Photochemischer Smog

Diplomarbeit von Guido Henschel

Einleitung:

Das Gas Ozon ist je nach Ort seines Auftretens für völlig unterschiedliche Effekte verantwortlich. Die Ozonschicht in der Stratosphäre schützt durch Strahlungsabsorption den Menschen vor energiereicher ultravioletter Strahlung (Sonnenstrahlung mit Wellenlängen zwischen 240 und 320 nm). In den bodennahen Luftschichten der Troposphäre hingegen, also dem Lebensraum des Menschen, ist das Ozon wegen seiner starken Reizwirkung und Giftigkeit unerwünscht. Durch stetig steigende Stickoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen und der daraus resultierenden Bildung von photochemischen Oxidantien, deren wichtigste Leitkomponente eben jenes Ozon ist, kommt es in Deutschland vor allem in den Sommermonaten zu dem sogenannten „Sommersmog“. Die Diplomarbeit zeigt, dass Sommersmog keineswegs ein neuartiges Phänomen ist, wie es oft den Medien zu entnehmen ist. Bereits seit den 1940er Jahren ist photochemischer Smog aus Los Angeles bekannt, und in den 1970er Jahren wurden die ersten anthropogen erhöhten Ozonkonzentrationen in Mitteleuropa gemessen. Daß das Thema erst in den letzten Jahren verstärkt in der Öffentlichkeit und in der Politik diskutiert wird, liegt an einem veränderten gesellschaftlichen Umweltbewusstsein.

Im Mittelpunkt der Darstellung des photochemischen Smogs steht das Ozon. Es ist hinsichtlich seines chemischen Verhaltens, seiner Immissionskonzentration und seiner Wirkung repräsentativ für eine ganze Reihe von Stoffen, die zu den Oxidantien des photochemischen Smogs gezählt werden. Nach einer Einführung in die Zusammensetzung und Gliederung der Erdatmosphäre werden zunächst die wichtigsten Luftverunreinigungen, unter besonderer Berücksichtigung des Straßenverkehrs, als Emission und Immission vorgestellt. Hierbei wird der besondere Status des Ozons deutlich, das als Sekundärschadstoff nicht direkt emittiert, sondern aus Primärschadstoffen gebildet wird. Um die Smogchemie zu verstehen, werden die Auf- und Abbauprozesse des Ozons in der Stratosphäre sowie die Senken und indirekten Quellen in der Troposphäre geschildert. Dies ist die Basis für die nachfolgende Betrachtung der photochemischen Smogreaktionen. Berücksichtigt werden dabei auch Aldehyde und Peroxyacylnitrate, die ebenfalls als toxische Bestandteile von Smogatmosphären angesehen werden.

Der typische tageszeitliche Konzentrationsverlauf und der Transport von Smogkomponenten wird am Beispiel von Los Angeles aufgezeigt, um die Zusammenhänge mit bestimmten Emissionsereignissen des Straßenverkehrs zu veranschaulichen. Schließlich werden die signifikanten Unterschiede der Ozonbelastung zwischen Ballungs- und Reinluftgebieten und der zugrunde liegende chemische Reaktionsmechanismus dargestellt. Dadurch wird die überregionale Dimension dieses Umweltproblems ersichtlich. Dies zeigt sich auch in Deutschland, wo ein ausgeprägtes Süd-Nord-Gefälle der Ozonbelastung zu erkennen ist. Die sommerlichen Spitzenwerte zwischen 300 und 400 µg/m3 werden überwiegend in den dichtbesiedelten Tal- und Beckenlagen im Oberrheingraben, im Rhein-Main-Gebiet und in der Kölner Bucht erreicht. In der norddeutschen Tiefebene sind die Ozonkonzentrationen deutlich niedriger. Dies resultiert aus besseren atmosphärischen Austauschverhältnissen, da die Windgeschwindigkeiten mit zunehmender Küstennähe höhere Werte annehmen und die Zufuhr frischer Luftmassen von den weitaus schwächeren Reliefenergien kaum gestört wird.

Ein eigenes Kapitel der Diplomarbeit behandelt die möglichen Wirkungen von Ozon auf den Menschen und auf die Pflanzenwelt vor dem Hintergrund der Grenz- und Schwellenwerte. Nach dem Kenntnisstand der Forschung sind bei erhöhten Ozonkonzentrationen in Deutschland lediglich unter ungünstigen Umständen geringfügige Beeinträchtigungen des menschlichen Wohlbefindens zu erwarten. Allerdings basieren diese Erkenntnisse auf wenigen epidemiologischen Untersuchungen, so daß hier weiterer Forschungsbedarf besteht. Ein Schwerpunkt sollte dabei auf synergistischen Wirkungen durch Ozon und andere Luftschadstoffe liegen. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erreichen, wird eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Behörden, Geowissenschaften, Chemie und Medizin notwendig sein.

