Luftschadstoffe

Luftschadstoffe können negative Auswirkungen auf unsere Gesundheit und Umwelt haben. In Deutschland sind besonders die Luftschadstoffe Stickstoffdioxid (NO₂), Ozon (O₃) und Feinstaub (PM) relevant (Peters et al., 2019). Die Effekte von Luftschadstoffen können bei Menschen kurzfristig zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen, aber auch langfristige Krankheitsverläufe verursachen (Deutsche Gesellschaft für Pneumologie, S. 118, 2018). So können Menschen mit bestimmten Vorerkrankungen, wie zum Beispiel Asthma, gesundheitliche Probleme wie Atembeschwerden bekommen, wenn sie sich an einem Ort aufhalten der stark mit NO₂ belastet ist (Brown, 2015). Solche besonders hohen Belastungen mit NO₂ treten zum Beispiel in Städten an viel befahrenen Straßen mit hoher Bebauung auf (Umweltbundesamt, UBA), da dadurch der Luftaustausch erschwert ist.

Auch in Deutschland können sich bei Menschen langfristige Folgen in Form von chronischen Erkrankungen entwickeln, wenn sie ihr Leben lang Luftschadstoffen ausgesetzt sind (Deutsche Gesellschaft für Pneumologie, S. 8, 2018). Studien, die den Zusammenhang zwischen der Konzentration von Feinstaubbestandteilen und der Sterblichkeit untersuchten, konnten zeigen, dass mit einer steigenden Feinstaubbelastung die Sterblichkeit ebenfalls zunimmt (Beelen et al., 2015).

Obwohl die Luftschadstoffbelastung in Deutschland in den letzten Jahren tendenziell zurückgegangen ist, stellen Luftschadstoffe weiterhin eine erhebliche Belastung dar (Deutsche Gesellschaft für Pneumologie, S. 9, 2018). Das Luftschadstoffen zugeschriebene Gesundheitsrisiko besteht für die gesamte Bevölkerung. Wissenschaftliche Rechenmodelle schätzen, dass 2018 Feinstaub (PM_2.5), Stickstoffdioxid (NO₂) und Ozon (O₃) für 76000 vorzeitige Todesfälle in Deutschland verantwortlich waren (European Environmental Agency, Air quality in Europe, S. 108, 2020).

Im Gegensatz zum Rauchen oder Belastungen am Arbeitsplatz wirken die Luftschadstoffe kontinuierlich. Auch alte Menschen, Kinder und Menschen mit Vorerkrankungen wie Asthma sind den Schadstoffen ausgesetzt. Eine Verminderung des individuellen Risikos ist, im Gegensatz zum Rauchen, kaum möglich (Peters et al., 2019).

Neben ihren gesundheitlichen Effekten wirken Luftschadstoffe auch auf die Umwelt. Stickstoffoxide, vor allem NO₂, besitzen eine schädigende Wirkung auf Pflanzen und führen zu einer Versauerung der Böden (Umweltbundesamt, UBA).

Natürliche Einflüsse auf Luftschadstoffe

Wenn von Luftschadstoffen gesprochen wird, geht es meistens um vom Menschen verursachte Verunreinigungen der Luft. Doch Luftschadstoffe werden nicht ausschließlich durch menschliche (anthropogene) Aktivitäten freigesetzt. Auch natürliche Prozesse wie die Freisetzung organischer Verbindungen durch Pflanzen, Vulkanausbrüche, die Versprühung von Partikeln aus dem Meer, oder besondere Wetterphänomene beeinflussen die Konzentration von Luftschadstoffen (European Environmental Agency, Air quality in Europe, 2020).

