Probleme bei Messung und
Erhebung von Luftschadstoffen
Seminar: „Statistische Analysen zur Wirkung von Luftschadstoffen“
Dozenten: Dr. Peters, Prof. Dr. Küchenhoff
Frank Sagerer
1
Gliederung
Bildungsmechanismen und Unterteilung
von Schwebstoffen
 Partikelmessmethoden
 Entwicklung von Emission und Immission
von Partikeln

2
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)
3
Größenklassen
• Drei Größenklassen erkennbar
• Unterscheidbar durch Bildungsprozesse
4
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
5
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
6
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
7
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
8
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)
9
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
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Chemische Zusammensetzung
 Etwa zwei Drittel des urbanen Aerosols sind anorganische,
etwa ein Drittel organische Substanz
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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
12
Chemische Zusammensetzung
Exemplarische chemische Aufteilung des Aerosols in München
13
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
14
Messung von PM10 und PM2.5

Diskontinuierliche, größenfraktionierte Messung:




Kontinuierliche Messung:





Konventionelle Filterabscheider
Verschiedene Probenahmeköpfe
Partikelmasse gravimetrisch bestimmt
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
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Messung Ultrafeiner Partikel

mobiles Aerosolspektrometer (MAS)

Differenzielles Mobilitätspartikelinstrument (DMPS)




Optisches Laseraerosolspektrometer (LAS-X)




Misst Partikel zwischen 0.01 und 0.5 µm
Differentielles Mobilitätsanalysegerät (DMA) trennt
Partikelfraktionen in 13 unterschiedliche Größenklassen
Kondensationspartikelzähler (CPC) zählt dann Partikel
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
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Emissionen
Viele unterschiedliche Quellen
Hauptverursacher Industrieprozesse und Schüttgutumschlag
Emissionsanteil aus Verkehrssektor beträgt 21%
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Emissionen
Werte in den einzelnen Bundesländern oft deutlich unterschiedlich
Aufteilung von TSP-Masse und PM10 sehr ähnlich
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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
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Immission
Konzentrationen für UP an den drei Lokalisationen vergleichbar
Konzentrationen für FP deutlich unterschiedlich
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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
21
Entwicklung in Erfurt
22
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)
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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)
24
Betrachtung des Zeittrends
• Smoothing-Splines mit einem Freiheitsgrad für jeden Winter
• Berücksichtigung von Wochentag, Temp. und rel. Luftfeuchtigkeit
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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)
26
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
27
Entwicklung der Partikelanteile
Die relative Anzahlkonzentration von UP steigt kontinuierlich
28
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

29
Koagulation
Selbst bei gleichbleibender UP-Emission kann 2000 die
UP-Konzentration zunehmen
30
Größenverteilung im Aerosol
Die Anzahl größerer Partikel nimmt ab, die kleiner eher zu
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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
32
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 NichtAußenluftquellen


Korrelation bei Menschen ohne Innenraumquellen deutlich höher
Pers. Aktivitäten und Microenvironment wichtige Variationsquelle
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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

34
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
35

Probleme bei Messung und Erhebung von Luftschadstoffen