Nützliches und schädliches Gas - Ozon

Ozon spielt unterschiedliche Rollen in der Atmosphäre: Während es uns in der Stratosphäre vor schädlicher ultravioletter (UV) Strahlung schützt, gefährdet es in Bodennähe die Gesundheit von Menschen und Tieren. Das stechend riechende und sehr reaktionsfreudige Gas besteht aus drei Sauerstoffatomen. In der Luft zerfällt es nach recht kurzer Zeit zu normalem Sauerstoff.

Ozon ist mit seiner geringen Menge von weniger als 0,01 Prozent eines der Spurengase in der Atmosphäre. Eine merkliche Ozonkonzentration gibt es jedoch nur in zwei Bereichen:

In einer Höhe von 15 bis 30 Kilometern bildet Ozon die natürliche Ozonschicht, die uns vor der schädlichen Ultraviolettstrahlung der Sonne schützt. Dort befindet sich mit etwa 90 Prozent der Hauptanteil des Ozons in der Atmosphäre.

Die restlichen zehn Prozent befinden sich in der Troposphäre. Werden in Bodennähe hohe Konzentrationen von Ozon erreicht, ist es als Reizgas für den Menschen schädlich und giftig. Besonders im Sommer entsteht durch Ozon der so genannte Sommersmog.

Ozon gilt zudem als brandfördernd und kann zünd- und explosionsfähige Gemische bilden. Da Ozon durch den Einfluss des Sonnenlichts entsteht und gleichzeitig ein Oxidationsmittel darstellt, gehört es zur Gruppe der sogenannten photochemischen Oxidantien oder kurz Photooxidantien.

Ozon bildet sich unter Einwirkung ultravioletten Lichts. Dabei laufen photochemische Reaktionen ab, die sich je nach Luftschicht unterscheiden.

Das Ozon in der Stratosphäre hat sein Konzentrationsmaximum in 15 bis 35 Kilometern Höhe. Dort bildet es die Ozonschicht, die uns vor der schädlichen UV-B-Strahlung der Sonne schützt. Forscher geben die Konzentrationsmenge von Spurengasen in den höheren Luftschichten in der Einheit Dobson, auch Dobson-Unit (DU) genannt, an. Dabei ist

1 DU = 2,7 x 10^16 O3-Moleküle/cm².

Stickstoff und Sauerstoff in der Atmosphäre halten das kurzwellige ultraviolette Licht der Sonne (UV-C) zurück. Deshalb erreicht es die Erdoberfläche nicht. Ozon wiederum absorbiert den größten Teil der UV-B-Strahlung. Ohne den Einfluss anderer Spurengase läuft die Reaktion bei der Bildung von Ozon wie folgt ab:

Die ultraviolette Strahlung spaltet in der Stratosphäre Sauerstoffmoleküle in die einzelnen Sauerstoffatome (Photolyse). Dies geschieht vor allem über den Tropen. Das Ozon entsteht dann durch die Verbindung eines Sauerstoffatoms (O) mit einem Sauerstoffmolekül (O2).

Anschließend wird das stratosphärische Ozon wieder durch ultraviolette Strahlung (UV-B) in ein Sauerstoffatom und ein Sauerstoffmolekül aufgespalten.

Besonders durch menschlichen Einfluss ist dieses Gleichgewicht von Ozonbildung und -abbau seit Jahrzehnten gefährdet. Substanzen wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zerstören die Ozonschicht in der Stratosphäre, sodass das Ozonloch entstanden ist.

In der unteren Troposphäre sind für die photochemischen Reaktionen zunächst sogenannte Vorläuferverbindungen nötig. Dazu gehören vor allem Stickoxide, Kohlenmonoxid oder flüchtige organische Verbindungen (VOC - volatile organic compounds). Außerdem gibt es auch Gase, die aus der Natur stammen. Dazu gehören Isoprene und Terpene, die die Vegetation emittiert.

Aus folgenden Quellen stammen die Vorläuferverbindungen:

Die Schlüsselrolle bei der Entstehung des Ozons spielt Stickstoffdioxid. Durch relativ energiearme langwellige UV-Strahlung zerfällt es zu Stickstoffmonoxid (NO) und atomarem Sauerstoff:

NO2 + UV-Licht → NO + O

Diesen Prozess bezeichnet man als Photolyse. Das freigesetzte hochreaktive Sauerstoffatom verbindet sich dann sofort mit dem molekularen Sauerstoff der Luft zu Ozon:

O + O2 → O3

Das langwellige UV-Licht zersetzt das übrig gebliebene Stickstoffmonoxid-Molekül (NO) nicht, stattdessen oxidiert es an der Luft langsam zu Stickstoffdioxid.

NO + O3 --> NO2 + O2

Damit wird wieder der Ausgangspunkt der Reaktionskette erreicht.

