Unsere Luft. Norbert Metz

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, NO_x, Benzol, PAH, BaP, PM₁₀, PM_2,5, 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