Fracking und andere technische Fortschritte in der Öl- und Gaserschließung haben es in verschiedenen Gebieten der USA möglich gemacht, bislang nicht oder nicht rentabel nutzbare Öl- und Gasvorkommen zu erschließen. Ein internationales Forscherteam hat ein vermehrtes und ungewöhnliches Auftreten von Ozon-Grenzwertüberschreitungen in diesen Gebieten im Winter unter die Lupe genommen.

Das Streben nach Energie-Unabhängigkeit und die neuen technischen Möglichkeiten haben einen rasanten Anstieg der Öl- und Erdgasproduktion in den USA bewirkt. In manchen Produktionsgebieten scheint diese Entwicklung allerdings mit einer Verschlechterung der Luftqualität einherzugehen. „Ozon ist eine spezielle Form molekularen Sauerstoffs, die sehr reaktionsfreudig ist und oxidierend wirkt. Während Ozon in hohen Luftschichten als bekannte Ozonschicht einen unersetzlichen Schutzmantel gegen schädliche UV-Strahlung darstellt, ist dasselbe Molekül in Bodennähe, in zu hoher Konzentration, als Luftschadstoff zu sehen“, erklärt Martin Graus vom Institut für Meteorologie und Geophysik an der Universität Innsbruck, der seine Expertise in die Studie miteingebracht hat. Bodennahes Ozon wird nicht direkt emittiert, sondern entsteht photochemisch in der Luft aus Stickoxiden und einer Vielzahl flüchtiger organischer Verbindungen, kurz VOC (volatile organic compounds) genannt. Wesentliche Faktoren, die diesen Vorgang beeinflussen, sind die Sonneneinstrahlung, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit. Wie Graus erklärt, sei das Ozon, das im Sommer als Hauptbestandteil von Smog bekannt ist, bereits gut untersucht und würde von den Behörden routinemäßig überwacht. Ungewöhnlich ist allerdings das Entstehen von überhöhtem Ozon im Winter, das von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in Öl- und Gasfeldern im Westen der USA gemessen wurde. „Ozonbelastung im Winter ist eine überraschende Erscheinung, weil normalerweise hohe Sonnenintensität, wie sie im Sommer herrscht, nötig ist, um die ozonbildenden chemischen Reaktionen in Gang zu setzen“, erklärt Peter Edwards von der University of York, England. Er ist einer der Hauptautoren der Studie. Aufgrund dieses Phänomens wurden Untersuchungen im Uintah-Becken in Utah durchgeführt.

Winter-Ozon im Fokus

Unter der Leitung von James Roberts von NOAA ESRL (National Oceanic and Atmospheric Administration), einer US-Regierungsabteilung, die in Boulder eine Forschungseinrichtung der Atmosphärenwissenschaften betreibt, und unter Mitwirkung von zahlreichen US Forschungseinrichtungen, dem Staat Utah und der Industrie wurde die Studie durchgeführt. Dr. Martin Graus war damals Angehöriger des CIRES-Instituts der University of Colorado Boulder und Teil des Forscherteams und erklärt den aufwändigen experimentellen Ansatz: „Die Aufgabe bestand darin, in den Wintermonaten von 2012 bis 2014 die wesentlichen Ozon-Vorläuferstoffe und chemischen Zwischenprodukte in dieser entlegenen Gegend mit einer Vielzahl von komplexen wissenschaftlichen Messgeräten zu identifizieren und quantitative Zeitreihen zu erstellen.“ Prozessbedingt und aufgrund von Lecks ist die Emission von VOCs in den Öl- und Gasfeldern sehr hoch. Zusätzlich werden Stickoxide von LKWs, Dieselaggregaten, Kompressoren, Förderpumpen und anderem technischem Gerät emittiert. Eine durchgängige Schneedecke im Uintah-Becken im Winter bedingt die Ausbildung einer sehr starken und niedrigen Inversionsschicht, die die Verdünnung und den Abtransport der Emissionen unterbindet und so zu einer Akkumulation der Ozon-Vorläuferstoffe führt. „Unter bestimmten Winterbedingungen kann dies zu extrem hoher Ozonbelastung führen”, so Edwards. Weiters erhöht die reflektierende Schneeoberfläche die für die Photochemie zur Verfügung stehende Lichtintensität. „Die hoch detaillierten chemischen Zeitreihen dienen neben meteorologischen Daten als Eingabeparameter für ein atmosphärenchemisches Model, das mehr als zehntausend Reaktionen berücksichtigt. Aufgrund der breiten Abdeckung der chemischen Eingabeparameter reproduziert das Modell die tatsächlich gemessenen Ozonkonzentrationen und lässt so stichhaltige Schlüsse auf die involvierten Mechanismen zu“, so Graus. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Entstehung von Ozon im Winter gänzlich von den Vorgängen im Sommer abweicht. „Unter den winterlichen Bedingungen bilden sich aus den hoch konzentrierten VOCs im Uintah-Becken ausreichend Carbonyle, die dann die Ozonproduktion in Gang setzen“, erklärt Steven Brown von NOAA in Boulder. Somit können auch bei niedrigem Sonnenstand und trockener Luft die in der Inversionsschicht angesammelten VOCs bei moderaten Stickoxid-Konzentrationen zu drastischen Ozon-Grenzwertüberschreitungen führen. Der Modellansatz, bei dem Edwards, Brown und Roberts federführend waren, erlaubt, vorab verschiedene Emissionsszenarien dahingehend zu testen, mit welcher Ozonbelastung zu rechnen ist. Dieses wissenschaftliche Verständnis soll die Basis bilden, zu entscheiden, welche Maßnahmen von der Regierung und der Industrie getroffen werden können, um das bodennahe Ozon im Winter zu reduzieren. Joost de Gouw, Mitautor und VOC Experte bei CIRES und den NOAA-Laboratorien kommentiert: „Staatliche und regionale Luftreinhaltungsbehörden, die sich mit solchen Ozonepisoden konfrontiert sehen, können unsere Ergebnisse heranziehen, um entsprechende Maßnahmen zu entwickeln, und die Resultate können der Industrie helfen, die Luftgütestandards in diesen Gebieten einzuhalten.“

 

Publikation: Winter Photochemistry Underlying High Ozone in an Oil and Gas Producing Region. Peter M. Edwards, Steven S. Brown, et.al. Nature Advance Online Publication, am 01.10.2014

DOI: 10.1038/nature13767