Ozon-Belastung

Die Höhe der Ozon-Spitzenkonzentrationen und die Häufigkeit sehr hoher Ozonwerte haben seit 1990 deutlich abgenommen. Der Zielwert für 2010 für den Schutz der menschlichen Gesundheit wird jedoch weiterhin überschritten. Im Unterschied zu der Entwicklung der Spitzenwerte nahmen die Ozon-Jahresmittelwerte im gleichen Zeitraum zu.

Herkunft bodennahen Ozons

Ozon (O3) bildet sich in den unteren Luftschichten der Atmosphäre bis in etwa zehn Kilometer Höhe bei intensiver Sonneneinstrahlung durch photochemische Reaktionen von Sauerstoff und Luftverunreinigungen. Vor allem flüchtige organische Verbindungen (VOC = volatile organic compounds) und Stickstoffoxide (NOx) sind an diesen Reaktionen beteiligt (siehe „Stickstoffoxid-Emissionen“ und „Emission flüchtiger organischer Verbindungen ohne Methan“). Diese Luftverunreinigungen werden überwiegend durch den Menschen verursacht. Hinzu kommt eine natürliche sogenannte Ozon-Hintergrundbelastung, die von hemisphärischem Transport und natürlichen Bildungsprozessen herrührt. Eine wichtige Quelle für die Emission der Ozon-Vorläufersubstanzen stellt der Kraftfahrzeug-Verkehr dar. Darüber hinaus werden besonders aus dem Kraftwerksbereich Stickstoffoxide und aus der Anwendung von Lacken und Lösungsmitteln flüchtige organische Verbindungen emittiert. Die Emissionen sind teilweise auch natürlichen Ursprungs.

Wolken am blauen Himmel
Ozon: farblos und giftig
Quelle: hfng/FOTOLIA.com

Sommersmog

Ozon (O3) ist aufgrund seiner hohen Konzentrationen in Schönwetterperioden Leitsubstanz des Sommersmogs. Der Sommersmog ist durch hohe Konzentrationen von sogenannten Photooxidantien wie Ozon, Peroxide, Aldehyde und organische Stickstoffverbindungen gekennzeichnet. Die Photooxidantien werden nicht direkt emittiert, sondern bilden sich erst in der Atmosphäre durch komplexe photochemische Reaktionen. Für das Auftreten von Sommersmog müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein: Anwesenheit der beiden Vorläuferstoffe Stickstoffoxide (NOx) und flüchtige organische Verbindungen ohne Methan (NMVOC), eine intensive Sonnenstrahlung und eine mehrere Tage andauernde stabile Schönwetterperiode, die zu einer Speicherung von Ozon innerhalb der atmosphärischen Mischungsschicht führt.

Gesundheitliche Wirkungen

Viele Menschen leiden an Tagen hoher Ozonkonzentration an Reizerscheinungen der Augen (Tränenreiz) und Schleimhäute (Husten) sowie − verursacht durch Begleitstoffe des Ozons − an Kopfschmerzen. Diese Reizungen sind von der körperlichen Aktivität weitgehend unabhängig. Ihr Ausmaß wird primär durch die Aufenthaltsdauer in der ozonbelasteten Luft bestimmt.

Die Empfindlichkeit der Menschen gegenüber Ozon ist sehr unterschiedlich ausgeprägt. Eine Risikogruppe lässt sich nicht genau eingrenzen. Man geht davon aus, dass etwa 10 bis 15 Prozent (%) der Bevölkerung (quer durch alle Bevölkerungsgruppen) besonders empfindlich auf Ozon reagieren.

