Luft und Stadtklima

Ozon

Ozon ist ein Spurengas, das mit starken zeitlichen und räumlichen Schwankungen in niedrigen Konzentrationen in der Atmosphäre enthalten ist. Konzentrationsspitzen ergeben sich in der unteren Troposphäre (erdnah) und der mittleren Stratosphäre, wobei sowohl die Menge des Ozons als auch seine Funktion innerhalb der Atmosphäre sehr unterschiedlich sind:

Ozon in der Stratosphäre

Das in der Stratosphäre enthaltene Ozon bildet aufgrund der Absorption der UV-Strahlung eine Art Schutzschild für das Leben auf der Erde. Dieses Ozon stellt etwa 90 Prozent des gesamten vorhandenen Ozons dar; das Maximum der Ozonkonzentration liegt in etwa 20 bis 25 Kilometer Höhe. Es entsteht in erster Linie durch Einwirkung energiereicher UV-Strahlung aus Sauerstoff. Aufgrund der Wirkungen verschiedener, künstlich in die Atmosphäre gebrachter Luftschadstoffe nimmt die stratosphärische Ozonkonzentration insbesondere über der Antarktis zum Teil drastisch ab (Ozonloch).

Ozon in der Troposphäre (erdnah)

Die Troposphäre enthält weniger Ozon; es wird zu hohen Anteilen aus anthropogenen Quellen gebildet. Aufgrund seiner toxischen Wirkungen auf Menschen, Tiere und Pflanzen sollte ein bestimmter Ozongehalt in der unteren Troposphäre nicht überschritten werden. Es entsteht aufgrund komplexer photochemischer Prozesse vorwiegend aus Stickstoffoxiden und Kohlenwasserstoffen unter Lichteinwirkung. Dieses troposphärische Ozon ist Voraussetzung für viele luftchemische Prozesse in der Atmosphäre.

Ein gesicherter Zusammenhang zwischen der Ozonabnahme in der Stratosphäre und einer Ozonzunahme in der Troposphäre ist derzeit, unter anderem wegen der Vielzahl und der Unterschiedlichkeit der Entstehungs- und Zerstörungsprozesse von Ozon, nicht bekannt.

Die aktuellen Ozonwerte sind beim Bayerischen Landesamt für Umweltschutz abrufbar:

• Aktuelle Werte von Luftschadstoffen
• Aktueller Ozonbericht (April bis September)

Richtwerte zur Beurteilung der Ozonbelastung

In der Bundesrepublik Deutschland gibt es derzeit keine amtlichen Grenzwerte für Ozon, da Ozon ein Sekundärschadstoff ist, der nicht direkt emittiert wird und somit Emissionsgrenzwerte nicht sinnvoll sind beziehungsweise die Einhaltung von Immissionsgrenzwerten durch Emissionsbegrenzungen nicht möglich wäre.
Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) setzte zum Schutz der menschlichen Gesundheit einen Leitlinienwert von 150-200 μg/m³ (Mikogramm pro Kubikmeter; Mittelwert über 1 Stunde) beziehungsweise 100-120 μg/m³ für den 8-Stunden Mittelwert fest.

• Grenzwerte zur Luftqualität

Bildungsmechanismen des troposphärischen Ozons

Die wesentlichen Quellen des troposphärischen, das heisst in der bodennahen Atmosphäre befindlichen Ozons sind:

• Mischungsprozesse von stratosphärischem Ozon
• photochemische Reaktionen in der Troposphäre aus natürlichen Vorläufersubstanzen
• photochemische Prozesse in der Troposphäre aufgrund anthropogen erzeugter Vorläufersubstanzen
• sonstige Quellen, wie zum Beispiel atmosphärische Entladungen bei Gewittern oder anthropogene Prozesse (zum Beispiel Elektroschweißen oder elektrische Schaltvorgänge)

Als wesentliche Abbaumechanismen von Ozon in der Atmosphäre sind photochemische Prozesse sowie die Reaktionen an Oberflächen aufzuführen.
Die Bildung des anthropogenen Ozons in der Troposphäre erfolgt über komplexe photochemische Prozesse. Die wesentlichen Grundprozesse sind in den folgenden Gleichungen aufgeführt. In Bezug auf diese chemischen Reaktionen ist grundsätzlich darauf hinzuweisen, dass im Verlauf der Reaktionen Ozon sowohl gebildet (Gleichung 2) als auch zerstört (Gleichung 3) werden kann. Ozon unterscheidet sich damit grundsätzlich von den "klassischen" Luftschadstoffen, bei denen Emissionsbegrenzungen in der Regel mit mehr oder weniger hohen Immissionsreduzierungen verbunden sind. Da Ozon nicht direkt emittiert wird, bezeichnet man es als Sekundärschadstoff.

