das gleiche gilt für die Schwellenwerte für den Schutz der Vegetation, bei deren Überschreitung eine Schädigung von Pflanzen eintreten kann. Der Schwellenwert für die Unterrichtung der Bevölkerung von 180 µg/m³ Ozon als Mittelwert über eine Stunde gilt als untere Grenze, ab der besonders empfindlich auf Ozon reagierende Personen beeinträchtigt werden können. Es wird dann von der zuständigen Behörde die Empfehlung ausgesprochen, insbesondere ungewohnte und starke Anstrengungen im Freien am Nachmittag zu vermeiden. Bei 360 µg/m³ wird eine gleichlautende Warnung an die gesamte Bevölkerung gerichtet. Bei solchen und höheren Konzentrationen kann die erwähnte irreversible Schädigung der Lunge eintreten. Die oftmals zu beobachtende Reizung des Rachens und das Tränen der Augen sind jedoch nicht auf Ozon, sondern auf andere, gleichzeitig vorkommende Substanzen (z. B. PAN) zurückzuführen.

Ein weiterer, oftmals zur Beurteilung benutzter Wert ist der sogenannte MIK-Wert (VDI 2310) (vgl. Tab. 1), der mit120 µg/m³ (im Halbstundenmittel) eine untere Grenze für auftretende gesundheitliche Wirkungen durch Ozon und mögliche begleitende weitere photochemische Substanzen darstellt.

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