Sommersmog: Entstehung, biologische Wirkung, Bekämpfung


Sommersmog: Entstehung, biologische Wirkung, Bekämpfung
Sommersmog: Entstehung, biologische Wirkung, Bekämpfung
 
Smog ist ein englisches Kunstwort, das aus »smoke« (Rauch) und »fog« (Nebel) gebildet wurde. Ursprünglich stand es für eine schon im 19. Jahrhundert bekannte, heute als Wintersmog bezeichnete austauscharme winterliche Wetterlage, in der sich Schadstoffe in der Luft stark anreichern.
 
Zuerst in Los Angeles, heute u. a. auch in Europa wurde eine neue, im Sommer bei lang anhaltenden Schönwetterlagen auftretende Form von Smog, der Sommer- oder Ozonsmog, beschrieben. Vor allem von Autos emittierte »Vorläufersubstanzen« werden dabei in giftige Reizgase, in erster Linie Ozon, umgewandelt. Versuche ergaben, dass die sommerliche Ozonbelastung durch großräumige Fahreinschränkungen und Geschwindigkeitsbegrenzungen reduziert werden kann. Erste gesetzliche Schritte in diese Richtung wurden eingeleitet.
 
 
Luftverschmutzung ist kein neues Phänomen. Bereits im Altertum bei Griechen und Römern oder auch im Mittelalter erzeugten bestimmte Handwerke und Manufakturen giftige Abgase, ebenso wie Abraumhalden. In vielen Städten Mitteleuropas wurden schon früh die »besseren« Viertel westlich von solchen Schadstoffquellen angelegt, denn es wehen hauptsächlich Westwinde, welche die Luft nach Osten verfrachten. Aber erst seit der Industrialisierung im 19. Jahrhundert wurde Luftverschmutzung zu einem viele Menschen bedrohenden Massenphänomen, vor allem in den Großstädten.
 
Hierzu trug einerseits die massenhafte Verbrennung von fossilen Energieträgern wie Kohle oder Erdöl bei, insbesondere wenn diese einen hohen Schwefelanteil hatten; andererseits erzeugten viele Industriebetriebe verschiedenste Abgase, die unkontrolliert an die Atmosphäre abgegeben wurden. Bei Wetterlagen mit geringem Luftaustausch kam es im 19. und 20. Jahrhundert immer wieder zu besonders hohen Schadstoffkonzentrationen in der Luft. Für diese Wetterlagen wurde das englische Kunstwort »Smog« erfunden, eine Zusammenziehung von »smoke« (Rauch) und »fog« (Nebel).
 
Berüchtigt war die Londoner Smogwetterlage, die im Jahre 1952 schließlich zu mehreren Tausend Todesfällen führte. Während Ende des 20. Jahrhunderts in Westeuropa, Japan und den USA Luftreinhaltungsmaßnahmen die Luftqualität verbessern konnten, sind in den Großstädten Lateinamerikas und Asiens, vor allem Chinas, extrem hohe Luftschadstoffkonzentrationen immer noch sehr häufig anzutreffen. Weltweit schätzt man, dass 1,4 Milliarden Personen, fast ein Viertel der Menschheit, täglich ungesunde Luft einatmen.
 
Sommer- und Wintersmog
 
Der »klassische« Smog bildet sich bei einer winterlichen Inversionswetterlage, bei der schwere, bodennahe Kaltluft von einer leichteren Warmluftmasse überschichtet wird. Bei solch einer Wetterlage wird manchmal über Wochen jeder Luftaustausch wie unter einer Glocke verhindert; Schadstoffe wie Ruß oder Schwefeldioxid reichern sich in der eingeschlossenen Luft immer weiter an.
 
Dieser Smog wird daher Wintersmog oder London-Smog genannt, da er zuerst in London auftrat. Das Auftreten dieser Form von Luftverschmutzung wurde in London zum einen durch das frühe Auftreten einer hohen Dichte von Industrieanlagen und den hohen Anteil von Kohlefeuerung zur häuslichen Wärmeerzeugung verursacht, wobei die dort verwendete Kohle auch noch einen hohen Schwefelgehalt besaß. Zum anderen begünstigen die geographische Lage und das lokale Klima lang anhaltende neblige Inversionswetterlagen. Heute ist dieser aus zahlreichen alten Filmen bekannte Nebel nach der Stilllegung vieler Industriebetriebe und einer Reihe von Luftverbesserungsmaßnahmen in London kaum mehr anzutreffen.
 
