Elemente und Moleküle, Schulbuch

116 6 LUft, WASSeR, BoDeN – UNSeRe UMWeLt Fotochemischer Smog Bodennahes Ozon • Los-Angeles-Smog Das Phänomen des fotochemischen Smogs führte zuerst in Los Angeles zu Proble- men. Vor allem bei Schönwetterlagen mit intensiver Sonneneinstrahlung bildet sich ein sehr komplexes Gemisch von Luftschadstoffen, das Augenreizungen, Kopf- schmerzen und Lungenschäden bewirkt. Für Pflanzen sind diese Luftschadstoffe besonders schädlich. Später wurde dieser „ Los-Angeles-Smog “ auch in anderen Ballungsgebieten entdeckt. Er wird heute bei uns als eine der Hauptursachen des Waldsterbens betrachtet (Abb. 116.1). Ausgangsstoffe für den fotochemischen Smog sind die Stickstoffoxide und Kohlen- wasserstoffe (KW). Die Kohlenwasserstoffbelastung stammt vor allem aus den Ver- brennungsrückständen in Abgasen der Motoren, aus verdampften Lösungsmitteln (Lacke) und aus Verdampfungsverlusten beim Transport und bei der Verteilung von Benzin (Tanken). Auch natürliche Quellen wie die Emission von Terpenen durch Pflanzen kommen in Frage. Aus diesen Ausgangsstoffen bilden sich mit dem UV-Anteil des Sonnenlichtes Stof- fe, die man als Fotooxidantien bezeichnet. Ein Stoff in dem agressiven Gemisch ist Ozon. Es ist selbst sehr giftig, aber nur ein Teil der Schadstoffwirkung ist auf das Ozon direkt zurückzuführen. Zumindest ebenso wirksam sind organische Peroxide wie das Peroxyacetylnitrat, das aus den Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden unter Beteiligung von Ozon entsteht. Diese Peroxide sind ihrerseits wieder unter UV-Einfluss an der Ozonentstehung beteiligt. Da für den Ozonnachweis besonders genaue analytische Methoden zur Verfügung stehen, wird meist nur der Ozonwert gemessen. Er dient dann als Maß für den gesamten fotochemischen Smog. Man spricht von Ozonbelastung durch bodennahes Ozon, um es von dem erwünschten stratosphärischen Ozon zu unterscheiden. (Abb. 116.2) Sämtliche Reaktionsgleichungen sind Gesamtreaktionen, die über mehrere Stufen ablaufen, wobei als Zwischenprodukte sehr reaktionsfähige Teilchen entstehen, zB freie Sauerstoff-Atome, Singulett-Sauerstoff (eine angeregte Form des Sauerstoff- Moleküls), Hydroxyl-Radikale (Radikale sind Atomgruppen mit Einzelelektronen). In unbelasteter Luft liegt die Ozonkonzentration bei 20 – 30 ppb. An Sommertagen mit starker UV-Einstrahlung treten Werte bis über 100 ppb auf. Wird ein Wert von 100 ppb überschritten, so ist die Ozon-Vorwarnstufe erreicht und es wird kranken und empfindlichen Personen empfohlen, anstrengende Tätigkeiten im Freien zu unterlassen. Für Werte über 130 ppb (1. Warnstufe) gilt dies auch für gesunde Men- schen. Bei Ozonwerten über 180 ppb (2. Warnstufe) wird der Bevölkerung empfoh- len, den Aufenthalt im Freien überhaupt zu vermeiden (Abb. 116.3). Die Spitzenbelastungen durch Ozon treten häufig nicht in den großen Städten mit dem größten Verkehrsaufkommen auf, sondern in deren Umland, da die Ozonbildung erst nach einigen Stunden unter UV-Bestrahlung ihren Höhepunkt erreicht. In der Zeit sind die Schadstoffe bereits verfrachtet. Beschränkungen der Emissionen bei Überschreiten der Grenzwerte (meist am Nachmittag) sind dabei wirkungslos. Der Ozonabbau wird von denselben Stoffen bewirkt wie die Ozonbildung (Ozonver- brauch durch Kohlenwasserstoffe und NO). Eine Reduktion der Schadstoffe in den Nachmittagsstunden verlangsamt sogar den Ozonabbau, der bei Nachlassen der UV-Einstrahlung eintritt. Wirkungsvoll wären Emissionsbeschränkungen in den Vor- mittagsstunden, in denen noch keine Grenzwertüberschreitung vorliegt. Das Problem des fotochemischen Smogs kann langfristig nur durch eine generelle Senkung der Emissionen gelöst werden. Kraftwerke müssen mit Entstickungsanla- gen ausgerüstet werden. Der Hausbrand kann in größeren Städten durch Fernwär- meversorgung verringert werden. Vor allem aber muss die Emission von Kohlenwas- serstoffen gesenkt werden. Die verstärkte Einführung von Lacken auf Basis wässriger Emulsionen statt organischer Lösungsmittel und die Entwicklung neuer Systeme zur Verringerung der Benzinverluste beim Tanken (Gaspendelleitungen) sind ein Schritt in die richtige Richtung. Die wichtigste Maßnahme zur Entlastung der Atmosphäre von Vorläufersubstanzen des fotochemischen Smogs ist aber die Einführung des Abgaskatalysators für Kraftfahrzeuge. Bildung der Peroxide durch Ozon KW + NO 2 + O 3 → org. Peroxide Entstehung des bodennahen Ozons NO 2 + O 2 → NO + O 3 Org. Perox. + O 2 → O 3 + org. O-Vbdg. Abbau des bodennahen Ozons NO + O 3 → NO 2 + O 2 NO x KW Fotoreaktion UV O 3 organ. Peroxide organ. Sauerstoff- Verbindungen " Los-Angeles-Smog" OZON-Konzentration in ppb 180 130 100 30 Unbelastete Luft Vorwarnstufe 1. Warnstufe 2. Warnstufe Abb. 116.3: Ozonwarnstufen Abb. 116.2: Entstehung der organischen Peroxide Abb. 116.1: Los–Angeles–Smog Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv