Feinstaub ist ein Teil des Schwebstaubs. Die Definition des Feinstaubs geht zurück auf den im Jahre 1987 eingeführten „National Air Quality“-Standard for Particulate Matter (kurz als PM-Standard bezeichnet) der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA (Environmental Protection Agency).
Die mit dem US-Standard eingeführte PM-Kategorisierung stellt eine grundlegende Veränderung in der Bewertung von Immissionen dar: Während zuvor die Gesamtimmission betrachtet wurde, liegt der Fokus nun auf dem einatembaren Anteil der Immissionen. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass feine Partikel von den Schleimhäuten im Nasen/Rachenraum bzw. den Härchen im Nasenbereich nur bedingt zurückgehalten werden, während gröbere Partikel keine Belastung der Atemwege darstellen (daher wird im Zusammenhang mit Feinstaub auch von inhalierbarem Feinstaub bzw. als thorakalem Schwebstaub gesprochen).
In der ersten Fassung der amerikanischen Richtlinie wurde der Standard PM10 definiert, für den seit Anfang 2005 auch in der EU ein Grenzwert einzuhalten ist. Im Gegensatz zu der üblicherweise genannten Definition stellt PM10 keine scharfe Aufteilung der Immissionen bei einem aerodynamischen Durchmesser von 10 Mikrometern (10 µm) dar; vielmehr wurde versucht, das Abscheideverhalten der oberen Atemwege nachzubilden: Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 1 µm werden vollständig einbezogen, bei größeren Partikeln wird ein gewisser Prozentsatz gewertet, der mit zunehmender Partikelgröße abnimmt und bei ca. 15 µm schließlich 0 % erreicht. Technisch gesehen entspricht dies der Anwendung einer Gewichtungsfunktion (in der Fachsprache Trennkurve bzw. Trennfunktion) auf die Immissionen (in der Praxis wird dies durch einen größenselektiven Einlass an den Messgeräten erreicht). Aus dem Verlauf dieser Gewichtungsfunktion leitet sich letztendlich auch die Bezeichnung PM10 ab, da bei ca. 10 µm genau die Hälfte der Partikeln in die Gewichtung eingehen.
Im Jahre 1997 wurde die amerikanische Richtlinie um PM2.5 ergänzt, die den lungengängigen (alveolengängigen) Feinstaub (auch Feinststaub genannt) beschreibt. Die Definition ist analog zu PM10, allerdings ist die Gewichtungsfunktion wesentlich steiler (100 % Gewichtung < 0,5 µm; 0 % Gewichtung > 3,5 µm; 50 % Gewichtung bei ca. 2,5 µm). Diese wesentlich schärfere Trennung lässt sich bei der Messung nicht mehr durch einen speziellen Einlass erreichen, hierfür kommen in der Praxis Impaktoren oder Zyklone zum Einsatz.
Weiterhin existiert noch die Definition der ultrafeinen Partikel (UP bzw. UFP), dies sind Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm (0,1 µm).
Neben dem PM-Standard, der nach Partikelgröße einteilt, besteht auch die Möglichkeit, die Stäube nach Beschaffenheit, Herkunft oder anderen Kriterien einzuteilen. Während also bei PM die von der Größe abhängige Wirksamkeit im Vordergrund steht, schlüsseln andere Modelle etwa unter dem Aspekt der stofflichen und strukturellen Toxizität oder nach dem Verursacher auf. Dementsprechend lässt sich eine hinreichend vollständige Betrachtung nur unter Einbeziehung mehrerer Modelle erreichen. Ein rein auf PM-basiertes Erfassungs- und Auswertekonzept wäre damit prinzipbedingt mindestens unvollständig, wenn nicht am Ende gar irreführend; ebenso jegliche Diskussion, die sich rein auf den Begriff des Feinstaubs beschränkt, während es um die Diskussion von Luftschadstoffen bzw. Luftreinhaltung geht.
Näheres hierzu führt ein Bericht in der ZEIT ONLINE unter Berufung auf den Experten Joachim Heyder aus:
Heyder selbst, bis Ende 2004 Leiter des Instituts für Inhalationsbiologie im GSF – Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit,[2] beschreibt die aktuellen Erkenntnisse wie folgt:
ZEIT ONLINE führt weiter dazu aus:
Ein generelles Problem der Feinstaub-Bewertung steckt demnach in den zugehörigen Messmethoden, die oftmals das Gewicht der Partikel bemühen und damit stark vom Feuchtegehalt der Partikel je nach Wetterlage beeinflusst werden können. Weiterhin finden sich bei den üblichen Messmethoden oftmals Abweichungen im Bereich bis zu 30 %, und manchmal sogar bis zu 50 %. Diese Abweichungen lassen sich zunächst dadurch vermeiden, dass nur die Trockenmasse des Feinstaubs ermittelt wird, was wiederum die Wirkung in der Luft je nach Kondensation vernachlässigt. Die Wirkung der Kondensation und Zusammenballung von Teilchen ist um so größer, je kleiner die einzelnen Teilchen sind. Dies ist der Grund für die Erweiterung der Messverfahren von PM10 auf PM2.5. Eine qualitative Analyse – etwa hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung – setzt jedoch eine Mindestmasse an Probensubstanz voraus, die mit den bisherigen Erfassungsmethoden oft nicht vorhanden ist.
