In vielen Städten herrscht dicke Luft: Schadstoffe wie Feinstaub, Stickstoffdioxid oder bodennahes Ozon belasten die Luft und erhöhen das Risiko für viele Erkrankungen. Während einige Luftschadstoffe direkt vom Verkehr und dem Rauch von Gebäuden, Kraftwerken und Industrieanlagen freigesetzt werden, entstehen andere erst durch chemische Reaktionen in der Luft. So reagiert das von vielen Dieselfahrzeugen ausgestoßene Stickstoffmonoxid mit Ozon zu Stickstoffdioxid. Dieses wiederum zerfällt mit der Zeit wieder in Stickstoffmonoxid und Sauerstoffradikale, die zur Bildung von bodennahmen Ozon führen.
Luftschadstoffe und die Leighton-Beziehung
Dieser chemische Zyklus der Luftschadstoffe ist schon lange bekannt: Er wurde bereits vor über 60 Jahren vom Chemiker Philip Leighton im ersten Lehrbuch zur Luftverschmutzung mathematisch beschrieben. Das Verhältnis der beiden Prozesse – der Stickstoffdioxidbildung und der Ozonentstehung – wird seither als Leighton-Beziehung bezeichnet. Computermodelle der Atmosphärenchemie nutzen diese Gleichung, um die Konzentration von Ozon, Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid aus der Konzentration der jeweils beiden anderen abzuleiten – das verringert die Komplexität. In der Praxis dient dies zum Beispiel dazu, die Ozonkonzentration in Gebieten abzuleiten, die durch Stickoxide verschmutzt sind.
Wie zutreffend die Leighton-Beziehung vor allem im dicht besiedelten städtischen Raum ist, haben nun Thomas Karl von der Universität Innsbruck und seine Kollegen überprüft. Dafür werteten sie die Daten eines 40 Meter hohen Luftmessturms aus, der in der Innenstadt von Innsbruck steht. Die Instrumente des Turms erfassen Messwerte zu verschiedensten Luftschadstoffen und Wetterparametern, pro Stunde sammeln sie 36.000 Datenpunkte. Dadurch lässt sich die Konzentration von Luftbestandteilen laufend überwachen.
Ozonbildung überschätzt
Die Auswertungen dieser Langzeitmessungen ergaben, dass das Modell von Leighton bei hohen Stickstoffmonoxid-Emissionen ungenau wird und zu falschen Ergebnissen führt. Denn bei höheren Monoxid-Konzentrationen und den für urbane Straßenschluchten typischen stärkeren Turbulenzen wird mehr Ozon in Stickstoffdioxid umgewandelt, wie die Daten zeigten. Nutzt man Atmosphärenmodelle auf Basis der Leighton-Beziehung zur Abschätzung der städtischen Ozonwerte, kann dadurch der Anteil von bodennahem Ozon tendenziell überschätzt werden. „In Städten mit hohen Stickstoffmonoxid-Emissionen wird dieses Verhältnis um bis zu 50 Prozent überschätzt“, warnt Karl.
Um solche Fehleinschätzungen beispielsweise in städtischen Luftgüteprognosen zukünftig zu vermeiden, müssen die Modelle entsprechend angepasst werden. Dies gelte vor allem bei der Modellierung der untersten Schicht der Atmosphäre, bis zu 200 Meter über dem Boden, betonen die Forscher. Allerdings bedeutet diese Korrektur nicht, dass bisherige Messwerte der Luftschadstoffe fehlerhaft sind. Betroffen sind nur die mithilfe von Modellen aus ihnen abgeleiteten Prognosen oder Schätzwerte. Ähnliches gilt für Umweltschutzmaßnahmen: „Wichtig bleibt festzustellen, dass umweltpolitische Vorschriften nicht auf Modellrechnungen rekurrieren, sondern abhängig von tatsächlich gemessenen Schadstoffkonzentrationen in Kraft treten“, betont Karl.
