Probleme bei Messung und Erhebung von Luftschadstoffen Seminar: „Statistische Analysen zur Wirkung von Luftschadstoffen“ Dozenten: Dr. Peters, Prof. Dr. Küchenhoff Frank Sagerer

Gliederung Bildungsmechanismen und Unterteilung von Schwebstoffen Partikelmessmethoden Entwicklung von Emission und Immission von Partikeln

Grundlegende Definitionen Aerosol: Dispersion fester oder flüssiger Teilchen in Gasen; Ein polydisperses Aerosol besteht aus ungleichen Teilchen Koagulation: Zusammenballung kolloidaler Teilchen (setzen sich aus 1000 bis 1 Mrd. Atomen zusammen) zu Aggregaten Aerodynamischer Durchmesser: Entspricht dem Durchmesser einer Kugel mit Dichte 1g/cm³, welche in ruhender oder laminar strömender Luft gleiche Sinkgeschwindigkeit wie Partikel besitzt. Gas-zu-Partikel-Umwandlungsprozesse: chemische Reaktionen und Kondensationen (z.B. Reaktionen zu Säuren und Salzen)

Größenklassen Drei Größenklassen erkennbar Unterscheidbar durch Bildungsprozesse

Nukleationsklasse Durchmesser bis 0.1 µm (medianer Partikeldurchmesser 0.018 µm) Entstehung durch Gas-zu-Partikel Umwandlungsprozesse können aufgrund hoher diffuser Eigenbeweglichkeit miteinander koagulieren und größere Teilchen bilden Lebensdauer von Bruchteilen von Sekunden bis zu Stunden

Akkumulationsmode relativ stabile Partikel Durchmesser von 0.1 bis 1 µm (medianer Durchmesser 0.21 µm) Entstehung: - Koagulation von Partikeln der Nukleationsklasse - Gas-zu-Partikel Umwandlungsprozesse wachsen durch Kondensation trockene oder nasse Deposition Durch geringe Diffusionsgeschwindigkeit Lebensdauer in luftgetragenen Zustand bis zu mehrere Wochen

Grobstaubklasse relativ große Partikel Durchmesser von mehr als 1 µm (medianer Durchmesser 4.9 µm) Entstehung: durch Verwitterung von terrogenem Material Zerkleinerung von Material in der industriellen Fertigung Zersprühen von Flüssigkeiten

Wichtigste Kenngrößen PM10 (inhalierbarer Schwebstaub) Partikel mit einem Durchmesser < 10 µm PM2.5 (lungengängiger Schwebstaub) Partikel mit einem Durchmesser < 2.5 µm; wird auch als Feinstaub bezeichnet ultrafeine Partikel (UP) Partikel mit einem Durchmesser < 0.1 µm Gesamtstaub (Total suspended particulates, TSP) grobe Fraktion der Partikel

Partikelkonzentrationen Konzentration des Schwebstaubes wird hauptsächlich beeinflusst von: Vorkommen lokaler Quellen ultrafeiner Partikel (vorwiegend Verbrennungsprozesse) Thermodynamische Bedingungen (begünstigen Koagulation oder Ferntransport von feinen Partikeln) Oberflächendispersionsprozessen, die zur Freisetzung von groben Partikeln führen Messung von Partikelkonzentrationen über: Partikelmasse (in µg/m³) (charakterisiert Belastung durch FP) Partikelanzahl (1/cm³) (charakterisiert Belastung durch UP)

Partikelkonzentrationen 1995 bis 1998: Anzahlkonzentration: 58% im Bereich 0.01-0.03µm, 88% UP (0.01-0.10µm) Massenkonzentration: 3% unter 0.10µm, 78% 0.10-0.50µm, 95% unter 1.0 µm

Chemische Zusammensetzung  Etwa zwei Drittel des urbanen Aerosols sind anorganische, etwa ein Drittel organische Substanz

Chemische Zusammensetzung Partikelzusammensetzung maßgeblich bei der Entstehung festgelegt Modifikation durch: Reaktionen innerhalb der Partikel Partikel-Partikel Reaktionen Partikel-Gas Reaktionen Anlagern von Substanzen (z.B. toxisch oder kanzerogen) Anorganische (z.B. Salze, schwerlösliche Oxide) und organische (vor Allem aus Verbrennungsprozessen; auch Viren, Pollen oder Pflanzenabrieb) Bestandteile

Chemische Zusammensetzung Exemplarische chemische Aufteilung des Aerosols in München

