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Umweltatlas Berlin

03.06 Bodennahes Ozon (Ausgabe 1996)

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Karten 03.06.4, 03.06.5, 03.06.6 und 03.06.7: Ergebnisse der FluMOB-Meßkampagne
in Berlin und Brandenburg vom 23. bis 27. Juli 1994

Die häufigste Überschreitung der Schwellenwerte für Ozon und die daraus resultierende Diskussion, ob und in welcher Weise auch regionale Maßnahmen zur Verminderung der Ozon-Vorläuferstoffe einen Beitrag leisten, waren Anlaß für ein gemeinsam von den Ländern Berlin und Brandenburg finanziertes Meßprojekt. Neben den Auftraggebern waren weitere sieben Forschungseinrichtungen aus Berlin, Brandenburg, Bayern und der Schweiz beteiligt.

Vom 23. bis zum 27. Juli 1994 wurde im Verlauf einer typischen sommerlichen Schönwettersituation mit zwei Motorseglern am Vormittag und Nachmittag die Ozon-, Stickoxid- und Kohlenwasserstoffkonzentration (VOC) in 300 bis 3 000 m Höhe sowohl im Umland als auch über der Stadt registriert.

Diese Messungen wurden ebenfalls am Funkturm Frohnau und an drei Luftgüte-Meßwagen vorgenommen, die zusätzlich zu den festen Bodenmeßstellen des Berliner und Brandenburger Meßnetzes im Umland postiert waren, um die Belastung vor und hinter der Stadt festzuhalten. Durch zusätzliche Vertikalsondierungen an mehreren Standorten wurden die Strömungsverhältnisse und andere meteorologische Größen festgehalten (vgl. Stark et al. 1995).

Wetterlage und großräumige Ozonvorbelastung

Die Meßkampagne vom 23. bis 27. Juli 1994 fiel in die erste Phase einer langanhaltenden hochsommerlichen Wetterlage mit einer im Berliner Raum bisher nicht beobachteten Serie von elf sogenannten "heißen Tagen", mit Maximumtemperaturen über 30 °C. Die großräumige Luftdruckverteilung war durch tiefen Druck über dem Ostatlantik und einem Hochdruckgebiet über der Ostsee, Südskandinavien und dem Baltikum geprägt.

Als beispielhaft für die Region Berlin sind in Karte 03.06.7 (Wechselbeziehungen verschiedener Parameter 23. - 27.7.1994) die Windrichtung und -geschwindigkeit an der BLUME-Meßstelle 314, Rathausturm Charlottenburg, dargestellt. Zum Vergleich mit dieser in 60 m über Grund befindlichen Meßstelle sind auch die Meßwerte der Windgeschwindigkeit der Station Grunewald (10 m über Bestandeshöhe) angegeben.

Vom 23. bis 25.7. herrschte im Berliner Raum eine östliche bis südöstliche Luftströmung mit geringer Luftfeuchte und bis zum 25.7. mittags eine sehr kontinental geprägte Luftmasse vor. Am 26.7. drehte der Wind am Vormittag auf Nordwest, verbunden mit der Zufuhr feuchterer, stärker subtropisch geprägter Luftmassen mit höherem Staubgehalt.

Um den Beitrag des überregionalen Transportes für die Episode beurteilen zu können, wurden Rückwärtstrajektorien aus dreidimensional analysierten Feldern meteorologischer Meßwerte berechnet (vgl. Reimer und Scherer 1991). In der Karte 03.06.4 (Ozon-Konzentration 23. - 27.7.1994 um 16 Uhr MEZ) sind die Rückwärtstrajektorien mit Angabe der Reisezeiten bis zur Ankunft in Berlin jeweils nachmittags an vier verschiedenen Tagen der Kampagne dargestellt. Nach der Trajektorie vom 24.7., die so ähnlich auch am 23.7. verlief, stammte die Luft bis zum 25.7. aus dem Ostseeraum und dem mittleren und nördlichen Polen, einer Region mit relativ geringer Emissionsdichte an Ozon-Vorläuferstoffen. Sie enthielt deshalb nur eine relativ geringe Ozonbelastung von 120 bis 150 µg/m³.

Der Karte 03.06.4 ist weiterhin zu entnehmen, wo die räumlich interpolierte Ozoankonzentration jeweils für 16.00 Uhr MEZ an den fünf Tagen der Meßkampagne dargestellt ist. Sie repräsentiert damit etwa die großräumige Ozonverteilung zur Zeit des täglichen Maximums. Bis zum 25.7. sind im Nordosten nur Werte unter 180 µg/m³ zu verzeichnen.

