Luft: Immissionskataster

Ozon

Stoffeigenschaften

Das Ozonmolekül besteht nicht wie der Luftsauerstoff aus zwei, sondern aus drei Sauerstoffatomen. Ozon (O3) ist bei Normalbedingungen ein blaues, schlecht wasserlösliches Gas. Sein Name leitet sich aus dem griechischen Begriff für "das Riechende" ab. Ozon wird vom Geruchssinn bereits in sehr hoher Verdünnung wahrgenommen: Die Grenze der Wahrnehmung liegt bei 40 - 50 µg/m3. Die Geruchsempfindung lässt aber rasch nach und ist infolge Gewöhnung nach einigen Minuten nicht mehr vorhanden; bei höheren Konzentrationen kann die Wahrnehmung jedoch länger andauern.

Da Ozon sehr leicht ein Sauerstoffatom abgibt, reagiert es mit allen oxidierbaren Stoffen, insbesondere auch organischen Materialien; es ist neben Fluor das stärkste bekannte Oxidationsmittel. Aufgrund dieser Eigenschaft wird Ozon u. a. zur Trinkwasserentkeimung, Lebensmittelkonservierung und als Bleichmittel eingesetzt.

Ozon ist ein toxisches Reizgas, das beim Menschen primär die Lunge schädigt. Aufgrund seiner geringen Wasserlöslichkeit dringt es beim Einatmen tief in die Lunge ein und ruft dort durch seine hohe Reaktionsfähigkeit Schädigungen der Oberfläche hervor; dabei lässt sich eine Einschränkung der Lungenfunktion feststellen. Daneben bewirken höhere Ozonkonzentrationen (ab 200 µg/m3) subjektive Befindlichkeitsstörungen wie Augentränen, Kopfschmerzen, Konzentrationsschwäche und Reizung der Atemwege; bei hohen Ozonwerten (ab 240 µg/m3) kann sogar die physische Leistungsfähigkeit abnehmen. Schätzungsweise 10 -15 % der Bevölkerung reagieren besonders empfindlich auf Ozon. Das Ausmaß der gesundheitlichen Folgeerscheinungen hängt von Höhe und Dauer der Ozonexposition sowie vom Grad der körperlichen Belastung ab.

Für Pflanzen ist Ozon ebenfalls giftig; erste Schadsymptome können bereits ab Ozongehalten von 80 µg/m3 auftreten. Aufgrund seiner oxidativen Wirkung greift Ozon die Zellstruktur des Pflanzengewebes an. Die erhöhten Ozonkonzentrationen gelten als Mitverursacher des Waldsterbens. Außerdem wird das Wachstum vieler Nutzpflanzen verringert, was Ertragseinbußen im landwirtschaftlichen Bereich zur Folge hat. Einige Pflanzenarten (z. B. Tabak) reagieren besonders empfindlich auf Ozon und können daher als Bioindikatoren für Ozon dienen.

Neben der Gesundheitsbeeinträchtigung von Menschen, Tieren und Pflanzen besitzt Ozon noch eine weitere Schadwirkung: In der Troposphäre (0 - 10 km Höhe), in der eine Zunahme der Ozonkonzentration im Verlauf der letzten Jahrzehnte erkennbar ist, trägt es als Treibhausgas zur Klimaänderung bei.

Ozon wird an Oberflächen abgebaut, so dass z. B. der Boden und der Pflanzenbewuchs eine Ozonsenke bilden. In der freien Troposphäre ist Ozon aber ein recht stabiles Gas, soweit die Stickstoffmonoxid-Konzentration verschwindend gering ist (siehe auch „Entstehung“).

Entstehung

In der oberen Atmosphäre (Stratosphäre, 10 - 50 km Höhe) stellt Ozon einen natürlichen Bestandteil dar. Im Höhenbereich von 20 - 30 km befindet sich die sog. Ozonschicht, die einen lebensnotwendigen Schutzschild für das Leben auf der Erde gegen energiereiche UV-Strahlung bildet. Die Ausdünnung dieser Ozonschicht wird mit dem Schlagwort "Ozonloch" bezeichnet.

