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Feinstaub

Feinstaub ist ein Teil des Schwebstaubs. Die aktuelle Definition des Feinstaubs geht zurück auf den im Jahr 1987 eingeführten National Air Quality-Standard for Particulate Matter (kurz als PM-Standard bezeichnet) der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA (Environmental Protection Agency). Die ursprüngliche Definition des Feinstaubs basierte auf der Johannesburger Konvention aus dem Jahr 1959 und sah als Trennkorndurchmesser einen aerodynamischen Durchmesser von 5 Mikrometer (µm) vor.

Die Begriffe Aerosol und Feinstaub werden meist gleichbedeutend verwendet.

Nach der Richtlinie der WHO zur Luftreinhaltung (WHO global air quality guidelines) ist Luftverschmutzung global der Umweltfaktor mit der größten Bedrohung der menschlichen Gesundheit. Feinstaub schädigt weltweit mehr Menschen als irgendein anderer Luftschadstoff. Die 2013 veröffentlichte Studie ESCAPE, die Gesundheit und Umgebungsbedingungen von 312.944 Europäern in neun Ländern verfolgte, zeigte für jede zusätzliche Belastung der Atemluft mit 10 μg/m3 eine Erhöhung des Risikos, an Lungenkrebs zu erkranken, von 22 % für Partikel der Kategorie PM10 und 36 % für Partikel der Kategorie PM2,5.

Kategorisierung

Die mit dem US-Standard eingeführte PM-Kategorisierung stellt eine grundlegende Veränderung in der Bewertung von Immissionen dar: Während zuvor die Gesamtimmission betrachtet wurde, liegt der Fokus nun auf dem einatembaren Anteil der Immissionen. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass feine Partikel von den Schleimhäuten im Nasenrachenraum bzw. den Härchen im Nasenbereich nur teilweise zurückgehalten werden, während gröbere Partikel keine Belastung der Atemwege darstellen, daher wird im Zusammenhang mit Feinstaub auch von inhalierbarem Feinstaub bzw. als thorakalem Schwebstaub gesprochen.

Der Feinstaub wird dabei in Kategorien eingeteilt, die nach dem maximalen Teilchendurchmesser definiert sind. PM10 steht dabei beispielsweise für alle Teilchen mit einem maximalen Durchmesser von bis zu 10 µm. In dieser Kategorie sind also alle Teilchen mit kleineren Durchmessern auch enthalten.

PM10

In der ersten Fassung der amerikanischen Richtlinie wurde der Standard PM10 definiert, für den seit Anfang 2005 auch in der EU ein Grenzwert einzuhalten ist. Im Gegensatz zu der üblicherweise genannten Definition stellt PM10 keine scharfe Aufteilung der Immissionen bei einem aerodynamischen Durchmesser von 10 Mikrometern (10 µm) dar; vielmehr wurde versucht, das Abscheideverhalten der oberen Atemwege nachzubilden: Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 1 µm werden vollständig einbezogen, bei größeren Partikeln wird ein gewisser Prozentsatz gewertet, der mit zunehmender Partikelgröße abnimmt und bei ca. 15 µm schließlich 0 % erreicht. Technisch gesehen entspricht dies der Anwendung einer Gewichtungsfunktion (in der Fachsprache Trennkurve bzw. Trennfunktion) auf die Immissionen (in der Praxis wird dies durch einen größenselektiven Einlass an den Messgeräten erreicht). Aus dem Verlauf dieser Gewichtungsfunktion leitet sich letztendlich auch die Bezeichnung PM10 ab, da bei ca. 10 µm genau die Hälfte der Partikel in die Gewichtung eingehen.

PM2,5

Im Jahr 1997 wurde die amerikanische Richtlinie um PM2,5 ergänzt, die dem lungengängigen (alveolengängigen) Feinstaub (auch Feinststaub genannt) entspricht. Die Definition ist analog zu PM10, allerdings ist die Gewichtungsfunktion wesentlich steiler (100 % Gewichtung < 0,5 µm; 0 % Gewichtung > 3,5 µm; 50 % Gewichtung bei ca. 2,5 µm). Diese wesentlich schärfere Trennung lässt sich bei der Messung nicht mehr durch einen speziellen Einlass erreichen, hierfür kommen in der Praxis Impaktoren oder Zyklone zum Einsatz.

„Ultrafeinstaub“

→ Hauptartikel: Ultrafeinstaub

Darüber hinaus werden ultrafeine Partikel (UP bzw. UFP, „Ultrafeinstaub“) als Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 0,1 µm definiert. Der aerodynamische Durchmesser beschreibt ein kugelförmiges Partikel mit einem identischen Diffusionsverhalten wie das betrachtete Partikel.

Wissenschaftliche Diskussion

Glasfaserstreifen zur Erfassung von Feinstaub mittels Einzelproben

Neben dem PM-Standard, der nach Partikelgröße einteilt, kann man Stäube auch nach Beschaffenheit, Herkunft oder anderen Kriterien einteilen. Während also bei PM die von der Größe abhängige Wirksamkeit im Vordergrund steht, schlüsseln andere Modelle etwa unter dem Aspekt der stofflichen und strukturellen Toxizität oder nach dem Verursacher auf. Eine hinreichend vollständige Betrachtung lässt sich nur unter Einbeziehung mehrerer Modelle erreichen. Ein rein auf einem PM-basierendes Erfassungs- und Auswertekonzept wäre damit prinzipbedingt mindestens unvollständig (und/oder irreführend); ebenso jegliche Diskussion, die sich rein auf den Begriff des Feinstaubs beschränkt, während es um die Diskussion von Luftschadstoffen bzw. um Luftreinhaltung geht.

