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Ozon – Schutzschild gegen gefährliche Strahlung

In mehr als 8.000 Metern Höhe schützt die Ozon-Schicht das Leben auf der Erde vor krebserregender ultravioletter Strahlung der Sonne. Bei stark verschmutzter Luft und anhaltend intensiver Sonnenstrahlung kann sich das Gas aber auch am Boden bilden – und zu einer Gefahr für Menschen und Tiere werden. Fragen und Antworten dazu gibt es hier.

Was ist Ozon?

Ozon ist unter natürlichen Bedingungen ein Gas. Die Moleküle bestehen aus drei Sauerstoffatomen – anders als der „normale“ Sauerstoff den wir atmen, der aus zwei Sauerstoffatomen zusammengesetzt ist. Ozon ist kein stabiles Molekül und wird bei den Bedingungen an der Erdoberfläche schnell zu normalem Sauerstoff umgewandelt.

Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel und daher für Menschen und Tiere gefährlich, wenn sie in direkten Kontakt damit kommen. Andererseits ist Ozon in der Stratosphäre, also in mehr als 8.000 Metern Höhe, essentiell für das Leben auf der Erde, da es die krebserregende ultraviolette Strahlung der Sonne absorbiert und somit unschädlich macht.

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Wo kommt Ozon vor?

Ozon in der Atemluft kommt vor allem an Orten mit stark verschmutzter Luft bei hoher Sonneneinstrahlung vor. Es werden sowohl sogenannte Ozon-Vorläuferstoffe als auch die Energie der Sonnenstrahlen benötigt, damit der chemische Prozess ablaufen kann, bei dem Ozon entsteht.

Die wichtigsten Vorläuferstoffe sind Stickoxide, auch NOx genannt, und flüchtige organische Verbindungen. Beide werden durch menschliche Aktivität erzeugt. Stickoxide entstehen vor allem bei Verbrennungsprozessen, wie zum Beispiel im Straßenverkehr. Auch flüchtige organische Verbindungen entstehen bei Verbrennungsprozessen, es gibt jedoch noch weitere wichtige Quellen wie die Ausdünstung aus Farben und Lacken oder Hygieneprodukten. Aber auch Pflanzen können eine Quelle für flüchtige organische Verbindungen sein, besonders wenn sie unter Trockenstress stehen.

Die höchsten Ozonkonzentrationen auf der Erde kommen in der Stratosphäre vor. Für die Entstehung des stratosphärischen Ozons, der so genannten Ozonschicht, ist der Ozon-Sauerstsoff-Zyklus verantwortlich. Energiereiche Sonnenstrahlung spaltet Sauerstoff-Moleküle in zwei einzelne Atome, die sich jeweils mit einem weiteren Sauerstoff-Molekül zu Ozon verbinden.

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Was versteht man unter dem Ozonloch?

Das Ozonloch ist ein vom Menschen verursachtes Phänomen sehr niedriger Ozonkonzentrationen über der Antarktis während des südpolaren Winters und Frühjahrs. Also zur gleichen Zeit, wenn in Deutschland gerade Spätsommer ist oder der Herbst beginnt. Zu dieser Zeit werden Ozonmoleküle sehr schnell durch gasförmige Halogenverbindungen abgebaut. Diese stammen größtenteils aus Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs) die von Menschen in der Vergangenheit freigesetzt wurden. Auch am Nordpol ist das Phänomen zu beobachten, es ist jedoch deutlich weniger stark ausgeprägt.

Das Ozonloch ist aber kein rein lokales Problem für die arktischen Regionen. Wenn der Polarwinter endet, werden die Luftmassen in der Stratosphäre wieder vermehrt global durchmischt. So sinken die Ozonkonzentrationen in der Ozonschicht weltweit. Die Ozonschicht kann die Erdoberfläche deshalb nicht mehr im gleichen Maße gegen Ultraviolettstrahlung abschirmen, was unter anderem zu einem erhöhten Krebsrisiko und Schäden an Pflanzen führt.

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Was war die Ursache für das Entstehen des Ozonlochs?