Ozon ist besonders bei wechselhaftem Wetter im dynamischen Gleichgewicht, wie zum Beispiel bei viel Wind und wiederholten Regenfällen. Dann oxidieren große Mengen NO und NO2.

Das bedeutet: Jedes NO-Molekül, das vor allem bei Verbrennungsprozessen gebildet wird, verbraucht ein O3-Molekül. Sofern keine anderen Schadstoffe in der Luft vorhanden sind, entsteht Ozon nicht ständig. Nachts zum Beispiel entsteht kein Ozon, weil das fehlende Sonnenlicht keine Photolyse initiieren kann.

Die natürliche Ozonkonzentration in den untersten Luftschichten schwankt in den Sommermonaten um den Wert von 65 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft.

Bei ruhigen Wetterlagen und vor allem unter Einfluss anderer reaktiver Schadstoffe werden jedoch auch deutlich höhere Ozonkonzentrationen in der unteren Luftschicht erreicht. Relevante Schadstoffe sind:

Diese Stoffe stören das dynamische Gleichgewicht der photochemischen Reaktion stark. Entweder wird Stickstoffmonoxid abgeführt oder Stickstoffdioxid schnell wieder abgebaut. Diese reaktiven Störenfriede werden allgemein als RO2 bezeichnet. Oft übernimmt eine flüchtige organische Kohlenwasserstoffverbindung (VOC) die Aufgabe der Abbaureaktion von Stickstoffmonoxid. Folglich fehlt es für den Ozonabbau, während Stickstoffdioxid zusätzlich für weitere Ozonbildung zu Verfügung steht.

Die oben genannten Schadstoffe verändern demnach das NO2/NO-Verhältnis. Bei starker Sonneneinstrahlung führt dies zu einer Zunahme der Ozonkonzentration. Da der Mensch maßgeblich dazu beiträgt, spricht man auch von der anthropogenen Ozonbildung.

Ozon-Konzentrationen wurden früher und werden in den USA weiterhin überwiegend in ppb (also milliardstel Volumen-, Teilchen- oder Partialdruck-Anteilen) angegeben. In Europa wird die Einheit µg/m3 benutzt. 1 ppb Ozon entspricht 2,15 µg/m3 (unter Normalbedingungen).

Damit der Ozonwert erfasst werden kann, ist ein großräumiges Netz an Messstationen erforderlich. Drei Verfahren werden zur Ozonmessung benutzt:

Das gängigste Messverfahren (UV-Photometer) mittels UV-Absorption macht sich die Eigenschaft des Ozons, bestimmte Wellenlängen des UV-Lichts zu absorbieren, zunutze. Dazu wird die Außenluft in kleinen Mengen kontinuierlich angesaugt und durch eine Messküvette geleitet. Mit einer Niederdruck-Quecksilberlampe wird die Luft in der Küvette angestrahlt. Das Ozon in der Probenluft absorbiert dann das UV-Licht. Diese Absorption wird von einer Photoröhre und einer damit verbundenen Elektronik gemessen, die anschließend ein elektrisches Signal abgeben. Auf der Referenzseite messen eine Photodiode oder ein Photomultiplier die durchtretende und somit nicht absorbierte Strahlung und zeigen dann die Ozonkonzentration in der Luft an.

Bei der Chemilumineszenz-Methode lässt man Ethen mit Ozon reagieren. Dazu wird in einem mit Ethen gefüllten Behälter ozonhaltige Luft zugeführt. Die Stoffe reagieren und die überschüssige Energie wird in Form von Licht abgegeben. Je mehr Licht emittiert wird, desto mehr Ozon ist in der Luft enthalten.

Beim Kaliumiodid-Verfahren wird die beprobte Luft durch eine Kaliumiodidlösung gesogen. Ozon reagiert mit Kaliumiodid in Gegenwart von Wasser. Es entsteht ein Iodmolekül, welches in einer elektrochemischen Zelle registriert wird.

Der Berufsverkehr nimmt auf die tageszeitlich schwankende Ozonkonzentration einen entscheidenden Einfluss.

Bei ruhigen und sonnigen Hochdruckwetterlagen im Sommer entsteht Ozon in den Ballungszentren bereits kurz nach dem morgendlichen Berufsverkehr. Zur morgendlichen Rushhour steigt der Gehalt an Stickstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen in der Luft stark an. Mit dem Sonnenaufgang beginnt die Aufspaltung von NO2 durch das Sonnenlicht, der NO-Gehalt steigt an und Ozon kann sich bilden.

Am späteren Morgen setzt die Wirkung von Kohlenwasserstoffen ein. Sie reagieren mit großen Mengen an NO, sodass dessen Gehalt in der Luft rapide abnimmt. Gleichzeitig steigt der NO2-Gehalt an. Die intensive Sonnenstrahlung führt dazu, dass in den photochemischen Reaktionen immer mehr Sauerstoffatome (O) freigesetzt werden. Diese verbinden sich sofort mit dem molekularen Sauerstoff der Luft zu Ozon.

