Bodennahe Ozoneffekte auf die menschliche Gesundheit unter dem sich verändernden Klima

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Gesundheitsfragen

Bodennahes Ozon wirkt sich auf die menschliche Gesundheit aus, indem es die Atem- und Herz-Kreislauf-Funktion beeinträchtigt, was zu mehr Krankenhauseinweisungen, Schul- und Arbeitsausfällen, Medikamentenkonsum und sogar vorzeitiger Mortalität führt. Kurzfristige Ozonexposition ist mit Atemwegssymptomen, verminderter Lungenfunktion und Atemwegsentzündungen verbunden; langfristige Exposition mit verschlimmertem Asthma und einer erhöhten Inzidenz von Schlaganfällen. Im Gegensatz zu den nachteiligen Auswirkungen von troposphärischem oder bodennahem Ozon – dem Ozon, das wir atmen – ist stratosphärisches Ozon durch die Blockierung der UV-Strahlung für die menschliche Gesundheit von Vorteil.

Beobachtete Effekte

Bodennahe Ozonbildung und ihre meteorologische Empfindlichkeit

Oberflächenozon (O₃) ist ein sekundärer Schadstoff, der in der Atmosphäre in Gegenwart von Sonnenlicht und chemischen Ausgangsstoffen erzeugt wird. Die wichtigsten Vorläufer von Ozon sind Stickoxide (NOx) und flüchtige organische Verbindungen (VOC), die in erster Linie aus Transport- und Industrieaktivitäten stammen, die weitgehend mit städtischen Gebieten verbunden sind. Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH₄) aus heimischen und landwirtschaftlichen Quellen spielen tendenziell eine untergeordnete Rolle bei der Ozonbildung. Ozonvorläufer können auch einen natürlichen Ursprung haben, wie biogene Emissionen von VOC, Bodenemissionen von NOx, Emissionen von Waldbränden von CO und Biosphärenemissionen von Methan (Cooper et al., 2014; Mönche et al., 2015).

Maximale Ozonkonzentrationen treten im Allgemeinen Dutzende von Kilometern entfernt von den städtischen Gebieten auf, in denen die Hauptquellen von Ozonvorläufern im Gegensatz zu anderen Luftschadstoffen (wie Feinstaub und Stickstoffdioxid) sind, die sich weitgehend in Städten konzentrieren. Da die photochemische Bildung von Ozon mehrere Stunden dauert, können Winde die Verschmutzungsfahne transportieren, bevor Ozon gebildet wird. Darüber hinaus degradieren bestimmte NOx-Arten Ozon unter bestimmten Bedingungen (d. h. in der Nähe der Emissionsquellen, nachts oder im Winter), was in der Regel zu niedrigeren Ozonkonzentrationen über Stadtzentren führt, in denen NOx emittiert wird. Einmal gebildet, Ozon kann in der Atmosphäre für Tage bis Wochen aufrechterhalten werden, oft durch Langstrecken- oder grenzüberschreitenden Transport. Dennoch sind auch in städtischen – und vor allem Vororten – Gebieten hohe Ozonwerte zu beobachten.

Da die Ozonerzeugung Sonneneinstrahlung erfordert, erreichen Ozonkonzentrationen in der Regel ein tägliches Maximum ein paar Stunden nach Mittag. Die Konzentrationen folgen auch einem ausgeprägten saisonalen Zyklus, der in Europa zwischen dem frühen Frühjahr und dem Spätsommer seinen Höhepunkt erreicht. Die Abhängigkeit vom Sonnenlicht macht Ozon sehr empfindlich auf meteorologische und klimatische Variabilität. Die Schwankungen von Ozon von einem Jahr zum anderen hängen weitgehend davon ab, wie warm und trocken der Sommer ist; intensive Hitzewellen können zu Spitzen-Ozonwerten führen. Die Beziehung zum Sonnenlicht bedeutet, dass Südeuropa tendenziell höhere Ozonkonzentrationen aufweist als Nordeuropa (EWR, 2022a).