Im 20. Jahrhundert suchten Chemiker nach Gasen für verschiedene technische Anwendungen. Mit den FCKW fand man eine Gruppe von Gasen, die sich nicht nur hervorragend als Kühlmittel zum Beispiel in Kühlschränken eignet, sie waren außerdem für den Menschen ungiftig und sehr stabil. Daher wurden sie auch als Treibgas in Spraydosen verwendet, zum Beispiel in Farben, Deodorant und Haarspray.

Das Problem wurde erst später erkannt, als die Nutzung von FCKWs bereits weit verbreitet war. Da die Gase sehr stabil sind, werden sie auch in der Troposphäre (bis 8.000 Meter Höhe) kaum abgebaut. Sie bleiben daher lange in der Luft und können in sehr große Höhen und bis in die Stratosphäre gelangen.

In der Stratosphäre herrschen jedoch ganz andere Bedingungen als in der Nähe des Erdbodens. Hochenergetische Sonnenstrahlung spaltet in der Stratosphäre die FCKWs auf. Es entstehen hochreaktive Halogenverbindungen, die als Katalysator das Ozon abbauen. Die Halogenverbindungen bleiben dabei bestehen. Eines dieser Moleküle kann jahrzehntelang am Abbau von Ozon beteiligt bleiben.

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Kommen FCKW heute noch zum Einsatz?

Mit der Unterzeichnung des Montrealer Protokolls (16. Sept. 1987) wurde vor mehr als 35 Jahren die Grundlage zum Schutz der Ozonschicht gelegt. Diesem Protokoll sind alle 197 UN-Mitgliedsstaaten beigetreten. Der Abbau der Ozonschicht durch FCKW war eines der drängendsten Umweltprobleme der 1980er Jahre.

Der Ausstieg aus den FCKW ist heute weitestgehend abgeschlossen. Teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFCKW) schädigen ebenfalls die Ozonschicht, wenn auch in geringerem Maße als die FCKW und Halone. Auch sie sind heute weitgehend verboten. Eine weitere verwandte Stoffgruppe sind die voll- und teilfluorierten Kohlenwasserstoffe (FKW und HFKW), die bis heute Anwendung als Ersatz für die FCKW vor allem als Kältemittel in der ⁠Klima⁠- und Kältetechnik finden. Diese Stoffe schädigen zwar nicht die Ozonschicht, sind aber schädlich für das Klima und müssen daher auch ersetzt werden.

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Kommen HFKW weltweit noch zum Einsatz?

Stoffe, die zum Abbau der Ozonschicht führen, dürfen heute in der EU nur in bestimmten Fällen produziert, eingeführt oder in Verkehr gebracht werden. Sie unterliegen außerdem besonderen Meldepflichten.

Für Halone sind die zulässigen Verwendungszwecke noch enger gefasst. Die Ein- und Ausfuhr in die EU erfordert eine Lizenz der Europäischen Kommission. Die Einfuhr und Herstellung für bestimmte zulässige Verwendungszwecke, darunter die Verwendung zu Laborzwecken, unterliegt EU-weiten jährlichen Höchstmengen. Dadurch sollen die Emissionen stark begrenzt werden. Um diese Höchstmengen durchzusetzen, erteilt die Europäische Kommission jedes Jahr unter allen entsprechenden Antragstellern mengenbezogene Import- und Produktionsquoten. Unternehmen sind nach Artikel 27 der Verordnung (EG) Nr. 1005/2009 verpflichtet, bis zum 31.03. jeden Jahres gegenüber der EU-Kommission zu melden, welche Mengen geregelter Stoffe sie im vergangenen Kalenderjahr hergestellt, eingeführt, ausgeführt und zerstört haben.

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In welchen Regionen gibt es heute noch Löcher in der Ozonschicht?

Die Ursache des Ozonlochs ist zwar durch die Umsetzung des Protokolls von Montreal von 1987 beseitigt, das Problem wird uns jedoch auch weiterhin begleiten. Erst 2018 konnten Wissenschaftler nachweisen, dass sich die Ozonschicht erholt.

Das Ozonloch in der Antarktis ist nach wie vor stark ausgeprägt, was im weiteren Jahresverlauf die Ozonkonzentrationen in der Ozonschicht auf der ganzen Welt beeinflusst.

