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Luftverschmutzung: Die wichtigsten Fakten über Feinstaub

Die Debatte über Luftschadstoffe aus Verkehr und Industrie drehte sich lange Zeit um Stickoxide. Eine Stellungnahme der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina rückt jetzt den Feinstaub in den Vordergrund. Da hat Deutschland viel zu tun, denn die Grenzwerte entsprechen noch nicht den internationalen Empfehlungen.
Ein Auspuff produziert sichtbar AbgaseLaden...

Der Streit um die Belastung der Bevölkerung durch Luftschadstoffe soll auf eine sachliche Ebene zurückkehren. Deshalb hat Bundeskanzlerin Angela Merkel die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina um eine Stellungnahme zum Thema Stickoxide und Feinstaub gebeten. Deutschlands ranghöchste Forschungsorganisation legt darin den Schwerpunkt auf Feinstäube. »Weltweit besteht Einigkeit darüber, dass von Feinstaub im Vergleich zu Stickstoffdioxid die höhere Gesundheitsgefahr ausgeht«, steht in dem Papier.

Feinstaub sei ein Schadstoff ohne bekannte untere Wirkungsschwelle. »In diesen Fällen muss auch unterhalb der Grenzwerte mit gesundheitlichen Effekten gerechnet werden«, heißt es. Die Leopoldina stellt daher eine klare Forderung zum Schutz der Bevölkerung auf: »Nach dem Vorsorgeprinzip wäre hier eine Reduktion der Grenzwerte bis in den Bereich der Hintergrundbelastung anzustreben.« Jede Reduktion der Belastung sei mit einem Gesundheitsgewinn verbunden, schreibt die Expertengruppe. Dabei sei zu beachten, dass es viele Quellen für Feinstaub gebe.

Woher weiß man, aus welcher Quelle der Feinstaub stammt?

Bundesweit messen mehr als 650 feste Stationen die Qualität der Luft. Feine Filter in den Messgeräten sammeln den Staub, der dann mit herkömmlicher chemischer Analytik untersucht wird. Europaweit gelten dafür einheitliche Vorschriften. Die Forscher ordnen den Substanzen, die sie während der Analyse finden, bestimmten Quellen zu: Ammoniumverbindungen der Landwirtschaft, Ruß den Verbrennungsprozessen; Levoglucosan ist ein typisches Produkt von Kaminfeuern.

Auch für den Abrieb von Reifen, für Industrieprozesse, Bodenerosion und Baustellen gibt es bestimmte Marker. Zudem liefern die Menge und das Verhältnis der Schwermetalle in den Feinstäuben gute Hinweise auf die Quelle der Partikel. Eine erhöhte Konzentration an Antimon, Molybdän, Eisen und Kupfer ist beispielsweise ein Indiz für den Abrieb von Bremsbelägen.

Der vom Menschen verursachte Feinstaub stammt überwiegend aus Kraftwerken, Industrie, Landwirtschaft, Straßenverkehr, Öfen und Heizungen. Ein beachtlicher Anteil der Belastung, der so genannte sekundäre Feinstaub, entsteht erst in der Luft durch die chemische Reaktion von flüchtigen organischen Verbindungen, Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid und Ammoniak. Ammoniak entsteht vor allem bei der Massentierhaltung. Deutschland hat im Jahr 2010 eine Selbstverpflichtung für eine Obergrenze dieser Emissionen unterschrieben, die aber jedes Jahr deutlich überschritten wird.

Woher weiß man, an welchem Ort Feinstaub entsteht?

Die offiziellen Messstellen stehen nicht nur an verkehrsreichen Stellen in den Großstädten. Auch in ländlicher Umgebung, im Wald und auf Feldern wird die Zusammensetzung der Luft analysiert. Die Messwerte aus diesen naturnahen Orten ergeben die so genannte Hintergrundbelastung, die sogar dann vorhanden ist, wenn es keine lokalen Quellen für Feinstaub gibt.

An manchen Tagen haben Teile des Feinstaubs eine weite Reise hinter sich. Stäube beispielsweise aus der Sahara, aus Vulkanausbrüchen oder von Waldbränden werden bis nach Deutschland transportiert. Auch Seesalz, Pollen und Pilzsporen kommen regelmäßig im Feinstaub vor. Sie spielen allerdings für die Einhaltung der Grenzwerte keine Rolle. Die Richtlinie für Luftqualität erlaubt es, dass Beiträge aus solchen natürlichen Quellen herausgerechnet werden. Zusätzlich zu den ländlichen Regionen wird auch in städtischen Wohngebieten mit wenig Verkehrsbelastung die Hintergrundbelastung ermittelt, die in der Region entsteht.

