Read the book: «Unsere Luft»
Norbert Metz
Unsere Luft
Deutlich besser als ihr Ruf?
expert verlag
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Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen
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ISBN 978-3-8169-3491-2 (Print)
ISBN 978-3-8169-8491-7 (ePub)
Inhalt
Vorwort
Einleitung
Zusammensetzung der Luft
Der Straßenverkehr als Schlüssel für erhöhte Werte am Straßenrand
Zusammenhang der Verkehrszunahme und der Emissionsentwicklung
Diskussion der Luftqualitätsgrenzwerte für (NO2) und Feinstaub (PM10 und PM2,5)
Stickstoffoxide NOx, Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO2
Feinstaub PM10
Feinststaub PM2,5
Kohlenmonoxid CO
Kohlenwasserstoffe ohne Methan NMHC beziehungsweise NMVOC
Benzol
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe PAH beziehungsweise PAK
Benzo(a)pyren BaP
Ozon O3
Schwefeloxide (SO2)
Blei Pb
Technische Maßnahmen und Fortschritte zur Emissionsverminderung
Persönliche Möglichkeiten des Einzelnen
Zusammenfassung
Weiterführende Literatur
Danksagung
Register
Vorwort
In der Süddeutschen Zeitung vom 1. Oktober 2019 war in einem Artikel die Überschrift „Münchens Luft wird immer besser“ zu lesen, und darunter: „An der Landshuter Allee ist die Belastung aber weiter kritisch.“1 Das bringt die aktuelle Lage auf den Punkt. Seit Jahren nimmt die Konzentration des Stickstoffdioxids – die Abgaskomponente, die derzeit im Fokus steht – stetig ab. Die Verbesserungen bei den anderen Abgaskomponenten werden nicht mit einem Wort erwähnt. Dies verweist auch auf die Problematik, dass mit dem Messort an der ungünstigsten Stelle dem Bürger suggeriert wird, die Luftqualität in München wäre schlecht. Auch weil der entsprechende Jahresgrenzwert mit 40µg/m3 deutlich tiefer angesetzt ist als z.B. in Kalifornien, das für seine strikten Umweltstandards bekannt ist.
Aufgrund der wachsenden Stadtbevölkerung und der damit verbundenen Zunahme an Aktivitäten und Mobilität entsteht allgemein der Eindruck, dass die Luftqualität auch in anderen Städten schlechter wird. In erster Linie werden der Straßenverkehr und insbesondere die Pkws und Lieferfahrzeuge mit Dieselmotoren dafür verantwortlich gemacht.
Die jüngsten Diskussionen über die Manipulationen am Prüfstand eines Herstellers haben das Vertrauen beim Bürger weiter erschüttert. Zusätzlich führt die Diskrepanz zwischen den Angaben bei den vorgeschriebenen Prüfstandtests und den tatsächlichen Werten beim Kunden, sowohl bei den Abgasemissionen als auch den Kraftstoffverbräuchen, zu einer weiteren Verunsicherung in der Bevölkerung. Zuletzt beschlossene Testverfahren sollen realistischere Werte zutage fördern. Das neue europäische Zulassungsverfahren, das die Kriterien bei der Typprüfung jetzt deutlich strenger festlegt und auch Straßentests mit einbezieht, ist bereits seit dem 1. September 2017 gültig. Werden die Abgasemissionen neuer Fahrzeuge unter allen Betriebsbedingungen absinken? Wird sich bald die Ersetzung älterer Fahrzeuge durch emissionsarme neue Fahrzeuge auf die gemessenen Konzentrationen an den Verkehrs-Messstationen auswirken?
Die immer anspruchsvolleren gesetzlichen Regelungen und der Erfolg technischer Fortschritte auf nationaler, europäischer und internationaler Ebene werden kaum wahrgenommen beziehungsweise deren Wirkungen unterschätzt. Offenbar hat die Autoindustrie nicht intensiv genug die massiven Anstrengungen und Verbesserungen der Öffentlichkeit vermitteln können.
Es werden daher in den nachfolgenden Kapiteln die Entwicklungen der Luftqualität und der Abgasemissionen des Straßenverkehrs in den letzten Jahrzehnten in Deutschland aufgezeigt. Städte mit kritischen Werten – die sogenannten „Mega-Cities“ – mit einer weiterwachsenden Bevölkerung sind das abschreckende Beispiel mit ihrer heute noch schlechten Luftqualität.
