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Auswirkungen von bodennahem Ozon auf die menschliche Gesundheit unter dem sich wandelnden Klima

Klicken Sie auf das Bild, um auf die viertägige bodennahe Ozonprognose des Copernicus-Atmosphärenüberwachungsdienstes zuzugreifen.

Gesundheitsprobleme

Bodennahes Ozon wirkt sich auf die menschliche Gesundheit aus, indem es die Atmungs- und Herz-Kreislauf-Funktion beeinträchtigt, was zu mehr Krankenhauseinweisungen, Schul- und Arbeitsausfällen, Medikamentenkonsum und sogar vorzeitiger Mortalität führt. Kurzfristige Exposition gegenüber Ozon ist mit Atemwegssymptomen, verminderter Lungenfunktion und Atemwegsentzündung verbunden; Langzeitexposition 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 vorteilhaft für die menschliche Gesundheit, indem es UV-Strahlung blockiert.

Beobachtete Effekte

Bodennahe Ozonbildung und seine meteorologische Empfindlichkeit

Oberflächen-Ozon (O3) ist ein sekundärer Schadstoff, der in der Atmosphäre in Gegenwart von Sonnenlicht und chemischen Vorläufern produziert wird. Die wichtigsten Vorläufer von Ozon sind Stickoxide (NOx) und flüchtige organische Verbindungen (VOC), die hauptsächlich aus Transport- und Industrietätigkeiten stammen, die weitgehend mit städtischen Gebieten verbunden sind. Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH4), das von privaten und landwirtschaftlichen Quellen emittiert wird, spielen bei der Ozonbildung eine untergeordnete Rolle. Ozonvorläufer können auch natürlichen Ursprung haben, wie biogene Emissionen von VOC, Bodenemissionen von NOx, Waldbrände-Emissionen von CO und Biosphärenemissionen von Methan (Cooper et al., 2014; Monks et al., 2015).

Maximale Ozonkonzentrationen treten in der Regel Dutzende von Kilometern entfernt von den städtischen Gebieten auf, wo die Hauptquellen von Ozonvorläufern liegen, im Gegensatz zu anderen Luftschadstoffen (wie Feinstaub und Stickstoffdioxid), die sich weitgehend in Städten konzentrieren. Da die photochemische Bildung von Ozon mehrere Stunden dauert, können Winde die Verschmutzungswolke 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, kann Ozon tage- bis wochenlang in der Atmosphäre aufrechterhalten werden, häufig im Fern- oder grenzüberschreitenden Transport. Dennoch sind auch in städtischen – und vor allem Vorortgebieten – hohe Ozonwerte zu beobachten.

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

Konzentrationen und Bevölkerungsexposition

Die jährlichen Ozonkonzentrationen stiegen in Europa zwischen 2005 und 2019 leicht an, während die höchsten Ozonspitzen zurückgegangen waren (Solberg et al., 2022). Im Jahr 2020 erreichten nur 19 % aller bodennahen Ozonüberwachungsstationen in ganz Europa das in der Luftqualitätsrichtlinie 2008 festgelegte langfristige Ziel, dass der maximale Tagesdurchschnitt von acht Stunden 120 Mikrogramm pro Kubikmeter (µg/m3) innerhalb eines Kalenderjahres nicht überschreiten darf. In ganz Europa registrierten 21 Länder, darunter 15 EU-Mitgliedstaaten, Ozonkonzentrationen, die über dem EU-Zielwert für den Schutz der menschlichen Gesundheit liegen (der maximale tägliche Achtstunden-Durchschnitt von 120 µg/m3 µg/m 3) (EUA, 2022a). Der Anteil der Bevölkerung, die Oberflächenozon über dem EU-Zielniveau ausgesetzt ist, schwankte zwischen einem Höchststand von 64 % im Jahr 2003 und 9 % im Jahr 2014 (EWR, 2022b). Der Anteil der Bevölkerung, die Konzentrationen über dem kurzfristigen Leitwert der WHO für 2021 (der maximale tägliche Achtstundenmittelwert von 100 µg/m3) lag, schwankte zwischen 93 % und 98 % im Zeitraum 2013-2020, ohne dass sich der Trend im Laufe der Zeit verringerte.

