Marknära ozon ett hot mot växterna Redaktör Håkan Pleijel RAPPORT 4969
Marknära ozon ett hot mot växterna Redaktör Håkan Pleijel NATURVÅRDSVERKETS FÖRLAG 1
MILJÖANALYSAVDELNINGEN, Miljöeffektenheten Kontaktperson: Ulla Bertills 08-698 15 02 Författarna svarar ensamma för rapportens innehåll. Rapporten har fackgranskats. Produktion: Margot Wallin De flesta illustrationerna i rapporten är omritade av Johan Wihlke Omslagsbild: Ozonexponerad björk Fotograf: Gun Selldén Beställningsadress: Naturvårdsverket Kundtjänst 106 48 Stockholm Telefon: 08-698 12 00 Fax: 08-698 15 15 E-mail: kundtjanst@environ.se Internet: http://www.environ.se isbn 91-620-4969-0 issn 0282-7298 Rapporten kommer även att publiceras på engelska med beställningsnummer isbn 91-620-4970-4 Naturvårdsverket Tryck: Berlings Skogs, Trelleborg, 1999 Upplaga: 2 1000 ex
FÖRORD I denna rapport slutredovisas resultaten från en rad experiment rörande effekter av marknära ozon på växter som Institutet för vatten- och luftvårdsforskning (IVL) och Botaniska institutionen vid Göteborgs universitet har utfört sedan 1984. Under åren 1985 1989 genomfördes ett fältkammarförsök där gran odlades i olika ozonhalter vid Rörvik, ca 40 km söder om Göteborg. Detta projekt initierades av kraft- och värmeindustrin samt skogsindustrin. Här vill vi därför framhålla den stora betydelse som Lars Lundgren tillsammans med framlidne Hans Lundberg och framlidne Rolf Brännland haft för utvecklingen av forskningsområdet. År 1987 inleddes försök vid Östads säteri, ca 40 km nordost om Göteborg, där ozons effekter på fältodlade jordbruksgrödor studerades. År 1990 flyttades experimenten med skogsträd till Östad. Ett större fältkammarförsök anlades, där effekterna av ozon, torka och fosforbrist på gran studerades och försöket pågick till och med 1996. Under 1994 startades EU-projektet ESPACE-wheat. I detta program undersöktes effekterna av förhöjd koldioxidhalt i kombination med ozon och vattentillgång på fältodlat vete under en treårsperiod. Åren 1994 1996 genomfördes ett forskningsprojekt om effekter av ozon på vilda växter. Även i detta projekt användes fältkammare vid Östad. Utöver dessa experiment har en rad försök med krukodlade indikatorväxter för ozon utförts vid Östad ända sedan 1988, inom ramen för konventionen om gränsöverskridande luftföroreningar (CLRTAP). Ett försök där ozonkänsligheten hos björk studeras inleddes 1997. Vi vill tacka alla de forskare inom och utom landet som gjort viktiga insatser för den experimentella verksamheten vid Östad. Särskilt vill vi nämna Dr D Tingey, EPA Corvallis, Prof H Sandemann, GSF München, Første amanuensis A Berglen Eriksen, Fytotronen Oslo, Dr K Ojanperä, MTK Jokioinen samt jägmästare M Werner, Skogforsk. Patrik Alströmer och Östads säteri har verksamt bidragit till genomförandet av experimenten genom att ställa mark, personal och maskinpark till förfogande samt även bidragit till skogsforskningens finansiering. För detta vill vi tacka särskilt. Till sist riktar vi ett stort tack till Cederroth International AB för specialkomponerad näringslösning till granplantorna på Östad. Författarna vill rikta ett varmt tack till Ulla Bertills, Naturvårdsverket för hennes stora engagemang i vår forskning och för hennes värdefulla synpunkter och ambitiösa arbete med denna rapport. GÖTEBORG 1999-04-19 Ozonforskargruppen vid Institutet för vatten- och luftvårdsforskning (IVL) och Botaniska institutionen, Göteborgs universitet 3
INNEHÅLL FÖRORD 3 SAMMANFATTNING 6 1. OZON OCH MILJÖ EN BAKGRUND 9 1.1 Inledning 9 1.2 Syrgas, ozon och livet på jorden 11 1.3 Bildning av ozon i troposfären och stratosfären 13 1.4 Ozon i troposfären ökar medan ozon i stratosfären minskar 16 1.5 Ozon i trafiktäta miljöer 19 2. INTERNATIONELLA OCH NATIONELLA MILJÖMÅL 21 2.1 Inledning 21 2.2 WHOs och IMMs riktlinjer för ozon hälsoeffekter 22 2.3 Effekter av ozon på material ett preliminärt miljömål 22 2.4 Internationella åtgärdsstrategier 23 2.5 Kritiska nivåer för ozon 24 2.6 Svenska miljömål för ozon och ozonbildande ämnen 28 3. MARKNÄRA OZON I SVERIGE 31 3.1 Inledning 31 3.2 Ozonbelastningens variation över Sverige 32 3.3 Ozon i bergsområden 33 3.4 Ozonhalternas utveckling sedan 1800-talet 33 4. OZONS EFFEKTER PÅ JORDBRUKSGRÖDOR 37 4.1 Inledning 37 4.2 Experiment i Sverige 40 4.3 Effekter på sädesslag 41 4.4 Effekter på ärtväxter 46 4.5 Effekter på potatis och tomat 47 4.6 Effekter på oljeväxter 48 4.7 Effekter på vall 48 4.8 Samband mellan exponering och effekt 49 4.8.1 Transport av ozon i atmosfären 49 4.8.2 Transport av ozon in i växten 50 4.9 De ozonkänsligaste grödorna 52 4.10 Viktiga kunskapsluckor 53 4
5. OZONS EFFEKTER PÅ SKOGSTRÄD 55 5.1 Inledning 55 5.2 Effekter av ozon på tall 56 5.3 Effekter av ozon på gran 56 5.3.1 Rörvik 1985 1989 Trädens fotosyntes påverkas 57 5.3.2 Östad-gran 1992 1996 Trädens tillväxt påverkas 58 5.4 Östad-björk 1997 1999 66 5.5 Diagnos av ozonpåverkan 70 5.6 Ozon i kombination med torkstress eller fosforbrist 71 5.7 Ozoneffekter på äldre träd 73 5.8 Olika känslighet för ozon 75 5.9 Kunskapsluckor 76 5.9.1 Hur stort är ozonupptaget i olika klimat? 76 5.9.2 Hur känsliga är tall, ek, asp och sälg för ozon? 76 5.9.3 Känslighet hos plantor, träd och hela skogar 77 5.9.4 Går det att finna diagnosmetoder för fältbruk? 77 5.10 Ekonomisk uppskattning av produktionsbortfall 77 6. EFFEKTER AV OZON PÅ VILDA VÄXTER 79 6.1 Inledning 79 6.2 Experiment i Norden 81 6.3 Effekter på gräs och örter 82 6.3.1 Synliga skador och tillväxteffekter 82 6.3.2 Ozonkänslighet i relation till systematik och tillväxtstrategi 82 6.3.3 Betydelsen av konkurrens 86 6.4 Effekter på lavar och mossor 87 6.5 De känsligaste arterna 89 6.6 Viktiga kunskapsluckor 89 7. SYNTES OCH VÄRDERING 91 7.1 Kunskapsläge och forskningsbehov 91 7.2 Problem och framtidsutsikter 93 8. FINANSIÄRER 95 9. REFERENSER 97 BILAGA Försöksuppläggning för Östad-Gran, 1992 1996 107 5
