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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). Dieser 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).

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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 nicht mehr durch einen speziellen Einlass erreichen, hierfür kommen in der Praxis Impaktoren oder Zyklone zum Einsatz.

Des weiteren existiert noch die Definition der ultrafeinen Partikel (UP bzw. UFP), dies sind Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm (0,1 µm).

Entstehung

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Feinstaub kann sowohl aus natürlichen wie auch aus anthropogenen Quellen stammen. Welche Quelle an welchem Ort dominiert, hängt von den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten ab.

Hauptverursacher des anthropogenen Anteils am Feinstaub in Deutschland sind (in Klammern: prozentualer Anteil in Deutschland laut Bundesumweltministerium, Stand 2001):

kt/a = 1000 t(Tonnen)/Jahr

Beim o.g. Anteil des Straßenverkehrs sind jedoch Abrieb von Reifen, Bremsbelägen und Straßenasphalt nicht berücksichtigt. Der Reifenabrieb verursacht grob geschätzt rund 60 kt/a (davon PM10-Anteil etwa 10%, also rund 6 kt/a) und Bremsabrieb 5,5 - 8,5 kt/a (überwiegend PM10) (Umweltbundesamt 2004). Über Emissionen von der Straßenoberfläche sind keine Schätzungen bekannt. Insbesondere in den Städten beträgt der Anteil des Verkehrs an den Feinstaubemissionen deutlich über 50 Prozent.

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 z. B. Holzheizungen und Kamine; hier ist durch moderne Techniken wie Pelletheizungen sogar eine Zunahme zu verzeichnen.

Besonders in geschlossenen Räumen trägt auch der Rauch von Zigaretten zur Feinstaubbelastung bei.

Zu den natürlichen Staubquellen (auch von Feinstaub) zählen:

Reduzierung

In Europa wurden mit der Richtlinie 1999/30/EG des Rates vom 22. April 1999 über Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und Stickstoffoxide, Partikel und Blei in der Luft (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. In der Richtlinie wurde folgende Grenzwertregelung getroffen: 1.) Der ab dem 1. Januar 2005 einzuhaltende Tagesmittelwert für PM10 beträgt 50 µg/m³ bei 35 zugelassenen Überschreitungen im Kalenderjahr. 2.) Ab dem Jahr 2005 beträgt der Jahresmittelwert für PM10 40 µg/m³.

Um diese Grenzwerte einhalten zu können, werden in den einzelnen europäischen Ländern unterschiedliche Strategien verfolgt:

  • In London hat die 2003 eingeführte City-Maut in Höhe von bisher 5 £ (ca. 7,50 €) zu 18 % weniger Verkehr und 12 % weniger Feinstaub geführt. Ab Juli 2005 beträgt die Gebühr 8 £. Bis 2007 ist eine Verdoppelung der Mautzone geplant.

  • In Italien gibt es Fahrverbote, die generell, nur sonntags oder abwechselnd für Fahrzeuge mit geradem oder ungeradem Kennzeichen gelten.

Derzeit fordern einige politische Parteien in Deutschland die Einführung von Partikelfiltern in Dieselfahrzeugen und Vergünstigungen bei der Kraftfahrzeugsteuer für damit ausgestattete Diesel-Fahrzeuge. Partikelfilter nach dem Wandstromprinzip stellen wegen ihres hohen Filtrationswirkungsgrades (>95 %) für Partikel aller Größen eine wirksame Möglichkeit zur Reduzierung dieser Partikelemissionen dar. Da gerade der Dieselruß krebserregend wirkt, ist diese Maßnahme trotz ihrer geringen Gesamtauswirkung auf die Feinstaubbelastung sinnvoll.

Der Verband der Automobilindustrie hält eine regelmäßige Straßenreinigung in den Hauptverkehrsstraßen für effizienter als die Lösung des Feinstaub-Problems durch die Einführung von Dieselrußfiltern.