Die Rolle der meteorologischen Parameter im Zusammenhang mit der Luftqualität und das Zusammenwirken der Emissionen aller Quellen und der Gesetzgebung auf der Emissions- und Immissionsseite werden erklärt.
Abgasemissionen stationärer und mobiler Quellen werden sowohl global wie regional und lokal zusammengestellt, um deren Ausbreitung und Einfluss auf die Immissionssituation in Deutschland aufzuzeigen. Die Entwicklung wird – soweit Daten verfügbar sind – meist von 1990 bis 2018/2019 beschrieben. Örtliche wie zeitliche Sondersituationen werden angesprochen. Kritische Messorte und Episoden werden analysiert und relativiert.
Die für die Luftqualität maßgeblichen Komponenten werden beispielhaft in einigen Bundesländern und Städten Deutschlands zusammengefasst. Ihre Entwicklung wird seit 1990 verfolgt und teilweise auch prognostiziert. Die Darstellung ist abhängig von der Verfügbarkeit der Daten. In weiteren Kapiteln werden sowohl technische als auch behördliche Maßnahmen zur Verringerung von Abgasemissionen und unerwünscht hohen Konzentrationen in der Umgebungsluft zusammengestellt.
Durch die gemeinsamen Anstrengungen der Behörden und der Industrie werden bei den Abgaskomponenten Kohlenmonoxid [CO], der Summe der methanfreien Kohlenwasserstoffe [NMHC], Stickstoffoxide [NOx] mit Stickstoffmonoxid [NO] und Stickstoffdioxid [NO2], Benzol [C6H6], der Summe der aromatischen Kohlenwasserstoffe [PAH] mit der Leitkomponente Benzo(a)pyren [BaP], Feinstaub [PM10] und Feinststaub [PM2,5], Blei [Pb] und Schwefeldioxid [SO2] alle Immissionsgrenzwerte eingehalten. Auch auf das sekundär entstehende Ozon [O3] wird eingegangen. Um die aktuelle Debatte über den Klimawandel aufzunehmen, ist ein Kapitel über das klimarelevante Spurengas CO2 angehängt.
Alte Grenzwerte für Stickstoffmonoxid NO wurden schon früh fallen gelassen, da NO für die menschliche Gesundheit keine Rolle spielt und sich relativ schnell in der Atmosphäre zu Stickstoffdioxid NO2 umwandelt. Auch 2019 wird an starkbefahrenen Straßen in vielen Städten der ambitionierte NO2-Jahresmittelgrenzwert von 40µg/m3 noch nicht ganz erreicht. Bei Feinstaub werden nur in wenigen Städten Grenzwerte leicht überschritten. Zusätzlich zu den weiteren oben bereits angeführten Abgaskomponenten wird sowohl die Emissionsentwicklung als auch der Trend der Luftqualität über einen längeren Zeitraum für vier ausgewählte Bundesländer angegeben. Kriterien der Auswahl waren die Datenverfügbarkeit, die Bevölkerungsdichte und die Bedeutung der Länder. Die Wirkung bei bestimmten Konzentrationen wird generell und bei in der Umwelt auftretenden Werten je Kapitel erläutert.
Zusätzlich werden Empfehlungen gegeben, wie der Einzelne durch persönliches Verhalten einen Beitrag zur Verbesserung der Luftqualität für sich und für die Allgemeinheit leisten kann.
Die Verbesserung wird durch Langzeitverläufe der Abgaskomponenten, durch Emissionsverbesserungen der Straßenverkehrsfahrzeuge und durch die Stufen der Emissionsgesetzgebung beim Straßenverkehr dokumentiert.
Herrsching im Januar 2021 Norbert Metz
Einleitung
Der Umweltschutz hat in den letzten Jahren einen immer höheren Stellenwert bekommen. Der Bürger hat den Wunsch, sorglos in einer heilen Umgebung zu leben. Wer möchte keine hohe Wasserqualität beim Trinkwasser und in den Badeseen, wer keine saubere Umgebungsluft atmen? Daneben möchte niemand auf die Annehmlichkeiten verzichten, die die Umwelt belasten: ein warmes Heim, ausgewogene und gehaltvolle Mahlzeiten, Flugreisen und Autofahrten zu selbstbestimmten Zeiten und vieles mehr. Zu beiden Aspekten kursieren viele Klischees und Halbwahrheiten. Dieses Buch soll ein Vermittler sein, der die oft vereinfachten Zusammenhänge in der Berichterstattung der Medien einerseits aufdeckt und die umfangreichen Fakten der Wissenschaft andererseits allgemeinverständlich erklärt. Zu Beginn muss deshalb erst einmal beschrieben werden, aus was unsere Luft eigentlich besteht.
