Quellenzuordnung der Ozonkonzentration in Deutschland

In Bodennähe auftretendes Ozon wird nicht direkt freigesetzt, sondern bei Sonneneinstrahlung durch komplexe photochemische Prozesse aus Vorläuferschadstoffen − überwiegend Stickstoffoxiden (NOx) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) − gebildet. Ozon wird deshalb als sekundärer Schadstoff bezeichnet. Mit einer Quellenzuordnung (englisch: source apportionment) für Ozon sollte nun mit Hilfe einer Chemie-Transport-Modellierung herausgefunden werden, inwiefern die Emissionen von Vorläuferstoffen innerhalb Deutschlands zur Ozonkonzentration beitragen und wie groß die Beiträge von Emissionen außerhalb Deutschlands sind. Dabei wurden die Vorläuferstoffe NOx und VOC über das sogenannte Tagging mit den entsprechenden Quellsektoren oder -regionen gekennzeichnet und auf die modellierten Ozonmoleküle übertragen. Die Modellergebnisse wurden für die menschliche Gesundheit hinsichtlich der mittleren Belastung (Peak-Season-Ozonwert, Mittelwert der täglich höchsten Achtstundenmittelwerte für den Zeitraum von April bis September) und in drei verschiedenen Konzentrationsbereichen untersucht.

Das Forschungsvorhaben wurde zwischen Oktober 2021 und Oktober 2025 vom Forschungsinstitut für Nachhaltigkeit am GFZ in Potsdam (RIFS) durchgeführt und von TNO Utrecht (Niederlande) unterstützt. Der Abschlussbericht zum Projekt wurde von Tim Butler (RIFS), Edward Chan (RIFS), Richard Kranenburg (TNO), Claire van der Wal (TNO) und Martijn Schaap (TNO) verfasst. 

Mit Hilfe der beiden regionalen Chemie-Transport-Modelle LOTOS-EUROS und WRF-Chem wurde eine Quellzuordnung für Ozon für die Monate April bis September 2019 für Deutschland modelliert und die modellierten Ozonmoleküle hinsichtlich ihrer Vorläuferstoffe über das sogenannte Tagging oder Labelling gekennzeichnet (TOAST-System). Es wurden für jedes Modell insgesamt fünf verschiedene Simulationen durchgeführt, die sich in der jeweiligen Kennzeichnung der Quellsektoren oder der europäischen Länder bzw. der deutschen Bundesländer unterschieden. Die Modellergebnisse wurden für die menschliche Gesundheit hinsichtlich der mittleren Belastung (Peak Season Ozonwert, Mittelwert der täglich höchsten Achtstundenmittelwerte für den Zeitraum von April bis September) und in drei verschiedenen Konzentrationsbereichen untersucht. Für die Vegetation wurde der AOT40-Wert untersucht.

Der Abschlussbericht wurde im Juli 2026 veröffentlicht.

Grundsätzlich sind die Stickoxid-Emissionen ein stärkerer Treiber für die Ozonbildung als die VOC-Emissionen, daher ergibt sich für NO_x ein größeres Minderungspotenzial. Die Bedeutung der Reduzierung der NO_x-Emissionen für die Verringerung der Ozon-Spitzenkonzentrationen wurde bestätigt. Erkennbar sind allerdings auch ausgleichende Effekte aufgrund einer verringerten Ozontitration unter niedrigeren NO_x-Bedingungen. 

Der größte Beitrag zum Peak Season Ozonwert in Deutschland im Jahr 2019 (ungefähr 80 µg/m³) stammt aus dem interkontinentalen Transport von Ozon, das aus anthropogenen NO_x-Emissionen außerhalb Europas entsteht. Zusammen mit dem interkontinentalen Transport von Ozon, das aus biogenen NO_x-Emissionen entsteht, und dem Zustrom von Ozon aus der Stratosphäre beträgt der interkontinentale Transport von Ozon im Jahr 2019 etwa 50 µg/m³. Nichtdeutsche europäische NO_x-Emissionen tragen mit ca. 20 µg/m³, deutsche Emissionen mit ca. 10 µg/m³ zu den insgesamt rund 80 µg/m³ bei. Jedes Bundesland – mit Ausnahme der Stadtstaaten Hamburg, Bremen und Berlin – trägt zwischen 2 und 10 Prozent zu seinem eigenen Peak Season Ozonwert bei. 

Bei höheren Ozonkonzentrationen steigt der Beitrag nahgelegener Quellen. An Tagen mit Überschreitung des Zielwerts von 120 µg/m³ (täglich höchster 8-Stundenmittelwert) im Jahr 2019 erhöht sich der Beitrag europäischer und deutscher NO_x-Quellen: etwa 25 Prozent der Ozonkonzentration ist auf anthropogene NO_x-Emissionen in Deutschland (vor allem Straßenverkehr) zurückzuführen, etwa 30 Prozent auf anthropogene und biogene NO_x-Emissionen aus Europa und die restlichen 45 Prozent auf den interkontinentalen Transport von Ozon, siehe Abbildung 38 des Abschlussberichts.

Beitrag der GNFR-Sektoren innerhalb Deutschlands zum MDA8-Ozon

Quelle: Quelle: Butler, T., Chan, E., Kranenburg, R., van der Wal, C., Schaap, M. Quellenzuordnung der Ozonkonzentration in Deutschland durch Bestimmung der Beiträge der Vorläuferstoffe auf die Ozonbildung. Umweltbundesamt

Die Autor:innen schlussfolgern:

Die Ozonminderung in Deutschland sollte sich auf die Reduzierung der verbleibenden NO_x-Emissionen konzentrieren, über Landesgrenzen hinweg koordiniert werden und auch internationale Maßnahmen umfassen, um sicherzustellen, dass die NO_x-Emissionen in anderen europäischen Ländern und in der gesamten nördlichen Hemisphäre weiter sinken. Obwohl in dieser Studie nicht direkt quantifiziert, wird auch die Rolle von Methan als Ozonvorläufer stark angedeutet. Das internationale Engagement Deutschlands könnte sich auch auf die Reduzierung dieses wichtigen Ozonvorläufers konzentrieren.