Feinstaub: besser messen, gezielter vermeiden

Es herrschte im Januar 2016 erstmals Feinstaubalarm in einer deutschen Stadt. Stuttgart hat die Bürger gebeten, Autos stehen zu lassen und bestimmte Kamine nicht zu nutzen. Medienberichten zufolge scheint die Resonanz nicht allzu groß zu sein.

»Um Belastungen wie in Stuttgart gezielt zu reduzieren, müssen Atmosphärenforscher noch konkreter herausfinden, wer in welchem Maß Verursacher für Feinstaub ist. Hier besteht noch einiger Forschungsbedarf«, sagt Prof. Astrid Kiendler-Scharr vom Institut für Energie- und Klimaforschung des Forschungszentrums Jülich. Sie beschäftigt sich mit physikalischen und chemischen Prozessen in der Atmosphäre.

»Feinstaub entsteht nicht nur durch Verkehr, Industrie oder Verbrennung von Holz. Ein Teil bildet sich erst in der Luft durch die Reaktion von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden mit sogenannten Radikalen, sehr reaktiven und kurzlebigen Molekülen«, erläutert die Wissenschaftlerin.

Seit mehreren Jahren untersuchen sie und weitere Jülicher Forscher die Luft im Großraum Peking. Stuttgart und die chinesische Hauptstadt lassen sich jedoch nur bedingt vergleichen – nicht nur wegen der unterschiedlichen Größe. »In der chinesischen Hauptstadt werden in Akutphasen Belastungen mit Partikeln bis zu zehn Mikrometer Größe (PM10) von einigen 100 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft gemessen. Das kann man mit bloßem Auge sehen und ist zehnmal so hoch wie der europäische Grenzwert, der an maximal 35 Tagen im Jahr überschritten werden darf. Noch interessanter sind für uns die nur ein Mikrometer großen Partikel (PM1), denn insbesondere die gefährden die Gesundheit«, erklärt sie.

Mit »RAdical chemistry in ChinesE megacities« (RACE) ist gerade erst eine neue Jülicher Messkampagne in China gestartet. Hier wollen die Wissenschaftler noch mehr über Luftverschmutzung und chemische Prozesse herausfinden.

In Messnetzwerken zur Luftqualitätsüberwachung werden über einen Tag gemittelte Werte herangezogen, um die Belastung zu bestimmen. »Um Quellen exakt bestimmen zu können, müssen wir zunächst eines machen: genauer messen. Mit zeitlich hochaufgelösten Messungen auch von kleinen Partikeln lässt sich genau klären, wann welche Belastungen von wem auftreten«, so Kiendler-Scharr. Dann lassen sich auch passende Gegenmaßnahmen entwickeln.

So wie etwa in Bad Homburg: Dort konnten die Jülicher Wissenschaftler mit ihren mobilen Messgeräten herausfinden, dass Busse eine wichtige Quelle für die Stickoxidkonzentration in der Luft sind. Umweltfreundliche Busse sollen nun helfen, die für einen Luftkurort notwendige besonders gute Luftqualität zu erhalten.

Gerade bei Kommunen stellen die Jülicher Forscher ein großes Interesse an exakten Modellen zur Vorhersage der Luftqualität fest. »Für Feinstaub fehlt uns das noch, aber Deutschland ist gerade dabei, hier die Forschung gezielt zu intensivieren. Jülich ist hier stark involviert«, berichtet die Expertin für atmosphärische Spurenstoffe.

Jülicher Klimaexperten mit Themenschwerpunkten:

https://www.fz-juelich.de/portal/DE/Forschung/EnergieUmwelt/Klimaforschung/klimakgipfel_2015/expertenliste_klima_boden.html?nn=448936


Wintersmog in China – Auf der Suche nach unbekannten Radikalen

Feinstaub und Smog entstehen nicht nur durch Verkehr und Industrie. Ein Großteil der schädlichen Schadstoffe wird in der Luft erst gebildet – durch Hydroxylradikale und weitere, bisher unbekannte Stoffe. Diese Spurenstoffe wollen Atmosphärenchemiker des Forschungszentrums Jülich im Forschungsprojekt »RACE« aufspüren.

Anfang Januar startete das Team des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung, Bereich Troposphäre (IEK-8), in China eine neue Messkampagne. Für die Dauer eines Monats wollen die Atmosphärenforscher die chemische Zusammensetzung der Luft im Großraum Peking messen. Die Feldmessungen, die zusammen mit der Peking-Universität als Partner durchgeführt werden, sollen ein quantitatives Gesamtbild der Vorgänge in der Atmosphäre ergeben, um die chemischen Reaktionen gerade im Winter besser zu verstehen.

Professor Andreas Wahner leitet das RACE-Projekt (RAdical chemistry in ChinesE megacities): »Wir kennen die Prozesse im Sommer und wollen jetzt wissen, welche Substanzen die Smogbildung im Winter verstärken. Ein großes Ziel ist es, der chinesischen Regierung wie schon bei anderen Kampagnen zuvor konkrete Handlungsempfehlungen zu geben.«

foto (c) xin li forschungszentrum jülich

Die Messungen für das RACE-Projekt werden am nördlichen Stadtrand von Peking durchgeführt. Im Einsatz ist auch ein laserinduziertes Fluoreszenzspektroskop (LIF).

