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Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften

Juniorprofessur Atmosphärische Chemie - Prof. Dr. Anke Nölscher

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Der Bayreuther Ozongarten


Ozonempfindliche Pflanzen zeigen durch Veränderungen ihrer Blattfarbe, durch Blattflecken oder durch abgestorbenes Blattgewebe an, wie stark unsere Luft mit Ozon belastet ist.

Ozonblattschäden

Tabakblatt mit Blattpunkten zeigt starke Ozonschädigung  Blatt einer unempfindlichen Malvenart    ohne Ozonschäden Blatt einer empfindlichen Malvenart mit leichten Ozonschäden

 

Auf diesen Webseiten sind einige Hintergrundinformationen zu Ozon, einem der wichtigsten atmosphärischen Spurengase, zusammengestellt. Entdecken Sie die Bedeutung von Ozon für das Leben auf der Erde!

 

WAS ist ein Ozongarten?

Ein Ozongarten ist eine natürliche Luftqualitätsstation: Wenn Pflanzen über längere Zeit hohen Ozonkonzentrationen ausgesetzt sind, lassen sich an den Blätter von besonders empfindlichen Pflanzen verschiedene Veränderungen feststellen. Besonders typisch sind sehr feine farbige Punkte auf der Oberseite von Blättern. Andere Blätter verfärben sich gelb. Bei sehr hohen Belastungen kann das Pflanzengewebe auch absterben. Im Bayreuther Ozongarten auf der Landesgartenschau 2016 wurden unter anderem besonders empfindliche Tabak- und Tomatenarten angepflanzt.


Ozongarten

 

WAS ist Ozon?

Ozon ist ein farbloses und sehr reaktives Spurengas in der Atmosphäre, das nur in sehr geringen Mengen in der Luft vorkommt. Trotz seiner geringen Konzentration in der Luft spielt Ozon mit seinen guten und schlechten Eigenschaften eine wichtige Rolle für das Leben auf der Erde: Die Ozonschicht in etwa 20 - 30 km Höhe (in der Stratosphäre) schützt uns vor schädlicher ultravioletter Strahlung und in Bodennähe unterstützt Ozon als wichtiges Oxidationsmittel die Selbstreinigung der Atmosphäre von Schadstoffen. Andererseits ist Ozon selbst ein Luftschadstoff, der in zu hohen Konzentrationen die Gesundheit des Menschen und das Wachstum von Pflanzen beeinträchtigt. Außerdem ist Ozon ein Treibhausgas, das zur Klimaerwärmung beiträgt.

Ein Ozonmolekül (O3) besteht aus drei Sauerstoffatomen (O), während der "normale" Luftsauerstoff, den wir zum Atmen brauchen, nur aus zwei Sauerstoffatomen (O2) zusammengesetzt ist.

 

WOHER kommt Ozon?

Ozon wird nicht aus einer bestimmten Quelle direkt in die Luft freigesetzt, sondern durch chemische Reaktionen in der Atmosphäre gebildet. Ozon ist also ein sekundärer Luftschadstoff. Dabei sind zwei grundsätzlich verschiedene Bildungsmechanismen in der Stratosphäre (d.h. in großen Höhen zwischen etwa 10 km und 50 km) und in der Troposphäre (d.h. in Bodennähe bis zu einer Höhe von etwa 10 km) zu unterscheiden:

In der Stratosphäre entsteht Ozon durch Photolyse, d.h. molekularer Luftsauerstoff O2 wird durch Sonnenlicht in einzelne Sauerstoffatome O gespalten. Ein einzelnes Sauerstoffatom kann sich mit einem weiteren Sauerstoffatom wieder zu O2 oder mit einem weiteren Sauerstoffmolekül (O2) zu Ozon (O3) zusammenlagern. Auf diese Weise entsteht die wichtige Ozonschicht in der Stratosphäre zwischen 20 km und 30 km Höhe.

In der Troposphäre kann Ozon nicht durch die Spaltung von Luftsauerstoff entstehen, da das Sonnenlicht in Bodennähe nicht so energiereich wie in der Stratosphäre ist. In Bodennähe entsteht Ozon durch das Zusammenspiel von Sonnenlicht und einer Vielzahl von chemischen Reaktionen, an denen Stickoxide (NO und NO2 z.B. aus dem Straßenverkehr) und leichtflüchtige organische Verbindungen (englisch volatile organic compounds, VOC z.B. aus der Verwendung von Lösungsmitteln, aber auch aus natürlichen Quellen) als sogenannte Vorläufergase beteiligt sind. Starke Sonneneinstrahlung begünstigt die Bildung von Ozon. Daher wird besonders an warmen und sonnigen Sommertagen viel Ozon gebildet, die Leitsubstanz des Sommersmogs.

 

Ozonbildung

 

WIEVIEL Ozon ist in der Luft?

