Probleme bei Messung und Erhebung von Luftschadstoffen

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Probleme bei Messung und Erhebung von
Luftschadstoffen

• Seminar Statistische Analysen zur Wirkung von
  Luftschadstoffen
• Dozenten Dr. Peters, Prof. Dr. Küchenhoff
• Frank Sagerer

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Gliederung

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

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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)

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Größenklassen

• Drei Größenklassen erkennbar
• Unterscheidbar durch Bildungsprozesse

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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

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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

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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

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Wichtigste Kenngrößen

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

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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)

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Partikelkonzentrationen
1995 bis 1998 Anzahlkonzentration 58 im
Bereich 0.01-0.03µm, 88 UP (0.01-0.10µm) Massenko
nzentration 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 Verbrennungsprozesse
  n auch Viren, Pollen oder Pflanzenabrieb)
  Bestandteile

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Chemische Zusammensetzung
Exemplarische chemische Aufteilung des Aerosols
in München
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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

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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

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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

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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 Partikelfiltertechnol
  ogie (besonders in Kraftfahrzeugen)
• Deutlicher Rückgang der Schadstoffmassekonzentrati
  on
• Untersuchung zu Auswirkungen auf
  Partikelcharakteristik
• Vergleichbare Ergebnisse in Sachsen-Anhalt

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Entwicklung in Erfurt
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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 80er
  und Beginn der 90er 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)

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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)

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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

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Entwicklung der Partikelanteile
?Die relative Anzahlkonzentration von UP steigt
kontinuierlich
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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 lt0.03 µm und negativen
  Gesundheitseffekten
• ? Gemessene Luftverbesserung verstärkt eventuell
  sogar manche Gesundheitsrisiken

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Koagulation

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

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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

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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

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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

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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