Ozon – Freund oder Feind?
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Ozon ist auch heutzutage immer noch ein großes Schlagwort. Wir hören meistens von der Ozonschicht, der Tatsache, dass diese über die Jahrzehnte hinweg dünner geworden ist, und der Wichtigkeit, diese und damit gleichzeitig uns zu schützen. Wir hören von dem „Ozonloch“ über der Antarktis; und obwohl es dank geltender internationaler Abkommen und Vorschriften zu einer teilweisen Erholung der Ozonschicht gekommen ist, wird es laut der NASA noch mindestens 50 Jahre dauern, bis sich diese wieder auf den Stand von vor 1980 erholt hat. Vielleicht ist Ihnen auch die Ozonisierung eine Begriff, und die damit verbundenen Vorteile in unserer Umgebung und in der industriellen Verwendung.

Heutzutage jedoch, besonders im Sommer, wenn die Temperaturen hoch sind, hören wir in den Wetterberichten auch über Ozonalarm, Warnungen vor ungesunder Luftqualität und die Begrenzung der Ozonemissionen, denn Ozon kann unsere Gesundheit auch gefährden.

Wie kann Ozon also sowohl gut als auch schlecht sein, Freund und Feind?

Was genau ist Ozon?

Sauerstoff macht ungefähr 21% unserer Atmosphäre aus. Ein einziges Sauerstoffatom ist instabil – es möchte sich mit etwas anderem verbinden. Deshalb kommt Sauerstoff fast immer in Paaren von O2 vor. Unter bestimmten Bedingungen kann sich jedoch ein Dreifachmolekül mit der chemischen Formel O3 bilden: Ozon. Ozon ist ein hellblaues Gas mit einem ausgeprägten, sehr spezifischen und stechenden Geruch, der etwas an Chlorbleiche erinnert. Die meisten Menschen können deshalb eine Konzentration von etwa 0,02 ppm (40 μg / m³) oder weniger Ozon in der Luft entdecken. Die Gesamtmasse des Ozons in der Atmosphäre beträgt etwa 3 Milliarden Tonnen. Das mag viel erscheinen, macht aber nur 0,00006 Prozent der Atmosphäre aus. 2

Ozon ist ein hochreaktives Gas, und obwohl es bei hohen Konzentrationen instabil ist, kann es wertvolle Vorteile haben. Die Halbwertszeit variiert je nach Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftbewegung.

Was bestimmt nun, ob Ozon Freund oder Feind ist?

Ozon ist sowohl ein natürliches als auch ein vom Menschen hergestelltes Produkt, welches in der oberen Erdatmosphäre (Stratosphäre) und in der unteren Erdatmosphäre (Troposphäre) vorkommt. Abhängig davon, wo es sich in der Atmosphäre befindet, kann Ozon das Leben auf der Erde auf gute oder schlechte Weise beeinflussen.

Die Ozonkonzentration variiert mit der Höhe. Spitzenkonzentrationen, durchschnittlich 8 Ozonmoleküle pro Million Moleküle in der Atmosphäre, treten in einer Höhe von 30 bis 35 Kilometern auf. Quelle: NASA Ozone Watch 3

Ozon in der Stratosphäre (das „gute“ Ozon)

Neunzig Prozent des Ozons der Erde befinden sich in der Stratosphäre (die zweite Schicht, die sogenannte Ozonschicht der Erdatmosphäre, zwischen 10 und 50 km über der Erdoberfläche). Es ist auch mitverantwortlich für die tiefblau-violette Färbung des Himmels in der Dämmerung.

Ozon in der Stratosphäre wird auf natürliche Weise in einem zweistufigen reaktiven Prozess durch die Wechselwirkung von ultravioletter Sonnenstrahlung (UV) mit molekularem Sauerstoff (O2) gebildet. Im ersten Schritt zerlegt das Sonnenlicht ein Sauerstoffmolekül in zwei separate Sauerstoffatome. Im zweiten Schritt unterliegt dann jedes Atom einer Bindungskollision mit einem anderen Sauerstoffmolekül, um ein Ozonmolekül zu bilden. Diese Reaktionen finden kontinuierlich statt, so dass in der tropischen Stratosphäre die größte Ozonproduktion auftritt, was durch dessen Zerstörung bei chemischen Reaktionen mit reaktiven Gasen wie Wasserstoff, Stickoxiden sowie chlor- und bromhaltigen Gasen ausgeglichen wird. Entstehung und Zerstörung von Ozon halten sich in diesen natürlichen Prozessen über längere Zeiträume gesehen weitgehend die Waage.

