Ozonproblematik
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Ozonproblematik Chemie in übergreifenden Zusammenhängen (LV 13.581) Julia Fehring Lena Schreiner Gliederung Aufbau der Atmosphäre Stratosphärisches Ozon - Die Ozonschicht - Das Ozonloch - Auswirkungen des Ozonabbaus - Politische Maßnahmen - Ausblick Bodennahes Ozon - Entstehung - die Rolle des Straßenverkehrs und natürlicher Emissionen - politische Maßnahmen - Sommersmog auf dem Land - Schwellenwerte - Auswirkungen auf den Menschen Zusammenfassung Quellen Aufbau der Atmosphäre http://www.bayern.de/lfu/umwberat/data/klima/ozonschicht_2004.pdf Stratosphärisches Ozon Die Ozonschicht Aufbau: hν O2 . O + O2 Abbau: O3 hν . O3 + O Spurengase: H2O N2O Weitere Radikale: NO, Cl, Br 2O . O3 λ < 240 nm . λ < 310 nm .OH + H . N + O. λ < 185 nm λ < 320 nm O2 + O 2O2 2 Stratosphärisches Ozon Die Ozonschicht http://www.bayern.de/lfu/umwberat/data/klima/ozonschicht_2004.pdf Stratosphärisches Ozon Die Ozonschicht Durch den Menschen ein Vielfaches an Chlorradikalen in der Stratosphäre: CF3Cl CF3 + Cl λ < 220 nm . Abfangen durch CH4 und NO2: . CH + Cl . 4 . CH + HCl 2 ClONO2 . NO + ClO 3 Stratosphärisches Ozon Das Ozonloch Ozonschichtdicke beträgt 400 bzw. 350 DU bei 50 bis 60° nördlicher bzw. südlicher Breite, 250 DU in Äquatornähe DU (Dobson Unit): unter Druck- und Temperaturverhältnissen auf Meeresniveau entspricht 1 DU einer Ozonschichtdicke von 1 mm Von einem Ozonloch spricht man, wenn der Wert unter 200 DU sinkt Stratosphärisches Ozon Das Ozonloch Gesamtozon Halley Bay (Antarktis) Ozonschichtdicke am Hohenpeißenberg •http://www.bayern.de/lfu/umwberat/data/klima/ozonschicht_2004.pdf Stratosphärisches Ozon Das Ozonloch •http://www.bayern.de/lfu/umwberat/data/klima/ozonschicht_2004.pdf Stratosphärisches Ozon Das Ozonloch Die Temperaturen in der Arktis sind ungefähr 10°C höher als in der Antarktis, so dass sich weniger Wolken bilden, die sich auch schneller wieder auflösen Stabiler Polarwirbel wird verhindert Es wird wesentlich weniger Chlor angereichert, der Ozonabbau ist geringer Stratosphärisches Ozon Auswirkungen Intensivere UV-B-Einstrahlung, z.B. in Bayern ist der Ozongehalt in den letzten 30 Jahren um 10% gesunken und die UV-B-Belastung um 15% gestiegen Mensch: Zunahme von Hautkrebs-Erkrankungen Pflanzen: Störung der Photosynthese Marine Systeme: Rückgang von Fischlarven, Produktionsausfall bei Meeresalgen Erdatmosphäre: Abkühlung der Stratosphäre bei gleichzeitiger Erwärmung der Troposphäre Stratosphärisches Ozon Maßnahmen - international 1985 Wiener Konvention 1987 Montreal Protokoll 1990 London 1992 Kopenhagen 1995 Wien 1997 Montreal 1999 Peking Stratosphärisches Ozon Maßnahmen - EU 01.10.2000 EU-Verordung, Nr. 2037/2000 Ausstieg aus Produktion und Verbrauch von H-FCKW Ausstieg aus Produktion und Verbrauch des Pestizids Methylbromid Maßnahmen zur Reduktion von Emission aller ozonabbauender Substanzen Stratosphärisches Ozon Maßnahmen http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/umweltkontrolle/2001/04_strato.pdf Stratosphärisches Ozon Ausblick Wenn die