Ein generelles Problem der Feinstaub-Bewertung steckt demnach in den verwendeten Messmethoden, die oftmals die Masse der gesammelten Partikel bemühen und stark vom Feuchtegehalt der Partikel je nach Wetterlage beeinflusst werden können. Weiterhin finden sich bei den üblichen Messmethoden oftmals Abweichungen im Bereich bis zu 30 %, und manchmal sogar bis zu 50 %. Diese Abweichungen lassen sich zunächst dadurch vermeiden, dass nur die Trockenmasse des Feinstaubs ermittelt wird, was wiederum die Wirkung in der Luft je nach Kondensation vernachlässigt. Die Wirkung der Kondensation und Zusammenballung von Teilchen ist umso größer, je kleiner die einzelnen Teilchen sind. Dies ist der Grund für die Erweiterung der Messverfahren von PM10 auf PM2,5. Eine qualitative Analyse setzt eine Mindestmasse an Probensubstanz voraus. Die Erfassungsmethode ist entsprechend anzupassen, in der Regel durch die Erhöhung des Gesamtprobenvolumens.

Wirkungen auf die Gesundheit

Die schädigende Wirkung von Feinstaub sieht die WHO vor allem im Hinblick auf Infektionen der unteren Atemwege (ICD-10 J15-J22), chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (ICD-10 J 44), Lungenkrebs (ICD-10 C34) und Herz-Kreislauf-Erkrankungen (ICD-10 I10, I20, I26, I30 und weitere). Betroffen sind vor allem die Einwohner von Ländern mit niedrigen und mittleren Einkommen. Hier findet man die höchste Belastung der Außenluft in den schnell wachsenden Großstädten. In ländlichen Regionen stellt die Belastung der Innenluft meist das größere Problem dar. Basierend auf statistischen Berechnungen des IIASA nimmt die EU im Jahr 2015 250 Millionen verlorene Lebensjahre aufgrund der Exposition gegenüber PM2,5 an, was einer durchschnittlichen statistischen Verkürzung der Lebenszeit von 6 bis 7 Monaten entspricht.

In weiten Teilen der Welt wird mit Brennstoffen aus Biomasse an offenen Feuerstellen geheizt und gekocht. Der dabei entstehende Rauch in den Unterkünften stellt eine sehr ernste Gesundheitsbelastung dar. In Ruanda wird beispielsweise versucht, durch Einführung effizienter Öfen einerseits die Belastung der Raumluft und andererseits die Entwaldung zu vermindern.

Während die gesundheitsschädigende Wirkung von Luftverschmutzung eindeutig nachzuweisen ist, gelingt dieser Nachweis für den Feinstaub alleine nur schwierig, da er meistens zusammen mit anderen Luftschadstoffen auftritt. Hier sind vor allem Ozon und Stickstoffdioxid zu nennen. Alle haben eine gemeinsame Wirkung und verstärken sich gegenseitig.

Die Korngröße von Staub entscheidet darüber, wo er mit dem menschlichen Körper in Kontakt tritt. Schwebstaub mit einer Partikelgröße von > 30 µm wird beim Einatmen auf der Schleimhaut in Mund und Nase abgeschieden. Je kleiner Partikel sind, desto tiefer können sie in die Atemwege gelangen. Die Lunge erreichen Stäube mit einer Größe < 10 µm, mit einer Größe < 2,5 µm geraten sie in die Lungenbläschen. Ultrafeine Partikel mit einer Größe < 0,1 µm durchdringen die Wand der Lungenbläschen und sind im Blutstrom zu finden. Auch Auswirkungen auf die Hirnfunktion werden vermuten.

Die biologische Wirkung von Feinstaub hängt nicht alleine von der Partikelgröße ab. Ein wichtiger Faktor ist seine chemische Zusammensetzung und damit seine Toxizität. Etwa 20 % gelten als hoch toxisch. Hierbei handelt es sich in erster Linie um die Produkte unvollständiger Verbrennung aus Motoren, Industrie und Hausbrand. Bei 80 % des Feinstaubs ist das Gesundheitsrisiko niedriger. Dies gilt für den Feinstaub aus natürlichen Quellen (Wüsten, Vulkanausbrüche), aber auch für den aus Reifenabrieb.

Bestimmte inhalierbare Stäube und ihre Krankheiten

Zigarettenrauch enthält das Millionenfache an Feinstaub, als der aktuelle EU-Grenzwert und schädigt in Innenräumen auch Nichtraucher. Daneben sind im Tabakrauch noch zahlreiche andere gesundheitsschädliche Substanzen enthalten. Zigarettenrauchen führt in Deutschland jährlich zu mehr Todesfällen als Aids, Alkohol, illegale Drogen, Verkehrsunfälle, Morde und Selbstmorde zusammen. Die häufigsten durch Rauchen ausgelöste Krankheiten sind die chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (ICD-10 J 44), Lungenkrebs (ICD-10 C34) und Herz-Kreislauf-Erkrankungen (ICD-10 I10, I20, I26, I30 und weitere).

Krankheitserreger benutzen Feinstaub als Vehikel in die Atemwege. Aerosole, die beim Niesen und Husten, aber auch bei lautem Sprechen oder Singen erzeugt werden, sind häufig mit Viren und Bakterien beladen. Feinstäube aus organischem Material beherbergen oft Pilze und Parasiten. Bekommt das Immunsystem die Erreger nicht unter Kontrolle, entsteht eine Infektionen der unteren Atemwege (ICD-10 J15-J22). Für Lungenentzündungen ist dieser aerogene Infektionsweg bei weitem der häufigste. In diesem Zusammenhang wird oft der Begriff Tröpfcheninfektion verwendet.