Ozonschicht

Die stratosphärische Ozonschicht absorbiert, wie ein Schwamm, etwa 98% der schädlichen ultravioletten Strahlung der Sonne und schirmt so die Erdoberfläche von dieser ab. Ozon filtert die energiereichste UV-C-Strahlung, den größten Teil der UV-B-Strahlung und etwa die Hälfte der UV-A-Strahlung. UV-B sowie UV-C sind so energiereich, dass sie das Leben auf der Erde schädigen können. Die Folgen einer UV-B- oder UV-C-Exposition sind Verbrennungen (Sonnenbrand), im Fall von UV-B aber auch ein erhöhtes Krebsrisiko. Hier schützt uns die Ozonschicht in der Stratosphäre, indem sie die UV-C-Strahlung sowie einen Großteil der UV-B-Strahlung absorbiert. In dieser Höhe und dieser Funktion ist Ozon also regelrecht lebensnotwendig für das Leben auf der Erde.

Solare ultraviolette Strahlung wird vom Ozon in der Atmosphäre weitgehend absorbiert – insbesondere von schädlichen, energiereichen UV-a und UV-b. Die Grafik zeigt den Fluss (Energiemenge, die durch eine Fläche fließt) der ultravioletten Sonnenstrahlung am oberen Ende der Atmosphäre (obere Linie) und an der Erdoberfläche (untere Linie). Der Fluss wird auf einer logarithmischen Skala angezeigt, sodass jedes Häkchen auf der y-Achse das 10-fache der Energie angibt. Quelle: NASA Ozone Watch33

Ozonloch

Obwohl Ozon in der Stratosphäre kontinuierlich durch natürliche Prozesse erzeugt und entfernt wird, fügen industrielle „künstliche“ Schadstoffe dem Eimer „neue Löcher“ hinzu, wodurch der Ozongehalt in der Stratosphäre verringert wird. Ozonabbauende Verbindungen enthalten verschiedene Kombinationen der chemischen Elemente Chlor, Fluor, Brom, Kohlenstoff und Wasserstoff – diese werden häufig mit dem allgemeinen Begriff Halogenkohlenwasserstoffe bezeichnet. Die Verbindungen, die nur Chlor, Fluor und Kohlenstoff enthalten, werden als Fluorchlorkohlenwasserstoffe bezeichnet, die üblicherweise als FCKW abgekürzt werden. FCKW, Tetrachlorkohlenstoff und Methylchloroform sind wichtige, vom Menschen erzeugte, ozonabbauende Gase, die in vielen Anwendungen, einschließlich Kühlanlagen, Klimaanlagen, Reinigung von Elektronikkomponenten und als Lösungsmittel, verwendet wurden. Obwohl FCKW in der Troposphäre nicht reaktiv sind, können sie langsam in die Stratosphäre transportiert werden. Dort zerfallen sie in Moleküle wie Chlormonoxid (ClO), das Ozon abbaut, indem es wieder in Sauerstoffgas umgewandelt wird. Eine weitere wichtige Gruppe der vom Menschen erzeugten Halogenkohlenwasserstoffen sind die Halone, die Kohlenstoff, Brom, Fluor und (in einigen Fällen) Chlor enthalten und hauptsächlich als Feuerlöschmittel verwendet wurden.4

Was passiert, wenn diese Ozonschicht abgebaut und somit erheblich dünner wird, ist leider nur allzu gut bekannt und wissenschaftlich dokumentiert, hat sich doch über der Antarktis das sogenannte „Ozonloch“‚ gebildet. Der Name ist ein wenig irreführend, insofern als die Ozonschicht dort kein wirkliches Loch aufweist, sondern lediglich deutlich dünner geworden ist. Die Folge dieser Schwächung ist eine erhöhte Konzentration von UV-B-Strahlung, die nun auf die Erde vordringt.

Bild oben: Blick auf den Südpol vom NASA-Satelliten TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer). Blau und Grün weisen auf relativ große Ozonmengen hin. Rot und Gelb markieren das „Ozonloch“, ein Gebiet mit vermindertem Ozongehalt. Bildnachweis: NASA 5

Verbote diverser Chemikalien, allen voran die Gruppe der FCKW, haben dazu geführt, dass man mittlerweile davon spricht, dass sich die Ozonschicht wieder langsam regeneriert, wobei hier die Betonung auf langsam zu legen ist. Aktuelle Prognosen gehen von mehr als fünfzig Jahren aus, ehe wieder Verhältnisse wie zu Mitte des vorigen Jahrhunderts erreicht werden könnten.6

Wenn Wissenschaftler über das Ozonloch sprechen, sprechen sie über die Zerstörung bzw. Verringerung des stratosphärischen, des „guten“ Ozons.

Wo ist also das „schlechte“ zu finden?