Am 26.7. kommt die Rückwärtstrajektorie aus Tschechien, Österreich und Sachsen und am 27.7. aus der Schweiz und Süddeutschland. Wenn man die Ozonkonzentration auf der Reise der Luftmasse 48 Stunden zurück anhand der Abbildung in Karte 03.06.4 bestimmt, kommt man jeweils zu Beginn der Reise schon auf 180 bis 200 µg/m³ Ozon, und die jeweils hohe Sonneneinstrahlung auf dem Weg in Richtung Berlin läßt in der zweiten Phase der Kampagne eine deutlich gestiegene Vorbelastung in dieser Größenordnung erwarten.

Dies deckt sich mit dem Verlauf der Ozon- und NO2-Konzentration auf dem Funkturm Frohnau, dokumentiert in der Karte 03.06.7. Insbesondere während der letzten beiden Meßtage sind am Turm, dessen Meßreihe, weil zu der Zeit luvseitig Berlins gelegen, eher den überregionalen Immissionseinfluß wiedergab, ein um 40 µg/m³ höheres Ozonniveau und sogar höhere Stickoxidwerte zu beobachten.

Ergebnisse der Flugzeugmessungen

Im Laufe der vom 23. bis zum 27.7. andauernden Meßkampagne wurde im Durchschnitt von beiden Flugzeugen je ein Flug am Vormittag und Nachmittag durchgeführt.

Die horizontale Verteilung der Minutenmittelwerte der Ozonkonzentration auf dem Flugweg in etwa 500 m Höhe ist beispielhaft in Karte 03.06.5 (Räumliche Verteilung der Ozonkonzentration) für den 25.7. nachmittags dargestellt.

Der Durchmesser der Kreise ist ein Maßstab für die gemessene Konzentration in ppb (entspricht etwas weniger als 2 µg/m³) interpoliert zwischen dem jeweils kleinsten und größten registrierten Meßwert. Karte 03.06.6 (Räumliche Verteilung der NO2-Konzentration) enthält das gleiche Bild für die Stickstoffdioxidwerte.

Im Lee der Hauptwindrichtung ist eine deutliche Erhöhung der Ozonkonzentration zu erkennen. Dieser Bereich liegt am 25.7. (und an den Tagen zuvor) nordöstlich der Stadt, während am 27.7. wegen der Winddrehung auf NW-N die südlich Berlins liegenden Gebiete vom Ozonzuwachs betroffen waren. Dies ist die Erklärung für den starken Anstieg der Ozonwerte an der Station Müggelsee am 26. und 27.7., wie er in Karte 03.06.7 dargestellt ist. An diesen Tagen übersteigen dort die Maximalwerte das am Funkturm Frohnau gemessene luvseitige Niveau um über 50 µg/m³.

In beiden Karten mit der Darstellung der Flugmeßwerte korresponidert die Breite des sich ausbildenden Ozon- bzw. NO2-Maximums gut mit der räumlichen Ausdehung Berlins als Emissionsschwerpunkt der ozonbildenden Stoffe. Als Indikator dient insbesondere die gemessene NO2-Konzentration, die im Luv-Bereich nur zwei bis vier ppb betrug, während in der Luftschicht über der Stadt Konzentrationsspitzen über 20 ppb registriert wurden. Wie Karte 03.06.6 zeigt, ist auch in Lee der Stadt selbst im 30 bis 40 km Entfernung noch eine merkliche Erhöhung des NO2-Niveaus feststellbar.

Im Gegensatz zu quellnahen Bereichen, wo Maxima der Stickoxidkonzentration wegen ihrer zunächst ozonabbauenden Wirkung mit Ozonminima korrespondieren (vgl. Karte 03.06.3), zeigt der Verlauf der Ozon- und NO2-Konzentration in der Abluftfahne einen gleichzeitigen Anstieg beider Spezies. Die höchsten Ozonwerte traten demnach in Lee auf und sind im Vergleich zu den Luv-Werten meist mit höheren NO2-Konzentrationen verbunden. Dies trifft auch auf die meisten gemessenen Kohlenwasserstoffverbindungen zu und weist auf ein deutlich erhöhtes Ozon-Bildungspotential in Lee hin.

Eine Gegenüberstellung des bei allen Nachmittagsflügen gemessenen Ozonniveaus in Luv und Lee zeigt Abbildung 9. Vom 23. bis zum 25.7. nimmt der Lee-Effekt aufgrund der Zunahme der Mischungsschicht und der höheren Windgeschwindigkeit am 24.7. ab. Er fällt deutlich geringer aus als an den beiden letzten Tagen, an denen eine Zunahme der Ozonkonzentration von bis zu 44 % des in Luv vorhandenen Pegels auftritt.

