Ozon (O3)

Ozon entsteht als sekundäre Luftverunreinigung im Wesentlichen aus Luftsauerstoff, Stickoxiden und flüchtigen Kohlenwasserstoffen unter der Einwirkung der Sonneneinstrahlung. Die Belastung durch Ozon und andere Photooxidanten hängt neben der Konzentration der Vorläuferstoffe (NO_x, VOC, CH₄, CO) ganz wesentlich vom Verlauf der von Jahr zu Jahr stark schwankenden Witterungsbedingungen ab. Die Ozonvorläufersubstanzen gelangen aus natürlichen und anthropogenen Quellen in die Atmosphäre. Seit Beginn der Industrialisierung um 1850 ist die photochemische Ozonbildung durch die stark erhöhte Emission von Vorläuferstoffen erheblich angestiegen. Die Ozon-Jahresmittelwerte liegen in den Waldgebieten heute etwa um das Zwei- bis Dreifache über den angenommenen vorindustriellen Ozonkonzentrationen (ca. 20 bis 40 µg/m³ im 19. Jahrhundert). Aufgrund der höheren Strahlungsintensität und geringerer Konzentrationen von ozonzerstörenden Reaktionspartnern ist in den waldreichen Mittelgebirgslagen im Jahresmittel eine merklich höhere Ozonkonzentration als in den Ballungsräumen festzustellen. Wegen der Abhängigkeit der Ozonbildung von den von Jahr zu Jahr stark schwankenden Witterungsbedingungen sind Trendaussagen beim Ozon schwierig. In der bisherigen Zeitreihe weisen weder die Jahresmittelwerte noch die Spitzenwerte einen deutlich abwärtsgerichteten Trend auf. Wegen der sehr komplexen O₃-Entstehungs- und O₃-Abbauprozesse schlägt sich die Halbierung der Emission der Ozonvorläufersubstanzen NOx und VOC seit dem Bezugsjahr 1980 noch nicht in einer spürbaren Abnahme der Ozonbelastung nieder. Nach der europäischen Ozonrichtlinie (Richtlinie 2002/03/EG, Abl. L67 vom 09.03.2002) wird als Kennwert zur Beschreibung der Ozonbelastung der Vegetation der AOT 40 (accumulated exposure over a threshold of 40 ppb) herangezogen. Bei der Kalkulation des AOT 40 werden für die Vegetationszeit und die Tageslichtstunden (vereinfacht 8-20 Uhr) die Anteile der O₃-Stundenmittel, die 40 ppb (= 80 µg/m³) überschreiten, aufsummiert. Als Zielwert für den Schutz der Vegetation wird für 2010 ein AOT 40, berechnet für Mai bis Juli, von 18.000 µg/m³ . h gemittelt über 5 Jahre angestrebt. Als langfristiges Ziel, das etwa bis 2020 erreicht werden soll, werden 6.000 µg/m³ . h angegeben. Die für die Waldstationen des ZIMEN-Messnetzes kalkulierten AOT 40-Werte variieren von Jahr zu Jahr erheblich. Während der Zielwert von 18.000 µg/m³ . h zumindest an einem Teil der Waldstandorte eingehalten wird, wird das langfristige Ziel von 6.000 µg/m³ . h an allen Standorten noch erheblich verfehlt. In der VDI-Richtlinie 2310, Bl. 6 sind ebenfalls Kennwerte zur Bewertung des Ozonrisikos der Wälder festgelegt worden. Zur Risikobewertung werden alle Stundenmittel für den Zeitraum 1. April bis 30. September absteigend sortiert und zu Indizes (Mittelwerte über 1 Stunde, 8 Stunden, 7 Tage, 20 Tage, 90 Tage sowie die Vegetationszeit April bis September) aggregiert und diese Kennwerte mit der „maximalen Immissionskonzentration – MIK – für Ozon zum Schutz von europäischen Laub- und Nadelbaumarten“ verglichen. Die anhand dieser Methode für die Messreihen an den ZIMEN-Waldstationen durchgeführten Kalkulationen zeigen bei den Kurzzeitwerten einen weitgehenden Schutz des Waldes vor schädlicher Ozoneinwirkung, bei den Langzeitwerten dagegen ein potentielles Risiko von Ozonschäden, das bei der zum Teil mehr als 10 Jahre anhaltenden Überschreitung des MIK-Wertes als vergleichsweise hoch eingeschätzt werden muss. Ozon wird nahezu ausschließlich über die Spaltöffnungen ins Blattinnere aufgenommen. Dort verursacht es oxidativen Stress, auf den die Blätter/Nadeln mit sichtbaren Abwehrreaktionen, z.B. einer Verdickung der Zellwände und Ausstülpungen aus Kalziumpektat, reagieren. Ozoneinwirkungen führen zu einer Verengung der Spaltöffnungen, wodurch der Gaswechsel der Vegetationsorgane gestört wird. Gesunde assimilierende Zellen degenerieren unter Ozoneinwirkungen und sterben ab. Der Zellmetabolismus ändert sich. In den Zellen reichern sich Kalziumoxalatkristalle und bestimmte Phenole an. Der Abtransport von Stärke wird gestört. Dies führt auch zu einer geringeren Einlagerung von Reservestärke in den Wurzeln und dort zu Mangelerscheinungen. Nach längere Zeit andauernden Episoden mit hohen Ozonkonzentrationen zeigen sich charakteristische Schadsymptome an den Vegetationsorganen. Zu beobachten ist auch eine frühzeitige Vergilbung der Baumkronen und ein vorzeitiger Blattfall. In Begasungsexperimenten sind bei Ozoneinwirkungen oberhalb der critical levels Wachstumseinbußen bei Waldbäumen belegt.