SAMMANFATTNING O zon i marknära luftlager skadar växter och är ett hot mot människors hälsa. Ozon skadar också material och är dessutom en så kallad växthusgas som bidrar till växthuseffekten. Ozon bildas i luftmassor som är förorenade med kväveoxider och kolväten under påverkan av solljus. Den enskilt viktigaste källan till utsläpp av ozonbildande ämnen är trafiken, men även industri och energiproduktion bidrar. Emissionerna av de ämnen som leder till ozonbildning har börjat minska i Europa och kan förväntas fortsätta minska under den närmaste tioårsperioden. Ozonbelastningen över Europa har därför sannolikt börjat minska. Det finns ett visst utbyte av ozonbildande ämnen över hela norra halvklotet. Detta ger upphov till en förhöjd bakgrundsbelastning. En del forskare anser att denna ökar, andra anser den vara mer eller mindre konstant. Det finns idag ett starkt vetenskapligt underlag som visar att produktionen av känsliga jordbruksgrödor som vete och böna minskar på grund av dagens ozonbelastning i stora delar av Europa. Detta gäller också södra Sverige. Andra växter, t ex olika typer av klöver, spenat och tobak, får karaktäristiska synliga skador på bladen i samband med ozonepisoder, dvs kortare perioder med starkt förhöjda ozonhalter. Ozonepisoder uppträder främst under våren och sommaren i samband med högtryck med soligt väder då förorenade luftmassor förs in över Sverige från områden längre söderut i Europa. Det är främst kväveoxider och vissa flyktiga organiska ämnen som medverkar i ozonbildningen, som är en ljusberoende process. I Sydeuropa är ozonhalterna lokalt starkt förhöjda under delar av sommarhalvåret, vilket kan leda till mycket omfattande effekter på vissa grödor, t ex vattenmelon. Runt om i världen har man också funnit belägg för att ozon skadar skogsträd. Det vetenskapliga underlaget är dock inte lika starkt som för grödor, eftersom de flesta experimentella studier enbart omfattar unga träd. I San Bernardino-bergen söder om Los Angeles har skogen haft omfattande ozonskador sedan 1960-talet. Särskilt guldtall har uppvisat såväl betydande synliga skador som produktionsminskning på grund av de mycket höga ozonhalterna. Från Medelhavsområdet kommer också rapporter om ozonskador på skog. I Spanien har man påvisat synliga skador av ozon på 6
aleppotall såväl i skogsbestånd som i kontrollerade experiment. I Sverige har ozonets påverkan på gran och björk studerats ingående. Granens fotosyntes och klorofyllinnehåll minskade efter ozonexponering i barr som var äldre än två år. Produktionen hos unga granar var efter fyra säsonger 5 % lägre hos ozonexponerade träd jämfört med en kontroll där ozonhalten låg på förindustriell nivå. Även försiktiga antaganden om hur djupt det marknära ozonet griper in i skogsbeståndens tillväxtprocesser tyder dock på att dagens ozonbelastning leder till en negativ effekt på produktionen i södra Sveriges skogar upp till ca 10 % under en skogsbrukscykel. I ett motsvarande experiment med unga björkar orsakade ozon onaturligt tidig bladfällning. Detta medförde att kvävet i bladet inte kunde tillvaratas då det inte hann återgå till trädet innan bladen fälldes. Efter en säsong hade dessutom biomassan hos rötterna minskat hos de ozonbehandlade björkarna. Långsiktigt medför höga ozonhalter troligen en minskad produktion av björk. Den minskade rottillväxten bör i varje fall på magrare marker begränsa näringsupptaget. Den tidigare bladfällningen i kombination med ett minskat tillbakadragande av kvävet från bladen till stammen bör ytterligare accentuera en näringsbrist. Kunskapsläget är relativt svagt när det gäller ozons effekter på vilda växter. Det mycket stora antalet arter är i detta fall en betydande svårighet. De försök som utförts tyder på att snabbväxande arter vanligen är mer känsliga för ozon än arter med en långsam tillväxt. Ganska många arter vilda växter förefaller inte vara särskilt känsliga för en måttlig förhöjning av ozonhalten. Man skall då beakta att örter och gräs lever i hård konkurrens med varandra i de flesta ekosystem. Detta innebär att även ganska små skillnader i ozonkänslighet kan leda till förskjutningar mellan olika arters förekomst om de exponeras för ozon. Skador av marknära ozon på växter, hälsa och material utgör idag en viktig drivkraft i de internationella förhandlingarna om nedskärningar av utsläppen av gränsöverskridande luftföroreningar i Europa. Det är i detta sammanhang som så kallade kritiska nivåer för ozon formulerats. Dessa kritiska nivåer är idag baserade på det så kallade AOT40-begreppet (Accumulated exposure Over the Threshold 40 ppb ozone). AOT40 innebär alltså att man summerar överskridandet av halten 40 ppb ozon. De kritiska nivåerna syftar till att identifiera de områden i Europa där det finns viktiga effekter av ozon på växtligheten. De kritiska nivåerna för ozon överskrids i södra Sverige, när det gäller grödor delvis även i norra Sverige. Utvecklingen går nu mot att beakta upptaget av ozon i växterna snarare än halten i luften kring väx- 7
terna. Klimatbetingelserna i Sverige är gynnsamma för upptag av ozon. Långa sommardagar och ett relativt fuktigt klimat gör att växternas klyvöppningar är öppna under långa perioder vilket leder till ett förhållandevis stort ozonupptag. En viss halt kan därför leda till en stor effekt i vårt land jämfört med ett område med torrare klimat och kortare dagar längre söderut i Europa. Sannolikt kommer de närmaste årens forskning att visa att de samband mellan ozonexponering och respons som bygger på halter överskattar effekterna i södra Europa och underskattar ozonets effekter i Norden. Preliminära beräkningar av ozonupptag i olika delar av Europa pekar entydigt i denna riktning. Större delen av de undersökningar som presenteras i denna rapport har utförts vid Östads säteri. Försöksanläggningen syns nere till höger på bilden. I bakgrunden en vik av Mjörn. Foto: Svante Hultengren/Naturcentrum AB. FAKTA ppb en enhet för ozonhalt Ozonhalten i luft brukar anges antingen i enheten ppb eller µg/m 3. I denna rapport använder vi enheten ppb, som uttrycker ett så kallat partialtryck eller den andel av molekylerna i ett luftpaket som utgörs av ozon, ppb står för parts per billion, dvs antalet miljarddelar av luftmolekylerna som just är ozon. Enheten µg/m 3 anger hur mycket ozonmolekylernas massa i en kubikmeter luft väger, i mikrogram (miljondels gram). Vid normalt tryck och temperatur är omräkningsfaktorn ganska exakt 2, dvs 1 ppb O 3 =2µg O 3 /m 3, men ska man vara exakt vid omräkningen får man ta hänsyn till tryck och temperatur. I högt belägna bergsområden är trycket alltid lägre och 1 ppb O 3 motsvarar då mindre än 2 µg/m 3. 8