Bis heute wird die alle Grenzwerte bei weitem übersteigende Feinstaubbelastung durch Tabakrauch in Innenräumen vielfach ignoriert. 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:

  • Feinstaub reichert sich in den stehenden Luftschichten an - Fahrverbote bringen zwar keine zusätzliche Erhöhung- aber die Konzentration im verkehrsfernen Bereich sinkt bei der austauscharmen Wetterlage auch nicht.
  • Im Prinzip können auch saubere Fahrzeuge Feinstaub durch Reifenabrieb und Aufwirbelung erzeugen, besonders wenn sich bereits eine Feinstaubschicht in Bodennähe befindet bzw. die Straße gestreut wurde.
  • Bei größerer Schadstoffverfrachtung in Gebiete hinein, wirken Maßnahmen innerhalb dieser Gebiete naturgemäß nur teilweise - es sind regional übergreifende Konzepte nötig.
  • Ein Umstieg eines größeren Teils der Pendler auf den Öffentlichen Verkehr nur an Tagen mit hoher Schadstoffkonzentration ist aus Kapazitätsgründen nicht möglich. Ressourcen auf Verdacht vorzuhalten ist für die Verkehrsbetriebe nicht leistbar.
  • Instrumente zur Förderung der Bildung von Fahrgemeinschaften wurden bisher nicht entwickelt (z.B. Ausnahmen von der Citymaut für mehrfach besetzte Fahrzeuge) oder die (automatisierte) Kontrolle des Besetzungsgrades ist nicht gewünscht (Videoüberwachung).
  • Begrenzte Erfolge gibt es für Gratis-ÖV Aktionen (u.a. SMS basiert) mit geringer Wirkung auf die Gesamtbelastung.
  • Die Feinstaubbelastung durch Holzheizungen nahm in den letzten Jahren in einigen Regionen noch zu.

Wirkungen auf die Gesundheit

Der Staub wird heute im Wesentlichen für die Auswirkungen von Luftverschmutzungen auf die Gesundheit verantwortlich gemacht. Zu den Auswirkungen gehört die Verstärkung von Allergiesymptomen, die Zunahme von asthmatischen Anfällen, Atemwegsbeschwerden und Lungenkrebs (durch Zigarettenrauch). 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. Je kleiner die Partikel sind, desto tiefer können sie in die Lunge vordringen. S^^o gelangen ultrafeine Teilchen (Durchmesser unter 0,1 µm) bis in die Lungenbläschen (Alveolen) und werden von dort nur sehr langsam oder gar nicht wieder entfernt (Staublunge). 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 2001-2004 durchgeführte Feinstaub-Kohortenstudie NRW untersuchte 4.800 Frauen über 60 Jahre und hat gezeigt, dass die Exposition gegenüber verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie NO2 und PM10-Feinstaub mit einer erhöhten Mortalität gegenüber kardiopulmonalen Todesursachen einher gehen kann.

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.

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. Deshalb ist absehbar, dass Messungen und Maßnahmen sich in Zukunft auf diese Größen konzentrieren werden.

Es kann auch davon ausgegangen werden, dass nicht alle Bestandteile der Partikel die gleiche gesundheitliche Relevanz haben. Die Gefährlichkeit wird offensichtlich nicht durch die Masse, sondern vor allem durch die Oberfläche der Partikel bestimmt. Partikel, die aus Verbrennungsprozessen stammen, sind offensichtlich 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 auf der Nordseeinsel Norderney bei *. Da sie wasserlöslich sind, gelten sie nicht als gesundheitsrelevant und brauchen deshalb bei den EU-Grenzwerten nicht berücksichtigt werden.

Da sich der Mensch den größten Teil seiner Lebenszeit in Innenräumen aufhält, spielt deren Partikelbelastung eine wichtige Rolle. Hier besteht noch besonderer Forschungsbedarf *.

Italienische Wissenschaftler vom nationalen Krebsinstitut in Mailand verglichen 2004 die Feinstaubbelastung eines abgasreduzierten Diesel-Pkws im Leerlauf mit der Belastung durch Zigarettenrauch. Die Forscher hatten in einer Garage mit 60m³ Rauminhalt zuerst eine halbe Stunde lang bei geschlossenen Türen und Fenstern einen Ford Mondeo Turbodiesel 30 Minuten laufen lassen, und dann den Partikelanteil bestimmt. 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 Emissionsgrenzwert beträgt 40 Mikrogramm pro Kubikmeter. Ihre Untersuchung, so das Fazit der Wissenschaftler, belege den dringenden Bedarf, in allen geschlossenen öffentlichen Räumen und Arbeitsstätten ein Rauchverbot zu verhängen.

Bei den Ergebnissen des Versuchs ist jedoch zu berücksichtigen, dass die meisten Diesel-Fahrzeuge dauerhaft nicht mit Biodiesel betrieben werden können und die Belastungen durch einen fahrenden Pkw durch Gasgeben und Bremsen (Reifenabrieb) deutlich höher sind. 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, ist also falsch. 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.