In der unteren Atmosphäre wirkt Ozon hingegen als Schadgas. Ein Teil des Ozons (etwa 50 - 90 µg/m3) ist auch hier natürlichen Ursprungs: Durch atmosphärische Zirkulation kann Ozon aus der Stratosphäre bis in niedere Luftschichten vordringen; außerdem entsteht es in gewissem Maße aus natürlich vorhandenen Vorläuferstoffen. Daneben wird aber die Ozonbildung in der bodennahen Luftschicht durch die umfangreiche anthropogene Emission von Vorläufersubstanzen erheblich verstärkt. Deshalb kann es im Sommer zu Episoden mit stark erhöhter Ozonkonzentration (Sommersmog) kommen.

Allgemein gilt, dass Ozon nicht primär emittiert wird, sondern unter dem Einfluss intensiver Sonnenstrahlung aus Stickstoffoxiden und Kohlenwasserstoffen gebildet wird. Die Stickstoffoxid-Emissionen gehen zu mehr als 50 % auf den Kfz-Verkehr und daneben auf Industrie, Gebäudeheizung und auch auf biogene Quellen (Böden) zurück; Kohlenwasserstoffe werden von allen Emittentengruppen, insbesondere vom Verkehr freigesetzt; hinzu kommt noch ein hoher Emissionsanteil aus natürlichen Quellen (Wäldern). Im Folgenden ist die eigentliche Bildungsreaktion von Ozon wiedergegeben:

NO2 + h (Licht) NO + O
O + O2 O3

Stickstoffdioxid wird durch energiereiche Strahlung in Stickstoffmonoxid und atomaren Sauerstoff gespalten, der mit dem Luftsauerstoff zu Ozon reagiert. Das entstandene NO kann zu NO2 zurückoxidiert werden, das dann der Ozonbildung erneut zur Verfügung steht; dieser Vorgang wird durch vorhandene Kohlenwasserstoffe erheblich beschleunigt.

Die bei Verbrennungsprozessen gebildeten Stickstoffoxide liegen zunächst überwiegend als Stickstoffmonoxid vor. NO reagiert sehr rasch mit Ozon, so dass Ozon in Anwesenheit von NO schnell abgebaut wird:

O3 + NO NO2 + O2

Die Ozonkonzentration in der Atmosphäre ergibt sich aus einem dynamischen Gleichgewicht zwischen ozonbildenden und ozonabbauenden Reaktionen, bei dem auch die meteorologischen Bedingungen eine wichtige Rolle spielen. Insgesamt handelt es sich um einen Komplex an photochemischen Reaktionen, von denen hier nur die wichtigsten kurz dargestellt wurden.

Das Ausmaß der Ozonbildung ist abhängig von den Konzentrationen der Vorläuferstoffe und außerdem von der Intensität der Sonneneinstrahlung. Diese Tatsache erklärt sowohl den ausgeprägten Jahresgang der Ozonwerte mit einem Maximum im Sommerhalbjahr als auch den auftretenden Tagesgang mit einem Maximum am Nachmittag, das in der nachfolgenden Abbildung deutlich sichtbar ist.



Abb. 1: Mittlerer Tagesgang Ozon 2008 – 2012 (1. April bis 30. September)


Die oberen Kurven geben die Ozonkonzentration-Tagesverläufe an drei Waldstationen wieder, die unteren die an drei Stadtstationen. Der augenfällige Unterschied zwischen den Kurven geht auf die ungleichen NO-Konzentrationsverhältnisse in Stadt und Wald zurück, denn Stickstoffmonoxid baut Ozon rasch ab (die NO-Konzentration ist im städtischen Bereich vielfach höher als im Wald). Daher nehmen in Städten die Ozongehalte nachts sehr stark ab, wohingegen im Wald die Ozonwerte nachts nur wenig absinken. Das höhere NO-Konzentrationsniveau in Städten ist generell dafür verantwortlich, dass hier häufig die niedrigeren Ozonwerte beobachtet werden, obwohl gerade hier die Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe schwerpunktmäßig emittiert werden.

Zwischen der Lufttemperatur und der Ozonkonzentration besteht ein Zusammenhang. Dieser kann dazu genutzt werden, um eine Vorhersage für die am nächsten Tag zu erwartenden Ozonwerte zu treffen. Hierfür verwendet das Hessische Landesamt für Umwelt und Geologie ein auf der Korrelation zwischen der maximalen Ozonkonzentration und der Maximaltemperatur beruhendes Prognosemodell. Auf diese Weise kann aus den aktuellen Ozondaten und der vom Deutschen Wetterdienst für den nächsten Tag vorhergesagten Maximaltemperatur die maximale Ozonkonzentration für den folgenden Tag prognostiziert werden.

