Bayerisches Landesamt für Umwelt UmweltWissen – Schadstoffe Bodennahes Ozon und Sommersmog Sommerliche Schönwetterperioden mit intensiver Sonneneinstrahlung können zu hohen Ozon- konzentrationen führen. Körperliche Anstrengungen im Freien sollten dann vermieden werden. Es gibt nur ein Ozon, aber zweierlei Wirkungen dieses Stoffes: Das Ozon in der Ozon- schicht der Stratosphäre schützt das Leben vor der schädlichen UV-Strahlung der Sonne. Bodennah schädigt es dagegen Menschen, Pflanzen und Ökosysteme. Bei schönem, warmem Wetter können hohe Ozonkonzentrationen erreicht werden – Sommersmog kann entstehen. Diese Publikation informiert über die komplexen Zusammenhänge beim Auf- und Abbau von Ozon, die in Stadt und Land regelmäßig zu sehr unterschiedlichen Ozonkonzentratio- nen führen. Die langfristige Entwicklung wird ebenso diskutiert wie die Beurteilung von Messwerten. Auch gesetzgeberische und konkrete Alltags-Maßnahmen sind Thema. Photochemischer Smog oder auch Sommersmog („smog“: englisch aus smoke und fog) ist ein komplexes Gemisch aus verschiedenen reaktiven Substanzen: • Am wichtigsten ist das Ozon, eines der stärksten Oxidationsmittel und daher einer der reaktionsfähigsten Stoffe, die wir kennen. Es wirkt reizend auf Augen und Schleimhäute. • Daneben spielt noch eine Vielzahl weiterer Reizstoffe eine Rolle, zum Beispiel Peroxyacetylnitrat (PAN), Peroxybenzoylnitrat (PBN), Acrolein und Formaldehyd. Auch Zwischen- oder Endprodukte des Abbaus organischer Verbindungen kom- men vor.
Transcript
Bayerisches Landesamt für Umwelt
UmweltWissen – Schadstoffe
Bodennahes Ozon und Sommersmog
Sommerliche Schönwetterperioden mit intensiver Sonneneinstrahlung können zu hohen Ozon-konzentrationen führen. Körperliche Anstrengungen im Freien sollten dann vermieden werden.
Es gibt nur ein Ozon, aber zweierlei Wirkungen dieses Stoffes: Das Ozon in der Ozon-schicht der Stratosphäre schützt das Leben vor der schädlichen UV-Strahlung der Sonne. Bodennah schädigt es dagegen Menschen, Pflanzen und Ökosysteme. Bei schönem, warmem Wetter können hohe Ozonkonzentrationen erreicht werden – Sommersmog kann entstehen.
Diese Publikation informiert über die komplexen Zusammenhänge beim Auf- und Abbau von Ozon, die in Stadt und Land regelmäßig zu sehr unterschiedlichen Ozonkonzentratio-nen führen. Die langfristige Entwicklung wird ebenso diskutiert wie die Beurteilung von Messwerten. Auch gesetzgeberische und konkrete Alltags-Maßnahmen sind Thema.
Photochemischer Smog oder auch Sommersmog („smog“: englisch aus smoke und fog) ist ein komplexes Gemisch aus verschiedenen reaktiven Substanzen:
• Am wichtigsten ist das Ozon, eines der stärksten Oxidationsmittel und daher einer der reaktionsfähigsten Stoffe, die wir kennen. Es wirkt reizend auf Augen und Schleimhäute.
• Daneben spielt noch eine Vielzahl weiterer Reizstoffe eine Rolle, zum Beispiel Peroxyacetylnitrat (PAN), Peroxybenzoylnitrat (PBN), Acrolein und Formaldehyd. Auch Zwischen- oder Endprodukte des Abbaus organischer Verbindungen kom-men vor.
Bodennahes Ozon und Sommersmog
1 Entstehung von bodennahem Ozon Ozon (O3) ist kein primär aus menschlichen Quellen emittierter Schadstoff, sondern wird in der Atmo-sphäre unter dem Einfluss von UV-Strahlung aus Vorläuferverbindungen gebildet. Vorläuferverbindun-gen sind zum Beispiel Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe. Die Energie für diese chemischen Um-setzungen kommt aus dem Sonnenlicht, deshalb spricht man von einer photochemischen Reaktion.
Stickstoffdioxid (NO2) ist die wichtigste Vorläufersubstanz für die Ozonbildung. Es zerfällt durch UV-Strahlung zu Stickstoffmonoxid (NO) und atomarem Sauerstoff (O). Dieses Sauerstoffatom ist hochreak-tiv und verbindet sich sofort mit molekularem Sauerstoff (O2) der Luft zu Ozon (O3). Diese Reaktion ist reversibel – läuft also auch umgekehrt ab. Abhängig davon in welchem Umfang diese Reaktionen ablau-fen, stellt sich ein spezifisches photostationäres Gleichgewicht zwischen Ozonbildung und -zerfall ein.
