Entstehung von Ozon

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Ozon ist ein Molekül, das aus drei Sauerstoffatomen besteht und somit eine allotrope Form des Disauerstoffs O2 darstellt. Der Name stammt auf dem Griechischen und leitet sich von dem Wort „ozein“ ab, das „riechen“ bedeutet. Unter normalen Bedingungen zersetzen sich Spuren von Ozon-Gas in der Luft zum sogenannten dimeren Sauerstoff. Dieser Prozess vollzieht sich in der Regel innerhalb weniger Tage. Bei durchschnittlicher Zimmertemperatur und normalem Luftdruck ist Ozon gasförmig und von farbloser bis leicht bläulicher Tönung. Bei einer Temperatur von -110,5° Celsius kondensiert es zu einer tiefblauen Flüssigkeit und verwandelt sich bei noch kälteren Temperaturen von – 192,5° Celsius in einen schwarzvioletten Feststoff. Die oxidierende Wirkung, die dieses Gas besitzt, führt bei Menschen und Tieren zu Reizungen der Atemwege, was vor allem bei längerem Kontakt mit diesem Gas äußerst unangenehm werden kann. Betroffene leiden häufig unter heftigen Schläfenkopfschmerzen, unter Umständen können langfristige Lungenschäden auftreten. Zusätzlich kann eine Schwächung des Immunsystems eine Folge von zu hoher Ozonbelastung sein. Pflanzen werden ebenfalls negativ von einer zu hohen Ozon-Konzentration beeinflusst. Ozon zerstört nicht nur die Blattoberfläche, sondern dringt auch in die Spaltöffnungen ein und greift dort die Zellstrukturen an, was die Photosynthese-Leistung der Pflanzen verringert. Somit trägt Ozon indirekt zum gefürchteten Waldsterben bei und führt zusätzlich zu Problemen in der Landwirtschaft. Ein weiterer negativer Faktor: Sich in Bodennähe befindliches Ozon verhindert genau wie andere Treibhausgase die Abgabe gespeicherter Erdwärme in die Atmosphäre und begünstigt somit den schädlichen Treibhauseffekt.

Eigenschaften

Ist es sehr hoch konzentriert, kann das Ozon-Gas durch seinen charakteristischen stechend-scharfen Geruch, der etwas chlorähnlich scheint, in der Luft ausgemacht werden. In geringen Konzentrationen ist der Stoff jedoch geruchslos. Die gemessene Geruchsschwelle befindet sich bei etwa 40 µg/m3. Nach einem längeren Aufenthalt in einem Raum mit höherer Ozonkonzentration gewöhnt sich die menschliche Nase jedoch schnell an den Geruch und nimmt diesen infolge nicht mehr wahr. Während Ozon in Erdnähe auf Menschen und Tiere schädigend wirkt und unter anderem die bereits angesprochenen, stechenden Kopfschmerzen hervorruft, schützt die Ozonschicht, die die Erde umgibt, alle Lebewesen vor Schädigungen durch die mit Energie angereicherte ultraviolette Sonnenstrahlung, die unter anderem schwerwiegende Krankheiten wie Hautkrebs auslösen kann. Aus diesem Grund spricht man häufig auch von „gutem“ und „bösem“ Ozon. Doch wie entsteht Ozon eigentlich?

Das Entstehen des Gases

Im Gegensatz zu vielen anderen Stoffen wird Ozon nicht emittiert, sondern entsteht aufgrund spezifischer Reaktionsprozesse. Hierbei verbindet sich abgespaltener, atomarer Sauerstoff O durch die Spaltung von O2-Molekülen mit dem bereits in der Luft vorhandenen molekularen Sauerstoff O2 zu Ozon, das mit dem Zeichen O3 bezeichnet wird. Fasst man all diese Erkenntnisse zusammenfasst, lässt sich folgende chemische Grundgleichung aufstellen: 3O2 —> 2O3 ? H = + 285 kJ. H bezeichnet hierbei die molare Reaktionsenthalpie, welche den Energieumsatz einer mit konstantem Druck ausgeführten Reaktion angibt. Je nach Erdnähe findet dieser Prozess auf verschiedene Weise statt. So bildet sich in der sogenannten Stratosphäre, einem Bereich von 15 bis 50 Kilometern Höhe, der atomare Sauerstoff O, indem O2-Moleküle durch energiereiche ultraviolette Strahlung mit einer Wellenlänge von < 242 nm gespalten werden. Dieser Vorgang wird auch als Photodissoziationbezeichnet. Die während des Prozesses entstandenen O-Moleküle verbinden sich anschließend mit den noch vorhandenen O2-Molekülen zu O3-Molekülen – dem Ozon.

