Die Luftverschmutzung mit Feinstaub kleiner 1 Mikrometer ist im ländlichen Sachsen im Schnitt um 5 Prozent pro Jahr zurückgegangen. Besonders deutlich waren die Rückgänge bei Luftmassen aus Osteuropa: Dann sanken die PM1-Konzentrationen sogar um 28 Prozent pro Jahr. Der organische Anteil in den Partikeln ging dagegen mit nur 2 Prozent pro Jahr deutlich geringer zurück: Während organische Partikel aus der Verbrennung von Mineralöl und Kohle etwa konstant blieben, stiegt der Anteil aus Biomasseverbrennung mit einem halben Prozent pro Jahr leicht an, was auf eine verstärkte Nutzung von Holz zum Heizen bzw. mehr Waldbrände hinweist.
Zu diesem Ergebnis kommen Forschende vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), der Universität Modena und MeteoSwiss nach Auswertung einer zehnjährigen Messreihe der ländlichen Hintergrundstation Melpitz bei Leipzig. Die Daten aus den Jahren 2012 bis 2022 ermöglichen durch neue Online-Messverfahren eine deutlich detaillierte chemische Analyse als bisher. Die Ergebnisse zeigten, wie wichtig Langzeitmessungen für die Auswertung von Maßnahmen zur Luftreinhaltung seien.
Aerosolpartikel beeinflussen Klima und Gesundheit
Schätzungen der Europäischen Umweltagentur (EEA) zufolge starben 2021 etwa 293.000 Menschen in Europa an den Folgen von Luftverschmutzung. Obwohl die Luftqualität seit vielen Jahren kontrolliert wird, mangelt es noch an Wissen darüber, wie sich die Feinstaubquellen im Laufe der Jahre verändern und wie das die chemische Zusammensetzung der Feinstaubpartikel in Mitteleuropa beeinflusst.
Die Entwicklung von Online-Ansätzen auf der Grundlage von Aerosol-Massenspektrometern wie dem in dieser Studie verwendeten Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM) liefert nicht nur zeitlich hoch aufgelöste Ergebnisse über die chemische Zusammensetzung von Aerosolen, sondern bietet auch eine einzigartige Möglichkeit, organische Aerosolquellen zu identifizieren. Im Vergleich zu den üblichen täglichen 24-Stunden-Filtermessungen macht ein solcher Ansatz die Zuordnung von Windrichtungen viel klarer, da diese selten über 24 Stunden konstant sind.
In Deutschland sind nur zwei dieser ACSM-Geräte seit einigen Jahren im Dauereinsatz: Eines am DWD-Observatorium Hohenpeißenberg in Bayern und eines an der TROPOS-Forschungsstation Melpitz in Sachsen. Melpitz ist inzwischen Teil des EU-Forschungsnetzwerks ACTRIS und des Europäischen Luftkontrollnetzwerkes EMEP. Die Station im Tiefland von Sachsen ist repräsentativ für weite Teile des ländlichen Ostdeutschlands und liegt an der Grenze zwischen atlantischem und kontinentalem Klima, was sie für großräumige Analysen in Europa besonders interessant macht.
Die EU-Luftqualitäts-Richtlinie hat 2008 für die Feinstaubfraktion PM10 einen Grenzwert von 40 Mikrogramm pro Kubikmeter im Jahresdurchschnitt zum Schutz der menschlichen Gesundheit festgeschrieben. Ab 2030 soll der EU-Grenzwert für PM10 jedoch auf 20 Mikrogramm pro Kubikmeter herabgesenkt werden und der Jahresgrenzwert für PM2,5 um mehr als die Hälfte gesenkt, nämlich von 25 auf 10 Mikrogramm pro Kubikmeter. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt sogar nur die Hälfte, also 5 Mikrogramm pro Kubikmeter.
Für kleine Feinstaubpartikel wie den hier gemessenen PM1 gibt es aktuell keine Grenzwerte. Sie gelten in der Wissenschaft aber als wichtiger Indikator für die negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, weil diese kleinen Feinstaub-Fraktionen – im Gegensatz zum groben Staub – tief in die Lunge vordringen und dann über die Blutbahn im Körper Entzündungsreaktionen auslösen können.
Die Partikelmassenkonzentration von Feinstaub der Größe PM1 (also kleiner als 1 Mikrometer) lag von 2012 bis 2022 in Melpitz im Mittel bei knapp 10 Mikrometer pro Kubikmeter mit einigen bedeutenden jahreszeitlichen Schwankungen zwischen 5,6 Mikrometer pro Kubikmeter im Herbst 2019 und fast 16 Mikrometer pro Kubikmeter im Winter 2016/17. Fast die Hälfte der Partikelkonzentration machten organische Bestandteile aus, gefolgt von Nitrat, Sulfat, Ammonium und Ruß (eBC).
