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Ozon

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Definition: ein chemisch aggressives Gas

Summenformel: O3

Englisch: ozone

Kategorie: Umwelt und Ökologie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 19.08.2014; letzte Änderung: 18.10.2015

Ozon (chemische Formel: O3) ist ein chemisch sehr aggressives Gas. Es besteht aus Molekülen, die jeweils drei Sauerstoffatome enthalten – im Unterschied zu gewöhnlichem Sauerstoffgas (O2), dessen Moleküle aus jeweils nur zwei Sauerstoffatomen bestehen. Ozonmoleküle geben leicht ein Sauerstoffatom an ein anderes Molekül ab, wodurch letzteres oxidiert wird und das Ozon zu gewöhnlichem Sauerstoff wird.

Ozon kommt natürlicherweise in der Atmosphäre vor. In den niedrigen (erdnahen) Schichten (in der Troposphäre) ist seine Konzentration jedoch normalerweise sehr gering. Dagegen treten in der Stratosphäre erhebliche natürliche Ozonkonzentrationen auf.

Das Ozon in tiefen atmosphärischen Schichten ist für viele Lebewesen (sowohl Tiere als auch Pflanzen) wegen seiner aggressiven oxidierenden Wirkung sehr schädlich (siehe unten). Andererseits ist das stratosphärische Ozon für das Leben auf der Erde sehr wichtig, da Ozon ultraviolettes Licht von der Sonne stark absorbiert und damit Lebewesen vor diesem aggressiven Licht schützt. Vor allem über der Antarktis ist die Konzentration des stratosphärische Ozons in bestimmten Jahreszeiten stark reduziert durch den Einfluss von ozonzerstörenden Substanzen, die früher in großen Mengen emittiert wurden. Dieser Effekt wird als Ozonloch bezeichnet. Eine besonders große Rolle spielen dabei gewisse Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe z. B. aus Treibmitteln, Kältemitteln und Feuerlöschmitteln. Da die Emissionen solcher Stoffe durch internationale Vereinbarungen (Montreal-Protokoll) inzwischen weltweit sehr stark reduziert wurden, nimmt ihre Konzentration in der Stratosphäre wieder langsam ab. Innerhalb der nächsten Jahrzehnte wird sich deswegen das Ozonloch voraussichtlich wieder schließen.

Ozon wirkt auch als Treibhausgas. Durch menschliche Aktivitäten erhöhte Ozonkonzentrationen tragen deswegen auch zu einem gewissen Teil zu den Klimagefahren bei.

Entstehung von Ozon

Ozon kann bei sehr hohen Temperaturen direkt aus Sauerstoff entstehen. Dies ist z. B. der Fall in Blitzen und in anderen elektrischen Entladungen, z. B. bei Koronaentladungen an Hochspannungsleitungen. Ähnlich wie bei der Bildung von Stickoxiden zerfällt Ozon größtenteils wieder, wenn nach der starken Erhitzung eine langsame Abkühlung erfolgt. Bei plötzlicher Abkühlung jedoch, wie z. B. bei einem Blitz, bleibt ein wesentlicher Teil des Ozons erhalten.

Auch die Bestrahlung von Luft mit ultravioletten Licht (UV-C-Strahlung) z. B. von der Sonne kann Ozon aus Sauerstoff entstehen. Hierbei werden zunächst Sauerstoffmoleküle in einzelne Sauerstoffatome aufgespalten, und diese reagieren dann zum Teil mit anderen Sauerstoffmolekülen zu Ozon.

Stickoxide tragen stark zur Ozonbildung bei, obwohl sie lokal sogar Ozonabbau bewirken können. Ihre ozonbildende Wirkung entfalten sie oft weit ab von den Quellen.

Außerdem entsteht Ozon in komplexen chemischen Reaktionen aus anderen Schadstoffen wie Stickoxiden, die z. B. in industriellen Großfeuerungsanlagen (auch Kraftwerken) und in Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen entstehen. Wenn zusätzlich flüchtige Kohlenwasserstoffe (ebenfalls aus Abgasen oder auch aus natürlichen Quellen) vorhanden sind, fördert dies die Bildung von Ozon. Ultraviolettes Licht ist auch an solchen Reaktionen beteiligt; deshalb treten hohe Ozonwerte häufig bei schönem Sommerwetter auf (Sommersmog, photochemischer Smog). Auf der anderen Seite kann Ozon bei lokalen hohen Stickoxidkonzentrationen auch wieder abgebaut werden. Deswegen ist die Ozonkonzentration in Städten mit starker Luftverschmutzung oft nicht allzu hoch, kann aber im Umland solcher Städte stark erhöht sein. Die Ozonbildung aus Stickoxiden ist übrigens relativ langsam und erfolgt auch aus diesem Grund zum guten Teil erst außerhalb der Städte.

Maßnahmen zur Luftreinhaltung können die Ozonproblematik mildern, sind jedoch auch heute nicht perfekt wirksam.