Ein bekanntes Naturereignis, bei dem eine besonders hohe Menge an Luftschadstoffen freigesetzt wurde, war der Ausbruch des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull im Jahr 2010. Während des Ausbruchs freigesetzte Stoffe wurden aufgrund der Wetterlage bis nach Zentraleuropa getragen. Da die Menge der freigesetzten Aschepartikel unter anderem Flugzeugtriebwerke gefährdete, musste der Flugverkehr teilweise für mehrere Tage eingestellt werden. Neben den Aschepartikeln registrierten die Messstationen in Deutschland auch erhöhte Werte für Feinstaub (PM₁₀) und Schwefeldioxid (SO₂) (LUBW 2010).

Auch die Meteorologie hat einen erheblichen Einfluss auf die Höhe der Schadstoffkonzentrationen in der Stadt und auf dem Land. Austauscharme Inversionswetterlagen können zu besonders hohen Schadstoffkonzentrationen führen. Unter Normalbedingungen nimmt die Temperatur mit der Höhe ab und fördert vertikalen Luftaustausch. Während einer Inversion ist die bodennahe Luft kühler als die darüber liegenden Luftschichten, sodass der vertikale Luftaustausch behindert wird. Die schadstoffreiche kältere Luft liegt dann wie eine „Glocke“ über dem Boden und kann nicht aufsteigen. Häufig sorgen erst zunehmende Windgeschwindigkeiten für die Auflösung der Inversionswetterlage und einen Rückgang der Schadstoffkonzentration. Besonders häufig tritt dieses Phänomen bei winterlichen Hochdruckwetterlagen auf, wenn zusätzlich zum Schadstoffausstoß des Straßenverkehrs auch noch Schadstoffe aus den Heizungen dazu kommen. Dadurch können vor allem in Städten besonders hohe Schadstoffkonzentrationen entstehen.

Auch Sandstürme können selbst in weit entfernten Regionen zu einer erhöhten Feinstaubbelastung beitragen. So sorgt in der Sahara aufgewirbelter Staub auch bei uns in Zentraleuropa bei entsprechenden Wetterlagen immer wieder zu erhöhten Feinstaubwerten. Am 28.03.2020 wurde der der maximale Tagesmittelwert für Feinstaub (PM₁₀) durch den Antransport von Saharastaub an vielen Messstationen in ganz Deutschland übertroffen.

Menschliche Einflüsse auf Luftschadstoffe

Durch industrielle Produktion, die Energieerzeugung, der Landwirtschaft sowie dem motorisierten Verkehr werden besonders viele Luftschadstoffe freigesetzt. Für die menschliche Gesundheit hat der Ausstoß von Luftschadstoffen durch den Straßenverkehr eine besondere Bedeutung, da dieser im unmittelbaren Lebensraum eine bedeutende Menge an Luftschadstoffen produziert und die Bevölkerung diese wiederum über die Atemwege aufnimmt (Deutsche Gesellschaft für Pneumologie, S. 8, 2018). Vor allem im städtischen Bereich können hohe, gesundheitlich bedenkliche Konzentrationen von Luftschadstoffen gemessen werden (Umweltbundesamt, UBA).

Die Belastung durch Luftschadstoffe kann sich von Ort zu Ort stark unterscheiden. So finden sich in stark belasteten Städten deutlich höhere Konzentrationen von Feinstaub und Stickstoffoxiden als im Umland der Stadt oder auf dem Land (UBA, Entwicklung der Luftqualität, S. 4). Neben stark belasteten Straßen wurden auch in der Nähe von Flughäfen oder in der Nähe von Schiffsverkehr eine besonders hohe Belastung festgestellt die aus dortigen Verbrennungsprozessen resultieren. Auch saisonal können Unterschiede bestehen. Im Winter können besonders hohe Werte an Orten auftreten an denen alte Kleinfeuerungsanlagen, wie zum Beispiel alte Kaminöfen oder alte Ölheizungen, betrieben werden (Deutsche Gesellschaft für Pneumologie, S. 8, 2018).