Feinstaub kann sowohl aus natürlichen wie auch aus anthropogenen (menschlichen) Quellen stammen. Welche Quelle an welchem Ort dominiert, hängt von den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten ab.
Hauptverursacher der natürlichen Staubbelastung (auch von Feinstaub) sind:
Hauptverursacher des anthropogenen Anteils am Feinstaub in Deutschland sind laut Bundesumweltministerium, Stand 2001 und ergänzender Quellen:
Damit ergibt sich eine Gesamtzahl von rund 205.000 t/Jahr.
Bei der oben zuerst genannten Untersuchung des BMU wurde der Anteil des Straßenverkehrs zunächst nur teilweise berücksichtigt. Der Abrieb von Reifen, Bremsbelägen und Straßenasphalt fehlte jedoch. Der Reifenabrieb verursacht grob geschätzt rund 60.000 t/Jahr (davon PM10-Anteil etwa 10 %, also rund 6.000 t/Jahr) und Bremsabrieb 5.500 bis 8.500 t/Jahr (überwiegend PM10) (Umweltbundesamt 2004). Über Emissionen von der Straßenoberfläche sind keine Schätzungen bekannt.
In Städten beträgt der Anteil des Verkehrs an den Feinstaubemissionen schätzungsweise 20 Prozent (siehe auch Verordnung zum Erlass und zur Änderung von Vorschriften über die Kennzeichnung emissionsarmer Kraftfahrzeuge). Im landesweiten Mittel sind es dagegen ca. 30 Prozent. Eine Aussage über die absoluten Verhältnisse lässt sich daraus nicht ableiten, da die Gesamtbelastung in urbanen Gebieten, insbesondere während der Wintermonate häufig stark vom Feinstaub aus Heizungsanlagen für private, öffentliche und gewerbliche Zwecke dominiert.
Auch die Landwirtschaft trägt zur Feinstaubemission bei. Ihr durchschnittlicher Anteil an der europäischen PM10-Emission beträgt etwa 9 %, wobei etwa die Hälfte auf Tierhaltung zurückzuführen ist.
Quellen von Feinstaubemissionen durch Privathaushalte sind vor allem Holzheizungen und offene Kamine, da die Verbrennung von Festbrennstoffen zu wesentlich höheren Feinstaubemissionen führt als die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe. Durch den Rückgang der Verfeuerung von Kohlebrennstoffen und den Anstieg der Holzfeuerung stammt in Deutschland mit 24.000 Tonnen[3] der weit überwiegende Teil der Feinstaubemissionen aus Kleinfeuerungsanlagen mit Holzfeuerung. Öl und Gas tragen zusammen lediglich zwei Tonnen bei. Die Feinstaubemissionen von Pelletheizungen liegen zwar bei vergleichbarer thermischer Leistung im Vergleich zur Verbrennung von Scheitholz um den Faktor zwei bis acht niedriger,[3][4] aber immer noch beim Eintausendfachen einer Erdgasheizung.[4] In den vergangenen Jahren wurden Feinstaubreduktionen mittels emissionsärmerer Formen der Holzverbrennung zunichte gemacht durch eine Zunahme der Holzverfeuerungsanlagen. Die Emissionen aus der Holzfeuerung insgesamt stiegen weiter an,[3] so dass die Feinstaubemissionen aus Holzfeuerungsanlagen mittlerweile die Emissionen aus dem Straßenverkehr (nur Verbrennung) von 22.700 Tonnen übertreffen.[3]
Um das Problem der Feinstaubemissionen durch Holzverbrennung zu reduzieren, hat der Gesetzgeber in Deutschland beschlossen, dass Anlagen, die vor dem 1. Januar 1975 zuletzt einer Typenprüfung unterzogen wurden, entweder bis Ende 2017 nachgerüstet oder stillgelegt werden müssen. Auflagen für neuere Anlagen sind geplant.
In geschlossenen Räumen sind Laserdrucker, Kopierer und vor allem der Rauch von Tabakwaren Quellen der Feinstaubbelastung.