Gleichungen

(1)	NO2 + hv(280-430nm)	=>	NO + O(³P)
(2)	O(P) + O2 (+M)	=>	O3 (+M)
(3)	O3 + NO	=>	NO2 + O2
(M an der Reaktion beteiligter Stoßparameter)

Die Bildung des troposphärischen Ozons (O₃) erfolgt durch die photochemische Zersetzung von Stickstoffdioxid (NO₂) unter der Einwirkung energiereicher Sonneneinstrahlung (Gleichung 1) und der nachfolgenden Reaktion des atomaren Sauerstoffs mit einem Sauerstoffmolekül zu O₃ (Gleichung 2). In Abwesenheit weiterer Reaktanten in der Atmosphäre wird das gebildete Ozon durch die Rückreaktion (Gleichung 3) mit Stickstoffmonoxid (NO) weitgehend wieder abgebaut. Ohne weitere Reaktionspartner würde sich in dieser Reaktionskette ein "photostationäres Gleichgewicht" einstellen. Nachdem aber die Außenluft, insbesondere im Bereich von Ballungsgebieten aus einem Gemisch von reaktionsfähigen Bestandteilen besteht, kommt es zu einer Vielzahl weiterer chemischer Reaktionen.

Von entscheidender Bedeutung ist die schnelle Oxidation des in dieser Reaktionskette gebildeten NO zu NO₂, das dann für die erneute Ozonbildung zur Verfügung steht. Diese Oxidation wird im wesentlichen durch Peroxiradikale bewerkstelligt, die auf diese Weise eine zentrale Rolle spielen. Gebildet werden sie durch die Reaktion flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) mit OH-Radikalen nach Anlagerung von Luftsauerstoff. Daraus kann sich wiederum O₃ bilden, das NO aufoxidieren kann u.s.w. Der Prozess kommt zum Erliegen, wenn die Intensität der Sonneneinstrahlung zum Abend hin geringer wird. In den Ballungsgebieten wird dann das Ozon durch das aus dem Kfz-Verkehr emittierte NO weitgehend abgebaut.

Der rasche Reaktionsverlauf bei der Oxidation des von den Kfz emittierten NO zu NO₂ hat auch zur Folge, dass dieser Prozess vorwiegend in Emittentennähe, das heisst vor allem im Nahbereich verkehrsbelasteter Straßen abläuft und damit das emittierte NO kaum großräumigen Transportprozessen unterliegt.
Bei Wetterlagen mit hoher und intensiver Sonneneinstrahlung ergibt sich also tagsüber eine Produktion von Ozon. Abends und nachts wird Ozon bei hohen NO-Konzentrationen weitgehend abgebaut.

Aufgrund der Abbaureaktion von Ozon folgt, dass einseitige und kurzfristige Minderungsstrategien, zum Beispiel Reduktion der Stickstoffoxidemissionen bei gleichbleibenden Kohlenwasserstoffkonzentrationen auch zur Erhöhung der Ozonspitzenwerte führen können.

Modellrechnungen zeigen, dass die Produktionsrate des Ozons von den Gesamtemissionen der Vorläufersubstanzen und vor allem auch von deren Mischungsverhältnis abhängt. Über das für die Ozonproduktion "optimale" Mischungsverhältnis liegen derzeit keine eindeutigen Aussagen vor. Der Einfluss der Vorläufersubstanzen auf die Ozonkonzentration ergibt sich also im Bereich des "Schadstoffgemisches" von Ballungsräumen als komplexe Funktion vieler Parameter (zum Beispiel NO/NO₂-Verhältnis, Verhältnis NOX/VOC, meteorologische Parameter, Konzentration der Vorläufersubstanzen), die starken räumlichen und zeitlichen Schwankungen unterliegen.
Bei der Vielfalt der miteinander reagierenden Stoffe entstehen noch eine Reihe weiterer Photooxidantien. Das gesamte Gemisch hat oxidierende Eigenschaften, was den "Sommersmog" wesentlich vom "Wintersmog" unterscheidet.

Die räumliche Verteilung des Ozons wird neben den Prozessen in der bodennahen Mischungsschicht wesentlich von großräumigen Transportprozessen aufgrund der vorherrschenden Luftströmung sowohl der Vorläufersubstanzen als auch des gebildeten Ozons sowie der atmosphärischen Schichtung bestimmt. So konnte zum Beispiel festgestellt werden, dass über der bodennahen Mischungsschicht, in der sich primär die Ozonabbauprozesse abspielen, die Ozonkonzentrationen einen weitgehend konstanten Verlauf bei teilweise höheren Konzentrationen als im bodennahen Bereich zeigen.

Erhöhte Ozonkonzentrationen treten in Mitteleuropa allgemein großräumig im Verlauf sommerlicher Hochdruckwetterlagen auf. Mehr oder weniger starke lokale Beiträge überlagern diese erhöhte Grundbelastung. Anhand von Vertikalprofilen der Ozonkonzentrationen kann gezeigt werden, dass die höchsten Ozonbelastungen in der Regel nicht an den Bodenmessstationen, sondern in höheren Luftschichten auftreten.


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