Ozon in der Troposphäre (das „schlechte“ Ozon)

An der Erdoberfläche kommt Ozon in direkten Kontakt mit Lebensformen und zeigt seine zerstörerische Seite (daher wird es oft als „schlechtes Ozon“ bezeichnet). Da Ozon stark mit anderen Molekülen reagiert, sind hohe Ozonwerte für lebende Systeme giftig.

In dieser unteren Atmosphäre (der Troposphäre) wird Ozon durch chemische Reaktionen erzeugt, an denen sowohl natürlich vorkommende Gase wie auch menschgemachte Schadstoffe beteiligt sind. Diese werden hauptsächlich durch photochemische Reaktionen zwischen zwei Hauptklassen von Luftschadstoffen verursacht: flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) und Stickoxiden ( NOx). Diese Reaktionen sind teilweise von der Anwesenheit von Wärme und Sonnenlicht abhängig und zeigen sich dadurch in höheren Ozonkonzentrationen während der Sommermonate. Wir erleben diese typischerweise als „Smog“ oder Dunst. Zu dieser Zeit werden oft die sogenannten „Ozonalarme“ ausgerufen.

Bewertung des Gesundheitsrisikos

Ozontoxizität tritt in einem Kontinuum auf, in dem höhere Konzentrationen, längere Expositionsdauer und höhere Aktivitätsniveaus während der Exposition größere Wirkungen verursachen. Zu den kurzfristigen akuten Wirkungen gehören Atemwegsbeschwerden, Veränderungen der Lungenfunktion, erhöhte Reaktionsfähigkeit und Entzündungen der Atemwege. Es wird auch gefunden, dass die Exposition gegenüber Ozon mit einer Zunahme der Krankenhauseinweisungen aufgrund von Atemwegserkrankungen und einer Verschlimmerung von Asthma verbunden ist.6

Ozon und wie wir es zu unserem Vorteil nutzen

Obwohl Ozon in hohen Konzentrationen giftig ist, wird es auch auf verschiedene Arten zu unserem Vorteil verwendet. Möglicherweise weniger bekannt ist, das Ozon eines der stärksten und umweltfreundlichsten Oxidationsmittel und, nach Fluor, damit eines der effektivsten Desinfektionsmittel ist. Es ist dreitausendmal stärker als Chlor. Die stark oxidierenden Eigenschaften machen Ozon zu einem vollwertigen Ersatz für herkömmliche chemische Desinfektionsmittel, das keine schädlichen Nebenprodukte hinterlässt. Ozon bietet Einsatzmöglichkeiten in diversen industriellen Lebensmittel- und Getränkesegmenten, bei der Trinkwasseraufbereitung, Fermenterozonierung, Luftaufbereitung und –Desinfektion, Geruchsneutralisierung, sowie vielen anderen Bereichen.

Alles in Maßen

Wie bei so vielem ist es also auch bei Ozon in Bezug auf die menschliche Gesundheit eine Frage der Konzentration. Ozon kommt, in geringen Konzentrationen, überall in unserer Umwelt vor. Es wird ganz natürlich etwa in der Nähe von stark bewegtem Wasser wie einem Wasserfall oder bei einem Gewitter durch die elektrische Entladung der Blitze erzeugt. Es ist kein Zufall, dass die Luft in der Nähe eines Wasserfalls oder nach einem Gewitter als frischer wahrgenommen wird, denn da tritt die oben beschriebene starke Reinigungswirkung des Ozons in Effekt und baut Schadstoffe (Gerüche) und Mikroorganismen ab.

Ozon bleibt jedoch ein giftiges Gas mit anderen chemischen und toxikologischen Eigenschaften als Sauerstoff. Aus diesem Grund wurden Gesundheitsstandards und Empfehlungen zur Begrenzung der Ozonbelastung für den Menschen festgelegt, um die Grenze zwischen nützlichen Reinigungsmitteln und gesundheitsschädlichem Reizstoff zu ziehen.

Wie viel Ozon ist zu viel?

Die EU definiert derzeit die folgenden Richtwerte: Ab 0,09 ppm (180 µg/m³) soll die Bevölkerung unterrichtet werden. Sensible Personen sollten ab dieser Konzentration körperliche Anstrengungen in dieser Umgebung vermeiden. Die Schwelle für eine tatsächliche Ozonwarnung liegt bei 0,12 ppm (240 µg/m³). Ab diesem Wert sollten alle Menschen körperliche Anstrengungen in dieser Umgebung vermeiden. Auch für längere Aufenthalte, wie etwa am Arbeitsplatz gibt es seitens der EU einen Richtwert. Dieser liegt aktuell bei 0,06 ppm (120 µg/m³). Alle Konzentrationen unterhalb dieses Wertes gelten als für die menschliche Gesundheit ungefährlich.