EU-Bürger haben seit dem 26. Mai 2011 die Möglichkeit, genau zu sehen, wer in ihrer Umgebung Luft verschmutzt. Europäische Kommission und Europäische Umweltagentur haben im European Pollutant Release and Transfer Register neue Karten veröffentlicht, die auf einer Skala von 5x5 km zeigen, wo Emissionsquellen wie Straßen- und Luftverkehr für die Freisetzung u.a. von Feinstaub verantwortlich sind. Bisher waren solche Werte nur punktuell, z.B. bei einzelnen Industrieanlagen einsehbar.[5]
In Europa wurden mit der Tochterrichtlinie 1999/30/EG vom 22. April 1999 zur Luftqualitätsrichtlinie (in deutsches Recht umgesetzt mit der Verordnung über Immissionswerte für Schadstoffe in der Luft – 22. Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) vom 11. September 2002) Grenzwerte für Feinstaub festgelegt:
Bei Grenzwertüberschreitung ist ein Luftreinhalteplan oder Aktionsplan aufzustellen. Darin werden in den einzelnen europäischen Ländern unterschiedliche Strategien verfolgt:
Partikelfilter nach dem Wandstromprinzip stellen wegen ihres hohen Filtrationswirkungsgrades (>95 %) für Gesamtpartikelmasse eine wirksame Möglichkeit zur Reduzierung dieser Partikelemissionen dar. Nebenstromfilter auch Nebenstrom-Tiefbettfilter genannt, filtern vor allem die gesundheitsschädlichen Feinstpartikeln (PM10 und kleiner) mit über 80 % die Gesamtpartikelmasse mit bis zu 40 %. Da gerade der Dieselruß krebserregend wirkt, sind Partikelfilter für Dieselmotoren trotz ihrer geringen Gesamtauswirkung auf die Feinstaubbelastung sinnvoll.
Angesichts der häufigen Grenzwert-Überschreitungen in deutschen Städten argumentieren viele Politiker, die EU-Richtlinie 1999/30/EG[9] sei nicht einzuhalten, die Grenzwerte müssten daher erhöht werden. Das Beispiel Schweiz (siehe unten) zeigt jedoch, dass noch schärfere Grenzwerte dort überwiegend eingehalten werden.
Der Verband der Automobilindustrie hält eine regelmäßige Straßenreinigung in den Hauptverkehrsstraßen für effizienter als die Lösung des Feinstaubproblems durch die Einführung von Dieselrußfiltern. Eine vom Berliner Senat beauftragte Studie zeigt, dass 13 bis 16 Prozent der Feinstaub-Belastung von Ablagerungen auf den Straßen stammt.[10] Um den Feinstaub dauerhaft durch die maschinelle Reinigung der Straßen aus den Innenstädten zu entfernen, sind Kehrmaschinen zur Feinstaubrückhaltung erforderlich. Unter dem Gesichtspunkt dass kleinere Partikel systematisch für den Menschen gefährlicher sind postuliert der Experte Heyder, dass eine angenommene oder klassische Kehrmaschine, die nur Partikel im mittleren und oberen Bereich tauglich reduziert zwar durchaus geeignet wäre die Einhaltung der Grenzwerte zu gewährleisten, für die Gesundheit aber dennoch keinen besonderen Effekt entfalten würde.[11] Im Rahmen der Organisation EUnited Municipal Equipment, ansässig in Brüssel und Frankfurt, kam es zwischenzeitlich zur Definition eines Gütesiegels für Straßenreinigungsfahrzeuge, das den Schriftzug „PM 10 2008 – Certified“ beinhaltet und damit einen Standard im Rahmen der Industrie für die Ausrüstung kommunaler Dienste definiert. Eine eingeplante Fortschreibung der Prüfungsrichtlinien hin zu PM 2.5 wartet noch auf eine zugehörige Richtlinie der EU zur Luftreinhaltung[12]
Die Bundesregierung hat am 31. Mai 2006 eine Verordnung zur Kennzeichnung emissionsarmer Kraftfahrzeuge (Kennzeichnungsverordnung) nach § 40 Abs. 3 des Bundesimmissionsschutzgesetzes beschlossen. Sie soll dazu beitragen, die Feinstaubbelastung zu reduzieren, die in den Städten derzeit vielfach als zu hoch empfunden wird. Dazu sieht die Verordnung eine bundesweit einheitliche Kennzeichnung von Autos, Lastwagen und Bussen mit Plaketten nach Höhe ihrer Feinstaubemission vor. Zudem wird ein neues Verkehrszeichen „Umweltzone“ eingeführt, das ein feinstaubbedingtes Fahrverbot signalisiert. Bei einem solchen Fahrverbot dürfen künftig lediglich Fahrzeuge fahren, die eine bestimmte Feinstaubplakette auf der Windschutzscheibe tragen. Die GTÜ (Gesellschaft für technische Überwachung) in Stuttgart bietet inzwischen einen Dienst auf ihrer Webseite an, mit dem festgestellt werden kann, welche Feinstaubplakette für welches Fahrzeug erhältlich sein wird. Die Wirksamkeit und Rechtmäßigkeit dieser Maßnahme wird indes angezweifelt, insbesondere weil auch PKW mit Fremdzündungsmotor von Fahrverboten betroffen sind, die nicht zu den abgasbedingten Feinstaubemissionen beitragen. Hier wird insbesondere kritisiert, dass einseitig auf den Kraftfahrzeugverkehr ausgerichtete Maßnahmen dem Verursacherprinzip nicht hinreichend Rechnung tragen, da die Feinstaubemissionen aus Industrie und privaten Feuerungsanlagen nicht ebenfalls herangezogen werden.