Vor allem die Atemwege sind von der Ozonwirkung betroffen. Neben Reizungen der Schleimhäute in den oberen Atemwegen kann Ozon bei tiefer oder häufiger Einatmung (etwa bei körperlicher Aktivität) verstärkt bis in die tiefen Lungenabschnitte gelangen und dort durch seine hohe Reaktionsbereitschaft Gewebe schädigen und entzündliche Prozesse auslösen. Vor allem nach reger körperlicher Aktivität im Freien wurde bei Schulkindern und Erwachsenen eine verminderte Lungenfunktion nachgewiesen. Diese funktionellen Veränderungen und Beeinträchtigungen normalisierten sich im Allgemeinen spätestens 48 Stunden nach Expositionsende. Im Gegensatz zur Veränderung der Lungenfunktionswerte bildeten sich entzündliche Reaktionen des Lungengewebes nur teilweise zurück.

Die Reizwirkungen sind im Sinne einer Vorschädigung des Lungengewebes zu verstehen, durch die sowohl eine Sensibilisierung durch chemische oder biologische Allergene ermöglicht als auch die Auslösung von allergischen Symptomen begünstigt werden kann.

Todesfälle durch Ozonbelastung

Aktuelle Auswertungen europäischer und weltweiter Zeitreihenstudien im Auftrag der Weltgesundheitsorganisation WHO (REVIHAAP) ergaben einen Zusammenhang zwischen der Höhe der Ozonkonzentration und der täglichen Gesamt-Mortalität. Dabei versterben die Menschen vor allem an Erkrankungen der Atemwege oder des Herz-Kreislaufsystems, wobei die Ausprägungen der Erkrankungen sich durch die Ozonwirkung verstärken können. Dieser Effekt ist auch noch drei Tage nach erhöhter Ozonbelastung festzustellen und äußert sich in einer anhaltend höheren Sterberate nach den Tagen mit hoher Ozonkonzentration.

Es liegen Hinweise aus tierexperimentellen Studien vor, dass eine Ozoneinwirkung Veränderungen (zum Beispiel Mutationen) in den Zellen des Atemtraktes auslösen kann. Diese können ihrerseits eine Krebsentstehung begünstigen. Die Datenlage ist jedoch nicht aussagekräftig genug, um eine abschließende Beurteilung bezüglich des krebserregenden Potenzials von Ozon treffen zu können.

Überschreitung von Schwellenwerten

Um gesundheitliche Risiken für die Bevölkerung bei kurzfristiger Exposition gegenüber erhöhten Ozonkonzentrationen auszuschließen, legt die 39. BImSchV Informations- und Alarmschwellenwerte fest (siehe Tab. „Zielwerte und Alarmschwellen für den Schadstoff Ozon“). Der Informationsschwellenwert von 180 Mikrogramm pro Kubikmeter (µg/m³), gemittelt über eine Stunde, dient dem Schutz der Gesundheit besonders empfindlicher Bevölkerungsgruppen. Der Alarmschwellenwert von 240 µg/m³, gemittelt über eine Stunde, bezeichnet die Schwelle, bei deren Überschreitung ein Risiko für die Gesundheit der Gesamtbevölkerung besteht.

Eine Betrachtung des Zeitraums seit 1990 zeigt, dass die Zahl der Tage mit Ozonwerten über 180 beziehungsweise 240 µg/m³ von Jahr zu Jahr schwankt (siehe Abb. „Zahl der Tage mit Überschreitungen von 180 µg/m³ und 240 µg/m³“), was auf die jährlich schwankenden meteorologischen sommerlichen Witterungsbedingungen zurückgeführt wird. Die Abbildung „Überschreitungsstunden der Informationsschwelle und der Alarmschwelle für bodennahes Ozon“ zeigt die Zahl der Stunden mit Überschreitungen von 180 µg/m³ oder 240 µg/m³ relativ zum Jahr 1990 und zur Zahl der jeweils betriebenen Messstationen.

Verglichen mit dem Jahr 1990 sind die Emissionen der Ozonvorläuferstoffe (Stickstoffoxide und flüchtige organische Verbindungen ohne Methan) in Deutschland bis 2013 um 56 Prozent (%) beziehungsweise 66 % zurückgegangen. Der geringere Ausstoß von Ozonvorläufersubstanzen führte bereits in den 1990er Jahren zu einer Abnahme der Ozonspitzenwerte (siehe „Stickstoffoxid-Emissionen“ und „Emission flüchtiger organischer Verbindungen ohne Methan“). Im Sommer 2003 wurde eine außergewöhnlich lang anhaltende Wettersituation beobachtet, welche die Ozonbildung begünstigte. Der Ozonsommer 2003 ist daher hinsichtlich der Spitzenwerte ein Sonderfall.