Klimawandel und Luftschadstoffe

Neben den direkten Auswirkungen von menschlicher Aktivität auf das Auftreten von Luftschadstoffen, hat auch der Klimawandel als Folge von Schadstoffemissionen Auswirkungen auf die Luftqualität. Die Konzentration von Luftschadstoffen ist von meteorologischen und klimatischen Bedingungen abhängig. Die komplexen Zusammenhänge zwischen Klima und Schadstoffkonzentration werden derzeit genauer untersucht und sind nicht vollständig geklärt (European Environmental Agency, Klimawandel, 2013). Bisher konnte insbesondere für hohe Ozon- und Feinstaubkonzentrationen ein Zusammenhang mit den klimatischen Bedingungen festgestellt werden. Beispielsweise konnten während der Hitzeperiode im Jahr 2003 in Europa durch Messungen deutlich erhöhte Ozonkonzentrationen festgestellt werden. Für die Niederlande wurden im Rahmen der Hitzeperiode 1000 bis 1400 zusätzliche Todesfälle geschätzt, wovon 400-600 Todesfälle Ozon und Feinstaub (PM₁₀) zugerechnet werden (Doherty et al., 2017). Da durch den Klimawandel häufigere und stärkere Hitzeperioden erwartet werden (Deutschländer und Mächel, 2017), wird die Rolle des Klimas für die Luftschadstoffbelastung an Bedeutung gewinnen. Besonders in Städten wird eine negative Beeinflussung der Luftschadstoffkonzentration erwartet (European Environmental Agency, Klimawandel, 2013).

Welche Luftschadstoffe spielen in Städten eine Rolle und welche Bedeutung haben sie für uns Menschen?

Feinstaub (PM₁₀, PM_2,5)

Feinstaub besteht aus einer komplexen Zusammensetzung verschiedener fester und flüssiger Bestandteile. Es handelt sich um einen Schwebestaub, nach der Freisetzung fällt er nicht sofort zu Boden, sondern bleibt in der Atmosphäre.

Feinstaubpartikel kommen in unterschiedlicher Größe vor. Je nach Durchmesser können die Partikel unterschiedlich weit in den menschlichen Körper eindringen. Deshalb werden die Partikel in zwei Gruppen (sogenannte Fraktionen) unterteilt: PM_2,5 und PM₁₀. PM steht für „Particulate Matter“, die englische Bezeichnung für Schwebestaub. Vereinfacht ausgedrückt werden in der Fraktion PM₁₀ alle Feinstaubpartikel mit einem Durchmesser von höchstens 10 Mikrometern zusammengefasst. In die Fraktion PM_2.5 fallen ausschließlich feinere Partikel mit einem Durchmesser von höchstens 2,5 Mikrometern. Außerdem kann noch Ultrafeinstaub unterschieden werden. Diese besonders feinen Partikel weisen eine Größe von höchstens einem Mikrometer auf (UBA).

Vom Durchmesser der Partikel ist abhängig, in welche Körperregionen der Feinstaub gelangen kann. Kleinere Feinstaubpartikel können weiter in den menschlichen Körper vordringen als größere. Während eingeatmetes PM₁₀ bereits in der Nasenhöhle hängen bleibt, kann Ultrafeinstaub sogar bis in den Blutkreislauf gelangen (Shimada et al., 2006). Es gilt als wissenschaftlich gesichert, dass Feinstaub zu einer Erhöhung der Sterblichkeit in der Bevölkerung, zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie Krebserkrankungen führen können. Außerdem gilt es als wahrscheinlich, dass Feinstaub Atemwegserkrankungen auslösen kann (Ritz et al. 2019).