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Die Erkenntnis, dass bei direkteinspritzenden Ottomotoren die Kraftstoffverbrauchseinsparung mit einer erheblichen Zunahme an Feinstaubausstoß einhergeht – gemäß Messungen beträgt dieser ein Vielfaches der aktuellen Grenzwerte von Dieselmotoren –, droht bei der anstehenden Festsetzung der Grenzwerte der ab 2014 geltenden „Euro 6“-Schadstoffnorm zum politischen Zankapfel zu geraten. Angeblich planen die Herstellerverbände einen Grenzwert für direkteinspritzende Benziner, der bis zu zehn Mal weniger streng ist als der für Dieselmotoren. Dieser Plan stößt bei Umweltlobbyisten auf harsche Kritik.[13]
Bis heute wird die Feinstaubbelastung durch Tabakrauch in Innenräumen vielfach ignoriert, obwohl sie alle Grenzwerte bei weitem übersteigt. Italienische Wissenschaftler leiteten aus entsprechenden Untersuchungen (s. u.) die dringende Forderung ab, in allen geschlossenen öffentlichen Räumen und Arbeitsstätten ein Rauchverbot zu verhängen.
Gerade laufende Diskussionen über die beste Maßnahme haben folgende Problempunkte zu Tage gefördert:
Feinstaubquellen in Innenräumen sind Zigarettenrauch, Laserdrucker, Kopierer, Kerzen, Kochaktivitäten und Staubsauger ohne Filter.[14] In einer Studie des DAAB und der Gesellschaft für Umwelt- und Innenraumanalytik (GUI), Mönchengladbach aus dem Jahre 2005, stellte man einen signifikanten Anstieg von Feinstaub in der Innenraumluft von Räumen mit Glattböden fest. Das spräche für den Einsatz von Teppichböden in Innenräumen, um die Belastung mit Feinstaub zu reduzieren und damit auch die Menge von allergenen Stoffen in der Raumluft. Nach den Messergebnissen liegt der arithmetische Mittelwert der Feinstaubkonzentration in Räumen mit Glattböden mit 62,9 μg/m³ deutlich oberhalb des gesetzlichen Grenzwertes von 50 μg/m³. Bei den Haushalten mit Teppichböden liegt der Mittelwert bei 30,4 μg/m³, und damit deutlich unterhalb des Grenzwertes.
Die höchste Feinstaubbelastung aller 31 OECD-Hauptstädte weist Seoul auf. Der weitere Ausbau des öffentlichen Personennahverkehrs (siehe U-Bahn Seoul) soll einen Rückgang des Kraftverkehrs herbeiführen; daneben will die Regierung Anreize zur Benutzung weniger stark verschmutzender Fahrzeuge und zum Einbau emissionssenkender Technik geben.[15]
Die Weltgesundheitsorganisation empfiehlt angesichts der vom Feinstaub ausgehenden Gesundheitsgefahren in ihren WHO-Luftgüte-Richtlinien folgende Grenzwerte für Feinstaub:[16]
Die Richtwerte der WHO liegen damit deutlich unter den rechtswirksamen Grenzwerten der EU.
Der Staub wird heute im Wesentlichen für die Auswirkungen von Luftverschmutzungen auf die Gesundheit verantwortlich gemacht. Zu den Auswirkungen gehören die Verstärkung von Allergiesymptomen, die Zunahme von asthmatischen Anfällen, Atemwegsbeschwerden und Lungenkrebs sowie ein gesteigertes Risiko von Mittelohrentzündungen bei Kindern.[17] Daneben werden auch Auswirkungen auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen (z. B. Herzinfarkt) angenommen. Das Ausmaß der Auswirkung von Partikeln auf die Atemwege hängt, neben der Toxizität der Partikel u. a. Blei, Vanadium, Beryllium und Quecksilber, auch von der Größe der Partikel ab: je kleiner ein Partikel ist, desto tiefer kann es in die Lunge eindringen.