Immission: Kartenbeschreibung

Die Jahresmittelwertkarte zeigt die hessische Ozon-Immissionssituation für das Jahr 2012 auf Basis der Messwerte der hessischen Luftmessstationen. Ozon wird an allen Stationen außer den Verkehrsstationen erfasst. Mit Hilfe des Computerprogramms FLADIS ist es möglich, punktuell gemessene Konzentrationswerte flächenhaft in Form von Karten darzustellen.

Die gemessenen Jahresmittelwerte der Ozonkonzentrationen lagen 2012 zwischen 34 und 75 µg/m3. Die genauen Angaben zu den Werten an den einzelnen Stationen können dem jährlichen lufthygienischen Jahresbericht Teil I entnommen werden (www.hlug.de). Die höchsten Jahresmittelwerte traten an den Stationen im ländlichen Raum auf, die niedrigsten in städtischen Gebieten. Dabei fallen die mittleren Ozongehalte an emittentenfernen Standorten etwa doppelt so hoch wie an Stadtstationen in dicht besiedelten Regionen aus.

Auf der Karte ist gut zu erkennen, dass bei diesem Luftschadstoff nicht die Ballungsgebiete, sondern die Reinluftgebiete am meisten belastet sind. Die Mittelgebirge wie Odenwald, Taunus, Spessart, Rhön, Vogelsberg, Knüll, Kaufunger Wald oder Reinhardswald treten optisch deutlich hervor. Die höheren Ozonwerte in Waldgebieten und ländlichen Gegenden sind auf die hier vorliegenden geringeren Konzentrationen an ozonzerstörenden Reaktionspartnern (wie Stickstoffmonoxid oder Staub) zurückzuführen. Für die hohen Ozongehalte in den Waldregionen ist ein weiterer Faktor verantwortlich: Die Waldstationen liegen in mehreren 100 m Höhe, was eine stärkere Strahlungsintensität und damit erhöhte Ozonbildungsraten zur Folge hat.

Ozonepisode im August 2003

Im Sommer 2003 kam es zu einer lang anhaltenden Hitzeperiode und damit einhergehend zu einer besonders stark ausgeprägten Ozonepisode, auf die hier (und auch im Abschnitt Bewertung) kurz eingegangen wird. Eine solch außergewöhnliche Wettersituation wurde seit 1990 erstmals im Jahr 2003 beobachtet. In der ersten August-Monatshälfte war die Witterung ausschließlich durch Hochdruckwetterlagen bestimmt und es wurden Temperaturen nahe 40 °C erreicht. An allen Luftmessstationen wurden in diesem Zeitraum Spitzenkonzentrationen über 200 µg/m3 registriert. In 71 Fällen traten Ozon-1-Stundenwerte über 240 µg/m3 auf. Diese Überschreitungsfälle verteilten sich auf sechs Augusttage und insgesamt 15 der hessischen Luftmessstationen.

In Abbildung 2 ist der Ozonkonzentrationsverlauf an der Messstation Nidda zu sehen; sie gehörte zu den Stationen, an denen während der Sommersmogphase relativ viele Ozonwerte über 240 µg/m3 festgestellt wurden. Aufgetragen sind die 1-Stundenwerte der ersten Augusthälfte. Neben dem charakteristischen Tagesgang der Ozonwerte lässt sich außerdem erkennen, dass die Ozon-Tagesspitzenwerte, die stark von meteorologischen Faktoren abhängig sind, von Tag zu Tag sehr unterschiedlich ausfallen können.


Abb. 2: 1-Stunden-Mittelwerte von Ozon im August 2003



Die hessenweite Ozonbelastung an einem der ozonreichsten Tage des Sommers 2003 zeigt die Immissionskarte vom 9. August 2003. Auf ihr sind die Tagesmittelwerte der Ozonkonzentration dargestellt; sie lagen im Bereich von 90 - 190 µg/m3. In der dazugehörenden Animation kann man sich den Verlauf der 1-Stundenwerte über 24 Stunden hinweg ansehen. Die Abfolge der Stundenmittelwert-Karten führt das starke Anwachsen der Ozonwerte im Tagesverlauf nochmals deutlich vor Augen; die maximalen Ozonkonzentrationen treten in den Nachmittagsstunden auf. An diesem Tag wurden mit 1-h-Stundenwerten von bis zu 299 µg Ozon/m3 die höchsten hessischen Werte während der Ozonepisode erreicht.