Gesundheitliche Auswirkungen

Hohe Ozonspiegel verursachen Atemprobleme, lösen Asthma aus, reduzieren die Lungenfunktion und verursachen Lungenerkrankungen (WHO, 2008). Im Jahr 2019 wurden 12 253 Menschen in 23 europäischen Ländern mit Atemwegserkrankungen, die durch akute Ozonexposition verursacht oder verschlimmert wurden, ins Krankenhaus eingeliefert. Die Sterblichkeits- und Morbiditätsbelastung, die durch die Exposition gegenüber Ozon verursacht wird, ist in den nordeuropäischen Ländern in der Regel geringer als im übrigen Europa (EWR, 2022a). Im Jahr 2020 starben schätzungsweise 24 000 Menschen in den 27 EU-Mitgliedstaaten aufgrund einer akuten Ozonexposition über 70 µg /m 3 vorzeitig. Die Länder mit den höchsten Sterblichkeitsraten aufgrund der Ozonexposition im Jahr 2020 waren Albanien, Montenegro, Griechenland, Bosnien und Herzegowina und Nordmazedonien in der Reihenfolge des abnehmenden Rangs (EWR, 2022a). Seit 2005 gibt es keinen spezifischen Trend bei der ozonbedingten Mortalität im Boden, und die Variabilität von Jahr zu Jahr hängt hauptsächlich von den Sommertemperaturen ab (Solberg et al., 2022).

Neben den direkten gesundheitlichen Auswirkungen wird Oberflächenozon durch die Stomata von Pflanzen absorbiert und kann sich negativ auf die Ernte und die Forsterträge auswirken, was die Nahrungsmittelversorgung beeinträchtigt. Die Weizenerträge wurden in Europa voraussichtlich bis zu 9 % im Jahr 2019 gesenkt. In Bezug auf wirtschaftliche 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 laufenden 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 Sonnenstrahlung 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 inder Atmosphäre verringert (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 Pflanzen – selbst schädlich für Pflanzen – kann durch Hitze- und Wasserstress bei Pflanzen reduziert werden (Szopa et al., 2021). Gleichzeitig wird eine erhöhte Luftfeuchtigkeit die Ozonzerstörung in Gebieten mit niedrigem NOx-Wert erhöhen, wie zum Beispiel in Seegebieten in Skandinavien (Colette et al., 2015).

 

Tabelle 1: Auswahl von meteorologischen Parametern, die unter dem künftigen Klimawandel zunehmen können, und deren Auswirkungen auf den Ozonspiegel

Klimaveränderung

Konsequenz

Auswirkungen auf den Ozonspiegel

Die Temperatur

Schnellere Chemie

Erhöhen

 

Zersetzung von Stickoxid-Reservoir-Arten (PAN)

Erhöhen

Erhöhte biogene Emissionen (VOC, NO)

Erhöhen

CO2 Konzentrationen

Reduzierte biogene Emissionen

Abnehmen

Sonnenstrahlung (z. B. verminderte Bewölkung oder reduzierte optische Tiefe des Aerosols)

Schnellere Fotochemie

Erhöhung (hohe NOx)
Abnahme (niedriger NOx)

Niederschlag

Ausscheidung von löslichen Vorläufern (HNO3)

Abnehmen

Atmosphärische Luftfeuchtigkeit

Erhöhte Ozonzerstörung

Erhöhung (hohe NOx)
Abnahme (niedriger NOx)

Dürreereignisse

Verminderte Luftfeuchtigkeit und höhere Temperaturen

Erhöhen

Pflanzenstress und reduzierte Stomata-Öffnung reduzierte trockene Ablagerung auf dem Boden

Erhöhen

 

Anlagenstress reduziert BVOC-Emissionen

Abnehmen

Erhöhte Häufigkeit von Wildbränden

Erhöhen

Blockierte Wettermuster

Häufigere Episoden stagnierender Luft

Erhöhen

Zunahme der Hitzewellen im Sommer/Trockenzeit

Erhöhen

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

Es wird erwartet, dass derkünftige Klimawandel die Ozonkonzentration erhöhen wird, aber dieser Anstieg sollte bis Mitte des Jahrhunderts im Tagesmaximum 5 µg/m3 nicht überschreiten und würde daher wahrscheinlich durch eine Verringerung des Ozonspiegels aufgrund geplanter künftiger Emissionsreduktionen von Ozonvorläufern überwiegen. Die Projektionen zum Ende des Jahrhunderts deuten jedoch auf eine Erhöhung der Ozonkonzentrationen um bis zu 8 µg/m3 hin. Der Rückgang wird nur über ozeanische und nördlichste Gebiete (britische Inseln, skandinavische und baltische Länder) prognostiziert (Abbildung 1).