Abkommen eingehalten werden, könnte sich die Ozonschicht schrittweise bis Mitte des 21. Jahrhunderts wieder erholen, d.h. das Niveau der 70er Jahre erreichen. Allerdings ist die Erholung auch vom atmosphärischen Vorkommen von Methan, Lachgas und Sulfatpartikeln sowie von der Klimaerwärmung abhängig. Bodennahes Ozon Entstehung die Troposphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff Ozon entsteht nicht unmittelbar durch den Menschen sekundärer Schadstoff Ozon entsteht unter Einwirkung von Sonnenlicht aus Vorläuferstoffen Vorläuferstoffe: Stickstoffoxide (NOx) und leicht flüchtige organische Substanzen ohne Methan (NM VOC) VOC (volatile organic compounds) umfasst zahlreiche Einzelverbindungen Bodennahes Ozon Entstehung Ozon ist die Hauptsubstanz des „Sommersmogs“, der außerdem eine Vielzahl weiterer Luftverunreinigungen wie zum Beispiel Aldehyde und Peroxide enthält Ozonbildung und Ozonabbau stehen im Gleichgewicht Ozonkonzentration vom Verhältnis der Stickstoffoxide NO2 (oxidierte Form) und NO (reduzierte Form) sowie der Sonneneinstrahlung abhängig NO2 + O2 NO + O3 hν NO + O3 NO2 + O2 Bodennahes Ozon Entstehung Stickstoffoxide werden zu mehr als 90 Prozent in der reduzierten Form des NO ausgestoßen Ozon kann sich ohne weitere Prozesse nicht wesentlich anreichern NM VOC: reagieren mit OH-Radikalen und Sauerstoff zu Peroxyradikalen NO wird zu NO2 oxidiert reagieren unterschiedlich schnell mit OH-Radikal besonders leicht reagieren anthropogen erzeugte Kohlenwasserstoffe, aber auch natürlich entstehende Kohlenwasserstoffe Bodennahes Ozon Entstehung NM VOC werden etwa zur Hälfte bei der Verwendung von LM in Industrie, Gewerbe und Haushalten freigesetzt (Farben, Lacke, u. Ä. Methan ist die mengenmäßig häufigste Einzelverbindung der VOC in der Atmosphäre sehr langsame Reaktion mit OH-Radikalen, kaum wichtig als Vorläuferstoff für Ozon Bodennahes Ozon Entstehung http://www.umweltministerium.nrw.de/sites/arbeitsbereiche/immission/pdf/ozon/entstehung.pdf Die Rolle des Straßenverkehrs und natürlicher Emissionen wichtigste Vorläuferstoffe von bodennahem Ozon sind Stickstoffoxide (NOx) und leicht flüchtige organische Substanzen ohne Methan (NM VOC) bei den Stickstoffoxiden ist der Hauptemittent der Straßenverkehr bei den NM VOC macht die Anwendung von Lösemitteln, gefolgt vom Straßenverkehr, den größten Anteil aus Im Jahr 2000 wurden in der Bundesrepublik Deutschland circa 1,6 Millionen Tonnen NOx emittiert (circa 62 % vom Verkehr, rund 36 % von Feuerungsanlagen) Die Rolle von Straßenverkehr und natürlichen Emissionen Im Jahr 2000 lag in Deutschland der Anteil des Straßenverkehrs an NM VOC bei 21 Prozent von insgesamt 1,6 Millionen Tonnen Der Anteil an NM VOC von Industrie,Gewerbe und privaten Haushalten lag bei 63 Prozent Der Anteil natürlicher Stickstoffoxid-Emissionen ist gegenüber den anthropogen verursachten im Jahresmittel gering leicht flüchtigen organischen Substanzen sind öfter natürlichen Ursprungs Die Rolle von Straßenverkehr und natürlichen Emissionen Dabei handelt es sich überwiegend um reaktive Kohlenwasserstoffe