OZON OCH MILJÖ Kapitel 1 EN BAKGRUND Håkan Pleijel SAMMANFATTNING Ozon bidrar till flera olika miljöproblem. I marknära luftlager sker idag en ozonbildning som orsakas av utsläpp av kväveoxider och flyktiga organiska ämnen. Här leder ozon till effekter på växter, på människans hälsa och korrosion av material. Ozon bidrar också till växthuseffekten. Perioder med starkt förhöjda ozonhalter i marknära luftlager kallas episoder. De uppträder främst i samband med stabila högtryck under sommaren, särkilt om luftmassan kommer från kontinenten. I miljöer med mycket trafik är ozonhalterna lokalt lägre på grund av ozonets snabba reaktion med avgasernas kvävemonoxid. I stratosfären, på ca 10 40 km höjd, finns det mesta av atmosfärens ozon i det så kallade ozonlagret. Det minskar för närvarande på grund av utsläpp av vissa ozonnedbrytande ämnen, bland annat CFC-föreningar (freoner). Detta är allvarligt med tanke på att ozonlagret i stratosfären skyddar livet på jorden mot ultraviolett strålning. 1.1 Inledning Marknära ozon är ett typiskt exempel på en regional förorening. Det bildas när kväveoxider och flyktiga organiska ämnen omvandlas i atmosfären under solljusets inverkan. Det trotsar landgränser och utgör därför ett internationellt problem. Ozon i marknära luftlager bidrar till flera olika miljöeffekter. Förutom effekterna på växter, som behandlas ingående i denna skrift, leder förhöjda ozonhalter också till negativ påverkan på människors hälsa (Bylin m fl 1996) och nedbrytning av olika material. I troposfären är ozon dessutom en så kallad växthusgas som bidrar till växthuseffekten. I USA, framför allt i södra Kalifornien, uppmärksammades ozonfrågan i slutet av 1940-talet. Stora utsläpp från vägtrafik redan på den tiden, i kombination med speciella klimatbetingelser i Los Angeles-sänkan, gav upphov till en mix av föroreningar som brukar kallas fotokemisk smog eller Los 9
Angeles-smog. Dess viktigaste komponent är ozon, men även en rad andra föroreningar ingår, varav en del är partiklar som kraftigt minskar sikten (figur 1.1). Även i Europa uppträder höga ozonhalter ofta i kombination med nedsatt sikt. Figur 1.1. Fotokemisk smog i San Bernardino-bergen i södra Kalifornien. Till vänster ses Paul Miller, banbrytare när det gäller forskningen om ozons effekter på skogsträd. Han klarlade sambandet mellan ozon och skador på guldtall i bergen söder om Los Angeles redan på 1960-talet. Foto: Lena Skärby/IVL. I Europa har man sedan 1988 bedrivit ett omfattande forskningssamarbete om gränsöverskridande luftföroreningar och deras kemi inom ramen för det så kallade EUROTRAC-projektet. Man har i detta forum bedömt att ozonbildning har mycket hög relevans för effekter på växter, människans hälsa, material samt klimat (Borrell m fl 1997). I det protokoll som för närvarande utarbetas om åtgärder mot flera olika gränsöverskridande luftföroreningar inom ECEs luftkonvention, spelar ozonbildande ämnen och marknära ozon en mycket central roll. Det är i arbetet med att ta fram underlag till detta protokoll som så kallade kritiska nivåer för ozons effekter på växter har identifierats. De presenteras i kapitel 2. Parallellt med denna process skapar EU för närvarande ett nytt direktiv om marknära ozon. Till protokoll och direktiv kommer åtgärdstrategier att kopplas, som föreskriver hur medlemsländerna skall arbeta för att minska ozonbelastningen. 10
I flera europeiska länder är ozonfrågan av samma dignitet som t ex försurningen. Hälsoeffekter av ozon har, vid sidan av effekterna på växter, en central roll i det perspektivet. I jämförelse med norra Europa har man i Sydeuropa mindre försurningskänsliga marker och ofta avsevärt högre ozonhalter. Balansen mellan de olika miljöproblemen blir därför annorlunda. Marknära ozon är ändå ett viktigt miljöhot även i Sverige, åtminstone i landets södra delar. Det förekommer flera vanliga missförstånd när det gäller ozon, dess förekomst och miljöeffekter. Detta beror främst på att ozon bildas på olika sätt, och har olika konsekvenser för organismerna på jorden, beroende på i vilka luftlager det förekommer. För att förstå dessa sammanhang kan det vara bra att utgå från ett historiskt, evolutionärt perspektiv. 1.2 Syrgas, ozon och livet på jorden När livet uppstod på jorden för ungefär 3 500 miljoner år sedan innehöll atmosfären sannolikt ingen eller ytterst lite syrgas (Wayne 1985). Så småningom utvecklades organismer med förmåga till fotosyntes, antagligen en typ av cyanobakterier. Syrgas (O 2 ) är en restprodukt av fotosyntesen. Till en början förbrukades i stort sett all den syrgas som bildades genom fotosyntesen i oorganiska processer. Det fanns gott om ämnen vid jordens yta, bl a sulfider och reducerat järn, som kunde oxideras av syrgasen. För ungefär 2 000 miljoner år sedan fanns inte mycket sådant material kvar att oxidera. Då började syrgas att ackumuleras i atmosfären (Westbroek 1991). Detta fick flera viktiga konsekvenser, som var mycket omvälvande för livet på jorden. Syrgas är i många avseenden ett gift. Syrgasen och dess biprodukter kan oxidera molekyler i organismernas celler som då förändras och förlorar sin funktion. En betydande del av djurs och växters ämnesomsättning utgör ett skydd mot skadeverkningar av oxiderande ämnen. I detta skydd spelar så kallade antioxidanter en central roll. Vitamin C (askorbinsyra) är ett exempel på en antioxidant. Särskilt viktigt är det för de gröna växterna att skydda sig mot syrgas och andra starka oxidationsmedel, eftersom de bildas i fotosyntesen. En grön växts liv är i vissa avseenden en balansgång mellan effektiv produktion genom fotosyntesen och risk för självförgiftning genom fotosyntesens restprodukter. En del forskare tror inte att livet hade kunnat uppstå på jorden om dess atmosfär redan från början hade innehållit syrgas. Samtidigt är den höga halten av syrgas i atmosfären det tydligaste tecknet på att jordklotet är en planet med liv. 11
