des Max-Planck-Gymnasiums Trier Projekt „Aschewolke“ 2010 des Max-Planck-Gymnasiums Trier im Rahmen der Island-Exkursion Copyright by Lukas Wagner; eine Vervielfältigung jeglicher Art ist nicht gestattet

Einleitung Im August/September 2010 machten sich 20 Schüler und 3 Lehrer des MPG-Trier auf den Weg nach Island. Da knapp ein halbes Jahr zuvor der Ausbruch des „Eyjafjallajökull“ für Aufsehen gesorgt hatte, nahm eine Schülergruppe um Jürgen Schön ein, freundlicherweise von der Firma Grimm bereitgestelltes, „Aerosolmessgerät“ mit nach Island. Diese Präsentation soll die wissenschaftlichen Hintergründe des Messverfahrens und der Feinstaubproblematik darstellen.

Feinstaub Kleinste Schwebeteilchen - s.g. „PM-Standard“ (Particular Matter): - PM10 < 10 μm - PM2.5 < 2,5 μm Größe als Merkmal! Keine Aussagen über - chemisch/physikalische Eigenschaften - Form, etc.

Feinstaub als Aerosol Feinstaub tritt als Aerosol auf - Staub „schwebt“ in der Luft Die Physik dahinter Postulierte Kugelform (r = Radius) → aufgrund es Luftwiderstandes gilt: v2Sink ~ r Kleinste aufgewirbelte Teilchen verweilen lange in der Luft Weite Transportstrecken durch Luftbewegung

Medizinische Aspekte - Atemwege filtern Außenluft - obere Atemwege: > 10 μm (s.a. Messgeräteaufbau) - Bronchien/Bronchiolen: 2-10 μm - Alveolen: < 2 μm Bronchien und Alveolen besitzen kein Flimmepithel mehr → Ein Abtransport über Exspiration ist nicht mehr möglich!

Gefahren Mögliche Schäden hängen stark von der Qualität des Staubes ab: - Ätzend (NaOH-Staub, H2SO4-Tröpfchen, etc.) - Reizend (z.B. Al2O3-, CaOH2-Stäube) - Radioaktiv („Fallout“; 90Sr, 137Cs) - Giftig (Pb-, As-, Hg-Stäube) - Kanzerinogen (z.B. Asbest) - Pathogen (Pneumokokken, Pilzsporen) - Harmlos (Seesalz („Seeluft“), Wassertröpfchen)

Grenzwerte der WHO (Air quality guideline, 1996) Jahresmittel PM10 = 20 µg/m³ Jahresmittel PM2,5 = 10 µg/m³ → Aussagekraft gering, da gewichtsbezogen - keine chemisch-physikalischen Eigenschaften → schlechtes Maß für Gesundheitsgefahren Aber: Gewichts-Parameter schnell, exakt bestimmbar!

Feinstaubplakette Sind die Partikel einheitlich (z.B. Autoabgase) ist ein partikelanzahlbezogener Wert ein gutes Maß für die gesundheitliche Gefahr Zur Bekämpfung der Feinstaubproblematik gibt es seit 2007 in deutschen Städten s.g. „Umweltzonen“ in den emissionsstarke PKW (zu bestimmen Zeiten) nicht fahren dürfen Da unsere „Staubqualität“ (Asche) bekannt war, war für uns eine partikelanzahlbezogene Messung völlig ausreichend

Vulkanische Asche Material vulkanischen Ursprungs < 2mm Hauptbestandteil: SiO2 und Spurenelemente Formen sehr variabel (scharfkantig, abgerundet) Grundsätzlich keine Gesundheitsgefahr, aber: - Ätzend durch H2SO4-Anhaftungen - Reizend durch mineralischen Charakter - Enthaltene Fluoride binden Calcium → Probleme bei Blutgerinnung

Gefahren durch Vulkanasche Mögliche Gefahren durch Vulkanasche: „Sandstrahleffekt“ auf Scheiben, Lack, etc Verklebung der Triebwerke durch Aufschmelz- und Ablagerungseffekte Zusetzen von Sensoren Kristallisationskeime für Wasser/Eis → Auswirkungen sind stark abhängig von Art und Konzentration der Ascheteilchen!