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Wie stark hat sich die Ozonschicht bereits regeneriert?

Die Ozonschicht hat sich bisher kaum regeneriert. Das liegt an den langen Lebenszeiten der Stoffe die das Ozon zerstören.

Wissenschaftler haben 2018 zum ersten Mal nachweisen können, dass sich die Ozonschicht inzwischen langsam regeneriert. Das Montreal Protokoll wirkt also! Es wird jedoch erwartet, dass sich die Ozonschicht erst etwa 2070 wieder erholt hat, fast 100 Jahre nach dem Inkrafttreten des Protokolls.

Beides sollte zu denken geben. Durch entschlossenes Handeln der Staatengemeinschaft konnte das Schlimmste verhindert werden. Die Konsequenzen der massiven Emission von FCKWs werden aber noch lange ein Thema bleiben. Langfristige Folgewirkungen solcher menschengemachter Umweltschäden sind auch im Zusammenhang mit dem Klimawandel zu erwarten, etwa in Form weiter steigender Temperaturen und häufiger eintretender Extremwetterereignisse wie Hitze, Dürren und Starkregen.

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Wann ist Ozon für den Menschen und die Natur schädlich?

Ozon ist schädlich für Menschen und Natur, wenn sie in direktem Kontakt mit dem Gas kommen. Dies ist besonders an heißen Sommertagen mit hoher Sonneneinstrahlung möglich.

Zusätzlich zu diesen Wetterbedingungen werden jedoch auch Ozonvorläuferstoffe benötigt, damit sich Ozon bilden kann. Diese stammen vor allem aus Luftverunreinigungen. Städte sind an Sommertagen daher besonders gefährdet.

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Welche Gesundheitsschäden kann bodennahes Ozon auslösen?

Im Gegensatz zur schützenden Ozonschicht in der Stratosphäre können erhöhte Ozonkonzentrationen in bodennahen Luftschichten eine schädigende Wirkung für Mensch und Natur haben. Ozon ist ein Reizgas und kann beim Menschen Reizerscheinungen der Augen und der Schleimhäute hervorrufen. An Tagen mit hoher Ozonkonzentration leiden zudem viele Menschen an Müdigkeit und Kopfschmerzen. Entscheidend für das Ausmaß dieser gesundheitlichen Auswirkungen sind die körperliche Belastung und die Aufenthaltsdauer in der ozonbelasteten Luft. Denn wer sich körperlich anstrengt, atmet mehr und tiefer. Bei einem erhöhten Atemvolumen kann Ozon tief in das Lungengewebe vordringen, dort das Gewebe schädigen und Entzündungen hervorrufen.

Besonders gefährdet sind Personen, die sich häufig längeren, anstrengenden körperlichen Aktivitäten an heißen Sommertagen im Freien zur Mittags- und Nachmittagszeit aussetzen, wie Arbeiter, spielende Kinder oder Menschen, die ihre Freizeit im Freien verbringen. Eine Sonderrolle nehmen Kleinkinder ein, denn sie haben einen sehr hohen Sauerstoffbedarf und atmen daher selbst bei Ruhe so viel Luft pro Minute ein, wie ein Erwachsener bei körperlicher Betätigung. Nachts sinken die Ozonwerte wieder, da Ozon bei fehlender UV-Strahlung durch natürliche chemische Reaktionen abgebaut wird.

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Wird bodennahes Ozon in Zeiten des Klimawandels zu einer neuen Herausforderung?

Ozon kann in Zeiten des Klimawandels aus verschiedenen Gründen zu einer neuen Herausforderung werden.

Durch die sich ändernden klimatischen Bedingungen nehmen Hitze und Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche zu. Beides begünstigt die Bildung von bodennahem Ozon. Es müssen jedoch auch genügend Vorläuferstoffe vorhanden sein, damit der Bildungsprozess ablaufen kann. Bäume stehen durch den Klimawandel vermehrt unter Trockenstress, wodurch sie verstärkt flüchtige organische Verbindungen wie Isopren emittieren. Diese sind sogenannte Ozonvorläuferstoffe.

