Fachliche Bewertung

Die Abbildung zeigt für die Jahre 1995 bis 2007 AOT40-Mittelwerte aus ländlichen Hintergrundstationen. Die Werte liegen weit über dem Wirkungsschwellenwert und lassen keinen eindeutigen Trend erkennen. Der starke Einfluss meteorologischer Verhältnisse auf die Ozonbelastung zeigte sich vor allem in den Jahren 1995, 2003 und 2006. So herrschte z. B. im Sommer 2003 eine außergewöhnliche Wettersituation mit besonders hoher Strahlenintensität und somit für die Ozonbildung sehr günstigen Bedingungen. Es bildete sich ein sehr hoher Sockel an Ozon, auf den sich die Spitzen mit Schwellenwertüberschreitungen aufsetzten. Diese außergewöhnliche Belastung wirkte sich auf den Kronenzustand der Wälder in vollem Maße erst im Jahr 2004 aus. Das zeigen die Ergebnisse der bundesweiten Waldzustandserhebung 2004 (siehe auch Indikator „Waldschäden der Schadstufe 2 und mehr“).

Bedeutung

Bodennahes Ozon hat eine schädigende Wirkung auf die Vegetation. Die Schadwirkung kann direkt sein und zu Ertrags- beziehungsweise Qualitätsverlusten (zum Beispiel Verfärbungen und Absterben von Blattteilen) führen oder im Falle von Bäumen auch langfristige Effekte haben (etwa die Verminderung von Zuwachsraten oder eine Steigerung der Empfindlichkeit gegenüber Schädlingen).

Zu den empfindlichsten Rezeptoren in Mitteleuropa gehören Buche, Lärche, Kiefer und andere Waldbäume, landwirtschaftlich genutzte Pflanzen wie zum Beispiel Weizen oder Kartoffel sowie eine große Zahl von Wildkräutern.

Bodennahes Ozon bildet sich aus Vorläuferstoffen wie Stickstoffoxiden (NO_x) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC). Eine wichtige Quelle für die Emission der Vorläufersubstanzen ist der Kfz-Verkehr. Darüber hinaus werden vor allem aus dem Kraftwerksbereich Stickstoffoxide und aus der Anwendung von Lacken und Lösemitteln flüchtige organische Verbindungen emittiert. Teilweise sind die Emissionen auch natürlichen Ursprungs.

Wegen seiner hohen Konzentrationen in Schönwetterperioden ist Ozon Leitsubstanz des Sommersmogs. Dieser ist durch eine hohe Konzentration von so genannten Photooxidantien wie eben Ozon, Peroxiden, Aldehyden und organischen Stickstoffverbindungen gekennzeichnet. Sie werden nicht direkt emittiert, sondern bilden sich erst in der Atmosphäre durch komplexe photochemische Reaktionen.

Die Höhe und Häufigkeit der kurzzeitigen Ozonspitzenkonzentrationen hängen unter anderem entscheidend vom Verlauf des jeweiligen Sommers ab. Besonders hohe Ozonkonzentrationen werden episodisch in Jahren mit lang anhaltenden Schönwetterperioden im Sommer erreicht. Als Episoden werden mindestens 2 Tage andauernde Situationen bezeichnet, bei denen großräumig Überschreitungen des Wertes von 180 µg/m³ auftreten.

Die sehr komplizierten Bedingungen für das Entstehen hoher Ozonbelastungen aus anderen Luftverunreinigungen haben dazu geführt, dass trotz des seit 1990 in Deutschland zu beobachtenden Rückgangs der Emissionen der Vorläufersubstanzen eine entsprechende Abnahme der Ozonbelastung erst sehr undeutlich zu beobachten ist.

Wirkung von Ozon auf Pflanzen

Ozon hat eine giftige Wirkung auf Pflanzen und ist ein Stressfaktor. Neben direkten Wirkungen wie Schädigungen von Blättern, Wachstumshemmungen und Ertragsverlusten gibt es indirekte Wirkungen, die sich in Änderungen der Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften und somit potenziell in der Veränderung ganzer Ökosysteme äußern können.

Die Reaktionen von Pflanzen auf Ozonbelastungen beruhen auf einer Abfolge von biochemischen und physiologischen Prozessen, die schließlich zu einer sichtbaren Schädigung führen können. Entscheidend für die Ozonwirkung und die Ausprägung von Blattschäden ist der Ozonfluss über die Spaltöffnungen in die Pflanze. Die Aufnahme durch die Blattoberfläche ist vernachlässigbar.

Akute Wirkungen
Akute Wirkungen treten während oder meist nach kurzen Belastungszeiten mit hohen Ozonkonzentrationen oder infolge hoher Aufnahmeraten von Ozon durch die Pflanze auf. Sie äußern sich besonders in offen sichtbaren Symptomen wie punktförmigen oder flächenhaften Gewebezerstörungen (Nekrosen) oder Verfärbungen (Chlorosen).

