1 Einleitung

Für die Bildung des bodennahen Ozons spielen auch pflanzenbürtige

und somit biogene Kohlenwasserstoffe (BVOCs, biogenic volatile

organic compounds) eine wichtige Rolle. Anders als in der Strato-

sphäre liefert in der Troposphäre nur die photochemische Spaltung

von Stickstoffdioxid (NO2) das notwendige Sauerstoffatom für die

Ozonbildung. Neben den geringfügigen Mengen an natürlichen

Stickoxid-Emissionen sind es hauptsächlich anthropogene Quellen,

die NOx (x = 1, 2) in die Troposphäre eintragen. Es stellt sich ein

chemisches Gleichgewicht zwischen Ozon und Stickoxiden ein, so

dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Ozonkonzentration

und dem NO2/NO-Verhältnis gegeben ist:

[O3] ~ [NO2] / [NO]

In Gegenwart von leicht flüchtigen organischen Verbindungen

(VOCs) in der Luft wird die Oxidation von NO zu NO2 gefördert,

woraus eine zusätzliche Ozonbildung resultiert (Abb. 1). Je nach Re-

aktivität und molekularem Aufbau der organischen Verbindung kann

der Mechanismus mehrfach durchlaufen werden, so dass ein organi-

sches Molekül zur Entstehung von mehreren Ozonmolekülen bei-

trägt. Es wird dann von einem hohen Ozonbildungspotential (OBP)

gesprochen. Hohe OBPs besitzen einige anthropogene Kohlenwas-

serstoffe (AVOCs) wie Ethylbenzol, Toluol und Xylol (Abb. 2). Aber

auch Pflanzen emittieren in unterschiedlichem Maße Kohlenwasser-

stoffe (BVOCs), zum Beispiel Isopren und Terpene. Isopren ist sehr

reaktiv und hat ebenfalls ein hohes OBP. So kann 1 g Isopren zur

Bildung von etwa 11 g Ozon führen (Carter 1994). Isopren wird

zwar auch vom Straßenverkehr emittiert (z.B. Borbon et al. 2001),

jedoch sind die biogenen Emissionsraten im Gegensatz zu den

anthropogenen bis etwa 30 °C exponentiell von der Temperatur ab-

hängig, so dass es im Temperaturbereich zwischen 25 und 30 °C zu

einer Verdoppelung der Isoprenemissionsrate kommt (Abb. 3). Dem-

entsprechend zeigt sich die Relevanz des biogenen Isoprens gegen-

über den anthropogenen Emissionen bezüglich der Ozonbildung so-

wohl im Jahresgang (Abb. 4) als auch im Tagesgang (ohne Abb.).

Letzteres ist durch das gleichzeitige Auftreten der Maxima der Iso-

prenemissionsrate und der OH-Konzentration am frühen Nachmittag

begründet.

Einfluss biogener Kohlenwasserstoffe auf die sommerliche

Ozonentstehung im urbanen Raum am Beispiel des Isoprens

Patrick Wagner, Wilhelm Kuttler

Fakultät für Biologie

Angewandte Klimatologie und Landschaftsökologie,

Universität Duisburg-Essen, 45141 Essen

Fakultät für Biologie

Angewandte Klimatologie und Landschaftsökologie

2 Relevanz des biogenen Isoprens in Hin-

blick auf den Stadtklimawandel

Zu den prognostizierten Wirkungen des globalen Klimawandels zäh-

len sowohl eine Zunahme der solaren Globalstrahlungsstromdichte

als auch der Temperatur der bodennahen Atmosphäre. Hierdurch

wird eine ideale Voraussetzung für eine Verstärkung der Isopren-

emissionen geschaffen. Durch die Kombination aus hohem OBP und

exponentieller Temperaturabhängigkeit der Emissionsrate muss da-

her davon ausgegangen werden, dass biogenes Isopren zu einer Leit-

substanz für die Beeinflussung der Luftqualität werden kann, und

zwar dort, wo Pflanzen entsprechend stark emittieren. Es stellt sich

daher die Frage, in welchem Maße städtische Vegetation unter den

Wirkungen des globalen Klimawandels durch zunehmende Isopren-

emissionen zu einer Erhöhung der Ozonkonzentration im urbanen

Raum führen kann.

sationsdetektor) vorgenommen werden. Das Projekt umfasst die Auf-

zeichnung des Jahresganges der Isoprenkonzentration an einer stark

befahrenen Straße sowie mobile Messungen zum Vergleich der

Isopren- und Ozonkonzentration an verschiedenen Standorten im ur-

banen Raum. Die mobilen Messungen erfolgen mit einem Messlabor

(Abb. 6).