In der Troposphäre, die mit bis zu 15 Metern Höhe der Erde um einiges näher ist, ist bereits ein bestimmter Grundanteil an natürlichem Ozon vorhanden. Ist die Strahlung der Sonne sehr intensiv, bildet sich zusätzliches Ozon. Dies geschieht im Rahmen hochkomplexer photochemischer Prozesse, bei denen sich molekularer Sauerstoff (O2) mit sogenannten VOC (volatile organic compounds, deutsch: flüchtige organische Verbindungen) oder Stickoxiden (NOx), Kohlenmonoxid (CO) oder Methan CH4 zu Ozon verbindet. Die letztere Gruppe (Stickoxide, Kohlenmonoxid und Methan) wird auch unter dem Namen „Vorläuferstoffe“ zusammengefasst.

Verursachung durch Menschen

Derartige Vorläufe sind in den meisten Fällen anthropogenen Ursprungs, was nichts anderes bedeutet, als dass sie vom Menschen verursacht werden. So sind etwa Auto- und andere Verkehrsabgase sowie auch Abgase aus Feuerungsanlagen einer der Hauptverursacher dieser sogenannten Vorläuferstoffe. Flüchtige organische Verbindungen (VOC) rühren meist aus einer Verwendung von aggressiven Lösemitteln im Haushalt sowie im Industrie- und Gewerbegebrauch und auch aus Tankstellen und dem allgemeinen Autoverkehr her. Bodennahes Ozon kann auch bei der Entladung elektrischer Hochspannung entstehen. Dieser Vorgang kommt sowohl in der Natur (Blitze), als auch im menschlichen Alltagsleben (Fotokopierer, Laserdrucker) vor. Ozon kann also nicht nur in der freien Natur während eines Gewitters, wo der elektrische Stromfluss zwischen Wolken und Erdboden zu einer Blitzentladung führt, sondern auch in von Menschen genutzten Innenräumen entstehen.

Smog

Neben diesen Faktoren beeinflusst auch der Austausch der Luftschichten in vertikaler Richtung die Ozonkonzentration. So wird bei einer Durchmischung mit höheren Luftschichten, das dort gespeicherte Ozon nach unten in erdnähere, von Natur aus weniger ozonreiche Schichten transportiert, wo es schließlich seine schädliche Wirkung entfaltet. Damit es aber zu einer besonders hoch konzentrierten Ansammlung von Ozon in der atmosphärischen Mischungsschicht kommt, sind jedoch zusätzlich bestimmte Bedingungen notwendig. Erst nach einer ausgiebigen, stabilen Schönwetterperiode mit sommerlichen Temperaturen, die mehrere Tage andauert entsteht der sogenannte Sommersmog, der eine besonders hohe Konzentration an Ozon aufweist. Neben diesen kurzfristigen Temperaturfaktoren spielen jedoch auch längerfristige Komponenten wie die allgemeine Belastungssituation oder aber auch die bereits vorhandenen Vorläufersubstanzen eine Rolle. Tendenziell lässt sich ein Abnehmen des Ozongehalts in der Stratosphäre verzeichnen, während die Konzentration des Ozons in Bodennähe sich konstant auf einem relativ hohen, wenn nicht gar steigenden Niveau bewegt. So wurde der offizielle Schwellenwert bodennahen Ozons der bei etwa 180µg/m3 Luft liegt, in ganz Deutschland etwa 600 Mal überschritten, was einen rapiden Anstieg zu den vorausgehenden Jahren darstellt.

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