Stickstoffoxide (NO, NO₂)

Zu den Stickstoffoxiden, oft kurz Stickoxide (NO_x) genannt, zählen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂). Stickstoffoxide werden durch Verbrennungsprozesse als Nebenprodukt freigesetzt. Bedeutende Quellen sind Verbrennungsmotoren und Heizanlagen wie Ölöfen oder Gasheizungen. Es gibt aber auch natürliche Quellen wie Blitze. Zusammen mit flüchtigen Kohlewasserstoffen sind NO_x für die Bildung des Luftschadstoffs Ozon verantwortlich. Außerdem spielen sie bei der Bildung von Feinstaub eine Rolle (UBA, Stickstoffoxide). Als wissenschaftlich gesichert gilt, dass Stickstoffoxide für die kurzfristige Verschlechterung von bestehenden Atemwegserkrankungen, wie zum Beispiel Asthma, verantwortlich sind. Weiterhin gilt es als wahrscheinlich, dass Stickstoffoxide auch Atemwegserkrankungen auslösen können (Ritz et al. 2019).

Flüchtige organische Verbindungen (VOC)

Flüchtige organische Verbindungen werden häufig als VOC abgekürzt. VOC steht hierbei für die englische Bezeichnung „Volatile Organic Compounds“. Diese Verbindungen sind gasförmig und werden von Kraftfahrzeugen durch unvollständige Verbrennungsprozesse freigesetzt. Auch industrielle Produkte, wie zum Beispiel von Farben und Lacken aber auch Möbelstücken, Reinigungsmitteln und vielen weiteren Produkten können VOCs emittiert werden. Weltweit wird der weitaus größte Anteil allerdings von Pflanzen emittiert. Flüchtige organische Verbindungen spielen in Innenräumen eine große Rolle, da Menschen hier besonders nah mit VOC-Quellen wie Bodenbelägen oder Möbelstücken in Kontakt kommen können und einen Großteil ihres Lebens in geschlossenen Räumen verbringen. Kohlenwasserstoffe spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung von bodennahem Ozon, da diese zusammen mit Stickstoffoxiden Ozon-Vorläufersubstanzen sind.

Ozon (O₃)

Ozon ist eine aus drei Sauerstoffatomen bestehende chemische Verbindung. In der Stratosphäre befindet sich in einer Höhe von 15 – 50 Kilometern Höhe die Ozonschicht. Sie hat eine Schutzwirkung, indem sie verhindert, dass gesundheitsgefährdende ultraviolette Strahlung ungehindert bis zum Boden vordringt. Auch in Bodennähe befindet sich Ozon; in den natürlich vorkommenden niedrigen Konzentrationen gilt es als unbedenklich. Jedoch können durch menschliche Aktivitäten Ozon-Konzentrationen entstehen, welche die Gesundheit von Menschen schaden können (Ritz et al. 2019).

Ozon selbst wird nicht freigesetzt, sondern entsteht in Bodennähe unter Einfluss von Sonnenlicht aus Reaktionen von „Vorläuferschadstoffen“. Die Entstehung ist abhängig von der Freisetzung von Stickoxiden und flüchtigen organische Verbindungen. Einmal gebildet befindet sich Ozon in einem schnellen Gleichgewicht mit den Stickoxiden. Unter Sonnenlicht entstehen Stickstickstoffmonoxid (NO) und Ozon aus Stickstoffdioxid (NO₂). Im Dunkeln wird Stickstoffdioxid (NO₂) aus Ozon und Stickstickstoffmonoxid (NO) zurückgebildet.

Wissenschaftliche Daten zeigen, dass Ozon bestehende Atemwegserkrankungen kurzzeitig beeinflussen kann. Außerdem gilt es als wahrscheinlich, dass durch hohe Ozonkonzentrationen das Neuauftreten von Atemwegs- und Herz-Kreislauferkrankungen begünstigt wird (Ritz et al. 2019). Aufgrund seiner Eigenschaften geht außerdem die Deutsche Forschungsgemeinschaft davon aus, dass Ozon krebserregend ist (UBA, 2020).

Wie haben sich die Schadstoffwerte entwickelt?