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Abb. 9: Ozonkonzentration während der Flugzeugmessungen in ca. 500 m Höhe vom 23. bis zum 27.7.1994, jeweils nachmittags

Tabelle 2 zeigt eine Zusammenstellung der im Berliner Stadtgebiet in Luf und Lee jeweils nachmittags gemessenen Bandbreite der Ozonkonzentration am Boden. Wie bei den nachmittags gemessenen Flugzeugdaten ist eine kontinuierliche Zunahme der luvseitigen Vorbelastung im Umland um etwa 20 µg/m³ pro Tag festzustellen. Sie überschritt am 26. und 27.7. den Informationswert der EG-Richtlinie von 180 µg/m³. Innerhalb der städtischen Wohngebiete in Berlin herrschte aufgrund der Ozonzerstörung durch frisch emittierte Stickoxide ein geringfügig niedrigeres Niveau.

Der prozentuale Zuwachs der Ozonbelastung in Lee bezogen auf das Luvniveau liegt vom 23. bis zum 25.7. in der gleichen Größenordnung wie der aus den Flugzeugmessungen berechnete und war am 25.7. am geringsten. Er nahm an den Folgetagen, 26. und 27.7., deutlich zu.

Karten 03.06.8 und 03.06.9: Ergebnisse der photochemischen Simulationsrechnungen

In Karte 03.06.8 (Berechnete bodennahe Ozon-Konzentration) ist beispielhaft für den 25.7.1994, 16.00 Uhr MEZ, das Ergebnis einer Simulation der Ozonverteilung in Berlin und großen Teilen Brandenburgs mit dem photochemischen Ausbreitungsmodell REGOZON (vgl. Mieth u. Unger 1993) dargestellt. Unter Verwendung aller verfügbaren meteorologischen Daten und Informationen über die Emissionen möglichst vieler relevanter Schadstoffe, die aus den Emissionskatastern Berlins und Brandenburgs gewonnen wurden, wird versucht, die komplizierten chemischen und meteorologischen Prozesse rechnerisch nachzuvollziehen. Dies hat den Vorteil, daß im Modell bei exakt gleichen sonstigen Randbedingungen mehrere Emissionsszenarien durchgespielt und damit ihre Wirksamkeit im Hinblick auf die Ozonminderung getestet werden können - vorausgesetzt, daß die Simulation die Wirklichkeit ausreichend genau wiedergibt.

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Tab. 2: Niveau der gemessenen Ozonkonzentration in Bodennähe vom 23. bis zum 27.7.1994 angegeben in µg/m³

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

Wie die Karte 03.06.8 zeigt, werden die höchsten Ozonwerte am Nachmittag im Land Brandenburg nordwestlich von Berlin berechnet. Innerhalb Berlins sind lediglich die nordwestlichen Bezirke Spandau, Heiligensee und Frohnau von erhöhten Ozonkonzentrationen betroffen. Gebiete hoher Emissionen (insbesondere der Innenstadtbereich) zeigen dagegen signifikant geringere Ozonwerte während der gesamten Simulation. Insgesamt kann auch für den 25.7. ein sichtliches Ozonbildungspotential, verursacht durch die Emissionen im Untersuchungsgebiet, festgestellt werden. Die berechneten Hintergrundkonzentrationen liegen bei 160 bis 180 µg/m³. Die Lage der berechneten Ozonfahne sowie die berechneten Werte in der Fahne am Nachmittag stimmen gut mit den Beobachtungen überein, die Breite der Fahne wird dabei leicht unterschätzt (vgl. Karte 03.06.5 mit 03.06.8).

Szenarien

Die Emissionsreduzierung für diese Szenarienrechnung orientiert sich an Maßnahmen und prognostizierten Wirkungen, die nach den derzeitigen Planungen als akute Maßnahmen im Rahmen einer Sommersmog-Verordnung getroffen werden können.

Die Reduktionen, die dadurch unterschiedlich für die einzelnen Verursachergruppen erzielt werden können, sind Tabelle 3 zu entnehmen.