Ein solches Zusammentreffen von lokalen klimatischen Bedingungen und lokal besonders großer Luftverschmutzung hat auch zur Prägung des Begriffs Los-Angeles-Smog oder Sommersmog geführt: Bei sonnigem Sommerwetter tritt in der Umgebung von Städten mit hohem Verkehrsaufkommen eine andere Form der Luftverschmutzung auf, die überwiegend durch Autoabgase entsteht.
 
Der Ballungsraum Los Angeles an der kalifornischen Pazifikküste ist mit 14,5 Millionen Einwohnern der zweitgrößte der USA und der achtgrößte der Welt. Anders als die meisten Großstädte der westlichen Welt besitzt Los Angeles so gut wie kein öffentliches Nahverkehrssystem, insbesondere kein U- oder S-Bahnnetz. Dies bietet zusammen mit der sprichwörtlichen stabilen Schönwetterlage mit hohen Sonnenscheindauern in Südkalifornien ideale Bedingungen zur Entstehung von Sommersmog, weshalb dieser auch zuerst in Los Angeles beschrieben und wissenschaftlich untersucht worden ist.
 
 Sommersmog, Los-Angeles-Smog, photochemischer Smog, Ozonsmog
 
Was ist Sommersmog? Anders als beim Wintersmog entstehen beim Sommersmog die gesundheitsschädlichen Substanzen erst durch chemische Reaktionen in der Luft, für deren Ablauf Sonnenlicht erforderlich ist. Daher stammt auch die Bezeichnung »photochemischer Smog« oder kurz Photosmog; ein weiteres Synonym ist »Ozonsmog«, nach dem wichtigsten dabei entstehenden Reizgas Ozon — es handelt sich also bei allen vier Begriffen um ein und dasselbe Phänomen. Für das Zustandekommen von Sommersmog ist — außer Licht, das die Energiequelle für die Reaktionen liefert — das Vorhandensein bestimmter Ausgangssubstanzen in der Luft, die auch Ozonvorläuferstoffe genannt werden, erforderlich. Hierzu zählen Stickoxide (Verbindungen aus Stickstoff und Sauerstoff, etwa NO oder NO2, Sammelbezeichnung: NOx), Kohlenmonoxid (CO) und flüchtige organische Verbindungen (VOC, für englisch »volatile organic compounds«). Außer von VOC wird auch oft von NM-VOC gesprochen (non-methane VOC), damit sind alle VOC mit Ausnahme von Methan (CH4) gemeint. Weitere schädliche Reizstoffe sind PAN (Peroxyacetylnitrat), Wasserstoffsuperoxid (H2O2), sowie verschiedene organische Säuren und Aldehyde; darüber hinaus sind nicht nur viele der Vorläufersubstanzen selbst ebenfalls schädlich, sondern es kommt sogar zu einer wechselseitigen Verstärkung der schädlichen Wirkung zwischen Vorläufer- und Endsubstanzen.
 
Das Produkt der am Sommersmog beteiligten Reaktionen ist in erster Linie Ozon (O3), das aus Luftsauerstoff (O2) durch Aufnahme eines Sauerstoffatoms entsteht.
 
Sommersmog und Verkehr
 
Wo kommen die Vorläufersubstanzen des Ozonsmogs her? Es herrscht weitgehend Einigkeit, dass in erster Linie Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren für deren Emission verantwortlich sind. NOx, CO und VOC entstehen alle bei unvollständiger Verbrennung von fossilen Kraftstoffen wie Benzin, Diesel- oder Heizöl. Diese Emissionen nehmen mit wachsender Geschwindigkeit überproportional schnell zu. Bei CO und NOx übertrifft der Kfz-Verkehr alle anderen Quellen, 1996 kamen 60% des NOx aus dem Verkehr. Andere Quellen für CO und NOx sind Kraftwerke, Industriebetriebe und häusliche Feuerungsanlagen. Eine wichtige weitere Quelle für VOC sind Lösungsmittel aus Farben, Lacken, Reinigungsmitteln oder Ähnlichem, die etwa die Hälfte der VOC-Emissionen ausmachen. VOC können auch von Bäumen abgegeben werden, NOx auch von Böden, die mit Stickstoff überdüngt worden sind.
 