Durch den Klimaschutz, aber auch durch technische Neuerungen werden in Zukunft jedoch vermutlich weniger Ozonvorläuferstoffe wie zum Beispiel Stickoxide aus Verbrennungsmotoren emittiert. Daher wird die Ozonkonzentration in Deutschland auch in Zukunft nicht zwingend steigen.

Ein anderes Problem ist die Wirkung von Ozon auf den Klimawandel, denn es trägt selbst als Treibhausgas zum Klimawandel bei. Der Einfluss von Ozon auf den Klimawandel ist nicht so groß wie der von Kohlenstoffdioxid aber er ist mit etwa einem Viertel des effektiven Strahlungsantriebs von CO2 nicht unbedeutend. Dieser Treibhauseffekt entsteht durch die Zunahme an troposphärischen Ozon aus Luftverschmutzung.

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Inwieweit werden in Sachsen-Anhalt überhöhte Ozonwerte gemessen?

Die Beurteilung der bodennahen Ozonkonzentrationen erfolgt nach definierten Schwellenwerten.

Die Informationsschwelle (180 µg/m³), bei dessen Überschreitung schon bei kurzfristiger Exposition ein Risiko für die Gesundheit besonders empfindlicher Bevölkerungsgruppen besteht, wurde in den vergangenen zwei Jahren an keiner Station des Luftmessnetzes Sachsen-Anhalt überschritten.

In früheren Jahren kamen Überschreitungen hingegen häufiger vor. Im Jahr 2020 wurde eine Überschreitung im ländlichen Hintergrund gemessen (Station Zartau, 183 µg/m³). Im Jahr 2019 wurden drei Tage mit Überschreitungen des Schwellwertes an unterschiedlichen Standorten im städtischen und ländlichen Hintergrund registriert, u.a. in Magdeburg, Halle (Saale), Wernigerode, Halberstadt, Brocken, Zartau und Unterharz/Friedrichsbrunn. Der Maximalwert wurde mit 198 µg/m³ am 29. August 2019 auf dem Brocken gemessen.

In Bezug auf die Alarmschwelle (240 µg/m³), bei dessen Überschreitung bei kurzfristiger Exposition ein Risiko für die Gesundheit der Gesamtbevölkerung besteht, datiert die letzte Überschreitung auf das Jahr 1998. Die Alarmschwelle wurde am 12. August 1998 mit 270 µg/m³ auf dem Brocken überschritten.

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Ist mit einem Anstieg der Werte in den kommenden Jahren zu rechnen?

Die Ozon-Spitzenwerte zeigen sowohl in der Höhe, als auch in der Häufigkeit ihres Auftretens einen rückläufigen Trend. Demgegenüber steigt die durchschnittliche Belastung im städtischen Raum leicht an. Im ländlichen Hintergrund zeichnet sich hingegen ein leichter Rückgang der Ozonkonzentrationen ab. Die Ozonbildung ist in hohem Maße vom Wetter abhängig und kann von Jahr zu Jahr stark schwanken. Eine Vielzahl von Einflussgrößen und die starke Abhängigkeit vom Wetter erschweren daher Aussagen über den Langzeittrend.

Heiße Sommer sowie weiter ansteigende Temperaturen in den Sommermonaten begünstigen die Ozonbildung. Es müssen jedoch auch genügend Vorläuferstoffe vorhanden sein, damit der Bildungsprozess ablaufen kann. Stabile Hochdruckwetterlagen mit starker Sonneneinstrahlung begünstigen den Ozonbildungsprozess und es kann im Verlauf sogenannter Ozonepisoden zu einer Anreicherung der Ozonkonzentrationen in den bodennahen Luftschichten kommen.

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Wie sollten sich Menschen verhalten, wenn Ozonwerte überschritten werden?