Zusammensetzung der Luft
Unsere Luft ist neben Wasser die wichtigste Lebensgrundlage, da wir 10000 bis 20000 Liter Luft täglich einatmen. Deshalb zählt saubere Luft zu den wertvollsten Elementen. Das folgende Bild 1 zeigt ihre einzelnen Komponenten. Die Hauptanteile werden in Prozent angegeben, Spurengase in ppm (parts per million) bzw. ppb (parts per billion).
Bild 1:
Zusammensetzung der Atmosphäre1
Neben den im Bild 1 genannten Gasen enthält die Luft noch Wasser in wechselnder Konzentration und in allen drei Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig), Staubpartikel, ein Gemisch aus festen oder/und flüssigen Schwebeteilchen und in der Atmosphäre erzeugte reaktionsfreudige Moleküle, die zu veränderten Volumenanteilen der oben angeführten Komponenten führen.
Diese Zusammensetzung wird vom Straßenverkehr im ppm-Bereich beeinflusst. In Bild 2 werden die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten angegeben, die direkt aus dem Auspuffende kommen.
Bild 2:
Relation einzelner Komponenten am Auspuffende2
Die Abgaskomponenten CO, NMVOC, NOx, Benzol, PAH, BaP, PM10, PM2,5, Blei und SO2 sowie das sekundär gebildete O3 werden in den folgenden Kapiteln näher erläutert.
Einflüsse der Meteorologie auf die Luftqualität
Meteorologische Faktoren spielen eine wichtige und weitgehend unterschätzte Rolle, obwohl sie die komplexen Vorgänge auf dem Weg von der EmissionEmission einer Komponente bis hin zur lokalen beziehungsweise regionalen LuftqualitätLuftqualität maßgeblich beeinflussen.
Im Folgenden werden die wesentlichen Einflussfaktoren zusammengefasst. Über der Erdoberfläche werden verschiedene Schichten unterschieden. Die ersten 10 km bezeichnet man als Troposhäre, begrenzt durch die Tropopause, darüber beginnt die Stratosphäre. In der untersten Schicht der Troposphäre bestimmt die planetare Grenzschichthöhe (Inversionshöhe3) die Konzentration der Abgaskomponenten. In dieser unteren Schicht der Atmosphäre unterliegen die Luftströmungen dem Einfluss der Bodenreibung. In der Troposphäre herrschen teilweise höhere horizontale Windgeschwindigkeiten, die die Luftmassen in zwei Wochen rund um den Globus transportieren können.
Bild 3:
Definition der Schichten in der unteren Troposphäre4
Die planetare Grenzschicht ändert sich im Tagesverlauf und auch mit den Jahreszeiten. Morgens steigt sie im Sommer von ca. 500 m auf etwa 2000 m. Das führt dazu, dass Abgasemissionen des beginnenden Berufsverkehrs und von Heizungen zur Warmwassergewinnung die Konzentration in der Luft weniger stark verringern als die Emissionen zur Mittagszeit. Abends sinkt sie wieder allmählich auf die ursprüngliche Höhe ab. Dann sind die Abgasemissionen des Berufs- und Lieferverkehrs geringer und auf einen längeren Zeitraum verteilt, daher fallen die Konzentrationen der meisten Komponenten in den Abendstunden verglichen mit den Vormittagsstunden auch geringer aus.
Windgeschwindigkeit und Windrichtung
Bodennah können Abgasemissionen vom Entstehungsort abhängig von der Windgeschwindigkeit weitertransportiert werden und an Stellen landen, die nicht zusätzlich belastet werden sollten, zum Beispiel in Häuserschluchten, in denen ohnehin ungünstigere Verhältnisse vorherrschen. In der Troposphäre trägt der Wind zum weiträumigen Transport belasteter Luftmassenweiträumiger Transport belasteter Luftmassen bei, die innerhalb von zwei Wochen einmal die Erde umrunden können. Die bei uns vorherrschende Windrichtung ist West, damit erhalten wir Abgasemissionen auch von westlich gelegenen benachbarten Staaten. Bei auch auftretenden Ostwinden spielen die Abgasemissionen der östlichen Nachbarstaaten eine Rolle.