Konzentrationen und Exposition der Bevölkerung

Die jährlichen Ozonkonzentrationen haben sich in Europa zwischen 2005 und 2019 leicht erhöht, während die höchsten Ozonspitzen zurückgegangen waren (Solberg et al., 2022). Im Jahr 2020 erreichten nur 19 % aller bodennahen Ozonmessstellen in ganz Europa das langfristige Ziel, das in der Richtlinie über Umgebungsluftqualität von 2008 festgelegt wurde, wonach der maximale Tagesdurchschnitt von acht Stunden innerhalb eines Kalenderjahres 120 Mikrogramm pro Kubikmeter (µg/m³) nicht überschreiten darf. In ganz Europa registrierten 21 Länder, darunter 15 EU-Mitgliedstaaten, Ozonkonzentrationen, die über den EU-Zielwert für den Schutz der menschlichen Gesundheit hinausgingen (das maximale tägliche Achtstundenmittel von 120 µg/m³) (EWR, 2022a). Der Anteil der Bevölkerung, die Oberflächenozon über den EU-Zielwerten ausgesetzt ist, schwankte zwischen einem Höchststand von 64 % im Jahr 2003 und 9 % im Jahr 2014 (EWR, 2022b). Der Anteil der Bevölkerung, der Konzentrationen ausgesetzt war, die über dem kurzfristigen Richtwert 2021 der WHO lagen (das maximale tägliche Achtstundenmittel von 100 µg/m³) schwankte im Zeitraum 2013-2020 zwischen 93 % und 98 %, wobei der Trend im Laufe der Zeit nicht rückläufig war.

Auswirkungen auf die Gesundheit

Hohe Ozonwerte verursachen Atemprobleme, lösen Asthma aus, reduzieren die Lungenfunktion und verursachen Lungenerkrankungen (WHO, 2008). Im Jahr 2019 wurden 12253 Menschen in 23 europäischen Ländern mit Atemwegserkrankungen behandelt, die durch akute Ozonexposition verursacht oder verschärft wurden. Die Belastung durch Sterblichkeit und Morbidität, die durch die Exposition gegenüber Ozonspiegeln verursacht wird, ist in den nordeuropäischen Ländern in der Regel niedriger als im übrigen Europa (EWR, 2022a). Im Jahr 2020 starben schätzungsweise 24000 Menschen in den 27 EU-Mitgliedstaaten vorzeitig an einer akuten Ozonexposition über 70 µg/m 3^. Die Länder mit den höchsten Sterblichkeitsraten im Jahr 2020 aufgrund der Ozonexposition waren Albanien, Montenegro, Griechenland, Bosnien und Herzegowina und Nordmazedonien in der Reihenfolge eines rückläufigen Rangs (EWR, 2022a). Seit 2005 gibt es keinen spezifischen Trend bei der bodennahen Ozon-bedingten Sterblichkeit, und die jährliche Variabilität hängt hauptsächlich von den Sommertemperaturen ab (Solberg et al., 2022).

Neben den direkten Auswirkungen auf die Gesundheit wird Oberflächenozon durch die Stomata von Pflanzen absorbiert und kann sich negativ auf Pflanzen und forstwirtschaftliche Erträge auswirken, was sich auf die Nahrungsversorgung auswirkt. Es wurde geschätzt, dass die Weizenerträge in Europa 2019 auf 9 % gesenkt werden. In Bezug auf die wirtschaftlichen Verluste gingen 1,4 Mrd. EUR in 35 Ländern verloren (EWR, 2022c).

Projizierte Effekte

Zukünftige bodennahe Ozonkonzentrationen

Die jährliche Variabilität der Ozonkonzentrationen und deren Spitzenwerte werden durch die anhaltenden und zukünftigen Veränderungen der wichtigsten atmosphärischen Parameter auf komplexe Weise beeinflusst (Tabelle 1). Eine höhere Wahrscheinlichkeit von Hitzewellen wird wahrscheinlich zu einem Anstieg der bodennahen Ozonkonzentrationsspitzen führen. Erhöhte Sonneneinstrahlung und Sommertemperaturen werden auch den chemischen Prozess der Ozonbildung beschleunigen. Die Emission von VOC (dem Ozonvorläufer) wird durch wärmere Sommer erhöht (Langner et al., 2012), aber auch um höhere CO2-Werte_in der Atmosphäre (Szopa et al., 2021). Häufigere Waldbrände im Sommer werden sowohl VOC- als auch CO-Emissionen verursachen (Parrington et al., 2013). Die Entfernung von Ozon aus der Atmosphäre durch Absorption durch Vegetation – selbst schädlich für Pflanzen – kann durch Hitze- und Wasserbelastung auf Pflanzen reduziert werden (Szopa et al., 2021). Gleichzeitig wird die erhöhte Luftfeuchtigkeit die Ozonzerstörung in Gebieten mit niedrigem NOx-Wert erhöhen, wie zum Beispiel in maritimen Gebieten in Skandinavien (Colette et al., 2015).