Flüchtige organische Verbindungen (VOC, volatile organic compounds, zum Beispiel Kohlenwasser-stoffe) verstärken die Ozonbildung. Über die Zwischenstufen eines Peroxyalkylradikals (RO2) reagieren VOC mit NO zu NO2, das zu Ozon weiterreagiert. Dadurch wird die Ozonbildung verstärkt und zugleich steht auch weniger NO zum Ozonabbau zur Verfügung. Besonders ungesättigte organische Verbindun-gen wie Olefine oder Aromaten, aber auch Kohlenmonoxid (CO) tragen stark zur Ozonbildung bei.
Abb. 1: Ozon entsteht durch die Reak-tion mehrerer Vorläufersub-stanzen bei Sonnenlicht.
Das Verhältnis der Vorläufersubstanzen zueinander ist für die Intensität der Ozonbildung wichtiger als ihre absolute Menge. Das liegt daran, dass bei chemischen Reaktionen die Komponenten immer in ei-nem optimalen Verhältnis zueinander stehen müssen. Liegt eine Substanz im Überschuss vor, verstärkt das die Reaktion nicht, da andere Substanzen begrenzend wirken. Wird eine Vorläufersubstanz nach der Reaktion rückgebildet, kann sie die Reaktion erneut durchlaufen und damit mehrfach zum Ozonaufbau beitragen. Das NO aus der Ozonbildung kann beispielsweise mit VOC wieder zu NO2 reagieren. So kann ein einziges NO2-Molekül mehrfach abgebaut und rückgebildet werden und mehrfach zur Ozonbildung beitragen – trotz geringer Ausgangskonzentration der Vorläufersubstanz. Dies ist besonders von Bedeu-tung für die regionale Verteilung der Ozonkonzentration.
Die Sonneneinstrahlung liefert die Energie für die Ozonbildung. Daher werden hohe Ozonwerte vor allem an Sonnentagen im Sommer gemessen, besonders in sehr strahlungsreichen Sommern. Am höchsten sind die Konzentrationen meist am Nachmittag zwischen 13:00 und 19:00 Uhr. Auch hohe Temperaturen fördern die Ozonproduktion: Mit der Temperatur nimmt die Emission hochreaktiver Koh-lenwasserstoffe aus der Vegetation und auch die Verdunstung zum Beispiel aus Lösemitteln stark zu. Außerdem laufen chemische Reaktionen bei höherer Temperatur schneller ab.
Hauptquellen für die Stickstoffoxide sind der Verkehr mit einem Anteil von etwa 60 Prozent sowie Feue-rungsanlagen der Industrie und der Kraftwerke mit rund 30 Prozent. Die VOC stammen etwa zu einem Viertel aus dem Verkehr und aus Kraftstoffen und etwa zu 60 Prozent aus der Lösemittelanwendung, zum Beispiel der Verwendung von Farben und Lacken.
2 Bayerisches Landesamt für Umwelt 2015
Bodennahes Ozon und Sommersmog
2 Ozonkonzentrationen in Stadt und Land Hauptquelle der Vorläufersubstanzen für die Ozonbildung ist der Verkehr. Ursachen und Wirkung fallen räumlich oft nicht zusammen, da die Vorläufersubstanzen mit dem Wind verfrachtet werden können und die Reaktionen eine gewisse Zeit brauchen: • An stark befahrenen Stadtstraßen ist die Ozonkonzentration gering. Hier ist Stickstoffmonoxid
(NO) stark erhöht, so dass Ozon eher abgebaut wird. Auch nachts (ohne Sonnenlicht) wird Ozon wegen der relativ hohen Schadstoffkonzentration abgebaut.
• In verkehrsfernen Bereichen kann die Ozonkonzentration relativ hoch sein – trotz geringerer Konzentration der Vorläufersubstanzen. Denn der Wind verfrachtet die Luftschadstoffe in verkehrs-ferne Bereiche, zum Beispiel in Parkanlagen oder Stadtrandgebiete. Dabei werden die Schadstoffe verdünnt. Zugleich wird NO während des Transports immer mehr zu NO2 umgewandelt, so dass sich der NO-bedingte Ozonabbau verringert und die Ozonbildung zunimmt. Infolge relativ geringer Schadstoffkonzentrationen wird auch nachts (ohne Sonnenlicht) nur wenig Ozon abgebaut.