Syrgas kan alltså vara farligt på grund av sin oxiderande förmåga, men ozon är ett betydligt starkare oxidationsmedel. Det förekommer i och för sig i betydligt lägre halter, men är mera reaktivt. Det är häri ozonets skadlighet ligger. Man vet att ozon kan förändra fettsyrors kemiska uppbyggnad. Då ändras deras kemiska egenskaper och därmed kan deras funktion störas. Fettsyror är en av de viktigaste komponenterna i de membraner som omsluter celler och organeller i cellerna. De avgränsar dessa strukturer mot omgivningen. Ozon kan också förändra proteiners kemiska struktur. Detta är allvarligt då proteiner av olika slag har en nyckelroll i alla organismers uppbyggnad och ämnesomsättning. Deras olika funktioner är starkt kopplade till varje proteins specifika kemiska struktur. Jordens organismer anpassade sig successivt till att leva i en värld med höga syrgashalter. Vissa organismer började dessutom utnyttja den stora potential för energiomvandling som ligger i att oxidera med syrgas, med andra ord förbränna, organiskt material, som producerats i fotosyntesen. Detta är grunden för ekosystemens energiförsörjning i vårt skede av livets utveckling på jorden, som inleddes med att luften började innehålla stora mängder av syrgas (Goldsmith & Owen 1992). Djur, svampar och en del andra organismer måste ha tillgång till den syrgas som de gröna växterna producerat, därför måste halten av syrgas i atmosfären vara ganska hög. Den är för närvarande ca 21 %. Man ska då komma ihåg att 21 % inte självklart är en optimal halt för organismerna i varje avseende. Man kan t ex experimentellt visa att en lägre halt av syrgas leder till en högre tillväxt hos växter på grund av att den oxidativa stressen minskar. En högre syrgashalt än dagens leder till att bränder blir häftigare varvid syrgas förbrukas. Här finns alltså en typ av naturlig regleringsmekanism. Utan den förändring i jordens livsmiljö som syrgasen innebar, är det sannolikt att livet skulle fört en mera undanskymd tillvaro, främst i form av bakteriemattor i haven. Det finns minst två olika skäl till syrgasens stora betydelse. Dels skapade fotosyntesen och respirationen med syrgas förutsättningar för en betydligt större och snabbare energiomsättning än vad som annars skulle varit fallet. Dessutom ledde förekomsten av syrgas i atmosfären till att ozon började bildas högt uppe i atmosfären, i stratosfären. Ozon absorberar så kallad UV-B strålning som finns i solljuset. Denna strålning är mycket skadlig för de flesta levande organismer. Ozonbildningen skapade därför förutsättningar för att livet, som fram till dess varit koncentrerat till det skyddande havet, kunde ta klivet upp på land. Det så kallade ozon- 12
lagret, som skyddar mot UV-B strålningen, uppstod alltså som en indirekt konsekvens av syrgasackumulationen i atmosfären. Ett av dagens stora miljöhot beror på att ozonlagret i stratosfären på ca 15 40 km höjd tunnas ut, än så länge främst över Antarktis, men delvis även över andra delar av jordklotet. 1.3 Bildning av ozon i troposfären och stratosfären Den kemiska grunden för bildning av ozon (O 3 ) är fria syreatomer (O). I stratosfären kan de uppstå genom att kortvågiga och därför energirika UVstrålar i solljuset delar syrgasmolekyler (O 2 ): 242nm O 2 + hv Symbolen hv visar att reaktionen är ljuskrävande och beteckningen ovanför pilen syftar på att ljuset måste ha en våglängd som är mindre än 242 nm för att kunna driva reaktionen. Ju kortare våglängd desto energirikare strålning. Ozon bildas sedan genom att fria syreatomer slår sig ihop med syrgasmolekyler: O + O 2 O 3 (2) De våglängder i solljuset som förmår driva reaktion (1) når inte ner till marknära luftlager och därför är denna väg för ozonbildning inte av betydelse för bildning av ozon där. Solstrålar med en våglängd kortare än ca 300 nm absorberas av stratosfärens ozon. Det luftlager som ligger närmast jordytan kallas troposfären. Det är i troposfären som de flesta väsentliga väderleksfenomen pågår. Den sträcker sig ca 10 km upp i atmosfären där stratosfären vidtar. I troposfären sker ozonbildning på ett annat sätt. Fria syreatomer bildas här genom att kvävedioxid delas upp i kvävemonoxid och en fri syreatom under solljusets inverkan: 410nm NO 2 +hv NO + O (3) De våglängder i ljuset som driver denna process hör även de till det kortvågiga, ultravioletta området, men de är mer långvågiga än de i reaktion (1) och når därför i tillräcklig utsträckning marknära luftlager. Reaktion (2) sker i troposfären på samma sätt som i stratosfären. 2 O (1) 13
STRATOSFÄRENS OZONBILDNING I GROVA DRAG Figur 1.2 I stratosfären finns kortvågig, energirik solstrålning (ultraviolett) som kan sönderdela syrgas, O 2, till två fria syreatomer som krävs för bildningen av ozon, O 3. Även ozon kan sönderdelas av ljus. Normalt håller de båda processerna varandra i balans vid en ganska hög ozonhalt. När så kallade CFC-föreningar når upp till stratosfären blir de kemiskt aktiva då den kortvågiga strålningen sönderdelar dem och kloratomer, Cl, frigörs. Kloratomerna kan delta gång på gång i den reaktionscykel där ozon och fria syreatomer omvandlas till syrgas (O 2 ). Denna reaktionscykel leder till minskad ozonhalt i stratosfären. TROPOSFÄRENS OZONBILDNING I GROVA DRAG Liksom i stratosfären är grunden för ozonbildning i troposfären fria syreatomer, O. Här bildas de genom att mer långvågigt ljus kan sönderdela NO 2 i NO och O. NO reagerar snabbt med ozon som då förbrukas. Enbart dessa reaktioner ger därför inte verkligt höga ozonhalter. För att få en nettoproduktion av ozon krävs en reaktion som konkurrerar med ozon om NO. I ett visst steg av sin nedbrytning i atmosfären kan flyktiga organiska ämnen omvandla NO till NO 2 utan att ozon förbrukas. 14
Ozonbildningen i troposfären kompliceras av två andra viktiga reaktioner. Den ena är en förhållandevis snabb reaktion mellan ozon och kvävemonoxid (NO): NO + O 3 I reaktion (4) förbrukas alltså ozon som bildats i reaktion (2). Reaktion (2), (3) och (4) bildar en reaktionscykel som normalt inte leder till höga ozonhalter. För att verkligt höga ozonhalter skall uppstå krävs ytterligare ett reaktionssteg. Här kommer flyktiga organiska ämnen in i bilden. De flesta sådana ämnen bryts ner i atmosfären i en kedja av reaktioner, varav några är ljusberoende. Om vi på kemisters vis betecknar ett godtyckligt sådant organiskt ämne RH (det enklaste av alla kolväten är metan, CH 4, som med denna terminologi blir CH 3 -H, där CH 3 motsvarar R), så kan man beskriva de reaktionssteg vi här är mest intresserade på följande sätt. Kolväten sönderdelas i atmosfären främst genom reaktion med fria radikaler (vanligen kortlivade, reaktiva partiklar). Den viktigaste radikalen i detta sammanhang är hydroxylradikalen