Chronische Wirkungen
Länger anhaltende Einwirkungen von vergleichsweise niedrigen Ozonkonzentrationen führen zu chronischen Wirkungen. Hierzu gehören ebenfalls offen sichtbare Symptome, die sich beispielsweise in Form von Veränderungen des Wuchses (Zwergwuchs, Blattdeformation) oder häufiger in Form von Vergilbungen (Chlorosen) einzelner Blatt- oder Nadelbereiche oder ganzer Organe äußern. Der Verlauf dieser Vorgänge entspricht oft natürlichen Alterungsprozessen der Pflanze, so dass man auch von verfrühter oder beschleunigter Alterung (Seneszenz) spricht.

Latente Wirkungen
Eine dritte Art von Ozonwirkungen sind latente Wirkungen. Hierunter werden Veränderungen gezählt, die sich nicht in Form offen erkennbarer gut charakterisierter Symptome äußern. Sie umfassen Veränderungen biochemischer und physiologischer Prozesse beziehungsweise zellulärer und subzellulärer Strukturen. Hierzu zählen Störungen der Photosynthese, Bildung von „falschen“ Stoffwechsel(zwischen)produkten und Membranänderungen, die zu Wachstums- und Ertragsreduktionen führen können. Häufig treten die Folgen dieser Reaktionen erst bei zusätzlicher Anwesenheit oder Einwirkung anderer Stressfaktoren auf (Trockenheit, Insektenbefall, mechanische Schädigung) und mindern die Leistung der Pflanze.

Biochemische Grundlagen der Wirkungen
Ozon erzeugt unter pflanzeninternen Bedingungen hochreaktive und aggressive Radikal-Moleküle. Diese und das ursprüngliche Ozon können mit den Biomembranen und Enzymen reagieren. Folgen der Reaktion sind unter anderem veränderte Membraneigenschaften, Störungen der räumlichen Teilung in der Zelle, Defekte und Veränderungen von Enzymen und Zerstörung von Photosynthesepigmenten.

Nicht jedes Ozonmolekül kann seine zerstörerische Kraft voll entfalten. Die Pflanzen haben Entgiftungsmechanismen entwickelt, die die Radikale abfangen können. Diese Mechanismen spielen auch unter anderen Stressbedingungen wie Hitze, Trockenheit, Frost, Schädlingsbefall, Schwermetallbelastung oder Belastung durch andere Gase eine große Rolle. Die Schutzmechanismen funktionieren jedoch nur bis zu einer bestimmten Belastung, höhere Belastungen führen zu irreversiblen Schäden. Darüber hinaus hat die Kombination von Stressfaktoren auf eine Pflanze eine größere Wirkung, als die Wirkung derselben Dosis nur eines Stressfaktors. Eine durch Ozonstress belastete Pflanze wird daher empfindlicher gegenüber anderen Stressoren und umgekehrt.

Schutzwert für Pflanzen
Pflanzen stellen wie die Gesundheit des Menschen ein Schutzgut dar. Sowohl der Ertrag und die Qualität von Nutzpflanzen als auch die Vitalität von Wildpflanzen und der Erhalt ihrer biologischen Vielfalt, nicht zuletzt als Lebensgrundlage für die Tierwelt, sind zu schützen.

Methodik der Indikatorenbildung

Seit 1988 besteht im Rahmen der Luftreinhaltekonvention der Wirtschaftskommission der Vereinten Nationen für Europa das International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation and Crops (ICP Vegetation). Unter der Führung von Großbritannien als koordinierender Nation hat sich das Programm von ursprünglich 8 auf derzeit 19 europäische Länder und die USA ausgedehnt, über 30 Länder liefern Informationen an das Datenzentrum des ICP Vegetation. In den letzten Jahren trug das Programm maßgeblich zum Konzept der „kritischen Konzentrationen“ (critical levels for ozone) in der Ozon-Wirkungsforschung bei.

Begasungsversuche an verschiedenen Pflanzenarten zeigen, dass Schädigungen durch Ozoneinwirkung (in diesem Fall Biomasseverlust) weniger mit der mittleren Konzentration über einen bestimmten Zeitraum als mit der Häufigkeit des Auftretens von hohen Konzentrationen korrelieren. Deshalb werden Critical Levels als kumulierte Dosis, so genannte AOT40-Werte (Accumulated Exposure Over a Threshold of 40 ppb), definiert. Alle Überschreitungen eines Stundenmittels von 40 ppb (40 ppb entsprechen 80 µg/m³) werden summiert. Diese Summe (angegeben in ppb pro Stunde = ppb × h) sollte für landwirtschaftliche Nutzpflanzen sowie Wildkräuter den Critical Level von 3 000 ppb × h und für Waldgebiete von 5 000 ppb × h nicht überschreiten. Der Wert für Wald ist aufgrund neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse gegenüber dem früher gültigen Critical Level um 50 % reduziert. Berücksichtigt wird nur der Zeitraum der höchsten Sensitivität des Rezeptors, die Hauptwachstumsphase. In Deutschland sind das die Monate Mai bis Juli für landwirtschaftliche Nutzpflanzen und naturnahe Vegetation und April bis September für Wald. Der Berechnungszeitraum ist auf die Stunden mit Tageslicht beschränkt.