Feinstaub PM10 erreicht teilweise die Lunge, da die Filterwirkung des Nasen-Rachenraumes für feine Partikel mit weniger als 10 Mikrometer Durchmesser nicht ausreicht. So gelangen ultrafeine Teilchen (Durchmesser unter 0,1 µm) bis in die Lungenbläschen und werden von dort nur sehr langsam oder gar nicht wieder entfernt (Staublunge).
Wissenschaftlich noch nicht geklärt ist der Übergang von Feinstäuben ins Blut. Während das Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen davon ausgeht, dass nur ultrafeine Stäube über die Lunge in die Blutbahn gelangen,[18] räumt das Schweizer Bundesamt für Umwelt (BAFU) diese Möglichkeit sogar bei PM10 ein.[19]
Epidemiologische Studien haben für eine Erhöhung der PM10-Konzentration in der Außenluft um 10 µg/m³ mit stark signifikantem Ergebnis ergeben, dass die Morbidität – gemessen an der Anzahl der Krankenhauseinweisungen infolge von Atemwegserkrankungen – um 0,5 bis 5,7 % steigt, und die Mortalität (das Sterberisiko) um 0,2 bis 1,6 % steigt. Die 2001 bis 2004 durchgeführte Feinstaub-Kohortenstudie NRW untersuchte 4.800 Frauen über 60 Jahre und hat gezeigt, dass der Aufenthalt in einer Umgebung mit verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie Stickstoffdioxid (NO2) und PM10-Feinstaub zu einer erhöhten Sterblichkeit aufgrund von Herz-Kreislauferkrankungen führen kann.
Einer EU-Studie[20] zufolge sterben jährlich 65.000 Menschen in der Europäischen Union vorzeitig durch Feinstaub. Studien der Weltgesundheitsorganisation (WHO), der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und aus dem Ruhrgebiet[21] kommen unabhängig zu dem Ergebnis, dass die aktuelle Feinstaubbelastung die Sterblichkeitsrate erhöht. Die Studien geben im Schnitt für Deutschland eine Verkürzung der Lebenszeit um rund zehn Monate an.
Wegen des linearen Zusammenhangs gibt es keine unschädliche Feinstaubkonzentration. Für die Bevölkerung der europäischen Union ergibt dies im Durchschnitt eine um mindestens ein Jahr reduzierte Lebenserwartung durch die Gesamtfeinstaubbelastung.[22]
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Die Studien sind zwar ein Hinweis auf Gesundheitsschäden; jedoch können eventuelle Störgrößen nicht ausgeschlossen werden, und ein wissenschaftlich bewiesener biologischer Wirkungsmechanismus ist nicht bekannt. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) wird deshalb kritisiert, diese Studien als Grundlage für von ihr geforderte schärfere Feinstaubgrenzwerte verwendet zu haben. Nach WHO-Aussagen verkürzt sich infolge des Feinstaubes die durchschnittliche Lebenszeit aller Europäer im Mittel um 8,6 Monate und in Deutschland um 10,2 Monate. Die EU-Kommission geht von circa 310.000 Todesfällen europaweit aus, die jedes Jahr vorzeitig infolge der Feinstaubbelastung eintreten.
Jüngere Forschungen haben gezeigt, dass der PM2,5-Anteil am Feinstaub besonders gesundheitsgefährdend ist, da Partikel dieser Größe bis in die Lungenbläschen gelangen können. Sie sind maximal so groß wie Bakterien und können daher mit freiem Auge nicht gesehen werden. Durch diese geringe Größe der Partikel und der daraus resultierenden langen Verweilzeit in der Atmosphäre (Tage bis Wochen) und der atmosphärischen Transportdistanz von bis zu 1.000 km ist PM2,5 auch von internationaler Relevanz. Diese besonders gefährlichen Feinstaubpartikel werden beispielsweise vom österreichischen Messsystem aber noch gar nicht separat erfasst.
Eine aktuelle Bewertung der Gesundheitsauswirkungen von Feinstaub durch die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat klar gezeigt, dass eine erhöhte PM2,5-Belastung in Zusammenhang mit schweren Gesundheitsauswirkungen (z. B. Herz-Kreislauferkrankungen) steht.
Neue Untersuchungen lassen Auswirkungen von Feinstaub auf die Hirnfunktion vermuten.[23]
Von der EU-Kommission werden daher momentan Zielwerte für PM2,5 im Rahmen des „Clean Air for Europe (CAFE)“-Prozesses vorbereitet.
Wahrscheinlich haben nicht alle Bestandteile der Partikel die gleiche gesundheitliche Relevanz. Die Gefährlichkeit wird nicht durch die Masse, sondern vor allem durch die Oberfläche der Partikel bestimmt. Partikel, die aus Verbrennungsprozessen stammen, sind relevanter als beispielsweise Bodenpartikel oder Reifenabrieb. Weitgehend ungeklärt ist noch, welche Bedeutung die verschiedenen Partikelkomponenten (anorganisch, organisch, löslich, unlöslich, flüchtig, nichtflüchtig) haben.
