Fotochemische luchtverontreiniging: oorzaken en effecten

Wat is fotochemische luchtverontreiniging?

Zomersmog ontstaat door chemische reacties in de lucht onder de invloed van zonneschijn waarbij ozon en andere stoffen (zoals deeltjesvormige luchtverontreiniging herkenbaar aan de heiigheid tijdens zomersmogdagen) worden gevormd. Als maat voor de ernst van zomersmog wordt de hoogte van de ozonconcentratie in de lucht gehanteerd. Bij 'ozon gunstige' omstandigheden zoals veel zonlicht, hoge temperatuur en weinig wind kan de ozonconcentratie gemakkelijk oplopen tot boven de Europese norm van 120 µg/m³ als 8-uursgemiddelde concentratie. Jaargemiddeld is de ozonconcentratie ongeveer 40 µg/m³.

Hoe ontstaat ozon?

Ozon komt van nature voor in de lucht. Een (geringe) hoeveelheid ozon op leefniveau is essentieel voor de (fotochemische) verwijdering van luchtverontreiniging. Een verhoogde ozonconcentratie ontstaat onder invloed van zonlicht (UV, ultraviolet licht) uit diverse stoffen:

• Vluchtige organische stoffen (VOS)
• Stikstofoxiden (NOx)
• Koolmonoxide (CO)
• Methaan (CH₄)

De fotochemische reacties waarbij ozon wordt gevormd, verlopen op een tijdschaal van enkele uren. De hoogste ozonconcentraties worden in het algemeen in de late namiddag gemeten, enkele uren nadat de intensiteit van het ultraviolette zonlicht maximaal is.
Stikstofoxiden (NO_x) zijn noodzakelijk als katalysator voor ozonvorming. Bij zeer lage stikstofoxidenconcentraties stopt de vorming van ozon en kan er zelfs afbraak van ozon plaatsvinden; dit soort situatie vinden we bijvoorbeeld boven de oceanen op het zuidelijk halfrond. Boven continentale gebieden op het noordelijk halfrond zijn op leefniveau meer dan voldoende stikstofoxiden aanwezig voor ozonvorming. Ozon wordt uit de atmosfeer verwijderd door chemische afbraak en door depositie (opname aan het aardoppervlak).

De ozonvormende stoffen komen tegenwoordig vooral in de atmosfeer door activiteiten van de mens. In bevolkte gebieden leidt de uitstoot van vluchtige organische stoffen en stikstofoxiden door bijvoorbeeld verkeer, industrie en consumenten tot extra ozonvorming. Er is ook een bijdrage van natuurlijke processen, zoals de emissie van ozonvormende stoffen door (naald)bomen.

Waar in Nederland komt zomersmog het meeste voor?

In Nederland komen op jaargemiddelde basis de hoogste concentraties van ozon voor van het zuidwesten tot het zuidoosten. De maxima ontstaan vooral daar door de aanwezigheid van dichtbevolkte en sterk geïndustrialiseerde gebieden, zoals de Randstad, en door de relatief grote bijdrage van reeds in het buitenland gevormde ozon en van ozonvormende stoffen. Deze komt uit gebieden in Duitsland, zoals het Ruhrgebied, en België. Dat de problemen een grensoverschrijdend karakter hebben, komt door de levensduur van ozon en de ozonvormende stoffen. Deze loopt uiteen van enkele dagen tot meer dan een week. Ze kunnen dus gemakkelijk door de wind over grote afstanden getransporteerd worden.

Effecten van zomersmog

Op leefniveau is ozon een vervuilende stof, die een schadelijk effect heeft op de mens, ecosystemen en materialen. Tijdens een periode van zomersmog kan het inademen van lucht waarin veel ozon zit, leiden tot de volgende effecten op de gezondheid:

• tijdelijke luchtwegklachten zoals: droge keel, pijn op de borst, hoest, benauwdheid en pijn bij diepe inademing. Ook hoofdpijn, een onbehaaglijk gevoel, misselijkheid en duizeligheid komen voor.
• tijdelijk verminderde werking van de longen. Dit kan gepaard gaan met aantasting van het longweefsel. Hierdoor kan het prestatievermogen verminderen. Verder kan de snelheid afnemen waarmee ons lichaam deeltjes, bacteriën en virussen uit de longen verwijdert.

De effecten van een eenmalige, kortdurende periode van zomersmog zijn van voorbijgaande aard. Herhaalde blootstelling aan hoge concentraties ozon kan echter mogelijk leiden tot blijvende verminderde werking van de longen. Het effect van ozon op de gezondheid kan van mens tot mens behoorlijk verschillen. Er zijn aanwijzingen dat een langdurige blootstelling aan lage concentraties ook schadelijk is.  
Ozon is ook schadelijk voor de natuur. Bij een kortdurende blootstelling aan hoge ozonconcentraties ontstaat bij sommige planten een zichtbare bladschade. Ook op de lange termijn treedt ozonschade op in de vorm van verminderde groei en een grotere gevoeligheid voor ziekte en plagen. Bij landbouwgewassen kan ozonblootstelling leiden tot een opbrengstvermindering wat weer een economische schade tot gevolg kan hebben. Bij de verwering en verkleuring van materialen zoals plastics, rubber en verven speelt ozon mogelijk een belangrijke rol.

Daarnaast is ozon een belangrijk broeikasgas, maar de schattingen van de invloed van ozon op het klimaat zijn onzeker. Na kooldioxide en methaan is ozon het belangrijkste broeikasgas.

Ozonpieken nemen af, achtergrondsniveau hoger

Hoewel in heel Europa ozonpieken lijken af te nemen, laat de trend van ozonconcentraties weinig of geen afname zien in de periode 1995-2005 (EEA, 2009). Ook in Nederland zijn piekconcentraties van ozon op leefniveau sinds 1992 afgenomen. Er zijn aanwijzingen dat de afname het gevolg is van het Europese emissiebeleid voor de ozonvormende stoffen, vluchtige organische stoffen en stikstofoxiden (Roemer, 2001; De Leeuw, 2000).

De achtergrondconcentraties van ozon zijn daarentegen in heel Europa zeer waarschijnlijk juist gestegen. Volgens de huidige inzichten bedraagt de typische gemiddelde ozonconcentratie in de vrije troposfeer op het noordelijk halfrond 70 µg/m³, ongeveer twee keer zo hoog als het natuurlijke achtergrondnvieau. De toename van de concentraties van methaan (CH₄) en koolstofmonoxide (CO) op het noordelijk halfrond draagt mogelijk deels bij aan het oplopen van het achtergrondniveau van ozon. Op leefniveau in Nederland is de gemiddlede concentratie lager dan genoemde 70 µg/m³, door chemische afbraak en depositie.

Ozon heeft meerdere rollen

Ozon heeft in het milieu meerdere rollen. In de hogere luchtlagen, de stratosfeer, vormt het de zogenaamde ozonlaag die beschermt tegen schadelijke UV-straling. Lager in de atmosfeer, op leefniveau, is ozon een vervuilende stof, die een schadelijk effect heeft op de mens, ecosystemen en materialen. Bovendien is het een broeikasgas.