In den Schlagzeilen sind aber stets die Hotspots, an denen die Grenzwerte überschritten werden. »Ungefähr die Hälfte des Feinstaubs entsteht gar nicht an diesen Stellen, sondern wird immer wieder aus der Umgebung antransportiert«, erklärt Jürgen Bachmann, der fachlich Verantwortliche der Messstelle für Umweltschutz bei der Dekra, von seinen Erfahrungen aus Deutschlands Feinstaubhauptstadt Stuttgart. »Lokal vor Ort hat man nur die Chance, etwa 40 Prozent des Feinstaubs anzugreifen«, ergänzt Bachmann.

Wie können Städte die Menge an Feinstaub verringern?

Die Leopoldina fordert in ihrer Stellungnahme eine bundesweite, ressortübergreifende Strategie zur Luftreinhaltung, die Stickoxide, Feinstaub und Treibhausgase aus allen Quellen berücksichtigt. Vor Ort versuchen die Städte mit individuellen Ideen Feinstaub zu vermeiden. Vor allem der Verkehr und kleinere und mittelgroße Feuerungsanlagen stehen als große Feinstaubquellen im Visier der Maßnahmen.

Heizungen sollen mit Feinstaubfiltern nachgerüstet werden. Stuttgart verbietet an Tagen mit Feinstaubalarm den Betrieb von Komfortkaminen. Damit sind Holzöfen gemeint, die nicht zum Heizen benötigt werden, sondern nur Wohlfühlzwecken dienen. Beim Verkehr helfen weder Dieselfahrverbote noch Elektroautos. Vielleicht benötigt Deutschland eine Debatte über das Material der Autoreifen: »Der Großteil des verkehrsinduzierten Feinstaubanteils kommt nicht aus dem Abgas, sondern entsteht durch Bremsenabrieb, Reifenabrieb und Wiederaufwirbelung«, sagt Dekra-Experte Jürgen Bachmann.

Deshalb sollen die Bürger ihre Autos stehen lassen, Fahrgemeinschaften bilden oder den öffentlichen Nahverkehr nutzen. Dekra testet noch einen anderen Weg: Stuttgarts Straßen werden häufiger feucht gereinigt. »Unser Ansatz ist, dass wir die Aufwirbelung von Feinstaub verhindern und gleichzeitig die Entstehung von Feinstaub reduzieren«, erklärt Bachmann. Feinstaub entsteht nämlich auch dadurch, dass gröbere Partikel auf der Straße durch den immensen Verkehr ständig bearbeitet und immer kleiner gemahlen werden.

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Kaminfeuer | Wie viel Feinstaub und Schadstoffe entstehen, hängt davon ab, wie ein Holzofen betrieben wird. Bis spätestens 2025 müssen ältere Holzöfen entweder ersetzt oder mit Filtern nachgerüstet sein.

Wie lange bleiben Feinstäube in der Stadt?

Die meisten Menschen glauben, wenn an einer Messstation in der Stadt die Grenzwerte überschritten werden, dass dann auch die Luftqualität in der ganzen Stadt schlecht ist. Das stimmt weder für Feinstaub noch für andere Luftschadstoffe. Messungen mit mobilen Messgeräten zeigen, dass die Belastungssituation häufig schon in der nächsten Querstraße ganz anders ist. Neben der Verkehrsdichte spielt die Topografie eine entscheidende Rolle. In einer langen, schmalen Straße, die von hohen Häusern wie eine Schlucht begrenzt wird, kann der Luftaustausch mit der Umgebung fünf Minuten und mehr dauern. Herrscht in dieser Zeit viel Verkehr, so steigt logischerweise kontinuierlich die Konzentration der Schadstoffe.