Seesalze tragen durchschnittlich 5 µg/m³ zum PM10-Anteil beispielsweise auf der Nordseeinsel Norderney bei.[24] Da sie wasserlöslich sind, gelten sie nicht als gesundheitsrelevant und brauchen deshalb bei den EU-Grenzwerten nicht berücksichtigt zu werden. Im Gegensatz wird der Aufenthalt in derartiger Luft als Kur bei verschiedenen Atemwegserkrankungen angewandt.
Da sich der Mensch den größten Teil seiner Lebenszeit in Innenräumen aufhält, spielt deren Partikelbelastung eine wichtige Rolle. Hier besteht noch besonderer Forschungsbedarf.
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Italienische Wissenschaftler vom nationalen Krebsinstitut in Mailand verglichen 2004 die Feinstaubbelastung eines abgasreduzierten Diesel-PKWs im Leerlauf mit der Belastung durch Zigarettenrauch. Die Forscher betrieben in einer Garage mit 60 m³ Rauminhalt zunächst eine halbe Stunde lang bei geschlossenen Türen und Fenstern einen Ford Mondeo Turbodiesel im Leerlauf und bestimmten währenddessen die Partikelkonzentration. Anschließend wurde die Garage vier Stunden lang gründlich gelüftet und das Experiment mit drei Zigaretten wiederholt, die innerhalb von 30 Minuten abgebrannt wurden. Die Feinstaubbelastung lag im PKW-Experiment bei 36 (PM10), 28 (PM2.5), und 14 (PM1) µg/m³, im Zigaretten-Experiment bei 343 (PM10), 319 (PM2.5), und 168 (PM1) µg/m³. Der europäische Immissionsgrenzwert beträgt 40 µg/m³. Ihre Untersuchung, so das Fazit der Wissenschaftler, belege den dringenden Bedarf, in allen geschlossenen öffentlichen Räumen und Arbeitsstätten ein Rauchverbot zu verhängen.
Die in den Medien viel zitierte Behauptung, der Versuch hätte gezeigt, dass der Rauch einer Zigarette etwa so viel Feinstaub enthält, wie ein laufender Dieselmotor innerhalb von 100 Minuten abgibt, greift zu kurz. Die Autoren selbst weisen in ihrer Studie darauf hin, dass ein anderes Experiment gezeigt hätte, dass die Feinstaubemissionen eines nicht abgasreduzierten Dieselmotors selbst im Leerlauf um ein Vielfaches höher sind als die von Zigaretten.
Des Weiteren weist die Studie schwere Mängel auf. Insbesondere war das eingesetzte (optische) Messgerät nicht in der Lage, Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 500 nm für Zigarettenrauch bzw. weniger als etwa 1,5 µm im Falle von Dieselruß zu detektieren (die Detektionsgrenze ist abhängig von der Lichtstreuung der Partikel). Sowohl die Emissionen eines Dieselfahrzeuges als auch der Zigarettenrauch enthalten jedoch einen erheblichen Anteil an Partikeln dieser Größe. Verstärkt wird dieser Effekt noch durch die Tatsache, dass der Luftfilter des Dieselfahrzeugs einen Großteil der detektierbaren Partikeln aus der Luft entfernt.
Die Physik der Staubpartikel in der Atmosphäre und ihre numerische Simulation beruhen auf dem Massen-, Impuls- und Energieerhaltungssatz. Die Anzahl, Größenverteilung und Zusammensetzung von Partikeln in der Luft sind abhängig von ihrem Eintrag in die Atmosphäre (Emission), dem Austrag durch trockene oder nasse Deposition, chemischen Reaktionen, physikalischen Effekten wie Koagulation und Kondensation sowie der Luftbewegung.
Zur Modellierung der Zweiphasenströmung von Partikeln in Luft verwendete man zunächst meteorologisch-chemische Modelle, die für die Simulation des Verhaltens von Gasen in der Luft entwickelt worden waren. Sie werden als Chemie-Transport-Modelle (CTM) bezeichnet. Mit Hilfe sogenannter Aerosolmodule gelang es, die CTMs zu verbessern und auch das Verhalten von Partikeln besser zu simulieren. Derart angepasste CTMs nennt man auch Aerosol-Chemie-Transport-Modelle (ACTM).[25]. Diese Modelle sind um die partikelspezifischen Terme erweitere Navier-Stokes-Gleichungen. Bei geringen Partikelkonzentrationen ist die Trägheit der Gasphase dominant und die Partikel beeinflussen das Strömungsfeld nicht. Zur Bestimmung der Bewegung eines Einzelpartikels in einem gegebenen Strömungsfeld der Gasphase muss lediglich das Kräftegleichgewicht aus Strömungskräften, Gewichtskraft, Auftrieb und Trägheit gelöst werden. Sehr kleine Partikel folgen dabei nahezu trägheitsfrei den Stromlinien. Das wird beispielsweise bei der Bestimmung eines Strömungsfeldes mit LDA-Messungen ausgenutzt.