Flugverbot-Kontroverse Vor Ausbruch keine Grenzwerte Keine Referenzwerte Seit Beginn der modernen Luftfahrt sind ca. 30 Zwischenfälle bekannt Auswirkungen sehr unterschiedlich Spätere Aussagen über Aschekonzentration bei Durchflug nicht möglich

Die Messflüge Flugzeuge mit Aerosolmessgeräten (maßgeblich von der Firma Grimm) bestimmten die tatsächliche Feinstaubkonzentration während der Ausbruchsphase Im Dezember 2010 werden wir unsere Messergebnisse Herrn Prof. Dr. Weber von der FH Düsseldorf vorstellen, der u.a. Messflüge durchgeführt hat

Konsequenzen des Flugverbotes Größte Störung des Luftverkehrs seit 11.09.2001 Geschätzter wirt. Schaden: 1 Milliarde € weltweit! Festlegung von Grenzwerten (EU): Zone 1: < 0,2mg/m³: keine Einschränkungen Zone 2: 0,2-2 mg/m³: kürze Wartungsintervalle Zone 3: > 2 mg/m³: Flugverbot in 110 km- Umkreis

Eyjafjallajökull Kleiner, subglacialer Vulkan im Süden Islands Vor 2010 nur ein Ausbruch im Jahre 1834 Dauer: 13 Monate mit Unterbrechungen Keine gesicherten Daten verfügbar Ausbruch 2010 Dauer: 20.03.- 24.05.2010 Wechsel zwischen starken und schwachen Erruptionsphasen Asche wurde durch verdampfendes Gletscherwasser bis in 8000m geschossen Eyjafjallajökull

Eyafjallajökull → Transport bis zum europäischen Festland durch starke Winde Während der Exkursion konnten wir am Nordrand des Gletschervulkanes eine erhöhte Staubkonzentration durch aufgewirbelte Asche messen

ICAO und VAAC 9 „Volcanic Ash Advisory Center“ (VAAC) der „International Civil Aviation Organisation“ (ICAO) → Überwachung von Vulkanaschegefahren für den weltweiten Luftraum Bis 2010 keine Grenzwerte für Aschekonzentration! - Lediglich „Sichtbarkeit“ der Asche durch Infrarotabsorption im Satellitenbild

Das Spektrometer „Grimm Aerosolspektrometer # 1.109“ Kleinste und leichteste Gerät zur Echtzeitmessung von Feinstaub weltweit 2,5 kg Tagelange Messreihen dank aufladbarer Batterie und Speicherkarte ohne Strom/Computer möglich → Ideales Gerät für Exkursions-Messungen

„Trägheitsfilter“

Erläuterung zum „Trägheitsfilter“ Luftstrom im Messgerät: 72l/h → Geringe Sogkraft Teilchen > 10µm werden aufgrund ihrer Trägheit nicht eingezogen, sondern sinken zu Boden Gleiches System findet sich beim Nasenhöcker

Das Messprinzip „90°-Streulichtdetektion“ Laserstrahl fällt senkrecht auf Probenstrom Feinstaubpartikel reflektieren/streuen das Licht In Abhängigkeit der Lichtintensität/Streuwinkel im Detektor Aussage über Größe und Menge der Partikel möglich Messung nahezu unabhängig von Beschaffenheit und stofflicher Qualität des Staubes

Der Strahlengang

Quellen http://de.wikipedia.org/wiki/Ausbruch_des_Eyjafjallaj%C3%B6kull_2010 http://de.wikipedia.org/wiki/Vulkanasche http://de.wikipedia.org/wiki/Feinstaub http://de.wikipedia.org/wiki/International_Civil_Aviation_Organization http://www.lfg.uni-erlangen.de/lehre/pchar/Praktikum_PA/Praktikum_%20Produktanalyse.pdf http://de.wikipedia.org/wiki/Pneumokoniose http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktiver_Niederschlag http://de.wikipedia.org/wiki/Volcanic_Ash_Advisory_Center http://de.wikipedia.org/wiki/Aerosol Bedienungsanleitung des „Grimm Aerosolspektrometers #1.109“ Copyright by Lukas Wagner; eine Vervielfältigung jeglicher Art ist nicht gestattet