Ozon in der Troposphäre

Ozon kann auch in den bodennahen Luftschichten gebildet werden, allerdings auf ganz anderem Wege als in der Stratosphäre und in deutlich geringerem Ausmaß.

Da in der Troposphäre das Sonnenlicht nicht mehr die erforderliche Energie hat, um Ozon direkt aus Sauerstoff zu bilden, müssen Luftverunreinigungen bei ihrem photochemischen Abbau Hilfestellung geben. Stickoxide und flüchtige organische Verbindungen aus dem Verkehr, der Industrie und den privaten Haushalten spielen als sogenannte Ozonvorläuferstoffe eine besondere Rolle.

Schaubild Ozonbildung und -abbau in den bodennahen Luftschichten
Abbildung: Ozonbildung und -abbau in den bodennahnen Luftschichten

Stickstoffdioxid (NO2) wird in einem auslösenden Schritt im Sonnenlicht zu Stickstoffmonoxid (NO) und Sauerstoffatomen gespalten. Letztere reagieren mit Luftsauerstoff zu Ozon. Umgekehrt setzt sich Ozon aber auch wieder mit NO zu Stickstoffdioxid und Sauerstoff um, so dass sich ein Gleichgewicht zwischen Ozonbildung und -abbau einstellt.

Da die Stickstoffoxide zu mehr als 90% als Stickstoffmonoxid emittiert werden, können auf diesem Wege allein keine hohen Ozonkonzentrationen entstehen. Hier kommen organische Luftverunreinigungen ins Spiel. Sie sind an der Ozonbildung dadurch beteiligt, dass sie durch verschiedene Mechanismen in der Luft oxidativ abgebaut werden und ihre Abbauprodukte die Oxidation von NO zu NO2 unterstützen. Auf diese Weise schließen sie den Kreislauf der Stickoxide; weiteres Ozon kann gebildet werden, solange organische Stoffe als „Brennstoffe“ und Sonnenlicht zur Verfügung stehen:

Bodennahes Ozon wird nicht wie andere Luftschadstoffe direkt emittiert, sondern bildet sich in der Luft aus sogenannten Vorläuferstoffen, nämlich Stickoxiden und organischen Gasen und Dämpfen unter Einwirkung des Sonnenlichts. Hohe Temperaturen wirken reaktionsbeschleunigend.

Die Gruppe der organischen Verbindungen umfasst eine Vielzahl von Einzelstoffen, die je nach ihrer Stabilität die „Ozonpumpe“ schneller oder langsamer antreiben. Besonders schnell reagieren Olefine, wie Ethen oder Propen, aber auch Verbindungen natürlichen Ursprungs, wie Terpene aus den Wäldern. Langsam reagieren z. B. Benzol oder das als Sumpfgas bekannte Methan.

Das entstandene Ozon wird durch Reaktionen mit NO und anderen Luftverunreinigungen, oder an Oberflächen (Boden, Pflanzen) abgebaut. In den Abend- und Nachtstunden gewinnen aufgrund der fehlenden Sonnenenergie die Abbaureaktionen die Oberhand und führen zu einem Absinken der Ozonkonzentration. Mit dem Ende von Schönwetterperioden normalisieren sich die Ozonkonzentrationen wieder sehr rasch.

In den letzten 100 Jahren ist der Ozongehalt im Jahresdurchschnitt in ländlichen Regionen auf von etwa 20 auf 50 bis 80 µg/m³ und damit um ein Mehrfaches gegenüber dem vorindustriellen Pegel angestiegen. Verantwortlich hierfür ist die mit der Industrialisierung einhergehende Erhöhung der Schadstoffemissionen.

Bei Sommersmog-Wetterlagen steigen die Ozonkonzentrationen nicht selten kurzzeitig auf Werte über 180 µg/m³ an. Der bisher höchste in Rheinland-Pfalz über eine Stunde gemessene Wert betrug 308 µg/m³.

Die rheinland-pfälzischen Ozon-Messstationen
mit den höchsten gemessenen 1-Stunden-Mittelwerten im Zeitraum 1980-2005

Station Konzentration * Datum Zeit
Wörth 308 08.08.92 17:00
Mainz 303 11.07.84 15:00
Neuwied 286 11.08.98 18:00
Westerwald-Süd 270 09.08.03 20:00
Pfälzerwald 266 11.08.88 03:00
Westeifel 264 21.07.90 20:00
Bad Kreuznach 258 28.07.90 17:00
Trier 258 06.06.86 18:00
Speyer 252 07.08.92 16:00
Hunsrück 246 15.06.92 22:00
Westerw.-Nord 245 11.08.98 18:00
Westpfalz 243 11.08.98 20:00
Kaiserslautern 236 05.08.90 14:00
Ludwigshafen 235 12.08.03 14:00
Worms 229 03.07.94 16:00
Koblenz 217 11.08.98 20:00
Pirmasens 211 26.06.01 19:00
Neustadt 208 09.07.95 15:00

 
*) höchster 1-Stunden-Mittelwert in µg/m³ seit Beginn der Messungen

Die nachfolgende Abbildung zeigt am Beispiel einer hochsommerlichen Ozonepisode den Tagesverlauf der Ozon-Konzentration in Deutschland. Man erkennt den Anstieg des Ozons im Tagesverlauf. Am späten Nachmittag wird das Maximum erreicht, die Ozonbelastung geht im Verlauf der Abend- und Nachtstunden zurück, und zwar in Ballungsräumen rascher und weitgehender als in ländlichen Regionen.

Schaubild: Ozonkonzentration während einer Sommerwetterlage
Abbildung: Ozonkonzentration während einer Sommerwetterlage