HO. Pricken efter den kemiska beteckningen syftar på att partikeln ifråga har en oparad elektron, vilket till stor del förklarar dess reaktivitet. Sönderdelningen av kolväten initieras av följande reaktion: NO 2 + O 2 (4) HO + RH R + H 2 O (5) Den fria kolväteradikalen R reagerar därefter snabbt med luftens syre och bildar en peroxiradikal RO 2. Det är denna radikal som sedan är betydelsefull för ozonbildningen genom att den kan konkurrera med ozon om att oxidera NO till NO 2 : NO + RO 2 NO 2 + RO (6) Reaktion (6) är alltså viktig på grund av att NO omvandlas till NO 2 utan att ozon förbrukas som i reaktion (4). Om lämpliga organiska ämnen finns närvarande i luften kan alltså kvävedioxid, som utgör grunden för ozonbildning i troposfären, återbildas gång på gång. Ämnena RO 2 och RO är kortlivade reaktionsprodukter som bildas under det organiska ämnets nedbrytning till koldioxid och vatten. (För metan blir de alltså CH 3 O 2 respektive CH 3 O ). Man kan med visst fog hävda att de organiska ämnena utgör bränslet och kväveoxiderna katalysatorn för ozonbildning i troposfären. De organiska ämnena oxideras och bryts på så sätt ner eller förbränns till främst koldioxid och vatten. Kväveoxiderna å andra sidan, kan användas upprepade gånger för ozonbildningen utan att förbrukas, vilket stämmer med 15
definitionen av en katalysator. En kväveoxidmolekyl kan dock inte delta i ozonbildningen hur länge som helst. Det beror på att det finns konkurrerande processer som förbrukar kväveoxider i atmosfären. En av dessa är deposition till växter och andra ytor. En annan är kemisk omvandling av kväveoxider till andra kväveföreningar som inte deltar i ozonbildningen, framförallt salpetersyra. Denna reaktion är mera sannolik i starkt förorenade miljöer. Antalet ozonmolekyler som kan bildas per utsläppt kväveoxidmolekyl är därför större i förhållandevis rena miljöer. Ozonbelastningen är ändå värst i de områden där utsläppen av ozonbildande ämnen är störst. Den större ozonbildningen per utsläppt kväveoxid i renare miljöer bidrar ändå till att problemet med marknära ozon får en stor geografisk utbredning. 1.4 Ozon i troposfären ökar medan ozon i stratosfären minskar Mer än 90 % av atmosfärens ozon finns i stratosfärens så kallade ozonlager. Under de senaste decennierna har man kunnat konstatera att människan påverkat kemin i stratosfären så att dess ozoninnehåll minskat, en upptäckt som belönades med 1996 års nobelpris i kemi. Att föroreningar kan leda till förändringar i stratosfären beror på att vissa luftföroreningar, framförallt CFC-föreningar (så kallade freoner), är mycket stabila. Det är bland annat denna egenskap som gjort dem tekniskt intressanta. Eftersom de inte bryts ned har de en mycket lång livslängd i atmosfären och når därför så småningom upp till stratosfären. Som redan diskuterats finns där kortvågigare, och därmed mer energirik strålning, så energirik att CFC-föreningarna inte förblir kemiskt stabila. När de bryts ner kommer kloratomer att frigöras och dessa kan delta i katalytiska reaktionscykler där ozon förbrukas i stor skala. Särskilt effektiv är denna process i anslutning till vissa typer av stratosfäriska moln. Sådana moln uppstår endast vid de mycket låga temperaturer, som man framför allt finner i stratosfären ovanför Antarktis. Detta är en viktig del av förklaringen till varför det så kallade ozonhålet främst uppträder i stratosfären i området ovanför Sydpolen. En minskning av stratosfärens ozoninnehåll har även observerats över jordklotet i övrigt, men inte i samma omfattning. I troposfären råder det omvända förhållandet. Utsläppen av kväveoxider och flyktiga organiska ämnen från främst trafik, industri och energiproduktion har skapat förutsättningar för starkt förhöjda troposfäriska ozonhalter i stora delar av den industrialiserade världen. Visserligen har det även 16
innan industrisamhällets genombrott funnits en viss mängd ozon i troposfären. Kväveoxider har bildats t ex vid blixturladdningar och skogsbränder (Graedel & Crutzen 1993) och flyktiga organiska ämnen som kan delta i ozonbildning, främst så kallade terpener och isopren, emitteras av växter (Simpson m fl 1995). De förindustriella bakgrundshalterna på ca 10 15 ppb ozon (Borrell m fl 1997) i Europa har under 1900-talet ökat med en faktor två tre. Till detta kommer så kallade ozonepisoder. Med episoder avses kortare perioder, från några timmar till några dagar, med starkt förhöjda ozonhalter, som då kan uppgå till över 100 ppb. Ozonepisoder uppträder vanligen vid stabila högtryck med stark solstrålning och svaga vindar, som rör sig in över vårt land från söder, där de stora utsläppskällorna finns. Som framgått ovan är solljuset, som ofta är starkt vid högtryck, viktigt för ozonbildningen. Den svaga luftomblandningen gör att de ozonbildande ämnena, kväveoxider och flyktiga organiska ämnen, inte späds ut utan kan nå höga halter. Ozonepisoder uppträder i Sverige under de flesta vårar och somrar, men i mycket varierande omfattning. Varmare och soligare väder ger vanligen fler ozonepisoder. Högtryck som kommer norrifrån leder vanligen inte till ozonepisoder, eftersom de inte för med sig ozonbildande ämnen i någon större utsträckning. Figur 1.3 visar hur ozonhalterna vid Rörvik söder om Göteborg varierade under högsommaren 1991. Figuren visar timmedelvärden. Ozonhalterna avspeglar väderleken mycket väl. Man kan i figuren se hur perioder med mer eller mindre ostadigt lågtrycksväder omväxlar med högtrycksperioder. Under lågtrycksperioderna når dygnets maximala ozonhalter inte särskilt högt, kanske till ca 40 ppb och halterna är något lägre under natten. Då sker ju ingen ozonbildning eftersom ljus inte finns tillgängligt. Under högtrycksperioderna med vind omkring syd uppträder ozonepisoder. Då når dygnsmaximum för ozonhalten upp till ca 80 ppb, men nattetid närmar sig halten i flera fall noll. Denna stora skillnad i halt mellan dag och natt orsakas av att man vid högtryck ofta har klar himmel och svaga vindar nattetid. Marken kyls då av genom att jordytans utstrålning mot rymden ej reflekteras av moln och man får en så kallad nattinversion. Luften närmast marken blir kallare än luften ovanför och luftomblandningen i höjdled närmast marken upphör då i stort sett. Allt ozon i luftlagren allra närmast marken förbrukas genom deposition. Eftersom luftomblandningen är så gott som obefintlig sker ingen påfyllning av ozon från luftlager längre upp, där halten vanligen är ganska hög även under natten vid episodförhållanden. Vid lågtryck är det ofta molnigt och det blåser, om än mindre än dagtid, så i varje fall oftast 17