Diverse Verfahren für die Reinigung von Abgasen wirken der Ozonbildung entgegen. Beispielsweise verfügen moderne Kraftwerke über effektive Entstickungsanlagen, und die Stickoxidemissionen von Autos werden heute durch die verwendeten Abgaskatalysatoren stark reduziert. Allerdings sind die Katalysatoren z. B. vor Erreichen der notwendigen Arbeitstemperatur weitgehend unwirksam, sodass vor allem im Kurzstreckenverkehr immer noch viel Stickoxide entstehen.

Für diverse Zwecke wird Ozon auch industriell oder in kleineren Anlagen hergestellt. Beispielsweise wird es bei der Wasseraufbereitung eingesetzt wegen seiner desinfizierenden Wirkung. Die Freisetzung von absichtlich hergestelltem Ozon trägt allerdings nur marginal zur Luftbelastung bei; Prozesse der Energietechnik sind hier stark dominierend.

Ozon entsteht auch beim Betrieb von sogenannten Ionisatoren, die die Qualität der Luft in Räumen erhöhen sollen. Dies könnte allerdings gerade gesundheitliche Nachteile bringen [2].

Gesundheitliche Wirkungen von Ozon

Bei Menschen und Tieren schädigt Ozon hauptsächlich die Atemwege. Es gelangt in die Lungen, oxidiert dort verschiedene Substanzen und führt auf diese Weise zu einer Reizung. Diese kann wiederum Entzündungen hervorrufen, die weitere nachteilige Folgen haben können. Auch die Lungenfunktion wird beeinträchtigt, und die körperliche Leistungsfähigkeit nimmt ab.

Weitere Reduktionen der Ozonbelastung wären aus gesundheitlichen Gründen sehr wünschenswert.

Akute Symptome wie Schleimhautreizungen, Hustenreiz und Tränenfluss treten bei Ozonkonzentrationen ab ca. 200 μg/m3 auf. Häufige oder lange anhaltende Konzentrationen auf diesem Niveau führen zu einer Zunahme von Atemwegserkrankungen wie Asthma und auch zu vorzeitigen Todesfällen. Auch die Anfälligkeit für Allergien (z. B. gegen Gräserpollen) scheint durch erhöhte Ozonbelastungen zuzunehmen. Aus diesen Gründen wäre es sehr wünschenswert, dass die Ozonkonzentration in der Atemluft dauerhaft unter 100 μg/m3 bleibt. Leider treten auch in Deutschland häufig Ozonwerte auf, die als gesundheitlich bedenklich angesehen werden. Besonders gefährdet sind Menschen, die bereits unter Atemwegserkrankungen leiden, Säuglinge und Kleinkinder sowie Menschen, die z. B. beruflich bedingt körperlich anstrengende Tätigkeiten im Freien ausüben.

In geschlossenen Räumen sind die Ozonkonzentrationen meist deutlich niedriger als im Freien, da sich das Ozon an Wänden und Gegenständen abreagiert und dabei zerfällt.

In Deutschland gilt für Ozon eine Informationsschwelle von 180 μg/m3 und eine Alarmschwelle von 240 μg/m3 (beides als 1-Stunden-Wert). Bei Überschreitung der Informationsschwelle wird die Bevölkerung über die Medien informiert und zu einem angepassten Verhalten aufgefordert. Man sollte dann beispielsweise starke körperliche Anstrengungen im Freien vermeiden. Der Zielwert von 120 μg/m3 als maximaler 8-Stunden-Wert eines Tages darf an höchstens 25 Tagen pro Jahr, gemittelt über 3 Jahre, überschritten werden. Dies wird jedoch vielerorts nicht erreicht. Vielerorts gibt es Jahresmittelwerte zwischen 50 und 75 μg/m3, und die sommerlichen Spitzenwerte liegen weit höher. Im Prinzip kann Ozon bereits ab 40 μg/m3 durch seinen Geruch erkannt werden, jedoch wird der Geruch durch Gewöhnung bald nicht mehr wahrgenommen.

Auch Pflanzen werden durch Ozon geschädigt. Dadurch entstehen verminderte Erträge in der Landwirtschaft.

Literatur

[1]Aktuelle Luftdaten vom Umweltbundesamt, http://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/aktuelle-luftdaten
[2]H. Heberer et al., “Überlegungen zur Wirkung und toxikologischen Relevanz von NTP-Luftreinigungsgeräten”, https://www.stadt-zuerich.ch/content/dam/stzh/gud/Deutsch/Umwelt/Luft/Luft%20allgemein/Merkblaetter%20und%20Formulare/Fachartikel_NTP-Luftreinigungsgeraete.pdf

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Abgas, Stickoxide, Kältemittel, unverbrannte Kohlenwasserstoffe
sowie andere Artikel in der Kategorie Umwelt und Ökologie

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