Tabelle 1: Auswahl von meteorologischen Parametern, die unter zukünftigem Klimawandel zunehmen können, und ihre Auswirkungen auf den Ozonspiegel

^{Quelle: Adaptiert von Jacob and Winner (2009), The Royal Society (2008) und Lin et al. (2020)}

Es wird erwartet, dass der künftige Klimawandel die Ozonkonzentrationen erhöhen wird, aber dieser Anstieg sollte im Tagesmaximum bis Mitte des Jahrhunderts 5 µg/m³ nicht überschreiten und würde daher wahrscheinlich durch Verringerungen des Ozongehalts aufgrund geplanter künftiger Emissionsreduktionen von Ozonvorläufern überwiegen. Die Projektionen zum Ende des Jahrhunderts deuten jedoch auf einen Anstieg der Ozonkonzentrationen von bis zu 8 µg/m³ hin. Rückgänge werden nur auf ozeanische und nördlichste Gebiete (britische Inseln, skandinavische und baltische Länder) projiziert (Abbildung 1).

Abbildung 1. Modellierte zukünftige Veränderung der sommerlichen bodennahen Ozonkonzentrationen (tägliche Maxima) über Europa zur Mitte des Jahrhunderts (links) und am Ende des Jahrhunderts (rechts). Quelle: USW./ACM (2015)

Auswirkungen auf die Gesundheit

Die Sterblichkeit im Zusammenhang mit der akuten Ozonexposition wird voraussichtlich bis 2050 aufgrund des Klimawandels steigen, insbesondere in Mittel- und Südeuropa (Orru et al., 2019; Selin et al., 2009). Geels et al. (2015) schätzt, dass allein der Klimawandel im Rahmen des RCP 4.5-Klimaszenarios zu einem Anstieg der Gesamtzahl der durch Ozon bedingten akuten vorzeitigen Todesfälle in Europa bis in die 2080er Jahre führen wird. Nettoverluste des wirtschaftlichen Wohlergehens (einschließlich Sterblichkeitskosten und Freizeitverluste) aufgrund von Ozon-bedingten Auswirkungen auf die Gesundheit durch Klima- und Vorläuferemissionen könnten sich zwischen 2000 und 2050 auf 9,1 Mrd. EUR ansammeln. Die Auswirkungen auf die Kosten projizierter Änderungen der Emissionen würden die Klimaauswirkungen weitgehend übertreffen (Selin et al., 2009).

P-Antworten

Überwachung, Ziele und Warnungen

Gemäß der Richtlinie über Umgebungsluftqualität von 2008 sind die europäischen Mitgliedstaaten für die Überwachung und Meldung von bodennahen Ozondaten an die Europäische Umweltagentur zuständig. Die Überwachung der stündlichen Ozonkonzentrationen erfolgt an fast 2000 Stationen in ganz Europa, einschließlich ländlicher, vorstädtischer und städtischer Hintergrundstationen – um die Exposition der Bevölkerung zu dokumentieren. Ozonkonzentrationen werden auch an Industrie- und Verkehrsstationen gemessen, die sich in unmittelbarer Nähe zu einer Hauptstraße oder einem Industriegebiet/Quelle befinden.

Die Richtlinie über Luftqualität von 2008 legt einen Zielwert und einen langfristigen Zielwert für Ozon zum Schutz der menschlichen Gesundheit fest. Tabelle 2 enthält einen Überblick über die in der Richtlinie festgelegten rechtlichen Normen für bodennahes Ozon zum Schutz der Gesundheit von Mensch und Umwelt.