In den vergangenen 25 Jahren konnte ein deutlicher Rückgang der Luftschadstoffbelastung in Deutschland beobachtet werden, sodass für einige Stoffe der geltende Grenzwert dauerhaft eingehalten werden kann. Das gilt für Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Benzol und Blei. Ebenfalls rückgängig ist Feinstaub (P₁₀) und Stickstoffdioxid (NO₂). Dennoch werden für diese Stoffe noch regelmäßig die Grenzwerte überschritten (UBA, Entwicklung der Luftqualität; Schultz et al., 2016).

PM₁₀, PM_2,5

Gemäß der aktuell geltenden EU-Richtlinie darf der Tagesmittelwert für PM₁₀ in Höhe von 50 µg/m³ an maximal 35 Tagen im Jahr überschritten werden. Im Jahr 2019 konnte diese 35-Tage-Grenze erstmals für alle offiziellen Messstationen (ca. 380 Stück) in Deutschland eingehalten werden (UBA Luftqualität, 2020). Von vier Messstationen in der Stadt Köln wurde der Tagesmittelwert am Clevischen Ring an 6 Tagen und damit am häufigsten überschritten. In Köln-Rodenkirchen wurden 2 Überschreitungen festgestellt (LANUV, 2020). Anfang der 1990er Jahre wurden im Jahresmittel noch bis zu 50 µg/m³ Feinstaub gemessen, während heute im Schnitt Werte von 15 µg/m³ bis 20 µg/m³ festgestellt werden. Als weiterer Grenzwert ist die durchschnittliche PM₁₀-Belastug über das gesamte Jahr definiert. Seit 2012 wurde der gesetzlich festgelegte Grenzwert von 40 µg/m³ nicht mehr überschritten (UBA, Feinstaubbelastung).
Für PM_2,5 wurde ab dem Jahr 2015 ein europaweiter Grenzwert von 25μg/m³ im Jahresmittel eingeführt. Dieser Wert konnte an allen Stationen eingehalten werden (UBA Luftqualität, 2020).

Die von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) festgelegten strengeren Grenzwerte von 10 μg/m³ im Jahresmittel werden jedoch immer noch an 57% der ca. 200 Messstationen in Deutschland überschritten. Außerdem sollen nach Empfehlung der WHO die Werte für die kleineren Fraktionen (PM_2,5) höchstens dreimal im Jahr die Schwelle von 25μg/m³ überschreiten. An 98% der Stationen wurde dieser Wert im Jahr 2019 überschritten. Für PM₁₀ wurde die Empfehlung der WHO an 13% der Stationen überschritten. Der städtische Bereich war hier besonders betroffen. (UBA Luftqualität, 2020).

NO₂

Der NO₂-Jahresmittelwert darf 40 µg/m³ gemäß des geltenden EU-Grenzwertes nicht überschreiten (UBA, Stickoxide). Im letzten Jahrzehnt ist die Anzahl der Grenzwertüberschreitungen zurückgegangen. Im Jahr 2010 überschritten etwa 75% aller verkehrsnahen Stationen den Grenzwert, im Jahr 2019 waren es 21% (UBA Luftqualität, 2020). Stundenmittelwerte für NO₂ dürfen seit dem Jahr 2010 an maximal 18 Tagen pro Jahr 200 µg/m³ überschreiten. Zu solch einer Überschreitung kam es zuletzt im Jahr 2016 an einer verkehrsnahen Messstation. Die WHO-Empfehlung ist, dass dieser Stundenmittelwert von 200 µg/m³ auch gar nicht überschritten werden darf (UBA Luftqualität, 2020).