Stoffe aus Verbrennungsprozessen werden sowohl lokal, regional als auch global emittiert und bestimmen mit der Meteorologie und den örtlichen Gegebenheiten die Luftqualität vor Ort. Wie bereits kurz beschrieben, reichern sich Emissionen unter der sogenannten planetaren Grenzschicht an. Ist beispielsweise die planetarische Grenzschicht – die im Sommer etwa bei 2000 m Höhe und im Winter bei einer Inversionswetterlage in bis zu 200 m Höhe liegen kann – relativ tief, so dominieren die lokal erzeugten Emissionen die Luftqualität. Herrscht ein mittlerer Westwind vor, so können die regionalen Emissionen der Nachbarländer im Westen die Luftqualität mitbestimmen. Bei stärkeren Windgeschwindigkeiten – wie sie im Höhenbereich von 3000 m bis 7000 m in der mittleren Troposphäre häufig auftreten – können auch die Emissionen von Amerika und Asien in Deutschland für erhöhte Immissionen verantwortlich sein, da sie von der mittleren Troposphäre in den bodennahen Bereich unter die planetare Grenzschicht gemischt werden.
Belastete Luftmassen können in circa zwei Wochen von Asien rund um den Erdball transportiert werden. Lelieveld und Dentener vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz haben vorhergesagt, dass zukünftig die wachsenden asiatischen Emissionen die hemisphärischen Ozon-Hintergrundkonzentrationen mehr als regionale gesetzliche Maßnahmen in Europa und den USA beeinflussen werden.5
Bild 4:
Die GAW-Stationen der World Meteorological Organization WMO6
Zur Kontrolle der internationalen Aktivitäten und Luftreinhaltestrategien misst die World Meteorological Organization (WMO) an über die Kontinente verteilten Messstationen nach einheitlichen Vorgaben die Abgaskonzentrationen von weiträumig und grenzüberschreitend transportierten Luftmassen.7 Ramanathan V. vom Scripps Institution of Oceanography, University of California at San Diego, und Feng Y. aus England berichten, dass der städtische Dunst, Partikel unter einer Größe von 10µm (PM10) und der Rauch aus der Biomassenverbrennung zu atmosphärischen braunen Abluftfahnen werden, die zusätzlich aus Sulfaten, Nitraten, unzähligen Kohlenwasserstoffen, Ruß, Bodenstaub, Flugasche und anderen Aerosolen bestehen. Diese nehmen speziell in Entwicklungsländern immer mehr zu. Dies wurde bisher als asiatisches Phänomen bezeichnet; es kann durch die weiträumige Verfrachtung aber auch in anderen Teilen der Welt auftreten.8 Im außeralpinen Raum spielt Ferntransport sowohl primärer wie sekundärer Partikel eine wesentliche Rolle. So können beispielsweise PM10- und SO2-Emissionen aus Ost- und Mitteleuropa (vor allem Rumänien, Serbien, Bosnien, Slowenien, Tschechien, Polen) als Quellen für Belastungen in Nordostösterreich identifiziert werden.9
Wetterlage
Hochdruckgebiete drehen im Gegenuhrzeigersinn und transportieren die Luft nach unten, während Tiefdruckgebiete im Uhrzeigersinn drehend die Luft nach oben drücken.10 Unterhalb der planetarischen Grenzschicht in der unteren Schicht der Atmosphäre unterliegen die Luftströmungen dem Einfluss der Bodenreibung.
Diese Phänomene tragen dazu bei, dass Abgasemissionen bodennah emittiert in die mittlere Troposphäre bis hin zur Stratosphäre transportiert werden und so infolge der höheren Windgeschwindigkeiten von Asien und Amerika bis zu uns gelangen können. Sie haben damit einen nicht unerheblichen Einfluss auf die lokale Luftqualität.
Niederschläge wie Regen und Schneefall
Niederschläge reinigen die Luft je nach Intensität und Dauer. Am deutlichsten ist dies an der Sichtweite zu sehen, wenn nach Regen beispielsweise in Bayern die Alpen – von München 60 km entfernt – gut zu sehen sind.