Tabelle 2: Überblick über Schwellenwerte und Zielwerte sowie langfristige Ziele für atmosphärisches bodennahes Ozon

^{* AOT40 (µg/m³ x Stunden) ist die Summe der Differenz zwischen Stundenkonzentrationen größer als 80 µg/m³ und 80 µg/m³ über einen bestimmten Zeitraum, wobei nur die 1-Stunden-Werte verwendet werden, die zwischen 8.00 und 20.00 Uhr Mitteleuropäische Zeit (CET) pro Tag gemessen}werden.

Die Richtlinie über Luftqualität von 2008 enthält auch regulatorische Verpflichtungen, um die Bevölkerung über hohe Konzentrationen von bodennahem Ozon zu informieren (Tabelle 2). Der Informationsschwellenwert spiegelt ein „Niveau wider, ab dem ein Risiko für die menschliche Gesundheit durch kurze Exposition für besonders empfindliche Bevölkerungsgruppen besteht“. Bei Überschreitung der Schwelle sind die nationalen Behörden verpflichtet, die Öffentlichkeit zu informieren. Die Warnschwelle spiegelt ein „Niveau wider, über das durch kurze Exposition für die Allgemeinbevölkerung ein Risiko für die menschliche Gesundheit besteht“. Die nationalen Behörden müssen die Öffentlichkeit informieren, beraten und kurzfristige Aktionspläne umsetzen, wenn diese Schwelle überschritten wird. Die Mitgliedstaaten sollten der Europäischen Kommission über die Überschreitung beider Schwellenwerte berichten.

Informationen über die jährlichen Ozonkonzentrationen sind beim Betrachter der Luftqualitätsstatistik der EUA verfügbar. Aktuelle Informationen zur Luftqualität finden Sie im UTD-Luftqualitätsbetrachter des EWR und im Europäischen Luftqualitätsindex. Der Copernicus Atmosphere Monitoring Service bietet eine 4-tägige Vorhersage der bodennahen Ozonkonzentrationen. In mehreren europäischen Ländern sind die Ozonkonzentrationen in den Aktionsplänen für Wärmegesundheit enthalten. Sehen Sie hier ein Beispiel aus Belgien.

Konzentrationsreduzierungen

Im Jahr 2021 veröffentlichte die Weltgesundheitsorganisation (WHO) neue Luftqualitätsleitlinien zum Schutz der menschlichen Gesundheit und aktualisierte die Luftqualitätsleitlinien von 2005 auf der Grundlage einer systematischen Überprüfung der neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse darüber, wie Luftverschmutzung die menschliche Gesundheit schädigt. Die Europäische Kommission hat im Oktober 2022 einen Vorschlag für eine Überarbeitung der Richtlinie über Umgebungsluftqualität veröffentlicht, mit dem die EU-Luftqualitätsnormen enger an die Empfehlungen der WHO für 2021 angeglichen werden und Grenzwerte für alle Luftschadstoffe, die derzeit Zielwerte unterliegen, mit Ausnahme von Ozon eingeführt werden. Ozon ist aufgrund der komplexen Merkmale seiner Bildung in der Atmosphäre von dieser Änderung vom Ziel- zum Grenzwert ausgenommen, was die Beurteilung der Durchführbarkeit der Einhaltung strenger Grenzwerte erschwert.

Die Auswirkungen des Klimawandels, der die Ozonbildung verschärft, könnten die Bemühungen zur Verringerung der Emissionen von Ozonvorläufern teilweise kompensieren. Dies wird als Ozon-Klimastrafe bezeichnet. Die Kompensation dieser Klimastrafe über Europas Festland würde ehrgeizige Klimaschutzmaßnahmen erfordern (30 bis 50 % Senkung der NOx- und VOC-Emissionen). Langfristig können auch Reduktionen von Methanemissionen die Ozonbildung effizient reduzieren. Da Methan auch ein wichtiges Treibhausgas ist, kommt seine Reduzierung auch dem Klimaschutz zugute (UNEP, 2021; GFS, 2018).