Etwa 90 % des atmosphärischen Ozons befinden sich in großen Höhen in der Stratosphäre, und nur ein kleinerer Teil ist in Bodennähe zu finden. Wie viel Ozon in Bodennähe vorhanden ist, wird häufig in Mikrogramm Ozon pro Kubikmeter Luft (µg m-3) angegeben. Eine Ozonkonzentration von 80 µg m-3 bedeutet zum Beispiel, dass die Ozonmoleküle in einem Kubikmeter (das sind 1000 Liter) Luft eine Masse von nur 80 Mikrogramm besitzen.

Eine weitere Möglichkeit ist, den Anteil der Ozonmoleküle im Vergleich zur gesamten Zahl der Moleküle in der Luft anzugeben. Die gebräuchliche Einheit für dieses sogenannte Ozonmischungsverhältnis ist ppb (parts per billion). Ein Ozonmischungsverhältnis von 40 ppb bedeutet zum Beispiel, dass von einer Milliarde Luftmolekülen nur 40 Moleküle Ozon sind. Bei normalen atmosphärischen Bedingungen in Bodennähe entspricht eine Ozonkonzentration von 80 µg m-3 etwa einem Ozonmischungsverhältnis von 40 ppb.

Die Ozonkonzentration wird in Deutschland an insgesamt etwa 300 Standorten von den jeweiligen Landesbehörden gemessen. In Oberfranken liegen die Tagesmittelwerte der Ozonkonzentrationen in den Sommermonaten typischerweise zwischen 50 und 100 µg m-3, in den Wintermonaten auf Grund der geringeren Sonneneinstrahlung typischerweise unter 50 µg m-3. Steigt die Ozonkonzentration im Stundenmittel über die sogenannte Informationsschwelle von 180 µg m-3, so wird die Öffentlichkeit darüber informiert und besonders empfindlichen Personen von übermäßigen Aktivitäten im Freien abgeraten. Beim Überschreiten der sogenannten Alarmschwelle von 240 µg m-3 wird der gesamten Bevölkerung empfohlen, auf anstrengende Aktivitäten wie etwa Sport im Freien zu verzichten.

Schwellenwerte
Die Zahl der Tage, an denen die Informationsschwelle (180 µg m-3) überschritten wird, ist seit den 1990er Jahren in Deutschland deutlich zurückgegangen. Im Gegensatz dazu steigen die Jahresmittelwerte der Ozonkonzentration im gleichen Zeitraum leicht an. Die Ozondauerbelastung steigt also leicht an, während die Ozonspitzenkonzentrationen deutlich abnehmen. Die Gründe für diese gegensätzlichen Trends werden in Forschungsprojekten untersucht.
Zur Minderung der Ozonbelastung ist es notwendig, die Konzentrationen der Vorläufergase zu senken. Stickoxide und leichtflüchtige organische Verbindungen stammen sowohl aus natürlichen als auch vom Menschen verursachten Quellen. Stickoxide (NOx) stammen überwiegend aus dem Straßenverkehr, aber auch aus Verbrennungsvorgängen in der Industrie oder in privaten Haushalten. Natürliche Quellen für Stickoxide sind beispielsweise Gewitter sowie mikrobielle Umwandlungen im Boden. Leichtflüchtige organische Verbindungen (VOC) werden bei der Verwendung von Lösemitteln beispielsweise in Lacken und Farben, im Straßenverkehr oder bei der Herstellung von Ölprodukten freigesetzt. Darüber hinaus gibt es zahlreiche natürliche Quellen für organische Verbindungen wie etwa Duftstoffe von Pflanzen.Die höchsten Ozonwerte werden nicht direkt in den Städten gemessen, sondern meist im angrenzenden ländlichen Raum. Der Grund ist ein wirkungsvoller Abbau von Ozon durch Reaktion mit Stickstoffmonoxid (NO), das durch den erhöhten Straßenverkehr in Städten in größerer Konzentration auftritt.

 

WIE wirkt Ozon in der Luft?

Trotz seiner geringen Konzentration in der Luft ist Ozon sehr wichtig für das Leben auf der Erde.

1) Ozon in der Stratosphäre schützt uns vor schädlicher ultravioletter Strahlung:

Das stratosphärische Ozon absorbiert einen großen Teil der energiereichen ultravioletten Strahlung, die Lebewesen schädigen kann. Beispiele für Schädigungen durch ultraviolette Strahlung sind Sonnenbrände, Hautkrebs oder Veränderungen des Erbguts. In den 1980er Jahren wurde eine deutliche Abnahme des stratosphärischen Ozons festgestellt, das sogenannte "Ozonloch". Ursache für diesen verstärkten stratosphärischen Ozonabbau war die in der Vergangenheit weitverbreitete Verwendung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) durch den Menschen. Nach einer Regelung zum Verbot von ozonzerstörenden Stoffen und einem umfangreichen Ersatz der FCKWs zeigt sich in aktuellen Messungen eine erste Erholung der Ozonschicht. Allerdings wird es noch lange dauern, bis das Ozonloch wieder vollständig geschlossen ist.