Mineralische Stäube lösen seit alters her vor allem bei beruflich exponierten Personen das Krankheitsbild der Staublunge oder Pneumokoniose (ICD-10, J60-63) aus. So wird diese Lungenerkrankung bereits auf einem 3500 Jahre alten ägyptischen Papyrus als Berufskrankheit der Steinmetze erwähnt. Stäube, die Kieselsäure, sogenannte Silikate, wie z.B. Quarz enthalten, führen zu der bekanntesten Form, der Lungensilikose (ICD-10, J62). Asbest kann als eingeatmeter Staub sowohl eine Staublunge (Asbestose, ICD-10, J61), als auch eine Krebserkrankung des Brustfells auslösen, das sogenannte Pleuramesotheliom (ICD-10 C45.0). Dies ist seit 1930 bekannt. 1993 wurde die Verwendung von Asbest in Deutschland verboten, seit 2005 in der EU. Kohlenstaub ist in Bergwerken der Verursacher der (Anthrakose, ICD-10, J60). Weitere mineralische Stäube, können eine Staublunge auslösen, wenn sie eines der folgenden Mineralien enthalten: Talkum (ICD-10 J62.0), Aluminium (ICD-10, J63.0), Bauxit (ICD-10, J63.1), Beryllium (ICD-10, J63.2), Graphit (ICD-10, J63.3), Eisenerz (ICD-10, J63,4) und Zinn (ICD-10, J63.5).

Pollen sind die männlichen Keimzellen von Blütenpflanzen. Sie können eine Größe von 8 µm bis 250 µm haben. Lungengängig sind also nur die kleineren. Dabei handelt es sich in der Regel um die Pollen von Windbestäubern, denn diese sind darauf angewiesen, dass ihre Pollenkörner lange in der Luft schweben. Hierzu zählen unter anderem Gräser, Bäume und Getreide. Gelangen Pollen auf die Schleimhäute der Atemwege, können sie bei Menschen mit entsprechender Veranlagung allergische Reaktionen auslösen. Diese äußern sich als Heuschnupfen (ICD-10 J30.1) oder als allergisches Asthma bronchiale (ICD-10 J45.0).

Schimmelpilzsporen sind Zellen, die von den Pilzen zum Zweck der Vermehrung abgegeben werden. Sie haben eine Größe von 2-30 µm und sind damit lungengängig, also Teil des Feinstaubs. Schimmelpilze sind in der Natur weit verbreitet, ihre Sporen allgegenwärtig. In Deutschland erreicht ihre Konzentration in der Außenluft ihr jahreszeitliches Maximum im August. Auch Innenräume können stark belastet sein, vor allem beim Umgang mit Heu und Stroh in der Landwirtschaft. In Wohnräumen kommen als Quellen feuchte Bauteile und Einrichtungsgegenstände, aber auch Zimmerpflanzen in Frage. Wie Pollen können Schimmelpilzsporen allergische Reaktionen der Schleimhäute im Bereich der Atemwege auslösen, in Form von Heuschnupfen (ICD-10 J30.1) oder allergischem Asthma bronchiale (ICD-10 J45.0). Gerade in der Landwirtschaft ist auch die Farmerlunge bekannt. Hierbei kommt es zu einer entzündlichen Veränderung der Lungenbläschen (exogen-allergische Alveolitis, ICD-10 J67.0). Bei Menschen mit Vorerkrankungen können Schimmelpilzsporen auch zu Infektionen der Lunge führen (z.B. Invasive Aspergillose der Lunge ICD-10 B44.0).

Holzstaub entsteht bei der Bearbeitung von entsprechenden Werkstücken. Sofern es sich um lungengängige Partikel handelt, besteht hier das Risiko der Allergisierung und der Entstehung oder Verschlechterung von Asthma bronchiale (ICD-10 J45.0). Größere Partikel, die in der Nase abgeschieden werden, können dort ein Adenokarzinom der Nasennebenhöhlen (ICD-10 C31) verursachen.

Bestimmte Krankheitsbefunde durch Feinstaub

Zu den Auswirkungen zählen die Verstärkung von Allergiesymptomen, die Zunahme von asthmatischen Anfällen sowie ein gesteigertes Risiko von Mittelohrentzündungen bei Kindern. Im Rahmen einer Metaanalyse wurde ein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen Feinstaubexposition und Geburtsgewicht festgestellt. Mütter, die während der Schwangerschaft hohen Feinstaubkonzentrationen ausgesetzt waren brachten kleinere Kinder zur Welt. Eine Metastudie zeigt, dass bereits Konzentrationen unterhalb der geltenden EU-Grenzwerte gefährlich sind und zu Lungenkrebs, vor allem Adenokarzinomen, führen können. von Feinstaub auf die Hirnfunktion vermuten.

Eine Wirkung auf das Nervensystem wurde seit 2009 angenommen. 2018 zeigte eine Untersuchung einen Zusammenhang zwischen Feinstaub (PM2,5) sowie Ozon (O3) und Alzheimer-Krankheit. Dabei wurden 203 Bewohner von Mexiko-Stadt untersucht. Es wurde u.a. die Häufigkeit von Tauopathien und Beta-Amyloid untersucht. Die Exposition gegenüber Feinstaub und Ozon über den USEPA-Grenzwerten kann der Studie zufolge mit einem erhöhten Alzheimer-Risiko in Verbindung gebracht werden.

Grenzwerte und Diskussion

Im Amtsblatt der Europäischen Union werden in der Richtlinie 2008/50/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Mai 2008 über Luftqualität und saubere Luft für Europa die zulässigen Grenzwerte für Luftschadstoffe festgelegt. Für PM10 findet sich im Anhang XI der Richtlinie folgende Regelung:

Der Tagesmittelwert für PM10 darf die Konzentration von 50 µg/m³ Luft je Messstelle an nicht mehr als 35 Tagen im Jahr überschreiten.

Der über ein Kalenderjahr gemittelte Wert für PM10 darf die Konzentration von 40 µg/m³ Luft nicht überschreiten.

Der Grenzwert für PM2,5 ist in der 39. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) geregelt. Danach beträgt der über ein Kalenderjahr gemittelte Zielwert für PM2,5 25 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft.