Stadtluft, Landluft
 
Ein wichtiges Merkmal des Sommersmogs ist, dass Ursache und Wirkung oft räumlich nicht zusammenfallen. Hierfür gibt es mehrere Gründe, der wichtigste davon ist, dass die Vorläufersubstanzen für atmosphärische Verhältnisse relativ langsam abgebaut werden; sie können daher über relativ weite Strecken (mehrere Hundert Kilometer pro Tag) in Reinluftgebiete transportiert werden. Vor allem hoch gelegene Gebiete wie der Schwarzwald und die Alpen, die besonders stark der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, sind von der Ozonbildung aus dorthin transportierten Schadstoffen betroffen. Ein extremes Beispiel hierfür sind auf den Fidschi-Inseln gemessene Ozonkonzentrationen, die um das Tausendfache über den in Deutschland geltenden Grenzwerten lagen und vom dorthin verwehten Brandrodungsrauch aus Brasilien hervorgerufen worden waren. Ein weiterer Grund dafür, dass in Ballungsräumen die Ozonwerte manchmal niedriger liegen als auf dem Land, besteht darin, dass bei sehr hohen Konzentrationen die Vorläufersubstanz NOx und niedriger VOC-Konzentration Ozon wieder abgebaut werden kann. Hieraus jedoch zu folgern, man brauche nur gezielt NOx zu emittieren, um die O3-Konzentration zu senken, ist überaus kurzsichtig: Dies würde nur dazu führen, dass die ins Umland verfrachtete Ozonmenge immer weiter anstiege.
 
 Biologische Wirkungen
 
Welche Wirkungen haben die beim Sommersmog erzeugten Gase, allen voran Ozon, auf Menschen, Tiere und Pflanzen? Die bekannteste Wirkung beim Menschen, die Reizung von Augen, Schleimhäuten und oberen Atemwegen, wird weniger vom Ozon als von PAN, Formaldehyd und anderen Substanzen hervorgerufen, die — im Gegensatz zum Ozon — gut wasserlöslich sind. Ozon ist aber trotzdem das wichtigste der Sommersmogschadgase, zum einen weil es am häufigsten vorkommt, zum anderen, weil es für alle Lebewesen toxisch, das heißt giftig ist. Diese Toxizität hängt gerade mit seiner geringen Wasserlöslichkeit zusammen, da es dadurch weit in die Lunge und andere Gewebe eindringen kann, wo es durch seine Reaktionsfreudigkeit u. a. Zellmembranen schädigt und Entzündungen hervorruft. Die Empfindlichkeit gegenüber Ozon ist individuell verschieden, bei etwa 10 bis 15% der Bevölkerung ist sie besonders ausgeprägt. Es ist jedoch schwierig einzugrenzen, welche Personengruppen besonders empfindlich auf Ozon reagieren, auch, ob Asthmatiker eine Risikogruppe darstellen, ist umstritten. Unbestritten ist jedoch, dass ein erhöhtes Atemvolumen und erhöhte Atemfrequenz die Ozonaufnahme steigern und damit auch die Gefahr von Schädigungen zunimmt. Dies ist einerseits bei körperlicher Aktivität im Freien, andererseits bei Kindern der Fall, da diese häufiger und — bezogen auf das Körpergewicht — auch mehr atmen. Auch Personen mit geschwächtem oder noch nicht vollständig ausgebildetem Immunsystem (etwa Kleinkinder) sind gefährdet, da Ozon die Anfälligkeit für Erreger aller Art erhöht. Hohe, chronische Ozonbelastungen haben bei Tierversuchen zu irreparablen Lungenschädigungen geführt; 70 Tage anhaltende Ozonwerte von über 400 μg/m3 (Mikrogramm — millionstel Gramm — pro Kubikmeter) haben 1985 in Los Angeles bei einigen Personen vermutlich ebenfalls zu irreversiblen Verschlechterungen der Lungenfunktion geführt. Schließlich vermutet man allergieverstärkende und erbgutschädigende Wirkungen von Ozon. Letzteres bedeutet wahrscheinlich auch Krebs fördernde oder Krebs erzeugende Eigenschaften des Ozons.
 