Wie schon Anfangs erwähnt, kann der menschliche Geruchssinn Ozon schon bei deutlich niedrigeren Konzentrationen wahrnehmen – je nach Empfindlichkeit sogar schon bei 0,02 ppm (40 µg/m³) und weniger. Somit verfügt der Mensch über einen natürlichen Warnmechanismus.

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Bipolare Ionisation und Ozon

Vor einem Gewitter befindet sich eine sehr hohe Konzentration von Schadstoffen in der Luft, wie Bakterien, Allergenen und VOCs. Ein Gewitter setzt elektrische Hochspannungsentladungen frei und gibt dabei hohe Konzentrationen von positiv und negativ geladenen Ionen ab. Ein Blitz erzeugt u.a. Ozon durch elektrische Anregung von Sauerstoffmolekülen. Die dabei entstehenden Ionen spielen eine wichtige Rolle bei der Reduzierung der Schadstoffmenge und sind der Schlüssel für die Versorgung mit frischer und sauberer Luft in der Natur.

Das Prinzip der Luftreinigung durch bipolare Ionisation ist mit diesem natürlichen Phänomen vergleichbar. Unsere Geräte behandeln die Luft wie unter dem Einfluss eines reinigenden Gewitters. Hochspannungsentladungen, die in der Natur in Form von Blitzen auftreten und bei den bipolaren Ionisationsgeräten von Bioclimatic künstlich erzeugt werden, sind in der Lage, Sauerstoff- und Wassermoleküle in der Luft in positiv und negativ geladene Ionen zu zerlegen: Diese energetisch angeregten Ionen sind bestrebt, durch Reaktion mit anderen Molekülen wieder in einen stabilen Zustand zu gelangen. Hierbei bieten sich Schadstoffe in der Luft, insbesondere organische Geruchsmoleküle, als Reaktionspartner an, wodurch diese Schadstoffe schrittweise zu Wasser und Kohlendioxid abgebaut werden. Auch Keime wie Schimmelpilze und Bakterien werden von den Ionen inhibiert. Zusätzlich trägt Ozon, das bei dieser Hochspannungsentladung in geringen, für die Gesundheit von Menschen und Tieren harmlosen Mengen entsteht, seinen Teil zum Abbau der Schadstoffe bei. Zusammen mit den vorgenannten Ionen bilden sie ein Gemisch, das als „aktivierter Sauerstoff“ bezeichnet wird. Die aktivierte Luft wirkt als natürliches Reinigungsmittel im Raum und stellt eine gesunde Raumluft in geschlossenen Räumen wieder her.

Es ist korrekt, dass bei der Ionisierung auch zu einem gewissen Maß Ozon entsteht. Allerdings sprechen wir hier von Konzentrationen im absolut unbedenklichen Bereich von 0,01 ppm. Zum Vergleich: Die aktuell geltende EU­Richtlinie benennt für Ozon einen Wert von 0,06 ppm unterhalb dessen bei längerem Aufenthalt – z. B. 8 Stunden am Tag, 5 Tage die Woche – für den Menschen keinerlei Gesundheitsrisiko besteht. Zusätzlich bieten wir bei unseren Ionisationssysteme sensorgesteuerte Regelungen an, bei denen Ozonsensoren zur Absicherung eingesetzt werden, um etwaige Gesundheitsrisiken definitiv auszuschließen. 10

Wie also in der Natur auch, ist der Mensch stets einer gewissen Ozonkonzentration ausgesetzt, die, solange sie nicht durch etwa Smog zu erhöhten Konzentrationen führt, die Gesundheit nicht beeinträchtigt.

Freund oder Feind ist also immer subjektiv zu sehen – immer in Bezug auf Menge und Ort.


1 Wikipedia: Ozone–oxygen cycle

2 Wikipedia: Ozone

3 NASA Ozon Watch

4 United Nations Environment Programme, Environmental Effects Assessment Panel. Environmental effects of ozone depletion and its interactions with climate change: Progress report, 2016Photochem Photobiol Sci. 2017 Feb 15;16(2):107-145. doi: 10.1039/c7pp90001e | PubMed PMID: 28124708; PubMed Central PMCID: PMC6400464

5 NOAA’s Earth System Research Laboratory – Chemical Sciences Division 

6 NASA Study: First Direct Proof of Ozone Hole Recovery Due to Chemicals Ban, 2018

7 WHO Air Quality guidelines for Europe

8 ScienceDirect: Ozonation

9 Ozonation of municipal wastewater effluents | Panagiota Paraskeva, Nigel J. D. Graham | Water Environ Res. 2002 Nov-Dec; 74(6): 569–581

10 Blitze im Luftkanal: Der Einsatz bipolarer Ionisation schafft neue Möglichkeiten für geruchsfreie Luft

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