Der Rückgang der Gesamtmassenkonzentration von organischen Bestandteilen in Melpitz um knapp 5 Prozent pro Jahr geht vor allem auf den Rückgang an Nitrat und Ruß (je rund 1 Prozent pro Jahr) zurück.
„Diese Rückgänge verdeutlichen die positiven Auswirkungen der Luftreinhaltungsmaßnahmen in Europa, insbesondere derjenigen, die auf verkehrsbedingte Emissionen wie NOx und Ruß (eBC) abzielen. Die osteuropäischen Luftmassen wiesen durchweg höhere Verschmutzungswerte auf als die westeuropäischen, aber dieser Unterschied nahm im Laufe der Zeit ab, was auf potenzielle Verbesserungen der Luftqualität im Osten hinweist“, erklärt Samira Atabakhsh vom TROPOS.
Dagegen lässt die detaillierte Quellenanalyse der organischen Bestandteile gut auf Trends bei fossilen Energieträgern und bei Biomasse aus Holzverbrennung und Waldbränden schließen. Von den fünf identifizierten Quellen wurden drei mit anthropogenen Quellen wie der Verbrennung von Mineralöl (z. B. Autoabgase und Hausheizungen, genannt HOA für Kohlenwasserstoff-ähnliches organisches Aerosol), der Verbrennung von Biomasse (z. B. Holzverbrennung, genannt BBOA) und der Verbrennung von Kohle (genannt CCOA) in Verbindung gebracht, während die verbleibenden zwei nicht speziell mit älteren anthropogenen oder biogenen Quellen in Verbindung gebracht wurden (LO-OOA und MO-OOA). Die fünf Gruppen (HOA, BBOA, CCOA, LO-OOA und MO-OOA) trugen im Durchschnitt zu 7, 10, 12, 31 bzw. 40 Prozent zum Organischen Aerosol bei:
- Kohlenwasserstoffähnliche OA (HOA) sind ein deutlicher Indikator für die Verbrennung von Mineralöl in Kfz-Motoren sowie in Heizungen. Diese HOA-Konzentrationen blieben insgesamt stabil, was auf konstante lokale Emissionen hindeutet, aber bei Ostwind konnte ein leichter Rückgang beobachtet werden (0,25 Prozent pro Jahr).
- Biomasseverbrennungs-OA (BBOA) und Kohleverbrennungs-OA (CCOA) wiesen bei östlichen Luftmassen höhere Konzentrationen auf, was auf den Einfluss von Emissionen über Ferntransport unterstreicht. Die Biomasse-Beiträge (BBOA) stiegen im Winter leicht an (+0,32 Prozent im Laufe des Jahrzehnts), was auf eine zunehmende Verbrennung von Biomasse zu Heizzwecken in Privathaushalten hinweist. Überraschend zeigte sich bei den Kohleverbrennungsaerosolen (CCOA) bei Westwind ein steigender Trend (+0,27 Prozent pro Jahr), was möglicherweise auf einen höheren Kohleeinsatz in westeuropäischen Kraftwerken zurückzuführen ist.
Hier sind weitere Untersuchungen notwendig, um herauszufinden, wie sich der Trend in den kommenden Jahren fortsetzen wird, aber auch um die Ergebnisse an verschiedenen Orten zu vergleichen. Ein solcher Vergleich wird bald möglich sein, indem man die verschiedenen europäischen Observatorien nutzt, die im Rahmen der EU-Forschungsinfrastruktur ACTRIS mit entsprechenden Instrumenten ausgestattet sind. So wird es künftig möglich sein, die Veränderungen in der europäischen Luft deutlich besser zu verfolgen und die Ursachen leichter zu identifizieren.
„Unsere Langzeitmessungen an einem Hintergrundstandort zeigen deutlich, dass die europäische und nationale Luftqualitätspolitik und die Energieversorgung nicht nur die Luftqualität in den Städten beeinflussen, sondern sich über weiträumige Transportprozesse auch auf die ländliche und die Hintergrundumgebung auswirken“, betont Dr. Laurent Poulain vom TROPOS.
„Die Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, Veränderungen in der Massenkonzentration sowie in der Verteilung der Quellen und chemischen Spezies zu untersuchen, die zur gesamten Feinstaub-Massenkonzentration beitragen.“ Ein solcher Ansatz ist nicht nur für die Verfolgung der Verteilung von Quellen oder chemischen Spezies in den Partikeln wichtig, sondern auch für die Vorhersage der Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Aerosols, wie z. B. Hygroskopizität, Lichtabsorption oder Streuung. Die Einbeziehung solcher Trends in Vorhersagemodelle könnte das Verständnis für die langfristigen Veränderungen der Eigenschaften von Aerosolpartikeln verbessern und letztlich zu Verbesserungen bei der Klimamodellierung beitragen.