Schädigung von Pflanzen
 
Zur Wirkung von Ozon auf Pflanzen liegen im Wesentlichen Studien über Nutzpflanzen und Waldbäume, vereinzelt auch über Wildpflanzen vor. Ozon wird, genau wie der Grundnährstoff Kohlendioxid, über Spaltöffnungen genannte Poren in den Blättern aufgenommen. Es greift dort sofort die Zellstruktur des Pflanzengewebes an, es kann zu Blattnekrosen (Absterben von Blättern oder Blattteilen) oder Wachstumsstörungen kommen. Sowohl die Höhe der Konzentration als auch die Einwirkungsdauer spielen bei der Schädigung eine Rolle, deshalb wurden vom Umweltbundesamt (UBA) in Berlin und Dessau Schwellenwerte definiert. Diese geben die Summe von stündlich gemessenen Konzentrationswerten, die über einem als akzeptabel angesehenen Grundwert liegen, während einer definierten Zeitspanne an. Beispielsweise führt es zu einem fünfprozentigen Ernteverlust bei Weizen, wenn der Grundwert von 80 μg/m3 während der dreimonatigen Vegetationsperiode täglich drei Stunden lang um mehr als 20 μg/m3 oder wenn er täglich eine Stunde lang um mehr als 60 μg/m3 überschritten wird.
 
 Entstehung von Sommersmog
 
Welche chemischen Vorgänge führen zur Synthese von Ozon in bodennahen Luftschichten? Ozon (O3) entsteht, einfach gesagt, wenn einem Sauerstoffmolekül (O2) ein zusätzliches Sauerstoffatom »angeboten« wird. Dieses wird häufig von NO2-Molekülen geliefert, welche vom Sonnenlicht in NO + O gespalten (fachsprachlich: photolysiert) werden. Auch andere Ozonvorläuferstoffe tragen zur Bildung eines zusätzlichen Sauerstoffatoms bei.
 
Natürlich ist auch die umgekehrte Reaktion möglich und unter normalen Bedingungen auch recht wahrscheinlich: nämlich die Abspaltung des dritten Sauerstoffatoms vom Ozon unter Bildung von NO2. Unter Sommersmogbedingungen gibt es jedoch auch Konkurrenzsubstanzen, welche die Rückbildung von NO zu NO2 noch effektiver als Ozon bewerkstelligen können; hierzu zählen insbesondere Abbauprodukte von CO und den VOC. Dies erklärt, dass bei hohen Stickoxid- und relativ niedrigen VOC-Konzentrationen Ozon abgebaut wird, denn in diesem Fall steht mehr NO zum Ozonabbau zur Verfügung.
 
 
Die Herkunft des Sommersmog-Ozons aus photolysiertem NO2 erklärt auch den Tagesgang der Ozonkonzentration in der bodennahen Luft.
 
An Werktagen führt der morgendliche Berufsverkehr zu einem Maximum der NO2-Konzentration; mit einer gewissen Zeitverzögerung kommt es gegen Mittag zum Ozonmaximum. Nachlassender Verkehr am frühen Nachmittag bringt sinkende Ozonwerte am Spätnachmittag; nach Sonnenuntergang kommt es wegen des fehlenden Sonnenlichts zu einem schnellen Ozonabbau bis auf die geringe natürliche Konzentration.
 