Recht

Europäische Union

Nach der 1980 beschlossenen Richtlinie 80/779/EWG * wurden die Mitgliedstaaten zur Einhaltung folgender Grenzwerte ab 1. April 1983 verpflichtet:
  • 80 µg/m³ für den Median der während des Jahres gemessenen Tagesmittelwerte von PM10;
  • 130 µg/m³ für den Median der im Winter gemessenen Tagesmittelwerte von PM10;
  • 250 µg/m³ für den 98-%-Wert der Summenhäufigkeit aller während des Jahres gemessenen Tagesmittelwerte von PM10, eine Überschreitung ist nur einmal an höchstens drei aufeinanderfolgenden Tagen erlaubt.

Der Europäische Gerichtshof hat 1991 festgestellt *, dass die Bundesrepublik Deutschland die Richtlinie nicht rechtzeitig umgesetzt hat; die Grenzwerte wurden jedoch eingehalten.

Die 1996 beschlossenen Richtlinie 96/62/EG * schreibt Mess- und Informationspflichten auch zu Feinstaub vor. 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:

  • 50 µg/m³ für den 24-Stunden-Mittelwert von PM10, es sind 35 Überschreitungen pro Jahr erlaubt;
  • 40 µg/m³ für den Jahresmittelwert von PM10.

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:

  • weiterhin 50 µg/m³ für den 24-Stunden-Mittelwert von PM10, es sind jedoch nur noch 7 Überschreitungen pro Jahr erlaubt;
  • 20 µg/m³ für den Jahresmittelwert von PM10.

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. Als erste deutsche Stadt hat Stuttgart am 13. März 2005 den Grenzwert zum 35. Mal überschritten.

Schweiz

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 1 mal im Jahr überschritten 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 wurde in 11 Kantonen vom 3. Februar bis zum 8. Februar 2006 die Geschwindigkeitslimiten auf den Autobahnen auf 80 km/h herabgesetzt. In gewissen Kantonen wurde das Anzünden von Kaminfeuern untersagt.

USA

Bei PM10 darf der Jahresmittelwert höchstens 50 µg/m³ betragen, der 24-Stunden-Mittelwert darf 150 µg/m³ höchstens einmal pro Jahr überschreiten.

Bei PM2,5 beträgt der Grenzwerte 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.

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 (etc.)

Literatur

Bücher

Literatur

  • Joachim Heinrich, Veit Grote, Annette Peters, Erich H. Wichmann: Gesundheitliche Wirkungen von Feinstaub: Epidemiologie der Langzeiteffekte. Umweltmedizin in Forschung und Praxis 7(2), S. 91 – 99 (2002), ISSN 1430-8681
  • Arbeitsgruppe ´Wirkungen von Feinstaub auf die menschliche Gesundheit´ der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN: Bewertung des aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstandes zur gesundheitlichen Wirkung von Partikeln in der Luft. Umweltmedizin in Forschung und Praxis 8(5), S. 257 – 278 (2003), ISSN 1430-8681
  • J. Junk, A. Helbig: Die PM10-Staubbelastung in Rheinland-Pfalz. Neue gesetzliche Regelungen für Feinstaub und erste Messergebnisse. Gefahrstoffe/Reinhaltung der Luft – 1/2 /2003, S. 43, ISSN 0949-8036
  • T. Pregger, R. Friedrich: Untersuchung der Feinstaubemissionen und Minderungspotenziale am Beispiel Baden-Württemberg. Gefahrstoffe/Reinhaltung der Luft 64(1/2), S. 53 - 60 (2004), ISSN 0949-8036
  • M. Struschka, V. Weiss, G. Baumbach: Feinstaub - Emissionsfaktoren und Emissionsaufkommen bei kleinen und mittleren Feuerungsanlagen. Immissionsschutz (Berlin) 9(1), S. 17 – 22 (2004), ISSN 1430-9262
  • H.-Erich Wichmann: Feinstaub: Lufthygienisches Problem Nr. 1 – eine aktuelle Übersicht. Umweltmedizin in Forschung und Praxis 10(3), S. 157 - 162 (2005), ISSN 1430-8681
  • Vera Zylka-Menhorn: Feinstäube - Winzlinge mit großer Wirkung. Deutsches Ärzteblatt 102(14), S. A954 - A958 (2005), ISSN 0012-1207
  • G Invernizzi et al., Particulate matter from tobacco versus diesel car exhaust: an educational perspective. Tobacco Control 13, S.219-221 (2004)

Siehe auch

Asbest, Aerosol, Partikelfilter, Ökosteuer, Feinstaub-Plakette

Weblinks

Pulver | Umweltschutz

Particulate | Particolato | 미세먼지 | Fijn stof | Aerozole atmosferyczne | 气溶胶

 

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