Die Leopoldina sieht einen hohen Forschungsbedarf zur Ausbreitung von Luftschadstoffen und für die Erstellung entsprechender Modelle, die beispielsweise bei der Stadtplanung helfen könnten. Das bundesweite Forschungsprojekt »Stadtklima im Wandel« will dazu im Sommer seine Ergebnisse vorstellen. Wissenschaftler von 24 Firmen und Universitäten haben mit Drohnen, Flugzeugen, Ballonen, auf dem Fahrrad und zu Fuß regelmäßig in Stuttgart, Hamburg und Berlin Daten zu Wetter, Klima und Luftqualität gesammelt. Diese drei Städte sollen die Grundlage für Computerprogramme liefern, die die atmosphärischen Prozesse in einer größeren Stadt simulieren.

Hilft es, wenn beispielsweise Silvesterfeuerwerk verboten wird?

In der Diskussion über Feinstäube werden Zahlen oft falsch interpretiert. Eine große Menge an Staub bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Grenzwerte überschritten werden. Ein Beispiel dafür ist das Silvesterfeuerwerk. Das Umweltbundesamt hat aus den gemeldeten Absatzmengen der in Deutschland zugelassenen Feuerwerkskörper berechnet, dass jährlich etwa 4500 Tonnen Feinstaub (PM10) durch das Abbrennen von Feuerwerkskörpern freigesetzt werden. 2,25 Prozent der PM10-Emissionen eines Jahres entfallen demnach auf ein einziges Ereignis – auf die Silvesternacht.

Das Feuerwerk bildet sich in den Messungen der städtischen Messstationen ab: »PM10-Stundenwerte über 1000 μg/m³ sind in der ersten Stunde des neuen Jahres in Großstädten keine Ausnahme«, berichtet das Umweltbundesamt mit Blick auf Messwerte aus diesem Jahrzehnt. Sie sind allerdings auch nicht die Regel. Die Wetterlage ist entscheidend für die Höhe der Belastung. In der Silvesternacht 2018/19 gehörten in der Stunde nach Mitternacht Berlin-Friedrichshain (853 μg/m³), Fulda (951), Reutlingen (805) und Leipzig (781) zu den Spitzenreitern. In manchen Jahren zuvor lagen die bundesweit ermittelten Spitzenwerte sogar über 1500 μg/m³. Doch zur Wahrheit gehört ebenso, dass die Werte drei Stunden nach Mitternacht fast überall wieder in den Normalbereich fielen.

Dieser Aspekt ist wichtig, denn die meisten Grenzwerte für Luftverschmutzung sind keine Momentaufnahme einer akuten Belastung, sondern berücksichtigen den zeitlichen Verlauf. Die Behauptung, durch das Feuerwerk würden die Feinstaubgrenzwerte um das Zehnfache und mehr überschritten, ist schlicht falsch. Die Grenzwerte sollen eine Dauerbelastung möglichst gut widerspiegeln. Für Feinstaub gilt deshalb ein Tagesmittelwert, nicht das höchste Messergebnis des Tages. Dieser Mittelwert wird aus den 24 Stunden-Mittelwerten gebildet. So bleiben viele Städte trotz der Maximalwerte noch unter dem Grenzwert, allerdings reißen auch einige die Grenze. Am Neujahrstag 2019 lagen die betroffenen Orte fast alle in Süddeutschland.

Was hat es mit Meldungen auf sich, dass die Feinstaubwerte im Alltag oft höher sind als an den Hotspots im Straßenverkehr?

Viele populäre Beispiele zur Feinstaubbelastung vernachlässigen den zeitlichen Faktor. So sorgte eine Dekra-Messung in Stuttgart im Frühjahr 2018 bundesweit für Aufsehen. Zwei Mitarbeiter waren mit Feinstaubmessgeräten in der Stadt unterwegs. Sowohl an der S-Bahn als auch in einer U-Bahn-Station kletterte die Anzeige der Geräte auf mehr als 100 Mikrogramm. Doch man kann daraus nicht ableiten, dass der öffentliche Nahverkehr eine Feinstaubschleuder ist. »Diese Exposition bewegt sich im Minutenbereich, die Peaks sind während der Einfahrtszeit des Zuges«, erklärt Jürgen Bachmann, während der Wartezeit seien die Werte deutlich niedriger.

Der erhöhte Messwert entsteht vermutlich durch den Sog des einfahrenden Zuges. Überall, wo Stäube aufgewirbelt werden, steigen auch die Feinstaubwerte. Das gilt für Abbrucharbeiten an einer Baustelle ebenso wie für den Staubsauger zu Hause. Die Dekra-Spezialisten haben den Teppich in einem Konferenzraum gesaugt. Zunächst lag der Messwert nahe null, nach einer Viertelstunde Saugen kletterte er auf 75 Mikrogramm. Wer auf diesem Weg den Tagesgrenzwert überschreiten will, muss mehrere Stunden saugen. Zudem gibt es auch Geräte mit besseren Filtern, die Allergikern empfohlen werden und weniger Staub aufwirbeln.