Das ICP Vegetation entwickelte und nutzt inzwischen auch eine weiterentwickelte Methodik für die Critical Level-Ableitung, die sich nicht mehr auf die Ozon-Konzentration in der Atmosphäre, sondern auf den Ozonfluss durch die Spaltöffnungen in die Pflanzen stützt. Diese Methodik kann die physiologischen Wirkungen des Ozons wesentlich besser erfassen, ist aber in ihrer Anwendung auch anspruchsvoller. Der Critical Level wird dabei für einen kumulierten, kritischen Ozonfluss (AFst) über einen blattspezifischen Wert (Y) bezogen auf die sonnenexponierte Blattfläche [m²] in bestimmten Zeiträumen angegeben. Der Wert Y beträgt für Weizen und Kartoffel 6 nmol m^-2 s^-1 und für Waldbäume 1,6 nmol m^-2 s^-1. Der ozonflussbasierte Critical Level (AFstY) beträgt für Weizen: AFst6 = 1 mmol m^-2, für Kartoffel AFst6 = 5 mmol m^-2 und für Waldbäume (vorläufiger Wert) AFst1,6 = 4 mmol m^-2. Auch bei diesem Ansatz wird der Critical Level für landwirtschaftliche Kulturen für die Hauptwachstumsphase berechnet, bei Waldbäumen für die gesamte Vegetationsperiode. Nur Ozonflüsse während der Stunden mit Tageslicht werden summiert. Die ozonflussbasierten Critical Levels korrespondieren mit Ertragseinbußen bzw. einer Zuwachsminderung von 5 % im Experiment. Weitere spezifische Methoden zur Berechnung von Critical Levels, z. B. zur Berücksichtigung von sichtbaren Blattschäden, und Einzelheiten der verschiedenen Methoden können dem Methodenhandbuch zur Kartierung von Critical Loads und Levels (Modelling and Mapping Manual, http://icpmapping.org/) entnommen werden.

Bewertungsgrundlagen

Grenzwert Pflanzen (target value) bis 2010 nach EU-Richtlinie 2002/3/EG :
18 000 µg/m³ × h, gemittelt über 5 Jahre (AOT40, berechnet aus 1-Stunden-Werten Mai bis Juli)

Zielwert Pflanzen langfristig (long-term objective)
6 000 µg/m³ × h (AOT40, berechnet aus 1-Stunden-Werten Mai bis Juli)

Referenzwerte (Critical Levels im Modelling and Mapping Manual)
Konzentrationsbasiert:

Vegetation
AOT40: 6 000 µg/m³ × h, Stundenwerte (über 40 ppb) akkumuliert über Mai – Juli

Wald
AOT40: 10 000 µg/m³ × h, Stundenwerte (über 40 ppb) akkumuliert April bis September

Flussbasiert:

AFstY für Weizen: AFst6 = 1 mmol m^-2,

AFstY für Kartoffel AFst6 = 5 mmol m^-2

AFstY für Waldbäume (vorläufiger wert) AFst1,6 = 4 mmol m^-2.

Die Vermeidung von Überschreitungen kritischer Belastungswerte (Critical Levels) bis 2020 ist Ziel der Nationalen Strategie zur biologischen Vielfalt.

Maßnahmen zur Zielerreichung

·         Langfristig: Reduktion von Emissionen der Ozonvorläufersubstanzen wie Stickoxiden bis zum Jahr 2010 um 70 %

·         ad hoc in hochsommerlichen Episoden: Herabsetzung der Fahrleistungen des Kfz-Verkehrs

Rechtsgrundlagen

·         EU-Richtlinie 2002/3/EG des Europäischen Parlaments und des Rates über den Ozongehalt der Luft

·         Übereinkommen über den weiträumigen grenzüberschreitenden Transport von Luftverunreinigungen vom 13.11.1979 (UN/ECE Luftreinhalte-Konvention)

·         EU-Richtlinie über Emissionsobergrenzen

·         UN/ECE (United Nations Economic Commission for Europe) Luftreinhalte-Protokoll vom Dezember 1999

·         Nationale Strategie zur biologischen Vielfalt