Sehr kleine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 µm entstehen bei unvollständiger Verbrennung oder bilden sich aus gasförmigen Vorläufersubstanzen. Wenn sie aufeinandertreffen, bleiben sie häufig aneinander haften und bilden größere Partikel. Dadurch geht die Anzahl der ultrafeinen Partikel in der Luft zurück. Dieser Vorgang wird als Nukleation, Koagulation oder Agglomeration bezeichnet. Partikel dieser Größenfraktion befinden sich im „Nukleationsmodus“.[26] Die Geschwindigkeit der Agglomeration ist proportional dem Quadrat der Partikelkonzentration. Bei niedrigen Partikelkonzentrationen ist die Rate deshalb sehr gering.
Die etwas größeren Feinstaub-Partikel mit Durchmessern von 80 nm bis 1 µm entstehen durch die Koagulation kleinerer Partikel oder die Anlagerung von Gasen. Ihre Verweildauer in der Atmosphäre ist mit mehreren Tagen recht hoch, man spricht vom „Akkumulationsmodus“. Sie werden überwiegend durch nasse Deposition aus der Luft entfernt. Solche Partikel können über mehrere tausend Kilometer transportiert werden, sofern entlang ihrer Zugbahn kein Niederschlag fällt. Falls die Verdünnung der Partikel zusätzlich durch eine Inversionsschicht behindert wird, können hohe Feinstaub-Konzentrationen in größerer Entfernung vom Entstehungsort auftreten.[26]
Feinstaubpartikel setzen sich bedingt durch ihre geringe Größe nur langsam ab. Die stationäre Sinkgeschwindigkeit bei angenommener laminarer Umströmung des Partikels ergibt sich aus dem Gleichgewicht von Schwerkraft, Auftrieb und Reibungskraft zu [27][28]
(Sinkgeschwindigkeit 
, Partikeldurchmesser 
, Dichtedifferenz 
, Fallbeschleunigung 
, Luftviskosität 
)
Durch Einsetzen eines Mikrometer-Partikels der Dichte 1000 kg/m3 in diese Gleichung erhält man damit eine Sinkgeschwindigkeit in Luft (Viskosität 20e-06 Pa s) von etwa u=3e-05 m/s. Das Partikel würde in einer turbulenzfreien horizontalen Strömung der Geschwindigkeit 1 m/s auf eine Strecke von etwa 70 km nur 2 m an Höhe verlieren. Turbulenz verlangsamt das Absinken weiter bzw. kann abgesetzte Partikel wieder aufwirbeln. Das führt zu Sekundäremissionen. Die trägheitsinduzierte Abscheidung an Strömungsumlenkungen derart kleiner Partikel tritt so gut wie nicht auf, die Partikelelimination ist also im Vergleich zu den Transportvorgängen relativ langsam. Die Partikel verhalten sich also wie ein Gas, insbesondere verharren sie nicht an ihrem Entstehungsort, sondern verflüchtigen sich mit den Luftbewegungen sehr schnell.
Damit sind signifikante Reduzierungen der Partikelbelastung der Luft in sogenannten Umweltzonen physikalisch nicht plausibel.
Grobpartikel mit Durchmessern von mehr als 1 µm entstehen meist durch Winderosion oder durch mechanischen Abrieb.[26]
Nach der 1980 beschlossenen Richtlinie 80/779/EWG wurden die Mitgliedstaaten zur Einhaltung folgender Grenzwerte ab 1. April 1983 verpflichtet:[29]
Der Europäische Gerichtshof hat 1991 festgestellt, dass die Bundesrepublik Deutschland die Richtlinie nicht rechtzeitig umgesetzt hat; die Grenzwerte wurden jedoch eingehalten.[30]
Die 1996 beschlossenen Richtlinie 96/62/EG schreibt Mess- und Informationspflichten auch zu Feinstaub vor.[31] Wegen Verstoßes dagegen hat der Europäische Gerichtshof Frankreich und Spanien in Vertragsverletzungsverfahren verurteilt.
Die 1999 beschlossene Richtlinie 99/30/EG legt für die Zeit ab 1. Januar 2005 folgende Grenzwerte fest:[32]
Ebenfalls in der Richtlinie 99/30/EG ist festgelegt, dass am 1. Januar 2010 folgende Verschärfungen der Grenzwerte in Kraft treten, wenn sie nicht vorher geändert werden:
Die zuständigen Behörden müssen bei Überschreitungen kurzfristig mit Aktionsplänen Gegenmaßnahmen treffen. Sie sind verpflichtet, Luftreinhaltepläne aufzustellen, wenn zukünftig geltende Grenzwerte deutlich überschritten werden.
