Bodennahes Ozon

Beobachtete Effekte

Bodennahe Ozonbildung und ihre meteorologische Sensitivität

Oberflächenozon (O₃) ist ein sekundärer Schadstoff, der in der Atmosphäre in Gegenwart von Sonnenlicht und chemischen Vorläufern produziert wird. Die Hauptvorläufer 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), die von Wohn- und landwirtschaftlichen Quellen emittiert werden, spielen in der Regel eine untergeordnete Rolle bei der Ozonbildung. Ozonvorläuferstoffe können auch einen natürlichen Ursprung haben, wie biogene Emissionen von VOC, Bodenemissionen von NOx, Waldbrandemissionen von CO und Biosphärenemissionen von Methan (Cooper et al., 2014; Monks et al., 2015).

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Höchste Ozonkonzentrationen treten im Allgemeinen Dutzende Kilometer von den städtischen Gebieten entfernt auf, in denen die Hauptquellen von Ozonvorläuferstoffen sind, 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 im Allgemeinen zu niedrigeren Ozonkonzentrationen über Stadtzentren führt, in denen NOx emittiert wird. Nach der Bildung kann Ozon tage- bis wochenlang in der Atmosphäre aufrechterhalten werden, wobei es oft weiträumig oder grenzüberschreitend transportiert wird. Dennoch sind auch in städtischen - und insbesondere vorstädtischen - Gebieten hohe Ozonwerte zu beobachten.

Da die Ozonerzeugung Sonnenstrahlung erfordert, erreichen die Ozonkonzentrationen in der Regel ein tägliches Maximum einige Stunden nach Mittag. Die Konzentrationen folgen auch einem ausgeprägten saisonalen Zyklus, der in Europa zwischen dem frühen Frühling und dem Spätsommer seinen Höhepunkt erreicht. Die Abhängigkeit vom Sonnenlicht macht Ozon sehr empfindlich gegenüber meteorologischen und klimatischen Schwankungen. Die Schwankungen des Ozons von einem Jahr zum anderen hängen weitgehend davon ab, wie warm und trocken der Sommer ist. Starke Hitzewellen können zu Ozon-Spitzenwerten führen. Die Beziehung zum Sonnenlicht bedeutet, dass Südeuropa tendenziell höhere Ozonkonzentrationen aufweist als Nordeuropa (EWR,2022a).

Konzentrationen und Exposition der Bevölkerung

Es wurde festgestellt, dass die jährlichen Ozonkonzentrationen in Europa zwischen 2005 und 2019 leicht gestiegen sind, 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 von 2008 festgelegte langfristige Ziel, dass der tägliche Achtstundenmittelwert innerhalb eines Kalenderjahres 120 Mikrogramm pro Kubikmeter (μg/m3)nicht überschreiten darf. In ganz Europa registrierten 21 Länder, darunter 15 EU-Mitgliedstaaten, Ozonkonzentrationen, die den EU-Zielwert für den Schutz der menschlichen Gesundheit (das tägliche Achtstundenmittel von höchstens 120 μg/m3)überstiegen (EWR,2022a). Der Anteil der Bevölkerung, die oberirdischem Ozon über den EU-Zielwerten ausgesetzt war,schwankte zwischen einem Höchststand von 64 % im Jahr 2003 und 9 % im Jahr 2014 (EWR, 2022b). Der Anteil der Bevölkerung, die Konzentrationen ausgesetzt war, die über dem kurzfristigen Richtwert der WHO für 2021 lagen (der maximale tägliche Achtstundenmittelwert von 100 μg/m3),schwankte im Zeitraum 2013-2020 zwischen 93 % und 98 %, ohne dass es im Laufe der Zeit zu einem rückläufigen Trend kam.

Auswirkungen auf die Gesundheit

Hohe Ozonwerte 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 ins Krankenhaus eingeliefert, die durch eine akute Ozonexposition verursacht oder verschlimmert wurden. Die Belastung durch Mortalität und Morbidität, die durch die Exposition gegenüber Ozonspiegeln 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 vorzeitig an einer akuten Ozonexposition von über 70 μg/m3. Die Länder mit den höchsten Sterblichkeitsraten im Jahr 2020 aufgrund der Ozonexposition waren Albanien, Montenegro, Griechenland, Bosnien und Herzegowina und Nordmazedonien in absteigender Reihenfolge (EWR,2022a). Seit 2005 gab es keinen spezifischen Trend bei der bodennahen ozonbedingten Mortalität, und die jährliche Variabilität hängt hauptsächlich von den Sommertemperaturen ab (Solberg et al., 2022).

Neben den direkten gesundheitlichen Auswirkungen wird oberirdisches Ozon durch die Stomata von Pflanzen absorbiert und kann sich nachteilig auf Pflanzen und forstwirtschaftliche Erträge auswirken, was sich auf die Lebensmittelversorgung auswirkt. Schätzungen zufolge werden die Weizenerträge 2019 in Europa um bis zu 9 % sinken. Was die wirtschaftlichen Verluste betrifft, so gingen in 35 Ländern 1,4 Mrd. EUR verloren (EWR,2022c).

Projizierte Effekte

Zukünftige bodennahe Ozonkonzentrationen

Die jährliche Variabilität der Ozonkonzentrationen und ihre Spitzenwerte werden durch die laufenden und zukünftigen Änderungen 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 (der Ozonvorläufer) wird durch wärmere Sommer erhöht (Langner et al., 2012), aber auch durch höhere CO2-Werte in der Atmosphäre reduziert (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 der Pflanzen reduziert werden (Szopa et al., 2021). Gleichzeitig wird eine erhöhte Luftfeuchtigkeit die Ozonzerstörung in NOx-armen Gebieten wie Meeresgebieten in Skandinavien erhöhen (Colette et al., 2015).