Luftchemie
 
Die Chemie der bodennahen Luftschichten ist ein sehr komplexes aktuelles Forschungsgebiet, das noch eine Reihe ungeklärter Fragen aufweist. Beispielsweise spielt das Hydroxyl-Radikal eine große Rolle beim Abbau von organischen Verbindungen. Dieses Molekül wird auch »atmosphärisches Waschmittel« genannt, da es zum Abbau vieler schädlicher Stoffe beiträgt.
 
Leider bildet dieser begrüßenswerte Abbau aber besonders effektiv NO zu NOx um und trägt damit, wie oben angedeutet, zur O3-Synthese bei. Gerade die Vielzahl der beteiligten chemischen Substanzen und ihrer Wechselwirkungen und Rückkopplungen macht es praktisch unmöglich, außer der allgemeinen Reduktion der Schadstoffkonzentrationen in der Luft weiter gehende chemische Maßnahmen speziell gegen den Sommersmog zu konzipieren.
 
Gutes Ozon, schlechtes Ozon
 
Eine häufig gestellte Frage zum Ozonsmog hängt mit einem anderen bekannten Umweltproblem zusammen, dem Ozonloch: »Wieso stört uns das fehlende Ozon über dem Südpol, wenn es doch so ungesund ist?« Die Antwort liegt in der vertikalen Struktur der Atmosphäre. Diese besteht vor allem aus zwei übereinander liegenden Schichten, der bodennahen Troposphäre und der darüber liegenden Stratosphäre. Über der Stratosphäre liegen noch weitere Schichten, die jedoch für die meisten ökologischen Probleme nur eine geringe Bedeutung haben. Der Übergang zwischen beiden Schichten, die Tropopause, liegt in 10 bis 18 Kilometern Höhe und stellt eine sehr effektive Barriere für den vertikalen Austausch von Luftmassen dar. Dies bedeutet zunächst, dass überschüssiges Ozon in Bodennähe nicht das in der Stratosphäre fehlende Ozon (eben das Ozonloch) ersetzen kann. Umgekehrt schützt uns die Tropopause vor stratosphärischem Ozon, das die Hauptmasse (etwa 90%) des in der gesamten Atmosphäre vorhandenen Ozons ausmacht. Das stratosphärische Ozon hat die für alles höhere Leben wichtige Eigenschaft, die schädliche UV-Strahlung der Sonne vom Erdboden fernzuhalten. Erst von der modernen Industriegesellschaft in die Umwelt eingeleitete Stoffe bringen diese einmalige »Konstruktion« durcheinander: Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) können mit der Zeit die Tropopause durchdringen und in der Stratosphäre »gutes« Ozon zerstören. Das in der Troposphäre aus NOx und VOC entstehende Ozon hat jedoch die beschriebenen negativen Auswirkungen.
 
 Sommersmogverordnung und andere Regelungen
 
Da Ozon nicht von bestimmten Schadstoffquellen emittiert, sondern erst in der Luft aus anderen emittierten Schadstoffen gebildet wird, gibt es keine Emissionsgrenzwerte für Ozon. Für die Vorläufersubstanzen NM-VOC und NOx gibt es dagegen eine Vielzahl von Grenzwerten, die wichtigsten sind in der Technischen Anleitung (TA) Luft für Industrieanlagen, in den europäischen und nationalen Regelungen für die Zulassung von PKW und LKW sowie in den Verordnungen über Verdunstungsverluste an Tankstellen enthalten.
 
Um die Folgen von in der bodennahen Luft enthaltenen Ozonkonzentrationen abschätzen zu können, wurden von der Europäischen Union (EU) verschiedene Ozon-Schwellenwerte festgelegt, die in die 22. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) übernommen worden sind. Demnach gilt als Schwellenwert für den Gesundheitsschutz ein Wert von 110 μg/m3 (Acht-Stunden-Mittelwert); unterhalb dieses Wertes nimmt man an, dass es keinerlei Gesundheitsbeeinträchtigungen gebe. Der Schwellenwert, oberhalb dessen die Bevölkerung informiert werden muss, liegt bei 180 μg/m3 (Ein-Stunden-Mittelwert), darüber ist bei auf Ozon sensibel reagierenden Menschen auch bei kurzzeitiger Exposition mit leichten und vorübergehenden Beeinträchtigungen zu rechnen. Der europäische Schwellenwert für die Auslösung des Warnsystems liegt bei 360 μg/m3 (Ein-Stunden-Mittelwert), oberhalb dieses Wertes ist mit generellen Schäden für die menschliche Gesundheit zu rechnen.
 