tillräckligt för att skapa luftomblandning i höjdled. Därför byggs inte så kraftiga vertikala koncentrationsgradienter av ozon upp närmast marken vid sådan väderlek. Figur 1.3. Timmedelvärden av ozonhalten (ppb) uppmätta vid Rörvik ca 40 km söder om Göteborg från 27/6 till 12/8 1991. Omritad från Pleijel m fl (1994c). För att sammanfatta: huvuddelen av atmosfärens ozon finns i stratosfären. Det filtrerar bort UV-B-strålning som annars hade varit skadlig för organismerna på jorden. Stratosfärens ozoninnehåll minskar för närvarande. I troposfären däremot ökar ozonhalterna på grund av utsläpp av kväveoxider och flyktiga organiska föreningar. Denna dualistiska situation illustreras av figur 1.4. För det ozon som förekommer i troposfären kan också en indelning göras, i marknära ozon och ozon i fria troposfären. Närmast marken finns ett luftlager som kallas blandningsskiktet. Detta är starkt påverkat av den mekaniska turbulens som orsakas av friktionen mellan luften och den mer eller mindre skrovliga markytan samt den termiska turbulens som beror på att markytan och därmed luften närmast marken värms upp av solljuset under dagen. Denna uppvärmda luft har en tendens att stiga och därmed skapa luftomblandning. Blandningsskiktets höjd varierar med tid på dygnet och årstid. Typiska nivåer på sommaren kan vara 1 000 m (ca 10% av troposfärens höjd) dagtid och 100 200 m nattetid. Föroreningar som släpps ut vid markytan fördelas relativt snabbt inom blandningsskiktet. Marknära 18
ozon är det ozon som finns i detta skikt. Endast högt belägna bergsområden befinner sig dagtid i fria troposfären. Det finns ingen kemisk skillnad mellan ozon i troposfären och stratosfären, men det stratosfäriska ozonet berör inte direkt organismerna på jorden eftersom det inte andas in eller tas upp av växter. Mellan troposfären och stratosfären finns ett temperatursprång som gör att transporten mellan dessa luftmassor är mycket begränsad. Ibland, särskilt tidigt på våren, sker i alla fall ett utbyte, speciellt över höga breddgrader. Eftersom ozonhalten är högre i stratosfären innebär ett sådant luftutbyte en nettotillförsel av ozon till troposfären. Gränsen mellan blandningsskiktet och fria troposfären är inte alls lika skarp. Här förekommer regelbundet ett utbyte mellan de båda luftmassorna. Figur 1.4. Halten av ozon (uttryckt som partialtryck) på olika höjd över marken. Vid ca 10 km höjd sker en tydlig övergång från troposfären till stratosfären. Mätningarna kommer från Hohenpeissenberg i södra Tyskland. Man kan se en tydlig trend mot stigande ozonhalter i marknära luftlager och sjunkande ozonhalter i stratosfären. 1.5 Ozon i trafiktäta miljöer Ozonbildningen karaktäriseras av att de kemiska reaktionerna mellan primära luftföroreningar tar en viss tid och att de styrs av solljus, haltförändringar, meteorologi m m. Detta innebär att höga ozonhalter kan uppträda långt från källan och att det geografiska sambandet mellan utsläppskälla och ozonbildning ofta blir ganska otydligt. Kväveoxider som släppts ut på en viss plats kan verka ozonbildande på tiotals eller hundratals mils avstånd från källan. De har då blandats med emissioner från oräkneliga andra källor. Härav kommer sig problemets utpräglat storregionala karaktär. Detta betyder också att utsläpp i andra länder är av avgörande betydelse för ozonhalterna i Sverige. Ozonbelastningen på varje enskild plats utgör sum- 19
man av många var för sig små bidrag från ett mycket stort antal källor. I huvudsak är därför den småskaliga variationen i ozonhalt liten. Detta är något av ett problem för den som vill studera effekterna av ozon. Haltgradienter är mycket praktiska att använda för sådana syften, men ozonhalten varierar över en så stor geografisk skala att skillnaderna i klimat och andra naturförutsättningar också blir stora om man skall finna platser med väsentligt olika ozonbelastning. Det finns ett viktigt undantag från denna regel som också illustrerar ozonets kemi. I utsläpp från trafik och förbränningsanläggningar domineras kväveoxiderna av kvävemonoxid (NO). Detta innebär att den snabba reaktion (4), i vilken ozon förbrukas, är den viktiga reaktion som först gör sig gällande när bilavgaserna och rökgasplymerna blandas in i omgivningsluften. En konsekvens av detta är att ozonhalterna i trafiktäta miljöer är lägre än i omgivningarna (Rodes & Holland 1981). Ett på sitt sätt paradoxalt förhållande råder alltså genom att trafikens utsläpp samtidigt är den enskilt viktigaste källan till regional ozonbildning genom reaktionerna (2), (3) och (5). De lokalt lägre ozonhalterna i starkt trafikerade miljöer leder faktiskt till att ozoneffekterna där blir mindre, även om halterna av flera andra primära föroreningar från bilavgaserna förstås är högre i sådana miljöer. I figur 1.5 visas hur förekomsten av synliga ozonskador på en ozonkänslig sort av klöver varierade med avståndet från E6 mellan Göteborg och Kungsbacka under högsommaren 1991 (Pleijel m fl 1994c). Ozonskadorna var klart mindre nära vägen än på 200 m avstånd, där de låg på den nivå som var typisk för landsbygdsmiljön i Västsverige under den aktuella perioden. De lokalt lägre ozonhalterna i omedelbar närhet till stora trafikemissioner är undantaget som bekräftar regeln att halterna av marknära ozon inte varierar påtagligt annat än på en relativt stor geografisk skala. Figur 1.5. Antal ozonskadade blad per kruka hos subklöver (Trifolium subterraneum) på olika avstånd från E6 norr om Kungsbacka. Exponeringen skedde under samma tidsperiod som visas i figur 1.3. Från Pleijel m fl (1994c). 20