Im Jahr 2019 wurden Zweifel an der Schädlichkeit von Feinstaub (und Stickstoffverbindungen) von 112 Lungenfachärzten geäußert. Insbesondere sahen die unterzeichnenden Ärzte „derzeit keine wissenschaftliche Begründung für die aktuellen Grenzwerte für Feinstaub und NOx“. Sie kritisierten, dass die bisher verwendeten Daten „extrem einseitig interpretiert wurden, immer mit der Zielvorstellung, dass Feinstaub und NOx schädlich sein müssen. Andere Interpretationen der Daten sind aber möglich, wenn nicht viel wahrscheinlicher.“

Bereits im November 2018 legte hingegen die Deutsche Gesellschaft für Pneumologie und Beatmungsmedizin ein Positionspapier vor, in dem ausführlich auf nachgewiesene gesundheitliche Auswirkungen von Luftschadstoffen auf den Atemtrakt, das Herz-Kreislauf-System, den Stoffwechsel, den Fötus in der Schwangerschaft sowie potentiell auch auf die neurologische Entwicklung in Kindheit und Alter eingegangen wird. Eine der Schlussfolgerungen der Autoren: „Negative Gesundheitseffekte treten auch unterhalb der derzeit in Deutschland gültigen europäischen Grenzwerte auf. Bisher konnte für die wissenschaftlich gut untersuchten Schadstoffe keine Wirkungsschwelle identifiziert werden, unterhalb derer die Gefährdung der Gesundheit ausgeschlossen ist.“ Das Risiko durch Exposition sei somit so gering wie möglich zu halten.

Als Reaktion auf die Veröffentlichung der Lungenfachärzte und die darauf folgende mediale Resonanz machte auch die Internationalen Gesellschaft für Umweltepidemiologie (ISEE) in einer ausführlichen Stellungnahme deutlich, dass die gesundheitsschädliche Wirkung von Luftschadstoffen durch neuere Studien bereits unterhalb der bestehenden Grenzwerte nachgewiesen sei.

Eine aktuelle Bewertung der Gesundheitsauswirkungen von Feinstaub durch die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat gezeigt, dass eine erhöhte PM2,5-Belastung in Zusammenhang mit schweren Gesundheitsauswirkungen (z.B. Herz-Kreislauf-Erkrankungen) steht. Von der EU-Kommission wurden daher 2015 Höchstwerte für PM2,5 von 25 µg/m³ im Rahmen des Programms „Saubere Luft für Europa“ festgesetzt.

Arbeitsschutz

→ Hauptartikel: A-Staub und E-Staub
Konventionswerte für einatembare Fraktion, thorakale Fraktion und alveolengängige Fraktion als Funktion des aerodynamischen Durchmessers gemäß DIN EN 481

Im Bereich Arbeitsschutz wird Feinstaub als Teil der Gesamtstaubbelastung betrachtet, die, in Deutschland nach den Technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS), wie andere Gefahrstoffe, festgelegt und überwacht wird. Zur Messung der Staubbelastung sollen Messgeräte eingesetzt werden, die der DIN EN 481 entsprechen. Diese Norm legt Konventionen für die Staubfraktionen alveolengängigen Fraktion, thorakalen Fraktion sowie einatembaren Fraktion fest. Diese Konventionen entsprechen nicht den Konventionen der PM10- oder PM2,5-Partikelfraktionen aus dem Umweltschutz.

Falls für einen Stoff nichts anderes explizit festgelegt worden ist, gilt, wie in der TRGS 900 definiert, seit 14. Februar 2014 der allgemeine Staubgrenzwert, der für A-Staub (Alveolengängige Fraktion) bei 1,25 mg/m³ und für E-Staub (Einatembare Fraktion) bei 10 mg/m³ liegt.

In die von der Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe geführten Liste der MAK-Werte wurde Feinstaub, basierend auf der Johannesburger Konvention, Anfang der 1970er-Jahre aufgenommen.

Ergebnisse aus der Grundlagenforschung

Ergebnisse aus der Grundlagenforschung dienen in der Medizin als Hinweis für Forschende im klinischen Bereich. Sie können nicht unmittelbar auf den Menschen bezogen werden.

Wirkung auf Wetter und Klima

Informationen hierzu finden sich im

→ Hauptartikel: Aerosol

Entstehung

Hauptverursacher und Art der Quellen

Feinstaub kann sowohl aus natürlichen wie auch aus anthropogenen (menschlichen) Quellen stammen. Welche Quelle an welchem Ort dominiert, hängt von den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten ab.

Lufthygienisches Überwachungssystem Niedersachsen: Messcontainer in Emden zur Messung der Hintergrundkonzentration

In der Literatur wird oft zwischen primärem und sekundärem Feinstaub unterschieden. Bei ersterem entsteht der Feinstaub direkt an seiner Quelle. Der sekundäre Feinstaub bildet sich aus chemischen Reaktionen von Gasen wie Schwefel- und Stickstoffoxiden, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen in der Atmosphäre.

Natürliche Quellen:

Anthropogene Quellen:

EU-Bürger haben seit dem 26. Mai 2011 die Möglichkeit, genau zu sehen, wer in ihrer Umgebung Luft verschmutzt. Europäische Kommission und Europäische Umweltagentur haben im European Pollutant Release and Transfer Register neue Karten veröffentlicht, die auf einer Skala von 5 × 5 km zeigen, wo Emissionsquellen wie Straßen- und Luftverkehr u.a. Feinstaub emittieren. Bisher waren solche Werte nur punktuell, z.B. bei einzelnen Industrieanlagen, einsehbar.

Situation in Deutschland

Nach Angaben des Umweltbundesamtes (UBA) geht die Feinstaubbelastung in Deutschland seit Jahren zurück. Während im Jahr 1995 noch eine PM10-Emission von 346.000 Tonnen gemessen wurde, waren es 2019 noch 204.000 Tonnen. In der Kategorie PM2,5 waren es 1995 206.000 Tonnen und 2019 92.000 Tonnen.

Quellkategorien für PM10 im Jahr 2019 zeigt die nebenstehende Tabelle.