Warum sind Feinstäube gefährlich?

Feinstaubteilchen sind sehr unterschiedlich. Sie variieren in Größe, Form, Zusammensetzung und Wasserlöslichkeit. Das Gesundheitsrisiko liegt nicht so sehr in der chemischen Zusammensetzung, sondern in ihrer Eigenschaft als Fremdpartikel, die zu anhaltenden Irritationen im Organismus führen können. Besonders belastend sind Partikel, die der Körper nicht abbauen kann.

Für das Risiko ist die Größe der Teilchen wichtig. Je kleiner sie sind, desto tiefer können sie in den Körper eindringen. PM10-Partikel gelangen bis in die Bronchien, PM2,5-Teilchen erreichen auch die Lungenbläschen. Ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser von 0,1 millionstel Meter und weniger können sogar von der Lunge in die Blutgefäße übertreten und dadurch in der Lunge sowie in anderen Organen Schaden anrichten.

Die größeren Atemwege können sich zum Teil selbst reinigen. Die kleinen Partikel werden teilweise wieder ausgeatmet oder -gehustet, sie können jedoch auch über lange Zeit in den tiefen Atemwegen verbleiben. Kurzfristige Belastungen mit Feinstaub können zu Asthmaanfällen, Herzinfarkten, Herzinsuffizienz oder Schlaganfällen führen. Langfristige Belastungen erhöhen das Risiko für Lungenkrebs, Erkrankungen der Atemwege, des Herz-Kreislauf-Systems und für Diabetes. Die Experten der Leopoldina verweisen darauf, dass gesundheitliche Wirkungen von Feinstaub auch unterhalb des heute in der EU gültigen Grenzwerts vorkommen.

Wie wird die Debatte um Feinstäube weitergehen?

Oberflächlich betrachtet könnte man sagen, dass Deutschland auf einem guten Weg ist. Die Feinstaubbelastung geht seit Jahrzehnten zurück. Während zu Beginn der 1990er Jahre im Jahresmittel großräumig Werte um 50 µg/m³ gemessen wurden, liegen die Jahresmittelwerte für PM10 heute zwischen 15 und 20 µg/m³. Grenzwertüberschreitungen sind selten. Allerdings hat die EU auch nicht die Empfehlung der Weltgesundheitsorganisation (WHO) übernommen. Der WHO-Richtwert für den Jahresmittelwert liegt für die PM10-Partikel bei 20 μg/m³; der EU-Grenzwert liegt mit 40 μg/m³ doppelt so hoch. Noch deutlicher ist der Unterschied für PM2,5: Die WHO empfiehlt 10 μg/m³ – Europa hat seinen Grenzwert mit 25 μg/m³ festgelegt.

Möglicherweise sind beide Empfehlungen noch zu hoch. Neue Forschungsergebnisse aus den USA zeigten eine lineare Expositions-Wirkungs-Beziehung von Feinstaub mit der Sterblichkeit bis hinunter zu einem Jahresmittelwert von 5 μg/m³. Viele Experten fordern zudem, dass die Größenverteilung der Partikel stärker berücksichtigt werden soll. Dann bekäme der besonders lungengängige Ultrafeinstaub (PM0,1) mehr Aufmerksamkeit. Diese Umstellung würde aber die Möglichkeiten der Analytik in den bisher üblichen festen Messstellen überfordern.

Für Ultrafeinstaub gibt es derzeit weder einen Richtwert der WHO noch einen Grenzwert in der EU. Dass diese Partikel eine wichtige Rolle spielen, zeigen Messergebnisse. Zwar beträgt der Anteil des Ultrafeinstaubs an der Feinstaubgesamtmasse weniger als fünf Prozent. Schaut man aber auf die Anzahl der Partikel, so liegt der Anteil bei mehr als 90 Prozent. Spätestens wenn die Messtechnik für den Routinebetrieb ausgereift ist, wird die Debatte über einen Grenzwert für diese Stoffklasse beginnen.

17/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 17/2019

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