INTERNATIONELLA Kapitel 2 OCH NATIONELLA MILJÖMÅL Håkan Pleijel SAMMANFATTNING Såväl nationellt som internationellt finns miljömål och gränsvärden som gäller ozon. FN-organet WHO samt IMM i Sverige har sammanställt vetenskapligt underlag för vilka ozonnivåer som kan skada människors hälsa. WHO föreslår en nivå på 60 ppb för denna typ av effekter medan IMM vill gå längre och sätta gränsen vid 40 ppb. Till skydd mot de ökande ozonhalterna i marknära luftlager i Europa har man inom ECE tagit fram så kallade kritiska nivåer för ozons påverkan på växtligheten. Dessa används för att skapa effektbaserade åtgärdsstrategier mot utsläpp av ozonbildande ämnen inom ECEs luftkonvention och EU. De baseras för närvarande på ett exponeringsindex som kallas AOT40, vilket står för det summerade överskridandet av halten 40 ppb. När det gäller ozons effekter på material har man i Europa diskuterat att tills vidare använda 20 ppb som en typ av kritisk nivå som ej bör överskridas. I Sverige finns officiella miljömål för utsläpp av kväveoxider och kolväten de ämnen som leder till ozonbildning. 2.1 Inledning Som redan nämnts i kapitel 1 bidrar ozon till flera olika typer av miljöeffekter, såväl hälsoeffekter som effekter på växter och material. Olika nationella och internationella organ har därför formulerat miljömål och gränsvärden när det gäller marknära ozon och ozonbildande ämnen. Större delen av denna skrift handlar om ozons effekter på växter. Det kan därför vara på sin plats att i detta sammanhang beröra även ozons betydelse för hälsa och material. 21
2.2 WHOs och IMMs riktlinjer för ozon hälsoeffekter Världshälsoorganisationen WHO, som lyder under FN, utfärdar riktlinjer för bl a de nivåer av luftföroreningar som anses leda till skador på människors hälsa. Ozon är som nämnts i kapitel 1 starkt oxiderande. Det har en relativt låg löslighet i vatten och förs därför djupt ner i lungorna vid inandning. Redan efter ganska kort tids exponering leder ozon till inflammatoriska reaktioner i luftrören. Dessa går tillbaka när exponeringen upphör. Man har i experiment funnit sådana effekter ner till ozonhalter kring 80 ppb. Ozon leder till nedsatt lungkapacitet och minskad motståndskraft mot bakterie- och virusinfektioner. Den nedsatta lungfunktionen är särskilt allvarlig för personer som redan har nedsatt lungfunktion, t ex astmatiker. Även ögonirritation är en vanlig effekt av förhöjda, men idag förekommande, ozonhalter. Särskilt utsatta är personer som vistas utomhus och har en hög fysisk aktivitet. Till denna grupp hör idrottare, men även barn har i allmänhet en tendens att vara särskilt utsatta eftersom de ofta är utomhus och rör sig mycket. I epidemiologiska studier har man kunnat visa att höga ozonhalter samvarierar med antalet intagna personer på sjukhus för lungbesvär. Det finns också undersökningar som tyder på att ozon kan leda till en förhöjd cancerrisk, men denna risk är otillräckligt utvärderad. Baserat på den lägsta säkert kända effektnivån har WHO formulerat ett riktvärde på 60 ppb ozon som maximalt medelvärde under åtta timmar (WHO 1995). WHO betonar samtidigt att denna nivå troligen inte representerar en säkerhetsmarginal för vissa typer av akuta hälsoeffekter för den mest känsliga delen av befolkningen. Det svenska institutet för miljömedicin (IMM) har rekommenderat en lågrisknivå på 40 ppb ozon som entimmesmedelvärde som en övre gräns för vad människor bör utsättas för (Bylin m fl 1996). Man har då använt en säkerhetsfaktor 2 i förhållande till den lägsta vetenskapligt säkerställda effektnivån. 2.3 Effekter av ozon på material ett preliminärt miljömål Det är sedan länge känt att ozon påverkar polymerer, dvs den typ av molekyler som ingår i de flesta fibrer. Det är polymerer som innehåller kolatomer med dubbelbindningar som påverkas. Hit hör många naturliga fibermaterial som naturgummi, bomull, och cellulosa. Mest känd är effekten på gummi. På 1950-talet använde man gummi i en enkel metod för att mäta ozonhalten i luften. Ozon leder till att det uppstår sprickor i gummit det krackelerar. Djupet på sprickorna som uppstått under en viss tid är ett mått på hur hög ozonhalten varit. Metoden visade sig ha god precision. Till de 22
branscher som redan på 50-talet visade intresse för ozonhalterna hörde tillverkarna av bildäck, som tillverkas av gummi. Ozon påverkar också en rad andra material, vilket leder till kostnader för samhället och till att kulturvärden går förlorade. Exempelvis påverkas livslängden hos textilier, färg och andra pigment (t ex hos museiföremål) negativt av ozon. Till skillnad från effekter på människors hälsa och växter är det i huvudsak långtidsmedelvärdet av ozonhalten som är avgörande för hur stora effekterna på material blir. I princip har alla halter någon effekt. Man har ändå i Europa diskuterat att sätta en kritisk haltnivå för ozon när det gäller materialeffekter till 20 ppb som årsmedelvärde. Detta värde överskrids i stor sett överallt i Europa idag. De uppskattningar som finns av hur mycket ozoneffekterna på material kostar är mycket osäkra, men det kan handla om mycket stora belopp. Den största koncentrationen av material som kan skadas av ozon finner man i stora tätorter. Där är ozonhalterna, som framgått av kapitel 1, vanligen något lägre än i omgivande landsbygd på grund av att ozon lokalt förbrukas av avgasernas utsläpp av kvävemonoxid (NO). En paradoxal situation uppstår. Om man i en stad lokalt lyckas minska utsläppen av kväveoxider så kommer ozonhalten att öka och därmed risken för materialskador, åtminstone om inte samma utsläppsminskning görs över ett stort geografiskt område. Detta visar på behovet av storskaliga strategier för att minska ozonbelastningen i Europa. 2.4 Internationella åtgärdsstrategier Olika aktörer har under de senaste decennierna arbetat med åtgärder mot ozoneffekter. På det internationella planet har ECEs luftkonvention varit viktigast. ECE (FN:s ekonomiska kommission för Europa) hade under det kalla kriget en viktig betydelse för internationella samtal i Europa. Ett av de centrala områdena för ECE var gränsöverskridande luftföroreningar. Eftersom Warzawa-paktens länder var med i ECE kunde luftföroreningarna bli en täckmantel för att diskutera även andra viktiga politiska frågor. Inom ECE-konventionen om gränsöverskridande luftföroreningar har flera internationella protokoll om åtgärder mot olika föroreningar undertecknats. För närvarande håller ett protokoll på att avslutas, som omfattar bl a kväveföroreningar och flyktiga organiska ämnen. En viktig drivkraft för detta multi-pollutant/multi-effect protocol har varit effekter av marknära ozon, såväl hälsoeffekter som växtskador. När det gäller underlag för detta protokoll har så kallade kritiska nivåer för ozon spelat en viktig roll. De presenteras längre fram i detta kapitel. 23