Quellkategorien für PM10 im Jahr 2020 (Tonnen/Jahr
Energiewirtschaft 4.600
Verarbeitendes Gewerbe 3.100
Verkehr1 34.600
Haushalte und Kleinverbraucher2 22.900
Militär3 100
Diffuse Emissionen aus Brennstoffen 3.000
Industrieprozesse 76.700
Landwirtschaft 30.200
Abfall und Abwasser 4.900
Gesamt 180.200
1 ohne land-, forst-, fischerei- & bauwirtschaftlichen Verkehr
2 inkl. land-, forst- & fischereiwirtschaftlichem Verkehr
3 inkl. militärisch genutzter Fahrzeuge & mobiler Geräte

Aufgrund der großen Zahl an Verursachern ist die Feinstaubbelastung in den Ballungszentren besonders hoch, während im Umland niedrigere Werte gemessen werden. Die höchsten Werte registrierten die verkehrsnahen Messstationen. Hier lagen die Konzentrationen in den 1990er Jahren um 50 µg/m³ Luft, 2021 unter 20 µg/m³.

In Bayern wurden 2004 die Feinstaub-Emissionen vom Landesamt für Umwelt im Rahmen des Emissionskatasters nach Verursachern anteilsmäßig erfasst.

Verursacher der Emissionen von Feinstaub in Bayern 2004

Das Umweltbundesamt und der Verband der pyrotechnischen Industrie (VPI) haben sich auf eine Messmethode geeinigt, um die Feinstaubbelastung zu quantifizieren, die beim Abbrand der Feuerwerke an Silvester in Deutschland erzeugt wird. Danach sind es jährlich 2.050 Tonnen Feinstaub der Kategorie PM10 und somit 1 % der Gesamtemission pro Jahr. Dem war eine Kontroverse über die richtige Erfassungsmethode vorausgegangen. Nach einer Meldung im Greenpeace Magazin ging der VPI von einer durch das Silvester-Feuerwerk erzeugten Menge von 1.477 Tonnen Feinstaub aus. Eine PM-Kategorie wurde in der Meldung nicht angegeben.

Hausheizungen tragen erheblich zur Feinstaubbelastung bei. Sie unterliegen den Regelungen der Bundes-Immissionsschutzverordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen (1. BImSchV). Die jährlichen Feinstaubemissionen der Kleinfeuerungsanlagen betragen insgesamt 20.600 Tonnen PM10. Dazu tragen die Holzkleinfeuerungsanlagen mit 18.600 Tonnen den größten Teil bei. Während die Kessel von Pelletheizungen und Hackschnitzelheizungen relativ niedrige Emissionen aufweisen, sind die mit Scheitholz betriebenen Einzelraumöfen besonders kritisch. Für diese gilt nach § 26 BImSchV die Übergangsregelung für Einzelraumfeuerungsanlagen für feste Brennstoffe. Nach Angaben des Bundesverbandes des Schornsteinfegerhandwerks halten bundesweit rund vier Millionen Kamin-, Kachelöfen und andere Feuerstätten für feste Brennstoffe die geforderten Grenzwerte nicht ein.

Besonders bei Wetterlagen, die wegen geringer Windbewegungen in Verbindung mit einer Temperaturinversion (kalte Luft am Boden, warme Luft darüber) den Luftaustausch in der bodennahen Luftschicht einschränken, lässt die Beseitigung von pflanzlichen Abfällen durch Verbrennen außerhalb von Abfallbeseitigungsanlagen die Luftbelastung mit Feinstaub auch über den gültigen EU-Tagesmittelwert hinaus ansteigen.

Dirk Messner, der Präsident des Umweltbundesamt, schlug einen Abschied vom Heizen mit Holz in Haushalten vor, da dieses aus Luftqualitätsperspektive viel Schaden anrichtet.

Die Umsetzung des Europäischen Schadstoff-Freisetzungs- und Verbringungsregisters (E-PRTR) in Deutschland vollzieht das Umweltbundesamt mit der Internetplattform Thru.de. Hier können u.a. deutschlandweit die Standorte von Betrieben nach Branchen getrennt auf der Karte eingesehen werden.

Reduktion

Europäische Union

Feinstaubbelastung (PM10) in Europa.

In Europa wurden erstmals mit der Richtlinie 80/779/EWG vom 15. Juli 1980 (in deutsches Recht umgesetzt mit der Verordnung über Immissionswerte – 22. Bundes-Immissionsschutzverordnung) Grenzwerte für Feinstaub festgelegt. Diese Richtlinie wurde im Laufe der Jahre weiterentwickelt:

  1. Seit dem 1. Januar 2005 beträgt der einzuhaltende Tagesmittelwert für PM10 50 µg/m³ bei 35 zugelassenen Überschreitungen im Kalenderjahr. (In Österreich sind von 1. Januar 2005 bis 31. Dezember 2009 nur 30 Überschreitungen/Jahr erlaubt)
  2. Seit dem Jahr 2005 beträgt der Jahresmittelwert für PM10 40 µg/m³.
  3. Seit dem 1. Januar 2010 darf der einzuhaltende Tagesmittelwert für PM10 weiterhin 50 µg/m³ betragen, die ursprünglich vorgesehenen nur noch 7 zugelassenen Überschreitungen im Kalenderjahr sind durch Richtlinie 2008/50/EG vom 21. Mai 2008 (Anhang XI) wieder auf die ursprünglich zulässigen 35 Überschreitungen korrigiert worden.
  4. Seit dem Jahr 2010 sollte der Jahresmittelwert für PM10 nur noch 20 µg/m³ betragen. Auch dies ist durch die Richtlinie 2008/50/EG wieder entschärft worden, so dass seit 2010 weiter der Jahresmittelwert für PM10 40 µg/m³ gilt.