Abb. 1: Reaktionsschema zur VOC-unterstützten Ozonbildung (R: unver-

änderter Teil des VOC-Moleküls nach Reaktion mit OH-Radikal). (nach Le

Bras, 2002)

Abb. 3: Temperaturabhängigkeit der Isoprenemissionsrate. (nach Guenther

et al. 1993)

Abb. 6: Mobiles Messlabor der Abt. Angewandte Klimatologie und Land-

schaftsökologie zur Messung meteorologischer Größen und der Isopren-

konzentration.

Abb. 2: Die Top 10 VOCs bezüglich des OBP nahe einer stark befahrenen

Straße im urbanen Raum von Peking. (nach Lee & Wang 2006)

Abb. 4: Typischer Jahresgang der Isoprenkonzentration. Diese Messungen

wurden von Reimann et al. (2000) an einem ruralen Standort mit anthropo-

genen Einflüssen in der Schweiz durchgeführt. Die Differenz zwischen ge-

messenem und biogenem Isopren entspricht dem anthropogenen Isopren.

Abb. 5: Bodennahe Ozonkonzentration in Abhängigkeit von NOx- und

VOC-Konzentration (NMKW: Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe) nach

Röth (2002). Die gestrichelte Linie markiert den Übergangsbereich zwi-

schen der NOx-sensitiven und der VOC-sensitiven (NOx-gesättigten) Luft.

Im VOC-sensitiven Bereich ändert sich die Ozonkonzentration bei Ände-

rung der NOx-Konzentration kaum, reagiert aber mit einer signifikanten

Modifikation auf eine Änderung der VOC-Konzentration.

3 Untersuchungen

Da zu dieser Fragestellung bisher nur wenige, meist theoretische Un-

tersuchungen durchgeführt wurden (z.B. Guenther et al. 1993, Benja-

min & Winer 1998, Narumi et al. 2009, Pacifico et al. 2009), soll die

Isoprenkonzentration an ausgewählten Standorten in Städten des

Ruhrgebiets gemessen werden, um folgende Fragen zu beantworten:

Welchen Einfluss haben Bäume in Straßenschluchten auf die

urbane Isoprenkonzentration?

Welche Werte nimmt das Verhältnis von biogenem zu anthropo-

genem Isopren in räumlicher und zeitlicher Abhängigkeit an?

Wie lässt sich die Straßenbegrünung bzgl. der urbanen Ozon-

bildung bewerten?

Der Zusammenhang zwischen Isoprenkonzentration und Ozonbil-

dung ist keinesfalls linear. So zeigten Sillman (1999) und Röth

(2002), dass die Ozonbildung in einer NOx-gesättigten Luft, wie sie

im Allgemeinen in urbanen Straßenschluchten vorliegt, sehr emp-

findlich auf Änderungen der VOC-Konzentration reagiert (Linie von

A nach B in Abb. 5).

Die geplanten Untersuchungen sollen mithilfe einer Online-Messme-

thode (GC-PID, Gaschromatograph gekoppelt mit einem Photoioni-

4 Literatur

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Borbon, A., Fontaione, H., Veillerot, M., Locoge, N., Galloo, J.C., Guillermo, R., 2001. An

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Narumi, D., Kondo, A., Shimoda, Y., 2009. The effect of the increase in urban temperature

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Reimann, S., Calanca, P., Hofer, P., 2000. The anthropogenic contribution to isoprene con-

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Röth, E.P., 2002. Ozonloch/Ozonsmog, Richard Pflaum GmbH & Co KG, München

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ted rural environments. Atmospheric Environment 33, 1821–1845.

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