Stickstoffdioxid wird zum einen direkt abgeben, wie zum Beispiel von Dieselmotoren mit Oxidationskatalysatoren. In weit größerem Maße werden Stickoxide aber als Stickstoffmonoxid (NO) emittiert. Dieses NO reagiert mit Ozon und bildet zusätzliches Stickstoffdioxid. Ist die NO-Konzentration deutlich höher als die Hintergrundkonzentration von Ozon führt eine Erhöhung der Stickoxidemission nicht zu einer gleichgroßen Erhöhung von Stickstoffdioxid, da nicht genügend Ozon für die Bildung von Stickstoffdioxid vorhanden ist. Umgekehrt führt eine Reduktion von Stickoxidemissionen nicht zu einem proportionalen Rückgang von Stickstoffdioxid. Mit dem Stickoxid-Rechner können die NO₂-Daten einer beliebigen Messstation in Deutschland angezeigt werden.

O₃

Die im Verlauf eines Jahres gemessenen Höchstwerte von Ozon sind seit über 30 Jahren rückläufig. Während im Jahr 1990 der geltende Schwellenwert, ab welchem bei besonders gefährdeten Bevölkerungsgruppen Gesundheitsprobleme auftreten können, noch an 63 Tagen überschritten wurde (> 180 μg/m³ innerhalb einer Stunde), waren es im Jahr 2019 nur noch 19 Tage. Gleichzeitig konnte aber auch beobachtet werden, dass der Jahresdurchschnittswert in städtischen Wohngebieten immer weiter angestiegen ist (UBA, Ozon). Für die Messstation Köln-Chorweiler wurde im Jahr 2019 ein Jahresmittelwert von 47 μg/m³ festgestellt. Der Grenzwert von 180 μg/m³ wurde an 4 Tagen an der Messstation überschritten (LaNuV, 2019). Der höhere Warnwert von 240 μg/m³ pro Stunde, ab dem auch von einer Gesundheitsgefährdung für gesunde Menschen ausgegangen wird (UBA, Ozon), konnte das ganze Jahr eingehalten werden.

Der Rückgang der Ozonbelastung seit 1990 hat im Wesentlichen zwei Gründe. Zum einen hat die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen durch den Einsatz von Katalysatoren stark abgenommen. Zum anderen war der Rückgang der Stickoxidkonzentrationen aber, bedingt durch die hohen Dieselemissionen, deutlich weniger stark. Durch das veränderte Verhältnis von Stickoxiden zu Kohlenwasserstoffen beschleunigen die Stickoxide die Ozonproduktion nicht mehr, sondern verzögern sie, so dass Ozonspitzenkonzentrationen heute seltener beobachtet werden als vor 30 Jahren. Wenn in Zukunft sommerliche Hochdruckwetterlagen häufiger auftreten und die Stickoxidkonzentrationen wieder stärker sinken, kann die Ozonbelastung in Deutschland auch wieder zunehmen.

Wie verteilen sich die Luftschadstoffe in der Stadt und welchen Einflüssen unterliegen sie?

Luftschadstoffe finden sich fast überall in unserer Umgebungsluft, die Menge der Schadstoffe kann jedoch von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sein. Für die meisten Luftschadstoffe, mit Ausnahme von Ozon, werden besonders im städtischen Raum hohe Werte und Grenzwertüberschreitungen beobachtet.

Allerdings unterscheiden sich nicht nur urbane und ländliche Gebiete in ihrer Schadstoffbelastung, es können auch zwischen einzelnen Stadtvierteln oder Straßenzügen innerhalb weniger Meter deutlich unterschiedliche Konzentrationen von Stickoxiden und Feinstaubpartikeln vorliegen (Urban, 2010).

In Randgebieten mit weniger starker Verkehrsbelastung können jedoch höhere Ozonwerte gemessen werden als in den Bereichen mit stark frequentierten Straßen. Auch das liegt am schnellen Gleichgewicht von Ozon mit den Stickoxiden Im Straßenverkehr werden Stickoxide hauptsächlich als Stickstoffmonoxid (NO) ausgestoßen. Das Stickstoffmonoxid (NO) reagiert mit Ozon (O₃) und bildet Stickstoffdioxid (NO₂), so dass die Ozonkonzentration in der Stadt sinkt, während die NO₂- Konzentration steigt.

Inhalt von Vincent Lecker