Referenzen

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• Colette, A. et al., 2015, Ist die Ozon-Klimastrafe robust in Europa?, Environmental Research Letters 10(8), 084015. https://doi.org/10.1088/1748-9326/10/8/084015
• Cooper, O.R. et al., 2014, Globale Verteilung und Trends von troposphärischem Ozon: Eine Beobachtungsstudie, Elementa 2, 000029. https://doi.org/10.12952/journal.elementa.000029
• EWR, 2022a, Luftqualität in Europa 2022, Briefing Nr. 05/2022. Webbericht der Europäischen Umweltagentur
• EWR, 2022b, Überschreitung der Luftqualitätsnormen in Europa. Europäische Umweltagentur
• EWR, 2022c, Auswirkungen der Luftverschmutzung auf Ökosysteme, Webbericht der Europäischen Umweltagentur
• Etc/ACM, 2015, Modellierte zukünftige Veränderung der Ozonkonzentrationender Oberflächensommerzeit
• Geels, C. et al., 2015, Zukunft vorzeitige Sterblichkeit aufgrund der Luftverschmutzung in Europa – Empfindlichkeit gegenüber Klimaveränderungen, anthropogenen Emissionen, Bevölkerungs- und Baubestand, International Journal of Environmental Research and Public Health 12, 2837-2869. https://doi.org/10.3390/ijerph120302837
• Jacob D.J. und Gewinner D.A., 2009, Auswirkungen des Klimawandels auf die Luftqualität, Atmosphärische Umwelt 43, 51-63. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.09.051
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• Langner, J., et al., 2012, Eine Multi-Modellstudie über die Auswirkungen des Klimawandels auf Oberflächenozon in Europa, Atmosphärische Chemie und Physik 12, 10423-10440. https://doi.org/10.5194/acp-12-10423-2012
• Lin, M. et al., 2020, Vegetationsrückmeldungen während der Dürre verschärfen Ozon-Luftverschmutzung in Europa, Nature Climate Change 10, 444-451. https://doi.org/10.1038/s41558-020-0743-y
• Mönche, P.S., et al., 2015, Troposphärisches Ozon und seine Vorläufer vom städtischen bis zum globalen Maßstab von der Luftqualität bis zum kurzlebigen Klimatreiber, Atmosphärische Chemie und Physik 15, 8889-8973. https://doi.org/10.5194/acp-15-8889-2015
• Orru, H., et al., 2019, Ozon und wärmebedingte Sterblichkeit in Europa im Jahr 2050 erheblich von Klima-, Bevölkerungs- und Treibhausgasemissionen beeinflusst, Umweltforschungsschreiben 14, 074013 https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab1cd9
• Parrington, M., et al., 2013, Ozonphotochemie in borealen Biomasseverbrennungswolken, Atmosphärische Chemie und Physik 13, 7321-7341. https://doi.org/10.5194/acp-13-7321-2013
• Selin, N.E., et al., 2009, Global Health and Economic Impact of Future Ozon Luftverschmutzung, Environmental Research Letters 4, 044014. https://doi.org/10.1088/1748-9326/4/4/044014
• Solberg, S., et al., 2021, Langfristige Trends von Luftschadstoffen auf nationaler Ebene 2005-2019, ETC/ATNI-Bericht 9/2021
• Szopa, S., et al., 2021, Kurzlebige Climate Forcers. In: Masson-Delmotte V. et al., 2021, Climate Change 2021: Die physikalisch-wissenschaftliche Basis. Beitrag der Arbeitsgruppe I zum sechsten Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen.
• Die Royal Society, 2008, bodennahes Ozon im 21. Jahrhundert: zukünftige Trends, Auswirkungen und politische Implikationen, The Royal Society Policy Document
• UNEP, 2021, Global Methane Assessment: Vorteile und Kosten der Minderung der Methanemissionen. UNEP CCAC
• WHO Europa, 2008, Gesundheitsrisiken von Ozon durch weiträumige grenzüberschreitende Luftverschmutzung. Regionalbüro der Weltgesundheitsorganisation für Europa
  
  

Links zu weiteren Informationen

• Bodennahe Ozonprognose
  
  

• Europäischer Luftqualitätsstatus 2023
  
  

• EWR-Zuschauer für Luftqualitätsstatistiken
  
  

• Der aktuelle Luftqualitätsdatenbetrachter der EUA
  
  

• Elemente im Ressourcenkatalog