Die Ozonkonzentration steigt üblicherweise mit den Temperaturen im Verlauf des Tages. Laut 39. Bundes-Immissionsschutzverordnung gilt für Ozon ein Informationsschwellenwert von 180 µg/m3 (Einstundenmittelwert). Um möglichen Beschwerden durch Ozon vorzubeugen, wird bei Überschreiten dieses Werts Kindern, Jugendlichen und ozonempfindlichen Personen empfohlen, längere körperliche Anstrengungen im Freien möglichst nicht in die Mittags- und Nachmittagsstunden zu legen. Ab einem Wert von 240 µg/m3 gilt das für die gesamte Bevölkerung. Für sportliche Betätigungen sind die Morgenstunden am besten. Das Lüften von Innenräumen sollte ebenso vorzugsweise in den Morgenstunden erfolgen, um eine erhöhte Ozonkonzentration in den Innenräumen zu vermeiden.

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Welche Maßnahmen können ergriffen werden, um Überschreitungen von Ozonwerten zu vermeiden?

Ozon wird nicht direkt freigesetzt, sondern bildet sich in den unteren Luftschichten bei intensiver Sonneneinstrahlung durch komplexe photochemische Reaktionen von Sauerstoff und Luftverunreinigungen, wie flüchtigen organischen Verbindungen sowie Stickstoffoxiden. Da diese so genannten Ozonvorläuferstoffen eine sehr hohe atmosphärische Lebensdauer aufweisen und über weite Strecken in der Hemisphäre transportiert werden, müssen die Maßnahmen zur Verminderung der Ozonbelastung bei der Reduzierung der Emissionen von Ozonvorläuferverbindungen ansetzen.

In der Europäischen Union wurde unter anderem zur Verminderung der Ozonvorläuferstoffe die Richtlinie (EU) 2016/2284 über die Reduktion der nationalen Emissionen bestimmter Luftschadstoffe verabschiedet. Im Rahmen der Richtlinie werden die Mitgliedsstaaten verpflichtet, ihre Emissionsmengen entsprechend eines individuellen Schlüssels bis zum Jahr 2030 prozentual abzusenken. Hierzu sollen nationale Luftreinhalteprogramme mit den erforderlichen Maßnahmen aufgestellt und regelmäßig evaluiert sowie aktualisiert werden.

Die Bundesregierung hat nach den nationalen Programmen zur Ozonminderung aus den Jahren 2002 und 2007 im Jahr 2019 ein nationales Luftreinhalteprogramm beschlossen. Der Entwurf des zweiten Nationalen Luftreinhalteprogramms befindet sich derzeit in der Ressortabstimmung und soll im Herbst 2023 an die Europäische Kommission übermittelt werden. In den Programmen sind mittel- und langfristig wirkende Maßnahmen aufgestellt. Ihr Ziel ist die Senkung der nationalen Emissionen von Stickstoffoxiden und flüchtigen organischen Stoffen.

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Was kann jeder Einzelne zur Verringerung der Ozonbelastung beitragen?

Jeder kann etwas beitragen, zum Beispiel:

  • Statt des eigenen Autos soweit möglich den ÖPNV oder das Fahrrad benutzen.
  • Grundsätzlich das eigene Auto weniger benutzen, Fahrgemeinschaften bilden, die Fahrgeschwindigkeit reduzieren.
  • Bei Neukauf eines Autos auf die Schadstoffklassen achten.
  • Beim Kauf von Farben und Lacken sowie von Hygieneartikeln (z.B. Deosprays) -wenn möglich- lösemittelfreie Produkte wählen.
  • Abgasintensive Maschinen und Geräte im Garten und auch bei kommunalen Grünflächenpflegearbeiten vermeiden.
  • Strombedarf drosseln.

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Welche Aktivitäten gibt es in Sachsen-Anhalt?

Das Luftüberwachungssystem Sachsen-Anhalt (LÜSA) gibt im Rahmen der Überwachung der Luftqualität im Land im Bedarfsfall Warnungen bei der Überschreitung einer bestimmten Ozonkonzentration heraus. Für diesen Zweck gibt es im LÜSA während der Ozonsaison (1. April bis 30. September) einen Ozondienst. Dieser informiert die Öffentlichkeit.

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Referat Klimawandel, Klimaschutz

Ministerium für Wissenschaft, Energie,
Klimaschutz und Umwelt
 des Landes Sachsen-Anhalt
Leipziger Straße 58
39112 Magdeburg

Telefon: +49 391 567- 1506
E-Mail: VzAl4(at)mwu.sachsen-anhalt.de