Die Feuchtigkeit hat beispielsweise einen Einfuss auf die Teilchengröße emittierter Partikel und ihre Depositionsmechanismen.11
Mit dem Anstieg der Luftfeuchtigkeit lagert sich Wasser an die Partikel in der Atmosphäre an, so können zum Beispiel die Partikel bei einem Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit von 30% auf 85% doppelt so groß werden. Bei noch höherer Luftfeuchtigkeit steigt das Wachstum überproportional und die Partikel erreichen bei 99% Luftfeuchtigkeit das 10-fache ihrer ursprünglichen Größe. Durch die Aufnahme von Feuchtigkeit vergrößerte Partikel streuen beispielsweise die Sonnenenstrahlung. Auch der Wind verringert unter anderem die Partikelkonzentration. Eine Windgeschwindigkeit von 5m/s bedeutet eine Absenkung der Partikelkonzentration um 25%, bei 10m/s halbiert sie sich.12
Sonneneinstrahlung
Die Sonneneinstrahlung ist wesentlich an der Ozonbildung beteiligt und trägt zur chemischen Umwandlung organischer Substanzen bei. Die Globalstrahlung beträgt in Deutschland durchschnittlich 100 bis 130W/m², woraus sich eine Jahressumme von durchschnittlich 900 bis 1200kWh/m² ergibt. Dabei sind die höchsten Werte im Nordosten und im Süden zu finden. Zum Vergleich: In Spanien etwa liegt die Globalstrahlung bei durchschnittlich 230W/m². Unter Globalstrahlung versteht man die gesamte an der Erdoberfläche auf eine horizontale Empfangsfläche auftreffende Solarstrahlung.
Im Sommer ist die Einstrahlung dabei um das 5-fache höher als im Winter. Die Höhe der Sonneneinstrahlung ist abhängig von der Bewölkung, der Tageslänge und der Höhenlage über dem Meeresspiegel.
UV-Strahlung
Die UV-Strahlung spielt bei photochemischen Reaktionen und der Ozonbildung eine Rolle. Im Jahr 1993 haben das Bundesamt für Strahlenschutz BfS und das Umweltbundesamt den Betrieb an den vier Stationen des UV-Messnetzes in Zingst (Ostseeküste), Langen (Rheingraben bei Frankfurt), Schauinsland (Südschwarzwald) und Neuherberg (Stadtrand von München) aufgenommen. Später wurde das Messnetz zusammen mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD) und assoziierten Institutionen, wie der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin in Dortmund (BAuA), der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) mit der Station in Westerland/Sylt, dem Meteorologische Observatorium Lindenberg, dem Bayerischen Landesamt für Umwelt (LfU) mit der Messstation in Kulmbach, und der Niedersächsische Gewerbeaufsicht mit den Stationen in Rinteln und Norderney, zu einem bundesweiten UV-Messnetz ausgebaut.13
Jahreszeiten
Neben den schon angeführten Einflüssen werden Abgasemissionen durch verschiedene Heizgewohnheiten, die Verwendung offener Kamine in Innenräumen sowie die Außentemperatur beeinflusst. Im Winter sind die Werte von NO, NO2, PM10, PM2,5 und CO daher deutlich ungünstiger.14
Die Ausführungen zur Meteorologie sind sehr vereinfacht dargestellt; sie sollen lediglich ihre Bedeutung für die Luftqualität dokumentieren. Für weitere Details siehe Metz.15
Zusammenhang zwischen den Emissionen und der Luftqualität
EmissionEmissionen werden vom Menschen durch Industrie, Kraftwerke, Hausbrand und Verkehr, und von der Natur durch Blitze, Waldbrände und Vulkanausbrüche verursacht. Sie unterliegen zusätzlich den meteorologischen Prozessen wie Regen und Wind (Windrichtung und Windgeschwindigkeit) und werden zum Beispiel durch die Sonnenstrahlung umgewandelt, bevor sie die lokale Luftqualität (Immission) bestimmen. Zur Erhaltung einer guten Luftqualität gibt es bei den anthropogenen (vom Menschen verursachten) Emissionen zwei Grenzwertoptionen:
Immissionsgrenzwerte für jede einzelne Komponente für unterschiedliche Zeitbezüge, die gegebenenfalls verschärft werden können.
Emissionsgrenzwerte je Abgaskomponente für verschiedene Quellen, die auch nach einer definierten Laufzeit weiter verschärft werden können.
Bild 5:
Zusammenspiel von Emission und Immission, inklusive der Grenzwerte16
Dabei beeinflusst naturgemäß die Höhe der Emissionen die lokalen, regionalen und teilweise auch die globalen Auswirkungen, die ihrerseits die Luftqualität und damit auch die Höhe der Immissionsgrenzwerte bestimmen. Die Wirkung jeder Abgaskomponente auf den Menschen und zum Schutz der Pflanzen muss einbezogen werden.
