Stickstoffoxide (NOx) entstehen u. a. durch Verbrennungsprozesse bei hohen Temperaturen, durch Oxidation des Luftstickstoffs und des im Brennstoff gebundenen Stickstoffs. Der Hauptverursacher für NOx-Emissionen (NO + NO2) ist der Straßenverkehr (Verbrennungsmotoren). Aber auch Feuerungsanlagen für Kohle, Öl, Gas, Holz und Abfälle setzen Stickstoffoxide frei. Primär wird überwiegend Stickstoffmonoxid (NO) emittiert, das u. a. durch die Reaktion mit Ozon (O3) in der Atmosphäre zu Stickstoffdioxid (NO2) aufoxidiert wird.

Stickstoffdioxid wird als Reizgas mit stechend-stickigem Geruch bereits in geringen Konzentrationen wahrgenommen. Die Inhalation ist für den Menschen der einzig relevante Aufnahmeweg. Die geringe Wasserlöslichkeit des NO2 bedingt, dass der Schadstoff nicht in den oberen Atemwegen gebunden wird, sondern auch in tiefere Bereiche des Atemtrakts (Bronchialen, Alveolen) eindringt. Bei längerer Einwirkung relevanter Konzentrationen an NO2 kann es vermehrt zu Atemwegserkrankungen (Atemnot, Husten, Bronchitis, Lungenödem) kommen, wobei besonders empfindliche Personengruppen, vor allem Asthmatiker und Kinder, bereits auf niedrige NO2-Konzentrationen reagieren. 

Für Stickstoffdioxid gilt seit dem Jahr 2010 ein Jahresmittelwert von 40 µg/m³ sowie einem Stundenmittelwert von 200 µg/m³ bei 18 zugelassenen Überschreitungen im Kalenderjahr. Diese Beurteilungs­maßstäbe sind neben der flächenhaften Beurteilung der Luftqualität über die 39. BImSchV auch im Rahmen der Anlagengenehmigung gemäß TA Luft festgeschrieben. Zusätzlich können für eine ergänzende Beurteilung die im September 2021 aktualisierten Richtwerte der Weltgesundheitsorganisation (WHO) herangezogen werden, die wesentlich strenger als europäischen Grenzwerte aus dem Jahr 2010 sind. Diese Werte sind nicht rechtsverbindlich. Im Zuge einer anstehenden Novellierung der europäischen Luftqualitätsrichtlinie (2008/50/EG) werden diese Richtwerte jedoch voraussichtlich eine wesentliche Grundlage bilden.

Für NO2 kann nach aktuellem Kenntnisstand kein Schwellenwert benannt werden, bei dessen Unterschreiten langfristige Wirkungen auf den Menschen ausgeschlossen werden können. 

Stäube stammen sowohl aus natürlichen als auch aus anthropogenen Quellen. Natürliche Quellen von Feinstaub sind überwiegend Verwehungen und Aufwirbelungen von
Erosionen, Pollen und Sporen, Vulkanausbrüche, Seesalz und in Abhängigkeit der Wetterlagen auch Saharastaub. Stäube anthropogenen Ursprungs stammen aus industriellen Quellen (z. B. Feuerungsanlagen, Hütten- und Metallwerke, Energieerzeugung, Zementherstellung und -verarbeitung), Kleinfeuerungsanlagen (z. B. Hausbrand), dem Straßenverkehr und der Landwirtschaft. Feinstaub gelangt nicht nur aus Motoren – vorrangig aus Dieselmotoren – in die Luft, sondern auch durch Bremsen- und Reifenabrieb sowie durch die Aufwirbelung des Staubes von der Straßenoberfläche.

Feinstaub (PM10) kann beim Menschen in die Nasenhöhle, PM2,5 bis in die Bronchien und Lungenbläschen und ultrafeine Partikel (PM1) bis in das Lungengewebe und sogar in den Blutkreislauf eindringen. Je nach Größe und Eindringtiefe der Teilchen sind die gesundheitlichen Wirkungen von Feinstaub verschieden. Sie reichen von Schleimhautreizungen und lokalen Entzündungen in der Luftröhre und den Bronchien oder den Lungenalveolen bis zu verstärkter Plaquebildung in den Blutgefäßen, einer erhöhten Thromboseneigung oder Veränderungen der Regulierungsfunktion des vegetativen Nervensystems (Herzfrequenzvariabilität).

Aus epidemiologischen Untersuchungen liegen deutliche Hinweise für den Zusammenhang zwischen kurzen Episoden mit hoher PM10-Exposition und Auswirkungen auf die Sterblichkeit (Mortalität) und Erkrankungsrate (Morbidität) vor. Insgesamt ist davon auszugehen, dass PM10 bzw. seine Bestandteile einen relevanten Beitrag zu schädlichen Gesundheitseffekten beim Menschen leisten. Ein Schwellenwert, unterhalb dessen nicht mehr mit gesundheitsschädlichen Wirkungen zu rechnen ist, kann für PM10 nach aktuellem Kenntnisstand nicht angegeben werden.

