Analyse der Ozonkonzentrationen an der deutschen Nordseeküste in Abhängigkeit von Jahreszeit, Windrichtung und Luftmassenherkunft

Zusammenfassung

Ozon ist einerseits ein natürlicher Bestandteil der Atmosphäre, der nicht nur in der Stratosphäre als sog. Ozonschicht vorkommt, sondern auch in der Troposphäre zu finden ist. Andererseits ist das Ozon ein sekundärer Luftschadstoff, der durch eine Reihe von photochemischen Reaktionen aus Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen gebildet wird. Dieses Ozon in der Umgebungsluft ist allgemein als „Sommersmog” bekannt. In dieser Arbeit werden die mittleren täglichen Ozonkonzentrationen, die von 1993 - 1999 an der Küstenstation Westerland des Umweltbundesamtes gemessen wurden, im Hinblick auf jahreszeitliche Unterschiede, Windrichtung und die Luftmassenherkunft analysiert. Die Ozonkonzentrationen sind im Allgemeinen während des Winterhalbjahres von Oktober bis März geringer (n = 1207, arithmetisches Mittel x¯ = 50 µg/m³, s = 22 µg/m³, Median x˜ = 52 µg/m³) als während des Sommerhalbjahres von April bis September (n = 1246, x¯ und x˜ = 77 µg/m³, s = 16 µg/m³). Im Winter wurden die geringsten Konzentrationen, die bis an die Nachweisgrenze reichten, bei Landwind gemessen. Bei Seewind zeigte sich dagegen eine vermehrte Häufigkeit der Werte zwischen 50 und 100 µg/m³ mit einem schmalen Maximum um die Konzentration von 70 µg/m³. Eine sehr ähnliche Verteilung mit nur wenig höheren Konzentrationen wurde bei Seewind auch während des Sommers gefunden. Bei Seewind waren im Sommer wie im Winter geringe Ozonkonzentrationen sehr selten. Im Gegensatz dazu ergab die Trajektorenanalyse, dass Luftmassen mit geringen Ozonkonzentrationen ausnahmslos dichtbesiedelte Gebiete auf dem europäischen Kontinent überquert hatten, bevor sie Westerland erreichten. Allerdings stammte auch solche Luft, die ungewöhnlich hohe Ozonkonzentrationen enthielt, aus diesen Regionen. Die unterschiedlichen Ergebnisse werden vor dem Hintergrund ozonbildender und -abbauender Prozesse diskutiert auch im Hinblick auf die besondere Lage Westerlands an der Küste, wo sich maritime und kontinentale Einflüsse treffen und separat erfasst werden können. Speziell die Ozonkonzentration bei Seewind kann der so genannten nordhemisphärischen Hintergrundkonzentration auf den mittleren Breiten, die in der freien Atmosphäre vorherrscht, zugeschrieben werden. Dies heißt, dass saubere, unbelastete Luft bei Seewind typischerweise eine gewisse Ozonkonzentration aufweist. Unter Gesundheitsaspekten ist diese saubere Seeluft völlig anders zu beurteilen als schadstoffbelastete Luft, welche die gleiche Menge Ozon enthält. Insgesamt lässt sich feststellen, dass die Ozonkonzentration nicht geeignet ist, die Luftqualität zu charakterisieren, ohne dass weitere Informationen über die Luftmassenherkunft und die Konzentrationen begleitender Luftschadstoffe gegeben sind.

Analysis of ozone concentration on the German North Sea Coast depending on season, wind direction and air mass origin

On the one hand, ozone is a natural constituent of the atmosphere. It is found not only in the stratosphere as the so-called ozone layer but also in the troposphere. On the other hand, ozone is a secondary air pollutant formed by a series of photochemical reactions from nitrogen oxides and volatile organic compounds. This ambient ozone is generally known in the public as „summer smog”. This paper analyses daily mean ambient ozone concentrations which were measured from 1993 to 1999 at the coastal station Westerland of the German Federal Environmental Agency (Umweltbundesamt) with respect to seasonal differences, wind direction and the origin of air masses. Ozone concentrations generally are lower during the winter period from October to March (n = 1207, arithmetic mean = 50 µg/m³, SD = 22 µg/m³, median = 52 µg/m³) than during summer from April to September (n = 1246, mean and median = 77 µg/m³, SD = 16 µg/m³). In wintertime lowest concentrations down to the detection limit are measured during offshore breeze. With onshore winds, however, the frequency distribution shows an increased frequency between about 50 and 100 µg/m³ ozone with a narrow peak around the concentration of 70 µg/m³. A very similar distribution with only slightly higher concentrations is also found during the summer season, also with onshore winds. During both summer and winter low ozone concentrations occur only very rarely with onshore wind. In contrast to this, air masses containing low ozone concentrations exclusively passed the conturbations of the European continent before reaching Westerland as was proven by trajectory analysis. However, air containing unusually high ozone concentrations derived from these regions as well. These highly diverse results are discussed with respect to ozone-forming and destroying processes and the special location of Westerland on the coast where marine and continental influences meet and can be evaluated separately. In particular, ozone concentration during onshore wind can be attributed to the so-called northern hemisphere mid-latitude background (NHMLB) concentrationprevailing in the free troposphere of the northern hemisphere. This means that clean unpolluted air during onshore breeze typically contains some ozone. With respect to the health effects this clean sea air has to be judged differently than polluted air containing the same amount of ozone. All in all, ambient ozone concentrations are not suited to characterize air quality without further information about the origin of the air and the concentrations of other concomitant air pollutants.