Tabelle 1: Auswahl meteorologischer Parameter, die unter dem zukünftigen Klimawandel zunehmen können, und deren 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 zukünftige Klimawandel die Ozonkonzentrationen erhöhen wird, aber dieser Anstieg sollte bis Mitte des Jahrhunderts nicht mehr als 5 μg/m³ im Tagesmaximum betragen und würde daher wahrscheinlich durch Verringerungen des Ozonspiegels aufgrund geplanter zukünftiger Emissionsreduktionen von Ozonvorläufern aufgewogen werden. Die Projektionen vom Ende des Jahrhunderts deuten jedoch auf einen Anstieg der Ozonkonzentrationen um bis zu 8 μg/m3 hin. Rückgänge werden nur über ozeanische und nördlichste Gebiete (britische Inseln, skandinavische und baltische Länder) projiziert (Abbildung 1).

Modellierte zukünftige Veränderungen der sommerlichen bodennahen Ozonkonzentrationen (tägliche Maxima) über Europa in der Mitte des Jahrhunderts (links) und am Ende des Jahrhunderts (rechts).

_{Quelle: ETC/ACM (2015)}

Auswirkungen auf die Gesundheit

Es wird erwartet, dass die Sterblichkeit im Zusammenhang mit der akuten Ozonexposition aufgrund des Klimawandels bis 2050 zunehmen wird, insbesondere in Mittel- und Südeuropa (Orru et al., 2019; Selin et al., 2009). Geels et al. (2015) schätzt, dass allein der Klimawandel zu einem Anstieg der Gesamtzahl der ozonbedingten akuten vorzeitigen Todesfälle in Europa um 15 % bis in die 2080er Jahre im Rahmen des RCP 4.5-Klimaszenarios führen wird. Die Nettoverluste des wirtschaftlichen Wohlergehens (einschließlich Mortalitätskosten und Freizeitverluste) aufgrund der durch Klima- und Vorläuferemissionen verursachten ozonbedingten gesundheitlichen Auswirkungen könnten sich zwischen 2000 und 2050 auf 9,1 Mrd. EUR summieren. Die Auswirkungen auf die Kosten projizierter Emissionsänderungen würden die Klimaauswirkungen weit übertreffen (Selin et al., 2009).

Politische 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 wird an fast 2000 Stationen in ganz Europa durchgeführt, einschließlich ländlicher, vorstädtischer und städtischer Hintergrundstationen, um die Exposition der Bevölkerung zu dokumentieren. Die Ozonkonzentrationen werden auch an Industrie- und Verkehrsstationen gemessen, die sich in unmittelbarer Nähe einer Hauptstraße oder eines Industriegebiets/einer Industriequelle befinden.

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

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

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

Die Luftqualitätsrichtlinie von 2008 enthält auch rechtliche Verpflichtungen, 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 eine kurze Exposition für besonders empfindliche Bevölkerungsgruppen besteht". Bei Überschreitung des Schwellenwerts sind die nationalen Behörden verpflichtet, die Öffentlichkeit zu informieren. Die Warnschwelle spiegelt ein "Niveau wider, ab dem ein Risiko für die menschliche Gesundheit durch eine kurze Exposition für die Allgemeinbevölkerung besteht". Die nationalen Behörden sind verpflichtet, die Öffentlichkeit zu informieren, Ratschläge zu erteilen und Pläne für kurzfristige Maßnahmen umzusetzen, wenn dieser Schwellenwert überschritten wird. Überschreitungen beider Schwellenwerte sollten von den Mitgliedstaaten der Europäischen Kommission gemeldet werden.

Informationen über die jährlichen Ozonkonzentrationen sind im Luftqualitätsstatistik-Viewer der EUA verfügbar. Aktuelle Informationen zur Luftqualität sind im UTD-Luftqualitätsanzeiger der EUA und im Europäischen Luftqualitätsindex verfügbar. Der Copernicus Atmosphere Monitoring Service bietet eine 4-Tages-Prognose der bodennahen Ozonkonzentrationen. In mehreren europäischen Ländern sind die Ozonkonzentrationen in den Aktionsplänen für Hitzegesundheit enthalten. Ein Beispiel aus Belgien finden Sie hier.

Konzentrationsreduktionen

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 Luftqualitätsrichtlinie veröffentlicht, mit dem die EU-Luftqualitätsnormen stärker an die Empfehlungen der WHO aus dem Jahr 2021 angeglichen und Grenzwerte für alle Luftschadstoffe eingeführt werden, für die derzeit Zielwerte gelten, mit Ausnahme von Ozon. Ozon ist aufgrund der komplexen Eigenschaften seiner Bildung in der Atmosphäre, die die Bewertung der Durchführbarkeit der Einhaltung strenger Grenzwerte erschweren, von dieser Änderung vom Zielwert zum Grenzwert ausgenommen.

Die Auswirkungen des Klimawandels, die die Ozonbildung verschärfen, könnten die Bemühungen zur Verringerung der Emissionen von Ozonvorläuferstoffen teilweise ausgleichen. Dies wird als Ozon-Klima-Strafe bezeichnet. Der Ausgleich dieser Klimasanktion auf dem europäischen Festland würde ehrgeizige Klimaschutzmaßnahmen erfordern (30 bis 50 % Reduzierung der NOx- und VOC-Emissionen). Langfristig kann die Verringerung der Methanemissionen auch die Ozonbildung effizient reduzieren. Da Methan auch ein wichtiges Treibhausgas ist, kommt seine Verringerung auch dem Klimaschutz zugute (UNEP, 2021; GFS, 2018).