 

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

Gesundheitliche Auswirkungen

Die Mortalität im Zusammenhang mit der akuten Ozonexposition wird aufgrund des Klimawandels bis 2050 voraussichtlich steigen, insbesondere in Mittel- und Südeuropa (Orru et al., 2019; Selin et al., 2009). Geels et al. (2015) schätzt, dass der Klimawandel allein zu einem Anstieg um 15 %der Gesamtzahl der ozonbedingten akuten vorzeitigen Todesfälle in Europa in den 2080er Jahren im Rahmen des Klimaszenarios RCP 4.5 führen wird. Die wirtschaftlichen Nettoverluste (einschließlich Sterblichkeitskosten und Freizeitverluste) aufgrund ozonbedingter gesundheitlicher Auswirkungen von Klima- und Vorläuferemissionen könnten sich zwischen 2000 und 2050 auf 9,1 Mrd. EUR belaufen. Die Auswirkungen auf die Kosten projizierter Emissionsänderungen würden die Klimaauswirkungen weitgehend übertreffen (Selin et al., 2009).

P-Olicy-Antworten

Überwachung, Ziele und Warnungen

Gemäß der Luftqualitätsrichtlinie von 2008 sind die europäischen Mitgliedstaaten für die Überwachung und Übermittlung 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 befinden.

Die Luftqualitätsrichtlinie von 2008 legt einen Zielwert und einen langfristigen objektiven Wert für Ozon zum Schutz der menschlichen Gesundheit fest. Tabelle 2 enthälteinen Überblick über die in der Richtlinie zum Schutz der Gesundheit von Mensch und Umwelt festgelegten rechtlichen Standards für bodennahes Ozon.  

 

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

Zielwert für den Schutz der menschlichen Gesundheit

Target Wert für den Schutz der Vegetation

Langfristiges Ziel
für den Schutz der menschlichen Gesundheit

Langfristiges Ziel
für den Schutz der Vegetation

Informationsschwelle
zum Schutz der menschlichen Gesundheit

Warnschwelle zum Schutz der menschlichen Gesundheit

maximaler Tagesdurchschnitt von 8 Stunden: 120 µg/m3 an mehr als 25 Tagen pro Kalenderjahr, durchschnittlich über drei Jahre

AOT40* von Mai bis Juli: 18 000 µg/m 3x h gemittelt über fünf Jahre

maximaler Tagesdurchschnitt von 8 Stunden innerhalb eines Kalenderjahres: 120 µg/m3

AOT40* von Mai bis Juli: 6 000 µg/m 3x h

1-Stunden-Konzentration: 180 µg/m3

1-Stunden-Konzentration: 240 µg/m3

* AOT40 (µg/m³ x Stunden) ist die Summe der Differenz zwischen Stundenkonzentrationen von mehr 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 pro Tag gemessenwerden.

 

Die Luftqualitätsrichtlinie 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, über das bei besonders sensiblen Bevölkerungsgruppen ein Risiko für die menschliche Gesundheit aufgrund einer kurzen Exposition besteht. Bei Überschreitung des Schwellenwerts müssen die nationalen Behörden die Öffentlichkeit 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 Überschreitung beider Schwellenwerte sollte der Europäischen Kommission von den Mitgliedstaaten gemeldet werden.

Informationen über die jährlichen Ozonkonzentrationen sind dem Betrachter für Luftqualitätsstatistiken der EUA zu entnehmen. Aktuelle Informationen zur Luftqualität finden Sie beim UTD-Zuschauer der Luftqualität der EUA und über den Europäischen Luftqualitätsindex. Der Copernicus Atmosphere Monitoring Service bietet eine 4-tägige Vorhersage der bodennahen Ozonkonzentrationen. In mehreren europäischen Ländern sind Ozonkonzentrationen in Aktionsplänen für die Wärmegesundheit enthalten. Siehe hier ein Beispiel aus Belgien.

Konzentrationsreduktionen

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

Die Auswirkungen des Klimawandels, die die Ozonbildung verschärfen, könnten die Bemühungen zur Verringerung der Emissionen von Ozonvorläufern teilweise ausgleichen. Dies wird als Ozon-Klimastrafe bezeichnet. Eine Kompensation dieser Klimastrafe auf dem europäischen Festland würde ehrgeizige Minderungsmaßnahmen 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 Verringerung auch dem Klimaschutz zugute (UNEP, 2021; GFS, 2018).

 

Referenzen

Links zu weiteren Informationen