Entstehung von bodennahem Ozon
Was ist Ozon (O3)
Ozon (griechisch ὄζειν ozein „riechen“) ist ein aus drei Sauerstoffatomen bestehendes Molekül (O3). Ozonspuren in der Luft zerfallen unter Normalbedingungen innerhalb einiger Tage zu biatomarem Sauerstoff. Einerseits ist Ozon ein starkes Oxidationsmittel, das bei Menschen und Tieren zu Reizungen der Atemwege führen kann. Andererseits schützt es in der Ozonschicht die Lebewesen vor einer Schädigung durch energiereiche ultraviolette Strahlung der Sonne.
Bodennahes Ozon
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.
Sommersmog
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.
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.
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.