Das bodennahe Ozon wirkt auf Lebewesen in erhöhter Konzentration als Reiz- oder Schadgas. Beim Menschen äußert sich dies in Form von verstärktem Hustenreiz, Augenbrennen, Müdigkeit, Kopfschmerzen sowie einer Beein-trächtigung der Lungenfunktion. Pflanzen reagieren ebenfalls auf erhöhte Ozonwerte. Es kann zum Absterben 

Gesundheitliche Auswirkungen

Je nach Ozon-Konzentration und physischer Konstitution der betroffenen Personen können unterschiedliche gesundheitliche Wirkungen auftreten.

Relevant für die gesundheitsgefährdende Wirkung sind die körperliche Belastung und die Zeitdauer der Ozoneinwirkung (Expositionsdauer). Denn wer sich körperlich anstrengt, atmet mehr und tiefer. Je länger und aktiver man sich im Freien bewegt, desto mehr Ozon nimmt der Körper auf. Die sogenannten Risikogruppen (Kleinkinder, ältere und kranke Menschen) sind besonders empfindlich und reagieren entsprechend stärker auf eine erhöhte Ozonbelastung.

Zum Schutz der Bevölkerung vor der schädlichen Wirkung erhöhter Ozonkonzentrationen hat der Gesetzgeber Richt- bzw. Schwellenwerte erlassen, die in der 39. Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes (39.BImSchV) aufgeführt sind. Dort werden drei Werte genannt:

• der Zielwert von 120 µg/m³ (berechnet als 8-Stunden-Mittelwert) bedeutet, dass diese Konzentration in Ozonbelasteten Gebieten als obere Belastungsgrenze anzustreben ist. Dieser Wert entspricht dem Vorsorgewert der Weltgesundheitsorganisation (WHO). Bis zu einer Konzentration von 120 µg/m³ ist bei gesunden Menschen nach derzeitigem Kenntnisstand nicht mit gesundheitlichen Beeinträchtigungen zu rechnen. Ab einer Konzentration von 120 µg/m³ können durchschnittlich empfindliche Menschen gesundheitliche Beeinträchtigungen durch Ozon erfahren, wobei u. a. Augen- und Atemwegreizungen sowie Kopfschmerzen auftreten können. Sportliche Dauerleistungen im Freien sollten nach Möglichkeit vermieden werden.
• Bei einer Überschreitung des Informationsschwellenwertes von 180 µg/m³ wird die Bevölkerung durch die zuständigen staatlichen Stellen über die Medien (Rundfunk) aktuell informiert. Ab 180 µg/m³ können Augenreizungen, Beeinträchtigung der Lungenfunktion und Kopfschmerzen auftreten. Anstrengende Tätigkeiten im Freien sollten vermieden werden. Risikogruppen sollten ihren Aufenthalt im Freien einschränken.
• Der Alarmschwellenwert beträgt 240 µg/m³. Bei Überschreitung dieses Wertes wird die Bevölkerung durch die zuständigen staatlichen Stellen über die Medien (Rundfunk) aktuell informiert. Ab 240 µg/m³ kann es zu Leistungs-beeinträchtigungen, Tränenreiz und vermehrten Asthmaanfällen kommen. Der Aufenthalt im Freien sollte grundsätzlich eingeschränkt werden, Risikogruppen sollten in den Wohnungen bleiben.

Wie entsteht Ozon?

Das bodennahe Ozon wird nicht durch eine Schadstoffquelle freigesetzt, sondern ist das Folgeprodukt mehrerer, teilweise recht komplexer chemischer Umwandlungsprozesse in der Atmosphäre. Bodennahes Ozon entsteht im Wesentlichen durch die Reaktion von Stickstoffoxid (NOx) und den flüchtigen organischen Verbindungen (VOC), den sogenannten Vorläuftersubstanzen, unter Beteiligung des Sonnenlichtes. Dieser Reaktion bedarf es einiger Stunden, in denen die Vorläufersubstanzen über größere Entfernungen transportiert werden können.

Die Ozonkonzentration zeigt einen deutlichen Tagesgang mit minimalen nächtlichen Werten und maximalen Konzentrationen am späten Nachmittag. Hohe verkehrliche Belastung und intensive Sonneneinstrahlung steigern die Ozonbildungsrate erheblich. Durch die Luftströmung können die Ozon-Vorläufersubstanzen und das bereits gebildete Ozon über größere Entfernungen in verkehrsarme Wohngebiete bzw. Reinluftgebiete transportiert werden, so dass sich auch dort hohe Ozonkonzentrationen aufbauen können.

Die Ozon-Vorläufersubstanzen sind jedoch nicht nur für die Ozonbildung tagsüber verantwortlich, sondern sie führen in der Nacht auch zu dessen Abbau. Hohe Schadstoffkonzentrationen in verkehrsreichen Gebieten führen zu einem raschen nächtlichen Ozon-Abbau an den Belastungsschwerpunkten. In Reinluft- bzw. in reinen Wohngebieten sind i.d.R. geringere Schadstoffkonzentrationen vorhanden. Der nächtliche Ozonabbau erfolgt dort langsamer. Deshalb können langanhaltend hohe Ozonbelastungen gerade in verkehrsarmen Gebieten auftreten.