• Die Ozonkonzentrationen in ländlichen Regionen sind meist deutlich höher als in der Stadt, obwohl weniger Vorläufersubstanzen vorhanden sind. Denn beim Transport der schadstoffbelasteten Luft-massen von der Stadt aufs Land haben die Reaktionspartner Zeit, unter dem Einfluss der UV-Strahl-ung Ozon weiter aufzubauen; die Ozonkonzentration steigt an. Durch biogene VOC aus dem ländli-chen Bereich verschiebt sich das photochemische Gleichgewicht weiter in Richtung Ozonbildung.
Abb. 2: An verkehrsreichen Straßen
im Stadtgebiet ist die Ozon-konzentration gering.
Abb. 3: In verkehrsfernen Parks oder am Stadtrand sind die Ozon-konzentrationen oft höher.
Abb. 4: Besonders viel Ozon misst man an heißen Sommerta-gen auf dem Land.
3 Gesundheitliche Wirkungen Ozon ist sehr reaktiv und wirkt daher direkt dort, wo es auftrifft: Es reizt Schleimhäute, Augen und das Lungengewebe. Durch seine geringe Wasserlöslichkeit wird es in den oberen Atemwegen kaum zurück-gehalten und dringt bis in die feinen Lungenbläschen vor.
Je nach Konzentration des Ozons wurden in Inhalationskammern Geruchsbelästigungen, verstärkter Hustenreiz, verminderte sportliche Leistung und ab etwa 160 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft (µg/m3) eine Verminderung der Lungenfunktionen beobachtet (bei sechsstündiger Expositionsdauer). Diese Wir-kungen gehen nach Beendigung der Exposition wieder zurück.
Körperliche Belastung und ihre Dauer sind von großer Bedeutung für die gesundheitsgefährdende Wirkung. Denn wer sich körperlich anstrengt, atmet mehr und tiefer. Je länger und aktiver man sich da-her im Freien bewegt, desto mehr Ozon nimmt man auf.
Zur Risikogruppe zählen Personen, die sich häufig längeren, anstrengenden körperlichen Tätigkeiten an heißen Sommertagen im Freien aussetzen. Dies sind vor allem Arbeiter und Kinder oder junge Er-wachsene, die spielen oder Sport treiben. Eine Sonderrolle nehmen Kleinkinder ein: Sie haben einen sehr hohen Sauerstoffbedarf und atmen daher selbst bei Ruhe so viel Luft pro Minute ein, wie ein Erwachsener bei körperlicher Betätigung (bezogen auf ihr Körpergewicht). Vorsicht ist auch bei Krank-heiten wie etwa Asthma oder bei besonderer Ozonempfindlichkeit geboten.
Bayerisches Landesamt für Umwelt 2015 3
Bodennahes Ozon und Sommersmog
4 Beurteilung von Ozonkonzentrationen In einer Sommersmog-Episode können die hohen Ozon-Konzentrationen über mehrere Stunden anhal-ten. Daher beziehen sich viele Beurteilungswerte auf einen Zeitraum von acht Stunden. Um außerdem auch Belastungsspitzen zu vermeiden, werden zusätzlich Ein-Stunden-Mittelwerte festgelegt.
Um gesundheitlichen Risiken vorzubeugen, wurden Informations- und Alarmschwellenwerte definiert:
• Zielwert 120 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft (µg/m³, 8-h-Mittelwert)
• Schwellenwert für die Information der Bevölkerung: 180 µg/m³ (1-h-Mittelwert) Gesundheitlich eingeschränkte Personen sollten auf anstrengende Tätigkeiten im Freien verzichten. Auch Ausdauersport sollte vermieden werden.
• Schwellenwert für die Auslösung von Ozon-Alarm: 240 µg/m³ (1-h-Mittelwert) Die gesamte Bevölkerung sollte auf anstrengende Tätigkeiten im Freien verzichten.
Weitere Informationen: BAYERISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT ► Ozonkarten der vergangenen 24 Stunden ► Aktuelle Messwerte aus der Überwachung von Luftschadstoffen
Die langfristige Entwicklung ist positiv: Seit Anfang des neuen Jahrtausends treten Werte über 180 µg/m³ immer seltener auf. Eine Ausnahme stellte der Jahrhundertsommer 2003 dar. Dieser Sommer war – eine Folge der lang anhaltenden Schönwetterperioden – auch hinsichtlich der gemessenen Ozon-belastungen außergewöhnlich. Auch 2013 war der Sommer ähnlich heiß; die meteorologischen Voraus-setzungen zur Bildung hoher Ozonkonzentrationen waren sogar noch günstiger als 2003, dennoch wur-den 2013 geringere Ozonwerte gemessen. Dies lag offenbar an der deutlichen Verringerung der Ozon-vorläufersubstanzen im Vergleich zu 2003 (Umweltbundesamt 2014).