Bei Grenzwertüberschreitung ist ein Luftreinhalteplan oder Aktionsplan aufzustellen. Darin werden in den einzelnen europäischen Ländern unterschiedliche Strategien verfolgt:

Deutschland

Die Bundesregierung hatte am 31. Mai 2006 eine Verordnung zur Kennzeichnung emissionsarmer Kraftfahrzeuge (Kennzeichnungsverordnung) nach § 40 Abs. 3 des Bundesimmissionsschutzgesetzes beschlossen. Sie sollte dazu beitragen, die Feinstaubbelastung zu reduzieren, die in den Städten damals vielfach als zu hoch empfunden wurde. Dazu sah die Verordnung eine bundesweit einheitliche Kennzeichnung von Autos, Lastwagen und Bussen mit Plaketten nach Höhe ihrer Feinstaubemission vor. Zudem wurde ein neues Verkehrszeichen „Umweltzone“ eingeführt, das ein feinstaubbedingtes Fahrverbot signalisiert. In einer solchen Zone dürfen seither lediglich Fahrzeuge fahren, die eine bestimmte Plakette auf der Windschutzscheibe tragen. Die GTÜ (Gesellschaft für technische Überwachung) in Stuttgart bietet einen Dienst auf ihrer Webseite an, mit dem festgestellt werden kann, welche Feinstaubplakette für welches Fahrzeug erhältlich ist. Die Wirksamkeit und Rechtmäßigkeit der Maßnahmen wurde indes angezweifelt. Gegenwärtig wird außerdem kritisiert, dass einseitig auf den Kraftfahrzeugverkehr ausgerichtete Maßnahmen dem Verursacherprinzip nicht hinreichend Rechnung tragen, da die Feinstaubemissionen aus Industrie und privaten Feuerungsanlagen nicht herangezogen würden.

Da aufgrund von Messungen bei direkteinspritzenden Ottomotoren festgestellt wurde, dass die Kraftstoffverbrauchseinsparung mit einer erheblichen Zunahme an Feinstaubausstoß einhergeht, kam es bei Festsetzung der Grenzwerte der ab 2014 geltenden „Euro 6“-Schadstoffnorm zum politischen Streit. 2011 setzten sich Herstellerverbände angeblich dafür ein, den Grenzwert höher anzusetzen als für Dieselmotoren. Dieser Plan stieß bei Umweltlobbyisten auf harsche Kritik. Bei einer Umfrage durch die Meinungsforschungsinstitut YouGov haben sich 64 % der 961 Befragten für Fahrverbote bei hoher Feinstaubbelastung in deutschen Innenstädten ausgesprochen.

2021 sollte ein neues Verfahren für die Abgasuntersuchung von Autos in Kraft treten, mit dem der Ausstoß von Feinstaubpartikeln geprüft werden soll. Die Einführung des angekündigten strengeren Messverfahrens könnte sich aber bis Mitte 2023 verzögern.

Feinstaubreduktion in Innenräumen

Bis heute wird die Feinstaubbelastung durch Tabakrauch in Innenräumen häufig ignoriert, obwohl sie alle Grenzwerte bei weitem übersteigt.

Weitere Feinstaubquellen in Innenräumen sind Laserdrucker, Kopierer, Kerzen, Kochaktivitäten und Staubsauger ohne Filter. In einer Studie des DAAB und der Gesellschaft für Umwelt- und Innenraumanalytik (GUI), Mönchengladbach aus dem Jahr 2005, stellte man einen signifikanten Anstieg von Feinstaub in der Innenraumluft von Räumen mit Glattböden fest. Das spräche für den Einsatz von Teppichböden in Innenräumen, um die Belastung mit Feinstaub zu reduzieren und damit auch die Menge von allergenen Stoffen in der Raumluft. Nach den Messergebnissen liegt der arithmetische Mittelwert der Feinstaubkonzentration in Räumen mit Glattböden mit 62,9 μg/m³ deutlich oberhalb des gesetzlichen Grenzwertes von 50 μg/m³. Bei den Haushalten mit Teppichböden liegt der Mittelwert bei 30,4 μg/m³, und damit deutlich unterhalb des Grenzwertes. Das Justizministerium Niedersachsen tauschte, nachdem erhöhte Feinstaubwerte im Amtsgericht Burgwedel festgestellt wurden, einem Ministeriumssprechers zufolge im Jahr 2012 alle 4.033 Laserdrucker „zur Vorsorge und Beruhigung der Mitarbeiter“ gegen emissionsarme Tintenstrahldrucker aus.

Feinstaubbelastung in Innenräumen ist ein wichtiges Thema der Arbeitsmedizin. Ein besonderes Risiko besteht bei der Bearbeitung mineralischer Werkstücke, bei der Holzbearbeitung, aber auch in Küchen und beim Friseurhandwerk. Der Schutz der Arbeitnehmer ist in der Gefahrstoffverordnung und den Technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS) festgelegt. Sie werden vom Ausschuss für Gefahrstoffe der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) herausgegeben.

Andere Länder

Die höchste Feinstaubbelastung aller 31 OECD-Hauptstädte weist Seoul auf. Der weitere Ausbau des öffentlichen Personennahverkehrs soll einen Rückgang des Kraftverkehrs herbeiführen; daneben will die Regierung Anreize zur Benutzung weniger stark verschmutzender Fahrzeuge und zum Einbau emissionssenkender Technik geben.

WHO

2005 empfahl die Weltgesundheitsorganisation angesichts der vom Feinstaub ausgehenden Gesundheitsgefahren in ihren WHO-Luftgüte-Richtlinien folgende Grenzwerte für Feinstaub:

  1. Jahresmittel PM10 20 µg/m³
  2. Jahresmittel PM2,5 10 µg/m³
  1. Tagesmittel PM10 50 µg/m³ ohne zulässige Tage, an denen eine Überschreitung möglich ist.
  2. Tagesmittel PM2,5 25 µg/m³ ohne zulässige Tage, an denen eine Überschreitung möglich ist.

Die Richtwerte der WHO liegen damit deutlich unter den rechtswirksamen Grenzwerten der EU.

2021 wurde die WHO-Luftgüte-Richtlinie nach unten hin angepasst:

  1. Jahresmittel PM10 15 µg/m³
  2. Jahresmittel PM2,5 5 µg/m³
  1. Tagesmittel PM10 45 µg/m³ ohne zulässige Tage, an denen eine Überschreitung möglich ist.
  2. Tagesmittel PM2,5 15 µg/m³ ohne zulässige Tage, an denen eine Überschreitung möglich ist.