Under de senaste åren har EU vuxit fram som en allt starkare aktör när det gäller gränsöverskridande luftföroreningar. EU skapar för närvarande en försurningsstrategi och en ozonstrategi som kommer att bli vägledande för EUs framtida arbete med gränsöverskridande luftföroreningar. När det gäller EUs ozonstrategi är en viktig aspekt att den skall vara kostnadseffektiv. Eftersom de utsläppsminskningar som kan genomföras till ringa kostnad redan är under genomförande eller har beslutats i en rad länder, kommer ytterligare minskningar att bli mera dyrbara. För att vinna acceptans och legitimitet för dessa kostnader bland de som skall betala företag, stater (skattebetalare) och konsumenter är det viktigt att åtgärderna utförs så kostnadseffektivt som möjligt. Det innebär att man måste kunna visa att de åtgärder man beslutar om är de som ger störst miljövinster per investerad krona. Därför är de nya åtgärdsstrategierna effektbaserade. Så var det inte med de första protokollen under ECEs luftkonvention. EUs nya direktiv och strategi för ozon blir i huvudsak baserade på ECEs kritiska haltnivåer för ozoneffekter på växter och WHOs riktlinjer när det gäller hälsa. Det är till stor del IIASA, ett internationellt centrum för systemstudier utanför Wien, som utför de beräkningar som ligger till grund för de effektbaserade kostnadseffektiva åtgärdsstrategier som för närvarande diskuteras inom ECE och EU. 2.5 Kritiska nivåer för ozon Arbetet med att fastställa kritiska nivåer för ozon påbörjades 1988. Då hölls ett möte i Bad Harzburg i Tyskland på ECEs initiativ, där man utarbetade preliminära kritiska haltnivåer för en rad gasformiga luftföroreningar med avseende på deras effekter på växter (Guderian 1988). Man utgick från en äldre tradition inom toxikologin att beakta medelvärdet av halten för en period av viss längd. I detta inledande arbete hade ozonfrågan inte en lika framskjuten position jämfört med andra föroreningar, främst svaveldioxid och kväveoxider, som den har idag. Som en uppföljning av resultaten från Bad Harzburg hölls våren 1992 ett liknande möte i Egham utanför London. Där behandlades också en rad olika gasformiga luftföroreningar (Ashmore & Wilson 1994). Vid detta möte blev det allt tydligare att ozon är den kvantitativt dominerande gasformiga luftföroreningen i Europa vad gäller effekter på växter, även om viktiga effekter av svaveldioxid sannolikt kommer att kvarstå i delar av Östeuropa ännu en tid. 24
Ett annat mycket viktigt resultat från mötet i Egham var att ett nytt angreppssätt lanserades för att beskriva exponeringen av ozon. Man kunde visa att det summerade överskridandet av en tröskelhalt visade en bättre överensstämmelse med observerade effekter av ozon än den traditionella beskrivningen genom medelvärden av halter. Fullt utvecklat blev detta nya synsätt först vid nästa europeiska möte om kritiska haltnivåer. Det hölls i Bern hösten 1993 och behandlade endast ozon (Fuhrer & Achermann 1994). En sammanställning av de försök med ozonexponering av fältodlat vete som utförts i Europa visade en mycket god korrelation med exponeringsindexen AOT40 och AOT30. AOT står för Accumulated exposure Over Threshold, dvs det summerade överskridandet av en viss halt under en viss tidsperiod. Enheten för AOT-indexen blir ppb-timmar om man uttrycker ozonhalten i ppb (miljarddelar av det samlade antalet luftmolekyler). Att man fastnade för AOT40, dvs med tröskeln satt vid 40 ppb, berodde till stor del på att man med ett lägre värde kommer nära de halter av ozon som uppträder i bakgrundsluft över norra halvklotet. Med AOT40 får man ett mått som tydligt avspeglar den förhöjning av ozonhalten som beror på människans utsläpp av ozonbildande ämnen. Att använda AOT40 är första steget mot ett dosmått för ozon som skadar växter. AOT40 avspeglar inte direkt växternas upptag av ozon utan räknas fram endast utifrån halten i luften. Utvecklingen mot ett upptagsbaserat exponeringsindex för ozon har påbörjats, men det finns ännu ingen alltmänt vedertagen metod för detta. FAKTARUTA Att räkna ut AOT40 går till på följande sätt. Antag att man har timmedelvärden av ozon för sju timmar enligt följande: 35, 38, 40, 41, 42, 45, 50 ppb. De tre första värdena bidrar inte till exponeringsindexet eftersom de inte överstiger 40 ppb med åtminstone 1 ppb. Endast de fyra sista värdena i serien bidrar till AOT40. AOT40-värdet blir: (41-40)+(42-40)+(45-40)+(50-40) = 1+2+5+10 = 18 ppb-timmar. För jordbruksgrödor summerar man över en tremånadersperiod (maj juli), medan man för skog använder sex månader (april-september). Eftersom växterna tar upp ozon främst under dygnets ljusa timmar, summeras AOT40 endast för timmar mellan soluppgång och solnedgång. AOT40-värden har använts för att ta fram samband mellan exponering och respons hos växterna. Bäst resultat har man alltså fått när det gäller påverkan på skörden hos vete. I figur 2.1 visas hur sådana samband, baserade på omfattande data från fem länder i Europa, kan se ut. Ett mer detaljerat sådant samband för de nordiska länderna finns i kapitel 5. 25
Figur 2.1. Samband mellan skörd hos vete (uttryckt som procent av skörden vid AOT30 respektive AOT40 = 0 i de olika ingående försöken) och AOT30 respektive AOT40 för experiment som utförts i fem europeiska länder. Figurerna visar linjära regressioner med 99 % konfidensintervall. Vid nästa ECE-möte om ozon, i Kuopio 1996, kom man fram till att de kritiska nivåer som presenteras i tabell 2.1 skall gälla tills vidare (Kärenlampi & Skärby 1996). Tabell 2.1. Kritiska ozonnivåer från mötet i Kuopio 1996. Från Kärenlampi & Skärby (1996). VPD vapour pressure deficit = luftens ångtrycksdeficit, ett mått på hur torr luften är. TYP AV VÄXTLIGHET AOT40-VÄRDE TIDSPERIOD MM Jordbruksgrödor 3 000 ppb-timmar maj juli Skogsträd 10 000 ppb-timmar april september Akuta effekter -synliga skador 500 ppb-timmar fem dagar, VPD>1,5 kpa 200 ppb-timmar fem dagar, VPD<1,5 kpa Vilda örter och gräs 3 000 ppb-timmar maj juli Figur 2.2 visar hur ozonbelastningen, uttryckt som AOT40, varierade över Europa för perioden maj-juli, 1989 1994 (Simpson m fl 1998). Figuren är baserad på modellerade AOT40-värden. Resultatet från modellberäkningarna överensstämmer väl med vad som observerats genom mätningar. 26