In mehreren europäischen Ballungsgebieten werden die Grenzwerte überschritten. Im Jahr 2005 hat Stuttgart als erste deutsche Stadt am 13. März den Grenzwert zum 35. Mal überschritten. In Österreich ist die Feinstaubbelastung in Graz am stärksten: so wurde im Jahr 2003 der zulässige Grenzwert 50 µg/m³ an insgesamt 135 Tagen statt der maximal zulässigen 35 Tagen überschritten. Wegen angeblich aus Osteuropa importierten Feinstaubs wurde in Belgien am 8. Februar 2010 auf Autobahnen und Landstraßen vorläufig die maximal zulässige Geschwindigkeit auf 90 km/h und in Brüssel auf 50 km/h herabgesetzt.[33] Am 9. Februar 2010 wurde ebenfalls für die Ile-de-France Feinstaubalarm gegeben.[34]
In der Schweiz beträgt der Grenzwert für PM10 für den Jahresmittelwert 20 µg/m³. In dicht besiedelten Regionen und entlang von stark befahrenen Verkehrsachsen wurde dieser Wert im Jahr 2000 und im Winter 2005 Mittelland (Schweiz) überschritten.
Der Grenzwert für PM10 als 24-h-Mittelwert von 50 µg/m³ darf höchstens einmal im Jahr überschritten werden. Dies kann aber nur in wenigen Jahren und wenigen Kantonen eingehalten werden.
Die permanente Überschreitung von Grenzwerten lässt viele Schweizerinnen und Schweizer an der Glaubwürdigkeit von Grenzwerten zweifeln. Der Feinstaub-Tagesmittelwert wurde im Februar 2006 um das Vielfache überschritten, so in Lausanne mit 223 µg/m³. Als Sofortmaßnahme wurden in elf Kantonen vom 3. Februar bis zum 8. Februar 2006 die Geschwindigkeitslimits auf den Autobahnen auf 80 km/h herabgesetzt. In gewissen Kantonen wurde das Anzünden von Kaminfeuern untersagt.
Einer Doktorarbeit von Peter Straehl (Kanzerogene Luftschadstoffe in der Schweiz, 2003) ist zu entnehmen, dass in der Schweiz pro Jahr rund 300 Krebsfälle durch „partikelförmige Luftschadstoffe“ verursacht werden. Die Herabsetzung von diesbezüglichen Emissionen durch z. B. schadstoffärmere LKW-Motoren wird aber nicht im vorgeschlagenen Tempo sondern im Gleichschritt mit den langsamer sich senkenden EU-Normen verwirklicht. Hingegen dürfen in der Schweiz keine Baumaschinen mehr ohne Partikelfilter verkauft werden. Alte Maschinen mit Baujahr vor 2000 müssen bis 2015 nachgerüstet sein.[35]
Der 24-Stunden-Mittelwert für PM10 darf 150 µg/m³ höchstens einmal pro Jahr überschreiten (auf Basis eines 3-Jahres-Durchschnitts).[36][37] Der Grenzwert von 50 µg/m³ für den Jahresmittelwert wurde im Dezember 2006 aufgehoben, weil es keine Beweise für gesundheitliche Probleme bei Langzeitexposition gab.[38][37][39]
Bei PM2,5 beträgt der Grenzwert für den Mittelwert von drei Jahren 15 µg/m³. Zusätzlich muss der Mittelwert in der 98. Perzentile der 24-Stunden-Werte dreier Jahre 65 µg/m³ einhalten.[36][40]
Die nationale Umweltschutzbehörde U.S. Environmental Protection Agency hatte die PM2,5-Grenzwerte 1997 erlassen, wogegen Industrieorganisationen und Bundesstaaten klagten und 1999 gewannen. Dieses Urteil wurde jedoch 2001 vom Bundesgericht „Supreme Court“ aufgehoben und festgestellt, dass die Umweltbehörde verfassungsgemäß ermächtigt wurde, Grenzwerte festzulegen, und dabei nicht die daraus resultierenden wirtschaftlichen Kosten zu beachten braucht. 2002 stellte ein Gericht dazu fest, dass die Umweltschutzbehörde weder ihren Ermessensspielraum überschritten noch willkürlich gehandelt hat.[41][42][43]
Wiktionary: Feinstaub – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, ÜbersetzungenDieser Artikel basiert auf dem Artikel Feinstaub aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und ist unter der Lizenz Creative Commons Attribution/Share Alike verfügbar. Zusätzliche Bedingungen können anwendbar sein. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |
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