Dennoch bleibt das bodennahe Ozon im Fokus des Umweltschutzes, denn an heißen Sommertagen kann es immer noch vorkommen, dass der Schwellenwert für die Information der Bevölkerung von 180 µg/m³ überschritten wird. Dies ist vor dem Hintergrund des Klimawandels mit der prognostizierten Zunahme heißer Tage auch in Zukunft von besonderer Bedeutung.
Abb. 5: Hohe Ozonwerte sind mittlerweile selten; das liegt an der europaweiten Reduktion der Vorläufersubstanzen. Nur an sehr heißen, sonnigen Tagen kann gelegent-lich die Informationsschwelle überschrit-ten werden. Die hohe Anzahl an Über-schreitungen im Jahr 2003 ist auf die außergewöhnlich lang anhaltenden Schönwetterperioden zurückzuführen
5 Maßnahmen Heute liegt der Schwerpunkt der Maßnahmen darauf, den Ausstoß der Vorläufersubstanzen weiter zu senken. Dafür gibt es Höchstwerte, die seit 2011 bei Messungen vor Ort (Immissionen) nicht mehr über-schritten werden dürfen: zum Beispiel in Deutschland maximal 995 Kilotonnen VOC (ohne Methan) oder 1.052 Kilotonnen NOx pro Kalenderjahr (39. Bundes-Immissionsschutz-Verordnung, BImSchV). Dies verschärft die früheren Regelungen aus den 1980er-Jahren deutlich (22. BlmSchV und Smogverord-nung).
Überregionale, abgestimmte Maßnahmen sind dabei wesentlich effizienter als einzelne lokale Aktionen. Räumlich und zeitlich begrenzte Maßnahmen wie Fahrverbote sind dagegen nur in speziellen Situatio-nen erfolgreich, zum Beispiel in Tal- und Beckenlagen wie im Los Angeles Becken. Nach dem Auslaufen der bundeseinheitlichen Sommersmogverordnung im Jahr 1999 liegt die Entscheidung für Fahrverbote bei den Ländern.
Dieselmotoren stoßen sehr viel mehr NOx aus als Ottomotoren. Daher werden die EURO-Normen stetig abgesenkt. Mit der EURO 6 Norm (2014) liegen die Grenzwerte bei 60 Milligramm pro Kilometer (mg/km) für Ottomotoren und 80 mg/km für Dieselmotoren. Dafür sind technische Lösungen vorhanden, zum Bei-spiel die Optimierung der motorischen Verbrennung, der Drei-Wege-Katalysator, die elektronisch ge-steuerte Abgasrückführung, der NOx-Speicherkatalysator und die selektive katalytische Reduktion (SCR). Der Einzelne kann durch den bewussten Kauf dieser modernen Techniken zur NOx-Reduzierung beitragen. Aber natürlich entlastet auch jeder nicht gefahrene Auto-Kilometer die Umwelt.
Für Farben, Lacke und Klebstoffe wie auch für Möbel und Einrichtungsgegenstände gibt es Prüfzei-chen, die eine geringe VOC-Belastung signalisieren, zum Beispiel den Blauen Engel, das Europäische Umweltzeichen und natureplus. Auch bei der Wahl von Spachtelmassen oder Vorstrichen sollte man generell lösemittelfreie und damit auch VOC-freie Produkte wählen. Hier kann man sich zum Beispiel an der EMICODE-Kennzeichnung orientieren. Die Prüfsiegel unterscheiden sich zum Teil erheblich in ihren Kriterien. Ein genauer Vergleich lohnt sich. Auch der Verzicht auf allzu häufiges Rasenmähen im Som-mer bei hohen Temperaturen hilft, hohe Ozonwerte zu mindern, da insbesondere Zweitakt-Rasenmäher einen hohen VOC-Ausstoß besitzen.
Weitere Informationen: BUNDESVERBAND VERBRAUCHERINITIATIVE E.V.: ► www.label-online.de
Abb. 6: Wer sein Zuhause mit neuer Farbe oder einem neuen Boden aufpeppt, sollte möglichst lösemittelfreie Far-
ben und Kleber verwenden: Einmal wegen der Gerüche, aber auch weil die Lösemittel bei sehr sonnigem und warmem Wetter zu hohen Ozonwerten beitragen.