In Deutschland gilt ein Ein-Stunden-Mittelwert von 240 μg/m3 als rechtsverbindlich für die Auslösung von Emissionsminderungsmaßnahmen bei den Vorläufersubstanzen, insbesondere Fahrverbote für Fahrzeuge mit hohem Schadstoffausstoß (Gesetz zur Änderung des BIMSchG vom 19. 7. 1995, »Ozongesetz«). Dieser Wert muss an mindestens drei Messstationen, die 50 bis 250 Kilometer voneinander entfernt liegen, erreicht werden, ähnliche Werte müssen für den kommenden Tag zu erwarten sein.
 
Die Fahrverbote gelten nicht für schadstoffarme PKW sowie für Fahrten zu besonderen oder beruflichen Zwecken, in öffentlichem Interesse oder Fahrten, deren Vermeidung unzumutbar wäre — es dürfte schwierig sein, eine Fahrt nicht hierzu zu zählen. Eine Verschärfung des Ozongesetzes wurde im Sommer 1999 von Bundesumweltminister Trittin vorgeschlagen, wurde aber bis jetzt (Oktober 1999) noch nicht abschließend behandelt.
 
Was bringen Fahrverbote und Geschwindigkeitsbegrenzungen?
 
Zur Beurteilung der Wirksamkeit von Emissionsminderungsmaßnahmen sind vor allem die Größe des Gebiets, in dem sie gelten, und die Zahl der Ausnahmeregelungen bzw. die Konsequenz, mit der Übertretungen geahndet werden, von Bedeutung. Da die Vorläufersubstanzen sich am Tag mehrere Hundert Kilometer ausbreiten können, reichen beispielsweise Maßnahmen in einzelnen Bundesländern kaum aus. 1994 wurde an vier Tagen im Gebiet Heilbronn/Neckarsulm ein Großversuch mit Fahrverbot für Autos ohne Katalysator und einer Geschwindigkeitsbeschränkung auf 60 Kilometer pro Stunde sowie weiteren Einschränkungen für Industrie und Verkehr unternommen. (Der Sinn der Geschwindigkeitsbegrenzung beruht übrigens auf der Tatsache, dass bei hohen Geschwindigkeiten Energieverbrauch, Treibstoffverbrauch und Schadstoffausstoß weit überproportional anwachsen.)
 
Das Ergebnis war eine deutliche Reduzierung von NOx und VOC im Untersuchungsgebiet, beim Ozon wurde jedoch keine Auswirkung festgestellt: Das Gebiet war zu klein. Modellrechnungen auf Grundlage des Heilbronner und anderer Versuche zeigen aber andererseits auch, dass überregionale, länderübergreifende Maßnahmen, und zwar als Kombination von Fahrverboten und Geschwindigkeitsbegrenzungen, eine deutliche Reduzierung der Ozonbelastung erreichen können. Allerdings müssen diese Maßnahmen frühzeitig eingeleitet werden oder besser noch dauerhaft gelten: Ist erst einmal der »Ozonalarm« wegen gefährlich hoher Ozonkonzentrationen eingeleitet, so wird die Reduktion nur abgeschwächt erfolgen.
 
Neue medzinische Erkenntnisse über die gesundheitlichen Auswirkungen von Sommersmog, Beiträge von
 
 
Jürgen Siebert: Ozonalarm. Autoverkehr u. Sommersmog: Gefahren und Gegenstrategien. Göttingen 1995.
 
Verkehrsemissionen und Sommersmog, Beiträge von Bernd Höhlein u. a. Jülich 1996.
 Wolfgang Wiedlich: Sommersmog. Bonn 1996.
 Erika Divéky: Bodennahes Ozon. Frankfurt am Main 1999.

Universal-Lexikon. 2012.