Schlüsselwörter

Ozon - Luftqualität - Luftschadstoffe - Umweltmedizin

Key words

Ozone - air-quality - air-pollutants - environmental-monitoring - air-pollution-adverse-health-effects

Literatur

• 1 Schuh A. Angewandte Medizinische Klimatologie. Stuttgart; Sonntag 1995
• 2 Stick C, Beilke S, Adolphsen A, Hundhausen E, Pielke L, Uhse K. Die lufthygienische Charakterisierung des Seeklimas an der Deutschen Nordseeküste im Vergleich zum Binnenland.  Phys Rehab Kur Med. 1998;  8 75-83
• 3 Stick C, Beilke S, Uhse K, Adolphsen A, Hundhausen E, Wallasch M. Die lufthygienische Situation an der deutschen Nordseeküste in Hinblick auf SO₂ und NO₂.  Phys Rehab Kur Med. 2000;  10 176-183
• 4 Lohmann M, Kierchhoff H W, Kaim E, Warnke K. Küstentourismus in Deutschland: Nachfragestruktur und Anfälligkeit für Klimaänderungen.  Tourismus J. 1998;  2, 1 67-79
• 5 Olson M P, Oikawa K K, Macafee A W. A trajectory model applied to the long-range transport of air pollutants: a technical description and some model intercomparisons. Ontario, Canada; Tech.Rep. LRTAP 78 - 4, Air Quality and Inter-Environmental Research Branch, Atmospheric Environment Service, Downsview 1978
• 6 Graedel T E, Crutzen P J. Chemie der Atmosphäre. Bedeutung für Klima und Umwelt. Heidelberg; Spektrum Akademischer Verlag 1994
• 7 Fishman J, Crutzen P J. The origin of ozone in the troposphere.  Nature. 1978;  274 855-858
• 8 Holton J R, Lelieveld J. Stratospheric-tropospheric exchange and its role in the budget of tropospheric ozone. In: Crutzen P, Ramanathan V (eds) Clouds, Chemistry and Climate. NATO ASI Ser Vol I 35. Berlin; Springer 1996: 173-190
• 9 Marenco A. Variations of CO and O₃ in the troposphere: evidence of ozone photochemistry.  Atm Environ. 1986;  20 911-918
• 10 Lelieveld J, Crutzen P. Role of deep cloud convection in the ozone budget of the troposphere.  Science. 1994;  264 1759-1761
• 11 Finlayson-Pitts B J, Pitts J N. Tropospheric air pollution: Ozone, airborne toxics, polycyclic aromatic hydrocarbons, and particles.  Science. 1997;  276 1045-1052
• 12 Beilke S, Wallasch M. Die Ozonbelastung in Deutschland seit 1990 und Prognose der zukünftigen Entwicklung.  Immissionsschutz. 2000;  5 149-155
• 13 Seinfeld J H. Urban air pollution: state of the science.  Science. 1989;  243 745-752
• 14 Lelieveld J, van Dorland R. Ozone Chemistry Changes in the Troposphere and Consequent Radiative Forcing on Climate. In: Wei-Chyung Wang I (ed) Atmospheric Ozone as a Climate Gas. NATO ASI Ser Vol I 32. Berlin; Springer 1995: 227-258
• 15 Lelieveld J, Dentener F J. What controls tropospheric ozone?.  J Geophys Res. 2000;  105 3531-3551
• 16 World Health Organisation .Guidelines for Air Quality. Copenhagen; WHO Regional Publications, European Series 91 2000 2nd Ed, Internet: http://www.who.int/peh/air/Airqualitygd.htm
• 17 Lutz M. Europäische Ozonminderungsstrategie und Ozon-Tochterrichtlinie. Schriftenreihe KRdL in VDI und DIN-Normenausschuss. 2000 32: 281-296
• 18 Verein Deutscher Ingenieure .Maximale Immissions-Werte zum Schutz des Menschen. Maximale Immissions-Konzentrationen für Ozon. VDI 2310 Blatt 15 (Entwurf). Düsseldorf 2000
• 19 Englert N. Richt- und Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit. In: Schriftenreihe KRdL in VDI und DIN-Normenausschuss Troposphärisches Ozon. Eine kritische Bestandsaufnahme über Ursache, Wirkung und Abhilfemaßnahmen. 2000 32: 215-229
• 20 Rowell L B. Human circulation, regulation during physical stress. New York; Oxford University Press 1986
• 21 Katsouyanni K, Pantazopoulou A, Touloumi G, Tselepidaki I, Moustris K, Asimakopoulou D, Poulopoulou G, Trichopoulos D. Evidence for interaction between air pollution and high temperature in the causation of excess mortality.  Arch Environ Health. 1993;  48 235-242
• 22 Bascom R, Bromberg P A, Costa D A, Devlin R, Dockery D W, Frampton M W, Lambert W, Samet J M, Speizer F E, Utell M. Health effects of outdoor air pollution. Part 1.  Am J Resp Crit Care Med. 1996;  153 3-50
• 23 Beilke S. Langzeitentwicklung der Ozonbelastung im globalen, nationalen und regionalen Maßstab.  Schriftenreihe KRdL in VDI und DIN 32. Berlin; Beuth 2000: 55-82