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Tab. 3: Emissions-Reduktionen für einzelne Verursachergruppen in Prozent

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

Die Wirkung der Reduktion der Emissionen um die o.g. etwa 30 % als Differenz der berechneten Konzentrationen zwischen Szenario- und Realfall zeigt Karte 03.06.9 (Differenz der OX-Konzentration OX = O3 + NO2). Das Resultat ist eine deutliche Abnahme der Ozonbelastung in der Abluftfahne des Ballungsraumes um bis zu 15 µg/m³, bzw. um etwa sieben Prozent. Im Berliner Innenstadtbereich steigt die Ozonkonzentration jedoch geringfügig über den Pegel der Hintergrundbelastung an. Da die Innenstadt durch die hohe NO-Emission des Kraftverkehrs belastet ist, die mit dem herangeführten Ozon zunächst zu NO2 reagiert, sinkt im Referenzlauf die Ozonkonzentration relativ zur Hintergrundbelastung ab, die Summe der Oxidantien OX (OX = O3 + NO2) steigt jedoch in der Regel an. Zur Beurteilung der Wirkung der Maßnahmen, wird in Karte 03.06.9 die Differenz der OX-Konzentration zwischen Referenzlauf und Szenario dargestellt. Sie läßt auch in der besonders emissionsbelasteten Berliner Innenstadt eine Verbesserung der Luftbelastung durch die Verringerung der Oxidantienbelastung erkennen.

Die gleiche Simulation der Verhältnisse am letzten Tag der Kampagne (27.7.94) ergibt eine etwas stärkere Minderung der Ozonmaxima um zehn Prozent im Leebereich der Stadt. Berechnet man die Größe der Fläche mit Konzentrationen über 180 µg/m³ Ozon für Referenz- und Szenariofall, so ergibt sich am 25.7. ein respektabler Rückgang um 60 %. Wegen der hohen Vorbelastung von nahezu 180 µg/m³ am 27.7. (vgl. Abb. 9 und Tab. 2), auf die die Maßnahmen in der Region keinen Einfluß haben können, ist die Abnahme der Fläche mit Ozonwerten über 180 µg/m³ nur marginal.

Maßnahmen zum Schutz der stratosphärischen Ozonschicht und zur Verminderung der bodennahen Ozonbelastung

Hohe Konzentrationen in Bodennähe sind in Mitteleuropa ein großräumiges Problem. Aus den Messungen und Simulationen im Rahmen des FluMOB-Projektes und aus ähnlichen Aktivitäten anderer Bundesländer (vgl. LAI 1996) sind in Lee großer Ballungsgebiete an wenigen Tagen im Jahr hohe Ozonspitzenwerte nachweisbar, die um 15 bis 40 % über der weiträumigen Ozonbelastung liegen. Diese regionale Zusatzproduktion kann durch temporäre regionale Maßnahmen bei einem Ozonalarm vermindert werden, wenn die Absenkung der Emissionen der Ozonvorläuferstoffe (Stickoxide und Kohlenwasserstoffe) mindestens 20 % erreicht. Allerdings muß das Maßnahmengebiet einen großen Ballungsraum, bei regionalen Transporten zwischen benachbarten Ballungsräumen sämtliche Räume, einschließen. Insofern ist der im Ozongesetz (§ 40a BImSchG) verwirklichte Ansatz sinnvoll, Ozonalarm meist in einem größeren Gebiet auszurufen. Eine Ozonminderung, die Überschreitungen der EU-weit gültigen Schwellenwerte vermeiden soll, erfordert allerdings eine Kombination von großräumigen und regionalen Maßnahmen, die dauerhaft mindestens eine Drittelung der Emission der Vorläuferstoffe beinhalten. Dies erfordert eine abgestimmte Konezption auf nationaler und europäischer Ebene.

Um die Abnahme der Ozonschicht in der Stratosphäre global zu verhindern oder zu beschränken, muß eine schnellstmögliche Reduktion der FCKW-Emissionen und die Verminderung von Flugverkehr in der Stratosphäre angestrebt werden. Ein erster Versuch im Rahmen der Montrealer Konferenz von 1987 erwies sich aufgrund der zu langen Ausstiegsfristen und der vielfältigen Ausnahmeregelungen als untauglich. Auf den Nachfolgekonferenzen 1990 und 1992 in London und Kopenhagen konnte für die meisten FCKW-Verbindungen immerhin ein Produktionsausstieg bis zur Jahrtausendwende vereinbart werden. Im europäischen Rahmen ist dies bereits geschehen. Ausnahmen bestehen bis zum Jahr 2015 für teilhalogenierte Stoffe, die ein vermindertes Ozonzerstörungspotential besitzen. Entscheidend für eine weltweite Reduzierung der Chlor- und Bromemissionen wird sein, den Entwicklungs- und Schwellenländern für die baldige Einstellung ihrer nicht unerheblichen Produktionskapazitäten für FCKW und Halone finanzielle Hilfe und Unterstützung bei der Herstellung von Ersatzstoffen zu gewähren.

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