Partikelmessmethoden Außenluft sehr heterogenes Gemisch Messung von TSP, PM10, PM2.5 und UP Gesamtschwebstaub (TSP): Messung mit Beta-Staubmetern Massenabhängige Absorption von Beta-Strahlung durch auf Filter abgeschiedenen Staub

Messung von PM10 und PM2.5 Diskontinuierliche, größenfraktionierte Messung: Konventionelle Filterabscheider Verschiedene Probenahmeköpfe Partikelmasse gravimetrisch bestimmt Kontinuierliche Messung: TEOM (Tapered Element Oscilating Microbalance) Filter ist Bestandteil einer oszillierenden Einheit Umrechnung der Frequenzänderung in Massenänderung pro Zeit Berücksichtigung des Volumenstroms  atmosphärische Partikelmassekonzentration Messungen durch TEOM in Studien niedriger

Messung Ultrafeiner Partikel mobiles Aerosolspektrometer (MAS) Differenzielles Mobilitätspartikelinstrument (DMPS) Misst Partikel zwischen 0.01 und 0.5 µm Differentielles Mobilitätsanalysegerät (DMA) trennt Partikelfraktionen in 13 unterschiedliche Größenklassen Kondensationspartikelzähler (CPC) zählt dann Partikel Optisches Laseraerosolspektrometer (LAS-X) Misst Partikel zwischen 0.1 und 2.5 µm Klassifikation anhand von Lichtstreuung in 45 Kanäle Liefert differenzielle Partikelanzahlkonzentration Berechnung der differenziellen Massenverteilung über mittlere Partikeldichte in der Atmosphäre

Emissionen Viele unterschiedliche Quellen Hauptverursacher Industrieprozesse und Schüttgutumschlag Emissionsanteil aus Verkehrssektor beträgt 21%

Emissionen Werte in den einzelnen Bundesländern oft deutlich unterschiedlich Aufteilung von TSP-Masse und PM10 sehr ähnlich

Immission Luftschadstoffdichten verschiedener Ballungszentren unterscheiden sich vom Niveau her deutlich: Niedrige PM10-Werte in Skandinavien (Ø 20 µg/m³) Höhere Werte in Ballungsgebieten Amsterdam, Berlin, Pisa (Ø 34-62µg/m³) und mittel- und osteuropäischen Studienzentren Spitzenwerte in Athen (Ø 99 µg/m³) Unterschiede zwischen ländlichen und städtischen Messstationen oft zu vernachlässigen Ultrafeine Partikel (UP) aufgrund des geringen Beitrages zu PM10 hier nicht betrachtet Neuere Studien: hohe Gesundheitsgefahr durch UP

Immission Konzentrationen für UP an den drei Lokalisationen vergleichbar Konzentrationen für FP deutlich unterschiedlich

Entwicklung am Beispiel Erfurt Kontinuierliche Schwebstoffmessungen in sieben Wintern in Erfurt mit MAS Wandlung der Schadstoffbelastung in Ostdeutschland nach Wiedervereinigung Umstellung von unkontrollierter Verbrennung von schwefelreicher Kohle auf Verwendung von Erdgas und Öl Einsatz von Katalysator- und Partikelfiltertechnologie (besonders in Kraftfahrzeugen) Deutlicher Rückgang der Schadstoffmassekonzentration Untersuchung zu Auswirkungen auf Partikelcharakteristik Vergleichbare Ergebnisse in Sachsen-Anhalt

Entwicklung in Erfurt

Entwicklung in Erfurt Mittlere PM2.5-Massenkonzentration fiel von Winter 1991/92 zu Winter 2000/2001 um etwa 75% Reduktion von MC0.1-0.5 von 52 auf 11 µg/m³ Anteil an PM2.5 von 82 % auf 67 % gefallen Anzahlkonzentration UP nach starkem Anstieg 1995/96 trotz fallender Tendenz signifikant über Wert von 1991/92 Hohe Werte 1995/96 aufgrund unüblich kaltem Winter Winter 1991/92 repräsentativ für Ende der 80`er und Beginn der 90`er Jahre (meteorologische Verhältnisse, TSP, Gase)

Test auf Unterschiede zu 91/92 Logarithmierte geometrische Mittel als normalverteilt angesehen H0: Werte gleich denen des Winters 1991/92 (t-test auf 5%-Niveau)

Betrachtung des Zeittrends Smoothing-Splines mit einem Freiheitsgrad für jeden Winter Berücksichtigung von Wochentag, Temp. und rel. Luftfeuchtigkeit