Copyright: Xin Li/Forschungszentrum Jülich

 

Radikale beschleunigen die Bildung von Smog

Schon mehrfach hat die chinesische Regierung in diesem Winter die höchste Smog-Alarmstufe in Peking ausgerufen. Dabei beschränkt sich das Problem nicht auf Peking-City; die Luftverschmutzung dehnt sich über hunderte von Kilometern in der nordchinesischen Ebene aus. In anderen chinesischen Metropolregionen wie Shanghai oder Guangzhou sieht die Lage ähnlich aus.

Speziell im Pekinger Plateau mischen sich anthropogen erzeugte Schadstoffe wie Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid und Stickoxide mit biogenen Emissionen aus der Landwirtschaft (Ammoniumnitrate) und aus den umliegenden Wäldern (Isoprene, Terpene). In der Atmosphäre treffen sie auf Hydroxylradikale – sehr reaktive Moleküle, die in der Chemie der Atmosphäre eine sehr wichtige Rolle spielen. Hydroxylradikale sind als »Waschmittel der Atmosphäre« bekannt und wichtig für den Abbau von Luftschadstoffen. »Normalerweise befindet sich nur ein Hydroxylradikal in einer Billion anderer Moleküle in der Luft, eine winzige Menge«, sagt Andreas Wahner. »Wenn aber zu viele andere Moleküle und Feinstaub-Partikel in der Luft vorhanden sind, bilden sich nicht nur mehr Abbauprodukte, sondern auch mehr Radikale.« Der Kreislauf beschleunigt sich. Weil gleichzeitig aber auch mehr Ozon gebildet wird, entsteht eine sogenannte Smog-Situation mit einer hohen Anzahl an Partikeln und hohen Ozonbelastungen.

Photochemie funktioniert im Sommer anders als im Winter

Seit 2006 haben die Jülicher Troposphärenforscher gemeinsam mit dem College of Environmental Science der Peking University mehrere Messkampagnen im Umfeld der Megacities Guangzhou und Peking durchgeführt. Diese Kampagnen fanden allesamt im Sommer statt, weil das kurzwellige Licht der Sonne die treibende Kraft der Selbstreinigung in der Atmosphäre ist. Viel Licht und höhere Temperaturen beschleunigen hier die chemischen Reaktionen. Doch wie laufen die photochemischen Prozesse im Winter ab? »Wir möchten herausfinden, ob es Prozesse gibt, die ohne Licht auskommen und trotzdem andere Stoffe oxidieren«, sagt Andreas Wahner, denn aus anderen Labor- und Felduntersuchungen weiß er, dass es neben den Hydroxyl- auch Stickstofftrioxidradikale gibt, die eine Rolle spielen könnten. Verstärken sie die Bildung von Wintersmog?

Spezielle Messtechnik für Hydroxylradikale

Hydroxylradikale lassen sich nicht einfach mit einem Gaschromatographen im Labor, sondern mit optischen Verfahren in der Atmosphäre selbst messen. Darum kommt in China ein laserinduziertes Fluoreszenzspektroskop (LIF) zum Einsatz, das die kleinen Moleküle bei 308 Nanometern Wellenlänge anregt. Die Radikale emittieren UV-Licht – diese Intensität wird gemessen und entspricht der Menge der Radikale. LIF-Spektroskopie ist eine Spezialität der Jülicher Forscher, nur sechs Teams weltweit können Hydroxylradikale auf diese Art messen.

Feld- und Atmosphärenkammerdaten verbessern Computersimulationen

»Die Daten werden uns außerdem helfen, unsere numerischen Computersimulationen zu verbessern oder zu überprüfen, ob wir tatsächlich das richtige Verständnis von den Vorgängen in der Atmosphäre haben«, hofft Andreas Wahner. Schon in der vergangenen Messkampagne fand die Arbeitsgruppe tatsächlich einen neuen Reaktionsweg zum bekannten atmosphärischen Stoffkreislauf, der dann im Einzelnen in der Atmosphärenkammer SAPHIR in Jülich untersucht werden konnte. Nach dem Abschluss der Messungen in China soll SAPHIR auch diesmal wieder zum Einsatz kommen.

Handlungsempfehlungen für die chinesische Regierung

Aus der ersten Kampagne konnten die Forscher Handlungsempfehlungen ableiten, den Verzicht auf schwefelhaltigen Dieselkraftstoff etwa. Andreas Wahner ist optimistisch, dass es auch diesmal gelingt. Denn er hat die Erfahrung gemacht, dass die chinesische Regierung an den Messungen sehr interessiert ist. Und er weiß, dass einiges auf dem Spiel steht, weil es um die Gesundheit von 30 Millionen Menschen allein im Großraum Peking geht. »Wenn wir die genauen chemischen Prozesse kennen, können wir die wichtigsten Emissionsquellen benennen und empfehlen, welche Emissionen gereinigt oder welche Industrieanlagen ganz abgeschaltet werden sollten. Und das sehe ich als unsere Hauptaufgabe. Die direkte Anwendung ist es, die uns – neben dem wissenschaftlichen Neuland, das wir beschreiten – an unserem Forschungs-Projekt RACE anspornt.«

Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Troposphäre (IEK-8) https://www.fz-juelich.de/iek/iek-8/DE/Home/home_node.html;jsessionid=B86AD418E00625C7E57BCC9415EE7C0D

Jülicher Klimaforschungskammer SAPHIR https://www.fz-juelich.de/iek/iek-8/DE/Leistungen/Infrastruktur/SAPHIR/SAPHIR_node.html;jsessionid=B86AD418E00625C7E57BCC9415EE7C0D

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