6 Literatur und Links BRUCKMANN P., GEIGER J., HARTMANN U., WURZLER S. (2003): Die Ozonepisode im Juli und August 2003. PDF, 15 S. Landesumweltamt NRW.
BAYERISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT (2015*): ► Aktuelle Messwerte aus der Überwachung von Luftschadstoffen ► Informationen über Ozon ► Ozonbericht und Ozonprognose
CLAUDE H., FRICKE W., BEILKE S. (2001): Wie entwickelt sich das bodennahe und das troposphärische Ozon? Ozonbulletin des Deutschen Wetterdienstes. Ausgabe Nr. 82
DEUTSCHE FORSCHUNGSGEMEINSCHAFT (2014): MAK- und BAT-Werte-Liste 2014. Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe. Mitteilung 50, Wiley-VCH Verlag, Weinheim
EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY (2014): Air quality in Europe – 2014 report. PDF, 81 S., Copenhagen, Denmark.
UMWELTBUNDESAMT (2002): Umweltdaten Deutschland. Berlin (2014): Luftqualität 2013 – Vorläufige Auswertung. PDF, 22 S.
UMWELTMINISTERIUM BADEN-WÜRTTEMBERG (1995): Ozonversuch Neckarsulm/Heilbronn, Band II. - Schlussbericht zu den wissenschaftlichen Auswertungen des Ozonversuchs, Stuttgart
WORLD HEALTH ORGANIZATION (2005): Air Quality Guidelines. Global Update 2005. PDF, 496 S., World Health Organization Regional Office for Europe, Copenhagen, Denmark.
* Zitate von Online-Angeboten vom 03.07.2015
6.1 Gesetzliche Regelungen und Richtlinien ► Richtlinie 2008/50/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Mai 2008 über Luftquali-tät und saubere Luft für Europa, ABl. L 152/1 vom 11.06.2008
► Richtlinie 1999/13/EG des Rates vom 11. März 1999 über die Begrenzung von Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen, die bei bestimmten Tätigkeiten und in bestimmten Anlagen bei der Verwen-dung organischer Lösemittel entstehen, ABl. L 85/1 vom 23.03.1999
Verordnung über Luftqualitätsstandards und Emissionshöchstmengen vom 2. August 2010 (► 39. BIm-SchV) (BGBl. I S. 1065)
Verordnung zur Begrenzung der Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen bei der Verwendung organischer Lösemittel in bestimmten Anlagen vom 21. August 2001 (► 31. BImSchV) (BGBl. I S. 2180), die zuletzt durch Artikel 8 der Verordnung vom 28. April 2015 (BGBl. I S. 670) geändert worden ist
Diese Publikation wird kostenlos im Rahmen der Öffentlichkeitsarbeit der Bayerischen Staatsregierung herausgegeben. Sie darf weder von den Parteien noch von Wahlwerbern oder Wahlhelfern im Zeitraum von fünf Monaten vor einer Wahl zum Zweck der Wahlwerbung verwendet werden. Dies gilt für Landtags-, Bundestags-, Kommunal- und Europawahlen. Missbräuchlich ist während dieser Zeit insbesondere die Verteilung auf Wahlveranstaltungen, an Informationsstän-den der Parteien sowie das Einlegen, Aufdrucken und Aufkleben parteipolitischer Informationen oder Werbemittel. Untersagt ist gleichfalls die Weitergabe an Dritte zum Zweck der Wahlwerbung. Auch ohne zeitlichen Bezug zu einer bevorstehenden Wahl darf die Publikation nicht in einer Weise verwendet werden, die als Parteinahme der Staatsregierung zugunsten einzelner politischer Gruppen verstanden werden könnte. Den Parteien ist es gestattet, die Publikation zur Unterrichtung ihrer eigenen Mitglieder zu verwenden. Bei publizistischer Verwertung – auch von Teilen – wird um Angabe der Quelle und Übersendung eines Belegexemplars gebeten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte sind vorbehalten. Die Broschüre wird kostenlos abgegeben, jede entgeltliche Weitergabe ist untersagt. Diese Broschüre wurde mit großer Sorgfalt zusammengestellt. Eine Gewähr für die Richtigkeit und Vollständigkeit kann dennoch nicht übernommen werden. Für die Inhalte fremder Internetangebote sind wir nicht verantwortlich.
BAYERN | DIREKT ist Ihr direkter Draht zur Bayerischen Staatsregierung. Unter Tel. 089 122220 oder per E-Mail unter [email protected] erhalten Sie Informationsmaterial und Broschüren, Auskunft zu aktuellen Themen und Internetquellen sowie Hinweise zu Behörden, zuständigen Stellen und Ansprechpartnern bei der Bayerischen Staatsregierung.