Physikalische Eigenschaften

Die Physik der Staubpartikel in der Atmosphäre und ihre numerische Simulation beruhen auf dem Massen-, Impuls- und Energieerhaltungssatz. Die Anzahl, Größenverteilung und Zusammensetzung von Partikeln in der Luft sind abhängig von ihrem Eintrag in die Atmosphäre (Emission), dem Austrag durch trockene oder nasse Deposition, chemischen Reaktionen, physikalischen Effekten wie Koagulation und Kondensation sowie der Luftbewegung.

Zur Modellierung verwendete man zunächst meteorologisch-chemische Modelle, die für die Simulation des Verhaltens von Gasen in der Luft entwickelt worden waren. Sie werden als Chemie-Transport-Modelle (CTM) bezeichnet. Mit Hilfe sogenannter Aerosolmodule gelang es, die CTMs zu verbessern und auch das Verhalten von Partikeln besser zu simulieren. Derart angepasste CTMs nennt man auch Aerosol-Chemie-Transport-Modelle (ACTM).

Feinstaubtransport mit der Luft

Feinstaubpartikel setzen sich bedingt durch ihre geringe Größe nur langsam ab. Die stationäre Sinkgeschwindigkeit bei angenommener laminarer Umströmung des Partikels ergibt sich aus dem Gleichgewicht von Schwerkraft, Auftrieb und Reibungskraft zu

u={\frac {d^{2}\cdot \Delta \rho \cdot g}{18\cdot \eta }}

(Sinkgeschwindigkeit u, Partikeldurchmesser d, Dichtedifferenz \Delta \rho , Fallbeschleunigung g, Luftviskosität \eta )

Durch Einsetzen eines Mikrometer-Partikels der Dichte 1000 kg/m³ in diese Gleichung erhält man damit eine Sinkgeschwindigkeit in Luft (Viskosität etwa 20·10−6 Pa·s) von etwa 3·10−5 m/s oder 10 cm/Stunde. Das Partikel würde in einer turbulenzfreien horizontalen Strömung der Geschwindigkeit 1 m/s auf eine Strecke von etwa 70 km nur 2 m an Höhe verlieren. Kleinere Partikel sinken noch weitaus langsamer, während größere Partikel mit einem Durchmesser von 10 Mikrometern in einer Stunde 10 m absinken würden.

Staub folgt auch den Stromlinien der Luft, er wird mit dem Wind transportiert. Unter bestimmten Bedingungen kann Feinstaub auch über Kontinentalgrenzen hinweg transportiert werden. Auch in sogenannte „Umweltzonen“ wird Staub von außerhalb eingetragen.

Korngrößenverteilung und Koagulation

Sehr kleine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 µm entstehen bei unvollständiger Verbrennung oder bilden sich aus gasförmigen Vorläufersubstanzen. Wenn sie aufeinandertreffen, bleiben sie häufig aneinander haften und bilden größere Partikel. Dadurch geht die Anzahl der ultrafeinen Partikel in der Luft meist rasch zurück. Dieser Vorgang wird als Nukleation, Koagulation oder Agglomeration bezeichnet. Wegen ihrer jeweils sehr geringen Masse tragen ultrafeine Staubteilchen nur einen sehr kleinen Anteil zur Gesamtmasse des Staubs bei, obwohl sie bei weitem die häufigsten Partikel in der Luft sind. Die Partikelanzahlkonzentration liegt typischerweise im Bereich von 5.000 bis 50.000/cm³. An einer Messstation im Ruhrgebiet, die den städtischen Hintergrund repräsentiert, wurde eine mittlere Partikelkonzentration von 13.000/cm³ (Median 11.500/cm³) gemessen. Bei einer Vergleichsstation an einer stark befahrenen Straße betrug die Partikelanzahlkonzentration 25.500/cm³ (Median 18.000/cm³).

Das Volumenspektrum von Staubteilchen in der Atmosphäre zeigt üblicherweise eine dreigipfelige Verteilung, es sind also drei Moden erkennbar. Die kleinsten Teilchen zeigen einen Gipfel um den Partikelradius von 0,018 µm, die Nukleationsmode. Diese Partikel koagulieren innerhalb weniger Stunden oder Tage mit anderen Partikeln und werden so aus der Luft entfernt. Die Nukleationsmode kann fehlen, wenn nicht ständig neue Nukleationsaerosole nachgeliefert werden.

Bei den etwas größeren Partikeln hat die Verteilung ein weiteres Maximum um den Partikelradius 0,1 µm, die sogenannte Akkumulationsmode. Die Lücke zwischen Nukleations- und Akkumulationsmode entsteht dadurch, dass ein kleiner und ein mittelgroßer Partikel eher koagulieren als zwei kleine. Diese größeren Feinstaub-Partikel mit Durchmessern von 80 nm bis 1 µm entstehen durch die Koagulation kleinerer Partikel oder die Anlagerung von Gasen. Ihre Verweildauer in der Atmosphäre ist mit mehreren Tagen vergleichsweise hoch. Sie werden überwiegend durch nasse Deposition aus der Luft entfernt. Solche Partikel können über mehrere tausend Kilometer transportiert werden, sofern entlang ihrer Zugbahn kein Niederschlag fällt. Falls die Verdünnung der Partikel zusätzlich durch eine Inversionsschicht behindert wird, können hohe Feinstaub-Konzentrationen in größerer Entfernung vom Entstehungsort auftreten.

Das dritte Maximum, die Dispersionsmode, besteht überwiegend aus vom Boden aufgewirbeltem Grobstaub. Solche Grobpartikel mit Durchmessern von mehr als 1 µm entstehen meist durch Winderosion oder durch mechanischen Abrieb.

Feinstaub-Teilchen unterliegen der nach unten gerichteten Sedimentation und der Diffusion, die sie von der hohen zur niedrigen Konzentration gelangen lässt. Aus dieser Überlegung lässt sich herleiten, dass für das Zusammentreffen zweier Partikel die Koagulationsrate J sowohl proportional zur Summe der Radien beider Partikel als auch zur Summe ihrer Diffusionskoeffizienten ist.