Unter Berücksichtigung der im ersten Teil der Diplomarbeit gewonnenen Erkenntnisse werden Messungen von Ozon, Stickoxiden, Kohlenmonoxid, methanfreien Kohlenwasserstoffen und meteorologischen Parametern im Gebiet des Bundeslandes Hamburg im Jahre 1992 mittels statistischer und kartographischer Methoden analysiert und bewertet, um eine quantitative und qualitative Einordnung der Ozonbelastung in Hamburg vornehmen zu können. Das zugrunde liegende Hamburger Luftmessnetz ist das dichteste seiner Art in Deutschland. Die systematische Rasteranordnung deckt ein Gebiet von bis zu 208 Quadratkilometern ab. Für die statistische Analyse standen sämtliche Halbstundenwerte des Kalenderjahres 1992 zur Verfügung (44.286 Datensätze mit 2.125.728 Messwerten). Eine erste Charakterisierung der regionalen Immissionssituation ergibt sich durch die Auswertung der Jahresgänge und mittleren Tagesgänge der Luftschadstoffe. Durch die Berechnung der Monatsmittelwerte werden zunächst zufällig erscheinende Konzentrationsschwankungen systematisch zusammengefasst. Ein Vergleich der Jahresgänge verschiedener Schadstoffe erlaubt Rückschlüsse auf unterschiedliche Quellgruppen. Die tageszeitliche Variation der Schadstoffbelastung in Hamburg hat demnach anthropogene und natürliche Gründe. Die Emissionen des Straßenverkehrs treten mit den Verkehrsspitzen in der Analyse deutlich hervor. Oxidations- und Senkenprozesse instabiler Luftschadstoffe können ebenfalls nachgewiesen werden.

Für den Analysezeitraum 1992 werden die monatlichen Konzentrationsverläufe des Ozons im Tagesmittel und -maximum mit den jeweiligen Witterungsverhältnissen verglichen, um herauszufinden, in welchem Ausmaß die Wetterlage die Ozonbelastung beeinflusst. Aufgrund des starken Zusammenhangs ergibt sich die Schwierigkeit, einen langfristigen Trend der Ozonkonzentration zu bestimmen. Da das Luftmessnetz Hamburg erst seit 1985 besteht, könnten die überdurchschnittlich warmen Sommer der letzten Jahre die vorhandene ansteigende Tendenz des gleitenden Jahresmittels mitverursacht haben.

Drei Tage mit den höchsten Tagesmittelwerten der Ozonkonzentration im Jahre 1992 werden einer speziellen Betrachtung unterzogen. Hierbei zeigen sich signifikante zeitliche und räumliche Konzentrationsschwankungen des Tagesgangs der Ozonbelastung. Mit Hilfe einer Regressions- und Korrelationsanalyse läßt sich der Parameter Windgeschwindigkeit für Hamburg als ozonreduzierend charakterisieren. Diese Ergebnisse lassen sich als Grundlage für die Entwicklung eines Ausbreitungsmodells nutzen, das mit kartographischen Mitteln die Belastungsschwerpunkte im Hamburger Raum während der ausgewählten Ozonepisode zeigt. Es wird deutlich, dass die jeweils vorherrschende Windrichtung Hamburger Sommersmogepisoden stark beeinflusst. Mit östlichen bzw. südöstlichen Winden während einer Hochdruckperiode werden offensichtlich bereits mit Schadstoffen vorbelastete Luftmassen herantransportiert. Die Datenanalyse erlaubt schließlich eine Erörterung der umweltpolitischen Maßnahmen auf Bundes- und Landesebene bei erhöhten Ozonkonzentrationen in Deutschland.

Zusammenfassend ergibt die statistische Analyse für Hamburg eine für deutsche Verhältnisse mittlere Ozonbelastung, die im Jahre 1992 lediglich in ihren Spitzen knapp über dem von der Umweltministerkonferenz festgesetzten Schwellenwert von 180 µg/m3 lag. Darüber hinaus wird deutlich, wie komplex Bildungs- und Ausbreitungsvorgänge des Ozons sind. Mit den Daten des existierenden Luftmessnetzes können die teilweise signifikanten Unterschiede in der örtlichen und zeitlichen Belastung nicht immer befriedigend erklärt werden. Nötig wäre daher ein Luftmessnetz mit einer größeren Anzahl von Messgeräten für Ozon. Damit wäre es möglich, zwischen dem natürlichen Rauschen der Ozonkonzentration und bestimmten Emissionsereignissen des Straßenverkehrs zu differenzieren.

Es erscheint zudem sinnvoll, generell sämtliche Sommersmogepisoden in Hamburg einer Regressions- und Korrelationsanalyse zu unterziehen. Die Grundgesamtheit der Daten hierfür sollte möglichst groß sein, um den Einfluss zufälliger Abweichungen ausschließen zu können. Auf der Basis der Ergebnisse kann ein Ausbreitungsmodell Klarheit über die lokalen Immissionsschwerpunkte des Ozons in Hamburg schaffen. Derartige Kenntnisse sind die notwendige Voraussetzung für die Entscheidung, ob mit verkehrslenkenden oder verkehrseinschränkenden Maßnahmen dem Problem des Sommersmogs gezielt und wirksam entgegengewirkt werden kann.

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