2) Ozon unterstützt in Bodennähe als wichtiges Oxidationsmittel die Selbstreinigung der Atmosphäre:

Da Ozon ein sehr reaktionsfreudiges Oxidationsmittel ist, reagiert es mit einer Vielzahl von Schadstoffen, die durch den Menschen oder auf natürliche Weise in die Atmosphäre gelangen. Auf diese Weise unterstützt Ozon die Selbstreinigung der Atmosphäre und trägt zum Abbau und zur Entfernung von Luftschadstoffen aus der Atmosphäre bei. Durch die Beteiligung an zahlreichen chemischen Reaktionen beeinflusst die Ozonkonzentration auch die chemische Zusammensetzung des Spurenstoffanteils der Atmosphäre.

3) Ozon ist ein Treibhausgas, das zur Klimaerwärmung beiträgt.

Ozon absorbiert langwellige Strahlung und wirkt damit als Treibhausgas. Da jedoch die Ozonkonzentration je nach Ort, Tageszeit und Jahreszeit sehr stark schwankt, ist eine genaue Abschätzung der Wirkung von Ozon auf den Strahlungshaushalt und damit auf das Klima sehr kompliziert. Im IPCC-Bericht aus dem Jahr 2013 wird der Strahlungsantrieb von troposphärischem Ozon mit +0.40 W m-2 abgeschätzt.

4) Ozon ist ein Luftschadstoff, der die Gesundheit des Menschen und das Wachstum von Pflanzen beeinträchtigt:

Die Ozonkonzentration der Luft wird an zahlreichen Messstationen überwacht, da Ozon als Luftschadstoff die menschliche Gesundheit und ebenso das Wachstum von Pflanzen beeinträchtigt. Mit jedem Atemzug nehmen wir Luft in unseren Körper auf. Je höher die Ozonkonzentration in der Luft ist und je länger wir uns im Freien aufhalten, desto mehr Ozon nehmen wir in den Körper auf. Die Ozonmoleküle sind sehr reaktiv und reizen die Schleimhäute der Atemwege und der Lunge. Dadurch können erhöhte Ozonkonzentrationen beispielsweise zu Husten, Kopfschmerzen und einer eingeschränkten Lungenfunktion führen. Jeder von uns reagiert unterschiedlich stark auf Ozon in der Luft.

Auch Pflanzen nehmen durch ihre Spaltöffnungen Ozon aus der Luft auf, was zur Schädigung des Pflanzengewebes beitragen kann. Man geht davon aus, dass Ozonkonzentrationen über 80 µg m-3 zur Schädigung des Blattgewebes und zu einem Rückgang des Pflanzenwachstums führen können. In der Landwirtschaft ergeben sich dadurch geringere Ernteerträge und eine schlechtere Qualität der Produkte. Die folgende Abbildung zeigt eine Abschätzung der Ertragsrückgänge unterschiedlicher Pflanzen in Abhängigkeit vom Jahresmittelwert des Ozonmischungsverhältnisses. So muss beispielsweise bei einem Jahresmittelwert von 60 ppb Ozon mit einem Rückgang der Weizenerträge um etwa 5 % auf 95 % gerechnet werden, während die Rübenerträge um etwa 26 % auf 74 % zurückgehen. Für Kopfsalat ist ein noch stärkerer Ertragsrückgang auf etwa 58 % zu erwarten.

Ozon_ReduzierteErtraege

 

Ozonschäden im Bayreuther Ozongarten

Die beiden ozonempfindlichen Tabakblätter auf der linken Seite wachsen im Ozongarten auf der Landesgartenschau und zeigen deutliche Blattpunkte (links oben etwas weniger als links unten). Das Blatt rechts oben (ebenfalls im Bayreuther Ozongarten gewachsen) ist stark geschädigt mit einem großen Anteil an abgestorbenem Blattgewebe. Das Blatt rechts unten wurde im Labor etwa 50 mal höheren Ozonkonzentrationen als in der unbelasteten Atmosphäre üblich ausgesetzt und zeigt ein nahezu vollständig abgestorbenes Blattgewebe.

Ozonblattschäden

 

WO bekomme ich weitere Informationen?

Wenn Sie weitere Informationen zum Thema Ozon und zum Thema Luftqualität erhalten möchten, kontaktieren Sie uns - die Atmosphärische Chemie der Universität Bayreuth.

 

Dank für die Unterstützung bei der Konzeption, Erstellung und Aktualisierung dieser Webseite:

Paula Guggenberger, Ramona Krauß, Jana Kuhla, Julia Brawanski

 

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