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Zielwerte und langfristige Ziele für Ozon

Seit 2010 gibt es zum Schutz der menschlichen Gesundheit für Ozon einen europaweit einheitlichen Zielwert: 120 Mikrogramm pro Kubikmeter (µg/m³) als 8-Stunden-Mittel sollen nicht öfter als 25-mal pro Kalenderjahr, gemittelt über drei Jahre, überschritten werden. Um die meteorologische Variabilität der einzelnen Jahre bei einer langfristigen Betrachtung zu berücksichtigen, wird über einen Zeitraum von drei Jahren gemittelt. Die höchste Zahl an Überschreitungstagen wird an ländlichen und vorstädtischen Hintergrundstationen registriert, also entfernt von den Quellen der Vorläuferstoffe (siehe Abb. „Zahl der Tage mit Überschreitung des Ozon-Zielwertes zum Schutz der menschlichen Gesundheit“). Das liegt daran, dass Stickstoffmonoxid (NO), das in Autoabgasen enthalten ist, mit Ozon reagiert. Dabei wird Ozon abgebaut, so dass die Ozonbelastung in Innenstädten deutlich niedriger ist. Andererseits werden die Ozonvorläuferstoffe mit dem Wind aus den Städten heraus transportiert und tragen entfernt von deren eigentlichen Quellen zur Ozonbildung bei.

Langfristig soll der 8-Stunden-Mittelwert von 120 µg/m³ während eines Kalenderjahres nicht mehr überschritten werden.

Die Grafik zeigt die Zahl der Tage mit Überschreitung des Ozon-Zielwertes von 120 µg/m³ Luft. Dieser Wert wird nicht nur in ländlichen Gebieten überschritten, sondern vereinzelt auch am Rand von Ballungsräumen und im städtischen Hintergrund.
Zahl der Tage mit Überschreitung des Ozon-Zielwertes (120 µg/m³)
Quelle: Umweltbundesamt Diagramm als PDF

Entwicklung der Jahresmittelwerte

Jahresmittelwerte der Ozonkonzentrationen spielen bei der Bewertung der Belastung durch Sommersmog eine nachgeordnete Rolle. Dennoch können sie zur Beurteilung der Immissionssituation verwendet werden. Eine größere Bedeutung erhalten die Jahresmittelwerte bei der Diskussion der langfristigen Entwicklung der Ozonbelastung, sofern historische Werte herangezogen werden.

Die Jahresmittelwerte der Ozonkonzentration von 1990 bis 2014 zeigen einen schwach zunehmenden Trend. Einerseits nahmen die Ozonspitzenwerte durch die Minderungsmaßnahmen für die NOx- und NMVOC-Emissionen in Deutschland deutlich ab, andererseits führte dies wegen der Verringerung des Titrationseffekts (Ozonabbau durch Stickstoffmonoxid), zu einem Anstieg der mittelhohen Ozonkonzentrationen, was schließlich bei den Jahresmittelwerten sichtbar wird (siehe Abb. “Trend der Ozonjahresmittelwerte“). Zudem wird von einer zunehmenden Bedeutung des interkontinentalen (hemisphärischen) Transports für die Ozonbelastung in Deutschland und Europa aufgrund der industriellen Emissionen in Asien und Nordamerika ausgegangen.

An den Messstellen, die das Umweltbundesamt im ländlichen Hintergrund betreibt, wurde im Zeitraum 1980 bis 2014 ein Anstieg der Jahresmittelwerte der Ozonkonzentration registriert (siehe Karte „Ozon-Jahresmittel 1979 bis 2014“).

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 Ozon  Sommersmog  Luftqualität  Luftbelastung  Luftschadstoffe
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