Koagulationsdynamik Stationäre PM2.5-Messungen repräsentativ für ein Gebiet Koagulationsgeschwindigkeit von UP hängt von Konzentration und Größenverteilung des Außenaerosols und thermodynamischen Parametern ab UP mit einem Durchmesser von 0.01 µm koagulieren z.B. 10-100-mal schneller mit FP (polydisperse K.) als mit Partikeln ihrer Größe (monodisperse K.) UP werden in Gegenwart von FP weggefangen (scavenging effect) (gilt nur, wenn in selber Konzentration vorhanden)

Koagulationsdynamik (CMD, GSD)-Werte: 1991/92 (45nm, 3.5), 1995/96 (25nm, 2.7), 1998/99 (14nm,2.1)  Halbwertszeiten von 28, über knapp 85 auf etwa 105 min gestiegen

Entwicklung der Partikelanteile Die relative Anzahlkonzentration von UP steigt kontinuierlich

Ergebnisse in Bezug auf UP Gründe für höheren UP-Anteil Aufenthaltszeit von UP (auch nach Koagulation) ca. 5 Stunden Koagulationsdynamik: Steigt mit Anzahlkonzentration Fällt mit mittlerem Anzahldurchmesser Steigt mit Breite der Aerosolverteilung Durch Reduktion größerer Partikel fällt scavenging effect weg Zusammenhang zwischen erhöhten Konzentrationen von Partikeln <0.03 µm und negativen Gesundheitseffekten  Gemessene Luftverbesserung verstärkt eventuell sogar manche Gesundheitsrisiken

Koagulation Selbst bei gleichbleibender UP-Emission kann 2000 die UP-Konzentration zunehmen

Größenverteilung im Aerosol Die Anzahl größerer Partikel nimmt ab, die kleiner eher zu

Persönliche Exposition Bisher Belastung der Außenluft dargestellt Menschen verbringen größten Teil ihrer Zeit in Innenräumen Beiträge zur individuellen Exposition Außenluft Innenraumquellen Persönliche Aktivitäten Einige Studien zur persönlichen Exposition: THEES-Studie , PTEAM-Studie , EXPOLIS-Studie NMMAPS-Studie

Ergebnisse der Studien Penetration und Zerfallsraten Funktion der Partikelgröße  Größerer Anteil PM2.5 oder PM1 als PM10 gelangt nach innen Persönliche Exposition im Allgemeinen größer als mittlere Exposition über alle Quellen (Persönliche Wolke) Auch in Wohnungen mit starken Innenquellen Außenluftpartikel nicht vernachlässigbar Niedrige Korrelationen zwischen Außenluft- und Innenraumkonzentrationen bzw. pers. Monitoring große Schwankungen des Beitrags von Nicht-Außenluftquellen Korrelation bei Menschen ohne Innenraumquellen deutlich höher Pers. Aktivitäten und Microenvironment wichtige Variationsquelle

Ergebnisse der Studien Außenluft-Schwebstaubkonzentrationen wohl als Surrogat für persönliche Exposition geeignet; Kernaussagen bisheriger epidemiologischer Studien nicht verfälscht Statistisch signifikante Zusammenhänge zwischen Gesundheitseffekten und Außenluftkonzentrationen obwohl: Menschen sich überwiegend in Innenräumen aufhalten Korrelationen zwischen Außenluft- und Innenraumquellen gering Außenluft- und Innenraumquellen praktisch nicht korreliert Partikel unabhängige Schadstoffe  Auswirkungen getrennt schätzbar

Quellen [1] Cyris J, Heinrich J, Peters A, Kreyling W, Wichmann H (2002). Emission, Immission und Messung feiner und ultrafeiner Partikel. Umweltmed Forsch Prax 7 (2) 67-77 [2] BUWAL. (2001). PM 10: Fragen und Antworten zu Eigenschaften, Emissionen, Immissionen, Auswirkungen und Massnahmen. Bern [3] Jakubke, H.-D. und Jeschkeit, H. (1987). Fachlexikon abc Chemie: Band 1 A-K (3. Auflage). Thun und Frankfurt/Main : Verlag Harri Deutsch [4] Jakubke, H.-D. und Jeschkeit, H. (1987). Fachlexikon abc Chemie: Band 1 L-Z (3. Auflage). Thun und Frankfurt/Main : Verlag Harri Deutsch [5] Kreyling W, Tuch T, Peters A, Pitz M, Heinrich J, Stölzel M, Cyrys J, Heyder J, Wichmann H (2003). Diverging long-term trends in ambient urban particle mass and number concentrations associated with emission changes caused by the German unification. Atmospheric Environment International - Europe 37 (2003) 3841-3848