Der Beitrag des biogenen sekundären organischen Aerosols zur Feinstaubbelastung in Ballungsräumen
Stipendiat:
Antragsteller: Endlicher (HU)
Co-Antragsteller: Hansen (HU), Langner (HU)
Kennwort: Feinstaubbelastung
Fragestellung
Zum 1.1.2005 wurden durch die EU-Richtlinie 1999/30/EG (EU 1999) erstmals europaweit Grenzwerte (24-Stunden-Grenzwert und Jahresgrenzwert) für PM10-Stäube festgesetzt. Der 24-Stundengrenzwert von 50 μg/m³, der nicht häufiger als 35mal im Jahr überschritten werden darf, konnte bereits in den ersten Monaten des Jahres 2005 in mehreren deutschen Städten nicht eingehalten werden. Die Reduzierung der Feinstaubkonzentration der Luft ist damit derzeit die drängendste Aufgabe der Luftreinhaltung und das aktuell am stärksten diskutierte stadtspezifische Umweltproblem. Zusätzliche Brisanz ergibt sich durch die in einer zweiten Stufe geplante Verschärfung der bestehenden Grenzwerte bis zum Jahr 2010. Dringender Forschungsbedarf besteht deshalb hinsichtlich der bis dahin zum Schutz der Gesundheit der Bevölkerung zu ergreifenden Reduktionsmaßnahmen.
Da kurzfristige Regelungen wie Fahrverbote an Tagen mit hohen PM10-Konzentrationen nicht geeignet sind, die Partikelbelastung flächenhaft und nachhaltig zu reduzieren, gewinnen langfristige Maßnahmen zur Herabsetzung der Partikelbelastung zunehmend an Bedeutung. Die urbane Vegetation, die aufgrund ihrer großen Oberfläche als Partikelfilter wirkt, kann die Partikelimmission vermindern. Zwar ist die Filtereffizienz von Einzelbäumen insbesondere für feine Stäube eher begrenzt, größere Vegetationsbestände könnten aber durchaus eine signifikante Reduzierung der Partikelbelastung bewirken (Langner 2005). Gleichzeitig stellt die Vegetation jedoch auch eine Quelle für Aerosole dar. Hierbei spielen neben den Pollen insbesondere sekundäre organische Aerosole (SOA) mit einem Partikeldurchmesser kleiner 1 μm eine wichtige Rolle. Sie werden aus von der Vegetation freigesetzten BVOCs (Biogenic Volatile Organic Compounds) bzw. ihren Abbauprodukten gebildet. Über die Eigenschaften und die Wirkmechanismen, durch welche feinste Partikel die menschliche Gesundheit beeinträchtigen könnten, besteht noch weitgehend Unsicherheit (Lahl & Steven 2004). Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass von diesen biogenen Aerosolen auch humantoxische Wirkungen ausgehen.
Das Ziel des beantragten Teilprojektes ist es, im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung der Vegetation als Quelle und Senke für Partikel die Bedeutung städtischer Vegetation als Quelle für sekundäres biogenes Aerosol zu untersuchen. Dabei stehen die folgenden Fragen im Vordergrund:
- Wie beeinflusst die Vegetation die Partikelfraktionen PM1, PM2,5 und PM10?
- Wie unterscheidet sich die Verteilung der C-Spezies im PM2.5 im Straßenraum von derjenigen in vegetationsbestandenen Freiflächen?
- Trägt die Bildung sekundären biogenen organischen Aerosols aus urbanen Grün- und Brachflächen signifikant zur Belastung der städtischen Atmosphäre mit feinen Partikeln bei?
- Lassen sich aus Emissionsmodellen für BVOCs unter Einbeziehung klimatischer und lufthygienischer Daten (insbesondere Ozon-Konzentrationen) quantifizierbare Aussagen über die Partikelneubildung ableiten?
- Wie ist die Quellfunktion von Vegetation für Partikel im Vergleich zu ihrer Senkenfunktion zu bewerten und welche Aussagen zur Erstellung von Luftreinhalteplänen und zur lufthygienischen Bewertung von innerstädtischen Grün- und Brachflächen können daraus abgeleitet werden?
- Wie wird die Partikelbildung durch Klimaelemente (insbesondere Strahlung und Temperatur) beeinflusst?
- Lassen sich charakteristische Unterschiede zwischen verschiedenen Vegetationsstrukturen feststellen?
Methoden
Zur Bestimmung des Anteiles sekundären organischen Aerosols am gesamten organischen Kohlenstoff (OC) in PM2,5-Proben wird der elementare Kohlenstoff (EC) als Tracer für primäre kohlenstoffhaltige Partikel verwendet (SALMA et al. 2004). Dazu wird ein primäres Verhältnis (OC/EC)prim gebildet, aus dem sich mit den gemessenen Werten von OC und EC in der Probe der Anteil an SOA berechnen lässt. Dieser kann in Städten im Sommer zwischen 40 und 95% schwanken (DAN et al. 2004). Zur Differenzierung zwischen verkehrsbedingtem und biogenem SOA wird die zeitliche Variation der BVOC-Emissionsrate mittels bekannter Algorithmen (GUENTHER et al. 1993, HANSEN & SEUFERT 2003) anhand von Licht- und Temperaturdaten berechnet und mit der Variation der SOA-Konzentration verglichen.
Die Staubproben werden an Standorten in verschieden strukturierten, vegetationsbestandenen Freiflächen und an einem verkehrsexponierten Straßenstandort mit einem Kleinfiltergerät gewonnen. Vorgesehen sind kampagnenhafte Messungen der PM2,5-Konzentration in Abhängigkeit von der Witterungssituation. Die Beprobung erfolgt in einem 24-stündigen Probenahmeintervall, um für die weitere Analytik eine ausreichende Probenmenge zu gewährleisten. Die Auswahl der Standorte wird in enger Abstimmung mit den anderen Teilprojekten vorgenommen, insbesondere wird der straßennahe Messstandort auf einer der in TP 8 untersuchten Flächen eingerichtet.
Die PM2,5-Proben werden auf Quarzfaserfiltern gesammelt, um so in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2465/2 die Gehalte an organischem und elementaren Kohlenstoff zu bestimmen. Die C-Analytik erfolgt am JRC (Institut für Nachhaltigkeit und Umwelt des Joint Research Centers der EU in Ispra, Italien).
Zur parallelen Bestimmung der Partikelgrößenverteilung während der Beprobungszeiträume werden zwei optische Partikelzähler der Firma GRIMM eingesetzt, mit denen der zeitliche Verlauf der PM10-, PM2,5- und PM1-Konzentration ermittelt werden kann.
Daten zur Ozonbelastung stehen aus dem Berliner Luftgüte-Messnetz (BLUME) zur Verfügung. Es ist geplant, diese Werte durch Messungen mit einer eigenen Ozon-Sonde an den einzelnen Messstandorten zu ergänzen.
Zur Einschätzung der Gesamtterpenoid-Emission der Vegetation können im Prinzip die Methoden herangezogen werden, mit denen Inventuren auf europäischer Ebene (SIMPSON et al. 1999) und für Nordamerika (GUENTHER et al. 2000) erstellt wurden. Die Modellrechnungen erfolgen mittels geeigneter Algorithmen unter zu Hilfenahme von Strahlungs- und Temperaturwerten, Blattbiomassedaten und artspezifischen Emissionsfaktoren. Je nach Datenverfügbarkeit werden geschätzte oder mittels Fernerkundung erhobene Biomassedaten verwendet.
Thema der geplanten Dissertation
Innerstädtische Vegetation - Quelle oder Senke feiner Partikel?