Meist schon ab 11 Uhr ist der NO2-Gehalt stark gesunken, sodass kaum noch Ozon abgefangen wird. Das dynamische Gleichgewicht ist dann massiv gestört und die Ozonkonzentrationen steigen weiter bis zum Maximum am Nachmittag zwischen 16 und 18 Uhr in den Städten.

Paradoxerweise ist Stickstoffmonoxid, der Hauptbestandteil der Abgase, auch für den Abbau des Ozons verantwortlich. So verringert sich nachts die Konzentration und erreicht am frühen Morgen ein Minimum. Bodennah bauen verbleibende Abgase das Ozon rasch ab. In den Nächten bildet sich nicht selten eine Bodeninversion, die den Austausch zwischen den bodennahen Luftschichten und den höheren Luftschichten verhindert. Oberhalb dieser Inversionsschicht bleibt ein Ozon-"Reservoir".

Am Morgen erwärmt die Sonne die Erdoberfläche und die Inversionsschicht löst sich auf. Auf- und Abwinde durch Thermik führen dazu, dass hohe Ozonkonzentrationen des Reservoirs zum Boden gelangen. Die Ozonwerte steigen rasch. Schadstoffe aus Verkehr und Industrie führen dazu, dass sich neues Ozon bildet.

Luftschadstoffe verteilen sich mit der Luftströmung. Dabei werden sie verdünnt und haben Zeit, miteinander chemisch zu reagieren. Deshalb registrieren die Messgeräte hohe Ozonkonzentrationen nicht direkt an befahrenen Straßen, sondern eher im ländlichen Bereich. Ursache und Wirkung fallen also räumlich auseinander:

Außerdem spielt auch der Effekt der Wärmeinseln eine große Rolle bei der Ozonkonzentration. In dicht bebauten und daher überhitzten Stadtgebieten bilden sich Luftzirkulationen, die warme, ozonreiche Luft aus der Stadt an den Stadtrand und ins Umland transportieren. In ländlichen Regionen bleibt die Ozonbelastung auch nachts hoch und summiert sich über die Tage hinweg auf.

So wurde beispielsweise am Stadtrand von Mannheim und im Norden von Karlsruhe nachts schon häufig mehr Ozon bis zum Folgetag gemessen als in den Stadtzentren selbst. Ähnliches wurde auch in Köln und dem Umland beobachtet.

In Waldgebieten findet sich fast kein Stickstoffmonoxid in der Luft, dafür aber reichlich Ozon. In der Nähe von Autobahnen wird durch den Verkehr ständig Stickstoffmonoxid produziert und fast das gesamte Ozon verbraucht.

Auch an dünn besiedelten Küsten sind die Ozonbelastungen manchmal höher als weiter landeinwärts. So konnten Forscher im Südwesten Irlands feststellen, dass Kohlenwasserstoffe mit dem nächtlichen Landwind an die Küste gelangen. Schon kurz nach Sonnenaufgang steigen die Ozonwerte dort stark an.

In Südfrankreich transportiert der Landwind nachts die verschmutzte Luft aus den Großstädten an der Rhône-Mündung rund 5 Kilometer aufs Meer hinaus. Der einsetzende Seewind am nächsten Morgen bläst die Luft zurück. Dann steigen die Ozonwerte an Land wieder rasant.

Global gesehen kann Ozon nur in jenen Regionen entstehen, in denen zum einen Vorläufersubstanzen vorhanden und zum anderen meteorologische Randbedingungen erfüllt sind. Die meteorologischen Randbindungen sind dann erfüllt, wenn sich im Sommerhalbjahr stabile Hochdruckgebiete mit hohen Temperaturen ausbilden. Die Hauptzentren hoher Ozonwerte sind quasi bandartig in den hoch industrialisierten Ländern zwischen 30° und 60° nördlicher Breite vorzufinden.

Aber auch in den Ballungsräumen Indiens, Südamerikas und Afrikas finden sich Städte mit hohen Ozonwerten, wie beispielsweise Neu Delhi, Santiago de Chile oder Lagos. Länger andauernde Ozonbelastungen jenseits von 240 mg/m³ sind im Sommer der subtropischen Ländern mitunter wochen- oder gar monatelange messbar. Mit zunehmendem Individualverkehr werden auch diese Regionen mit extremem Sommersmog konfrontiert werden.

Ozon als Treibhausgas trägt zur Erwärmung der Erdatmosphäre bei. Insbesondere in der tiefer liegenden Troposphäre wird Ozon als Klimagas wirksam und verstärkt den menschengemachten Treibhauseffekt. Seit Beginn des Industriezeitalters hat sich Ozon nach Kohlendioxid, Methan und den Flurkohlenwasserstoffen zum viertwichtigsten Klimagas entwickelt.

Luftqualität in Deutschland: Tagesmaxima der Ozonkonzentration