J=4\cdot \pi \cdot (R_{1}+R_{2})\cdot (D_{1}+D_{2})\cdot n_{1}(\infty )\cdot n_{2}(\infty )

(Koagulationsrate J, Partikelradius R, Diffusionskoeffizient D, Partikelanzahl n)

Radius und Diffusionskoeffizient wirken entgegengesetzt. Kleine Partikel haben einen großen Diffusionskoeffizienten, ein Aufeinandertreffen ist wegen ihres geringen Durchmessers aber unwahrscheinlich. Für große Teilchen ist der Einfluss der Diffusion gering. Bei zwei kleinen Partikeln ist die Summe ihrer Radien klein, bei zwei großen die Summe ihrer Diffusionskoeffizienten. Das Produkt aus den Summen bleibt in beiden Fällen klein. Für zwei unterschiedlich große Partikel ist die Koagulationsrate proportional zum Produkt des größeren Radius des großen und des höheren Diffusionskoeffizienten des kleinen Partikels. Die Koagulationsrate ist daher bei Partikeln von sehr unterschiedlicher Größe am höchsten.

Recht

Europäische Union

Nach der Richtlinie 80/779/EWG wurden die Mitgliedstaaten zur Einhaltung folgender Grenzwerte ab 1. April 1983 verpflichtet:

Der Europäische Gerichtshof hat 1991 festgestellt, dass die Bundesrepublik Deutschland die Richtlinie nicht rechtzeitig umgesetzt hatte; die Grenzwerte wurden jedoch eingehalten. Die Bundesrepublik Deutschland berief sich darauf, dass mit dem Bundes-Immissionsschutzgesetz vom 15. März 1974 bereits der Schutz gewährleistet sei. Außerdem sei die TA Luft entsprechend angepasst worden. Die Kommission sah jedoch darin keine hinreichenden Regelungen. Das Gericht beanstandete unter anderem, dass die TA Luft in ihrem Geltungsumfang nicht dem Charakter der Richtlinie entspreche. Insbesondere sei „der Schwellenwert, von dem an Umwelteinwirkungen als schädlich anzusehen sind, nicht festgelegt“.

Die 1996 beschlossenen Richtlinie 96/62/EG schreibt Mess- und Informationspflichten auch zu Feinstaub vor. Wegen Verstoßes dagegen hat der Europäische Gerichtshof Frankreich und Spanien in Vertragsverletzungsverfahren verurteilt.

Die 1999 beschlossene Richtlinie 99/30/EG legt für die Zeit ab 1. Januar 2005 folgende Grenzwerte fest:

Ebenfalls in der Richtlinie 99/30/EG ist festgelegt, dass am 1. Januar 2010 folgende Verschärfungen der Grenzwerte in Kraft treten sollten, wenn sie nicht vorher geändert werden:

Diese geplante Verschärfung wurde mit der Richtlinie 2008/50/EG am 21. Mai 2008 (Anhang XI) außer Kraft gesetzt.

Die zuständigen Behörden müssen bei Überschreitungen kurzfristig mit Aktionsplänen Gegenmaßnahmen treffen. Sie sind verpflichtet, Luftreinhaltepläne aufzustellen, wenn zukünftig geltende Grenzwerte deutlich überschritten werden.

In mehreren europäischen Ballungsgebieten werden die Grenzwerte überschritten. Im Jahr 2005 hat Stuttgart als erste deutsche Stadt am 13. März den Grenzwert zum 35. Mal überschritten. In Österreich ist die Feinstaubbelastung in Graz am stärksten: so wurde im Jahr 2003 der zulässige Grenzwert 50 µg/m³ an insgesamt 135 Tagen statt der maximal zulässigen 35 Tagen überschritten. Wegen angeblich aus Osteuropa importierten Feinstaubs wurde in Belgien am 8. Februar 2010 auf Autobahnen und Landstraßen vorläufig die maximal zulässige Geschwindigkeit auf 90 km/h und in Brüssel auf 50 km/h herabgesetzt. Am 9. Februar 2010 wurde ebenfalls für die Ile-de-France („Ballungsraum Paris“) Feinstaubalarm gegeben.

Messtechnische Erfassung von Feinstaub

Die messtechnische Erfassung von Feinstaub kann emissionsseitig mittels eines zweistufigen Kaskadenimpaktors erfolgen. Dessen erste Stufe dient der Grobabscheidung, während die zweite Stufe die Fraktion PM10 und der Endfilter die Fraktion PM2,5 sammelt. Immissionsseitig wird ein gravimetrisches Verfahren als Referenzmessverfahren beschrieben: Staubhaltige Luft wird durch einen größenselektiven Einlass gesaugt und über einen Filter geleitet. Dieser wird anschließend ausgewogen.

Bei amtlichen Immissionsmessungen dienen gravimetrische Verfahren als Referenzmethode, aber auch zur Bestimmung der 24-Stunden-Werte. Üblicherweise stehen diese Werte jedoch erst mit einigen Tagen bis mehreren Wochen Verzögerung zur Verfügung, da die beladenen Filter (bzw. Filtermagazine) zunächst von der Messstation in ein Labor verbracht und dort ausgewogen werden müssen.

Da die Öffentlichkeit zumindest über die aktuelle Belastung der Umgebungsluft mit der Feinstaubfraktion PM10 stündlich unterrichtet werden soll kommen in den amtlichen Messstationen auch kontinuierlich arbeitende Verfahren zum Einsatz, beruhend z.B. auf

Zur Erfassung von Feinstaub in der Innenraumluft kommen unter anderem

zum Einsatz. Messgrößen sind Partikelmassenkonzentration, Partikelanzahlkonzentration, Partikeloberflächenkonzentration oder Partikelvolumenkonzentration. Um die Zuverlässigkeit von Messungen zu überprüfen, wurden in Deutschland in den 1980er-Jahren entsprechende VDI-Richtlinien von der Kommission Reinhaltung der Luft entwickelt.

Siehe auch

Literatur

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Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 30.03. 2024