Zeitliche Entwicklung

Aus lange zurückliegenden Jahrzehnten gibt es nur wenige Messreihen zur bodennahen Ozonkonzentration. Die an einzelnen europäischen Hintergrundstationen gemessenen Jahresmittelwerte weisen darauf hin, dass die mittlere Ozonkonzentration seit Beginn des 20. Jahrhunderts fast auf etwa das Doppelte angestiegen ist (von ca. 20 - 40 µg/m3 auf heute 40 - 70 µg/m3).

Abbildung 3 zeigt die zeitliche Entwicklung der Ozonbelastung in Hessen seit 1986 auf der Basis von Jahresmittelwerten. Hierzu wurden die Werte von jeweils mehreren  Stationen in Waldgebieten bzw. Stadtstationen gemittelt.


Abb. 3: Ozonkonzentrationen an Stadt- und Waldstationen


Zu erkennen ist, dass die Ozon-Jahresmittelwerte bis Mitte der 90er Jahre angestiegen sind und sich dann stabilisiert haben. Die relative Zunahme der Ozonwerte war bei den städtischen Stationen deutlicher ausgeprägt. Das Konzentrationsniveau an den Waldstationen liegt im langjährigen Mittel deutlich höher als an den Stadtstationen.

Bewertung

Die 39. BImSchV enthält die folgenden Vorgaben:

  • Höchster 8-Stundenwert eines Tages (Zielwert Gesundheitsschutz):
    120 µg/m3 dürfen an höchstens 25 Tagen im Kalender­jahr überschritten werden, gemittelt über 3 Jahre

  • AOT40 (Zielwert Vegetationsschutz):
    18.000 µg/m3·h, gemittelt über 5 Jahre

  • 1-Stundenwert (Informationsschwelle): 180 µg/m3

  • 1-Stundenwert (Alarmschwelle): 240 µg/m3.
  • Die Kenngröße AOT40 (accumulated exposure over a threshold of 40 ppb) wird berechnet, indem man von allen 1-Stundenwerten zwischen 8 und 20 Uhr, die größer als 80 µg/m3 (40 ppb) sind, jeweils den Wert 80 µg/m3 abzieht und die Differenzen aufsummiert; in den AOT40-Wert für den Vegetationsschutz geht der Zeitraum Mai bis Juli ein.

    Bei einer Ozonkonzentration über der Informationsschwelle bzw. der Alarmschwelle besteht ein Gesundheitsrisiko für besonders empfindliche Bevölkerungsgruppen bzw. für die Gesamtbevölkerung. Bei Ozonwerten über 180 µg/m3 wird ozonempfindlichen Personen, bei Werten über 240 µg/m3 der Gesamtbevölkerung empfohlen, anstrengende Tätigkeiten im Freien zu vermeiden.

    - Zielwert Gesundheitsschutz -
    Die Vorgabe wurde im Messjahr 2012 nicht erfüllt, denn der maximale 8-Stundenwert pro Tag von 120 µg/m3 wurde an manchen Stationen öfter als 25-mal überschritten.

    - Zielwert Vegetationsschutz -
    Der AOT40-Zielwert wurde im Jahr 2012 ebenfalls nicht eingehalten: An 5 Stationen (hauptsächlich an den Stationen im ländlichen Raum) überschritt der AOT40-Wert den Zielwert von 18.000 µg/m3·h (maximaler Wert: 20.533  µg/m3·h).

    - Informationsschwelle -
    Wenn es im Sommer zu lang anhaltenden Schönwetterperioden ohne Luftmassenwechsel kommt, treten Episoden mit erhöhten Ozonkonzentrationen auf. Da die diesbezüglichen meteorologischen Verhältnisse in den einzelnen Jahren sehr ungleich ausfallen, variiert auch die Ozonspitzenbelastung von Jahr zu Jahr sehr. Deshalb soll hier bei der Überschreitungshäufigkeit von der Informations- bzw. Alarmschwelle ein größerer Zeitraum betrachtet werden.