wie Terpene und Isoprene aus Wäldern und Grünflächen natürliche Emissionen der Wälder nehmen mit sommerlichen Temperaturen stark zu Rückgang des Ausstoßes von Stickstoffoxiden von 1990 bis 2003 um 50%, Rückgang von flüchtigen Kohlenwasserstoffen um 59% Politische Maßnahmen Genfer Luftverunreinigungskonvention von 1979 (1985, 1991, 1999) Verminderung der Vorläuferstoffe Keine regionale Begrenzung der Maßnahmen Richtlinie 2001/81/EG vom 23.10.2001 Stickstoffoxid: 1051 kt NM VOC: 995 kt Emissionsminderung um etwa drei Viertel gegenüber 1990 Sommersmog auf dem Land Ozon als auch seine Vorläuferstoffe können je nach Windverhältnissen über mehrere Hundert Kilometer transportiert werden Ozonbildung benötigt relativ viel Zeit erhöhte Ozonwerte treten meist erst viele Kilometer entfernt der Vorläuferstoffe auf Randgebiete von Ballungszentren besonders betroffen von erhöhten Ozonwerten Sommersmog auf dem Land In der Stadt: Ozonproduktion kommt nachts aufgrund von fehlender Sonneneinstrahlung und dem abendlichen Verkehr (Anstieg der NO-Konzentration) zum Erliegen Ozonabbau Auf dem Land: kaum Quellen für Stickstoffoxide Ozon kann kaum abgebaut werden höhere Tagesmittel als in der Stadt Schwellenwerte Ozonwert <110 µg/m3 ab 180 µg/m3 ab 200 µg/m3 ab 240 µg/m3 Datenquelle: www.env-it.de/luftdaten Maßnahme/ Auswirkung Keine Gefahr Unterrichtung der Bevölkerung Reizungen der Schleimhäute u. Ä. Warnung der Bevölkerung Auswirkungen auf den Menschen „Sommersmog“ enthält eine Vielzahl von Reizstoffen Reizung der Augen und Schleimhäute kommt weniger von Ozon, sondern vielmehr von den gut wasserlöslichen Substanzen Peroxyacetylnitrat (PAN), Peroxybenzoylnitrat (PBN), Acrolein und Formaldehyd gesundheitlich ist Ozon bedenklicher Ozon reagiert in den oberen Atemwegen und in der Lunge (Zerstörung von Zellmembranen) Zusammenfassung Die Ozonmoleküle in beiden Schichten der Erdatmosphäre sind identisch, haben aber vollkommen unterschiedliche Effekte auf Mensch und Ökosystem. Stratosphärisches Ozon absorbiert den Großteil der schädlichen UV-B-Strahlung der Sonne und ist damit Voraussetzung für die Existenz von Leben auf der Erde. Wenn Ozon allerdings mit Lebewesen in direkten Kontakt tritt, ist es aufgrund seiner großen chemischen Reaktivität schwer schädlich. Diskussion Wie seht Ihr die Zukunft? Welche politischen Maßnahmen müssen noch ergriffen werden? Fühlt Ihr Euch „bedroht“ durch Ozon? Ist es gerechtfertigt, Industrie und Kraftverkehr wegen zu hoher Ozonwerte einzuschränken? Quellen Römpp kompakt - Basislexikon Chemie, Autorenkollektiv, Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1998, Band 3 Physische Geographie, Alan H. Strahler, Arthur N. Strahler, Ulmer Verlag, Stuttgart 2002, 2. Auflage http://www.chemievorlesung.uni-kiel.de/1992_umweltbelastung/ http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-daten/daten/ozon.htm : http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/umweltkontrolle/20 http://www.bayern.de/lfu/umwberat/data/klima /ozonschicht_2004.pdf http://www.umweltministerium.nrw.de/sites/arbeitsbereiche/immiss