    Abb. 4: Jahresstundenzahl mit Ozonkonzentration > 180 g/m3 an ausgewählten Stationen

    Abbildung 4 zeigt die Überschreitungshäufigkeit des Informationswerts exemplarisch an zwei Stadt- und zwei Waldstationen ab 1988. Dargestellt ist die jeweils pro Station aufgetretene Jahresstundenzahl mit Ozonwerten über 180 µg/m3. Die Grafik veranschaulicht die enormen Unterschiede zwischen besonders ozonreichen und eher ozonarmen Jahren. Bei Auswertung der Ergebnisse aller Ozon-Messstationen seit den 90er Jahren ergibt sich, dass der Informationswert in einigen Jahren an allen oder den meisten Stationen überschritten wurde. In den letzten Jahren war dies eher nicht der Fall – erst wieder im Jahr 2012.


    - Alarmschwelle -
    Tabelle 1 enthält die Überschreitungshäufigkeit des Alarmschwellenwerts von 240 µg/m3 an allen hessischen Ozon-Messstationen ab dem Jahr 1986. Angegeben ist die (über alle Stationen aufsummierte) Jahresstundenzahl sowie die Anzahl der Stationen mit Ozonwerten über 240 µg/m3; der Vollständigkeit halber ist auch die Gesamtzahl der Ozon-Messstationen mit aufgeführt.

    Tab. 1: Überschreitung der Ozonkonzentration von 240 µg/m3
                 (alle hessischen Stationen)


    Jahr

    Anzahl der
    Jahresstunden

    > 240 µg/m3

    Anzahl der Stationen
    > 240 µg/m3

    Gesamtzahl
    der Ozon-
    Messstationen

    1986
    0
    0
    16
    1987
    0
    0
    19
    1988
    0
    0
    24
    1989
    0
    0
    24

    1990

    3

    2

    24

    1991

    0

    0

    24

    1992

    81

    15

    33

    1993

    25

    7

    34

    1994

    70

    15

    34

    1995

    53

    15

    35

    1996

    1

    1

    37

    1997

    0

    0

    36

    1998
    25
    10
    28
    1999
    0
    0
    31
    2000
    1
    1
    33
    2001
    0
    0
    33
    2002
    13
    6
    33

    2003

    71
    15
    30
    2004
    1
    1
    27
    2005
    0
    0
    22
    2006
    2
    2
    23
    2007
    0
    0
    23
    2008 0 0 23
    2009 0 0 23
    2010 3 1 23
    2011 0 0 23
    2012 2 1 23

    Die Ergebnisse der Tabelle zeigen noch einmal die großen Differenzen zwischen den Jahren hinsichtlich der Ozonspitzenbelastung. Bei ca. der Hälfte der Jahre kam es zu keinen Überschreitungen des Alarmwerts. Hingegen wurde in besonders ozonreichen Jahren an einem Teil der Stationen für einige Stunden der Wert von 240 µg Ozon/m3 überschritten. Die hohe Ozonbelastung im Messjahr 2003 ist in der Tabelle gut zu erkennen, wobei aber anzumerken ist, dass sie Folge der ungewöhnlichen meteorologischen Bedingungen des Sommers 2003 war und dass es auch in der ersten Hälfte der 90er Jahre vergleichbare Ozonverhältnisse gegeben hat.

    Am Rande sei noch kurz das 1995 verabschiedete "Ozongesetz" (Gesetz zur Änderung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes vom 19. Juli 1995 (BGBl. I S. 930)), erwähnt, das in Deutschland bis 1999 galt und bei Ozonwerten über 240 µg/m3 Verkehrsverbote für nicht schadstoffarme Fahrzeuge vorsah. Während seiner Gültigkeit wurden nur einmal alle Kriterien zur Auslösung von Ozonalarm erfüllt: Am 12. August 1998 wurden in Hessen und einigen weiteren Bundesländern Fahrverbote für einen Teil der Kraftfahrzeuge verhängt.

    Abschließend lässt sich zur Ozonbelastung der Luft festhalten, dass die im Sommer auftretenden über den Schwellenwerten liegenden Konzentrationsspitzen lufthygienisch nicht als unbedenklich einzustufen sind, da sie schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Vegetation haben. Auch wenn der Ausstoß an Ozon-Vorläufersubstanzen in der Vergangenheit deutlich gesunken ist, sind zur Vermeidung gesundheitsgefährdender Ozonkonzentrationen weitere Reduktionsmaßnahmen notwendig. Die 39. BImSchV sieht entsprechende Grenz- und Zielwerte vor.

     

    © 2013 Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie