Die Definition des Feinstaubs geht zurück auf den im Jahre 1987 eingefuehrten National Air Quality Standard for Particulate Matter (kurz als PM-Standard bezeichnet) der US-amerikanischen Umweltschutzbehoerde EPA (Environmental Protection Agency). Dieser stellt eine grundlegende Veraenderung 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 Schleimhaeuten im Nasen/Rachenraum bzw. den Haerchen im Nasenbereich nur bedingt zurueckgehalten werden, wärend groebere Partikel keine Belastung der Atemwege darstellen (daher wird im Zusammenhang mit Feinstaub auch von inhalierbarem Feinstaub bzw. als thorakalem Schwebstaub gesprochen).
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 ueblicherweise 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 vollstaendig einbezogen, bei groesseren Partikeln wird ein gewisser Prozentsatz gewertet, der mit zunehmender Partikelgroesse 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 groessenselektiven Einlass an den Messgeraeten erreicht). Aus dem Verlauf dieser Gewichtungsfunktion leitet sich letztendlich auch die Bezeichnung PM10 ab, da bei ca. 10 µm genau die Haelfte der Partikeln in die Gewichtung eingehen.
Im Jahre 1997 wurde die amerikanische Richtlinie um PM2.5 ergaenzt, die den lungengaengigen (alveolengaengigen) 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 schaerfere Trennung lässt sich nicht mehr durch einen speziellen Einlass erreichen, hierfuer 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).
Feinstaub kann sowohl aus natuerlichen wie auch aus anthropogenen Quellen stammen. Welche Quelle an welchem Ort dominiert, haengt von den jeweiligen oertlichen Gegebenheiten ab.
Hauptverursacher des anthropogenen Anteils am Feinstaub in Deutschland sind (in Klammern: prozentualer Anteil in Deutschland laut Bundesumweltministerium, Stand 2001):
Beim o.g. Anteil des Strassenverkehrs sind jedoch Abrieb von Reifen, Bremsbelaegen und Strassenasphalt nicht berücksichtigt. Der Reifenabrieb verursacht grob geschaetzt rund 60 kt/a (davon PM10-Anteil etwa 10%, also rund 6 kt/a) und Bremsabrieb 5,5 - 8,5 kt/a (ueberwiegend PM10) (Umweltbundesamt 2004). über Emissionen von der Strassenoberflaeche sind keine Schaetzungen bekannt. Insbesondere in den Staedten beträgt der Anteil des Verkehrs an den Feinstaubemissionen deutlich über 50 Prozent.
Auch die Landwirtschaft traegt zur Feinstaubemission bei. Ihr durchschnittlicher Anteil an der europaeischen PM10-Emission beträgt etwa 9%, wobei etwa die Haelfte auf Tierhaltung zurueckzufuehren 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 Raeumen traegt auch der Rauch von Zigaretten zur Feinstaubbelastung bei.
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:
- Der ab dem 1. Januar 2005 einzuhaltende Tagesmittelwert für PM10 beträgt 50 µg/m³ bei 35 zugelassenen ueberschreitungen im Kalenderjahr.
- Ab dem Jahr 2005 beträgt der Jahresmittelwert für PM10 40 µg/m³.
Um diese Grenzwerte einhalten zu können, werden in den einzelnen europaeischen Laendern unterschiedliche Strategien verfolgt:
In London hat die 2003 eingefuehrte City-Maut in Hoehe von bisher 5 £ (ca. 7,50 €) zu 18 % weniger Verkehr und 12 % weniger Feinstaub gefuehrt. Ab Juli 2005 beträgt die Gebuehr 8 £. Bis 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.
In Österreich gibt es Subventionen für Partikelfilter bei Dieselfahrzeugen sowie Foerderung von Biodiesel. Ausserdem gibt es Luftsanierungsgebiete – z. B. in Teilen des Inntals in Tirol oder im Grossraum Graz.
Deutschland plant Subventionen für Partikelfilter, eine emissionsabhaengige Maut für Lkw sowie Fahrverbote in Staedten für nicht als emissionsarm gekennzeichnete Fahrzeuge.
Derzeit fordern einige politische Parteien in Deutschland die Einführung von Partikelfiltern in Dieselfahrzeugen und Verguenstigungen 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.
Angesichts der haeufigen Grenzwert-ueberschreitungen in deutschen Staedten argumentieren viele Politiker, die EU-Richtlinie 1999/30/EG [1] sei nicht einzuhalten, die Grenzwerte muessten daher erhöht werden. Das Beispiel Schweiz (siehe unten) zeigt jedoch, dass noch schaerfere Grenzwerte dort ueberwiegend eingehalten werden.
Der Verband der Automobilindustrie haelt eine regelmaessige 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 uebersteigende Feinstaubbelastung durch Tabakrauch in Innenraeumen vielfach ignoriert. Italienische Wissenschaftler leiteten aus entsprechenden Untersuchungen (s. u.) die dringende Forderung ab, in allen geschlossenen oeffentlichen Raeumen und Arbeitsstaetten ein Rauchverbot zu verhaengen.
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 zusaetzliche Erhöhung, aber die Konzentration im verkehrsfernen Bereich sinkt bei austauscharmen Wetterlagen auch nicht.
- Im Prinzip können auch saubere Fahrzeuge Feinstaub durch Reifenabrieb und Aufwirbelung erzeugen, besonders wenn sich bereits eine Feinstaubschicht in Bodennaehe befindet bzw. die Strasse gestreut wurde.
- Bei groesserer Schadstoffverfrachtung in Gebiete hinein wirken Massnahmen innerhalb dieser Gebiete naturgemaess nur teilweise – es sind regional uebergreifende Konzepte noetig.
- Ein Umstieg eines groesseren Teils der Pendler auf den oeffentlichen Verkehr nur an Tagen mit hoher Schadstoffkonzentration ist aus Kapazitaetsgruenden nicht möglich. Ressourcen auf Verdacht vorzuhalten ist für die Verkehrsbetriebe nicht leistbar.
- Instrumente zur Foerderung 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 gewuenscht (Videoueberwachung).
- Begrenzte Erfolge haben Gratis-oeV-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.
Die hoechste Feinstaubbelastung aller 30 OECD-Hauptstaedte weist Seoul auf. Der weitere Ausbau des oeffentlichen Personennahverkehrs (siehe U-Bahn Seoul) soll einen Rueckgang des Kraftverkehrs herbeifuehren; daneben will die Regierung Anreize zur Benutzung weniger stark verschmutzender Fahrzeuge und zum Einbau emissionssenkender Technik geben.[2]
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 Verstaerkung von Allergiesymptomen, die Zunahme von asthmatischen Anfaellen, 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 haengt, neben der Toxizitaet der Partikel u.a. Blei, Vanadium, Beryllium und Quecksilber, auch von der Groesse 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. So gelangen ultrafeine Teilchen (Durchmesser unter 0,1 µm) bis in die Lungenblaeschen (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 Morbiditaet - gemessen an der Anzahl der Krankenhauseinweisungen infolge von Atemwegserkrankungen - um 0,5 bis 5,7% steigt, und die Mortalitaet (das Sterberisiko) um 0,2 bis 1,6% steigt. Die 2001-2004 durchgefuehrte 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 erhoehten Mortalitaet gegenüber kardiopulmonalen Todesursachen einher gehen kann.
Wegen des linearen Zusammenhangs gibt es keine unschaedliche Feinstaubkonzentration. Für die Bevoelkerung der europaeischen Union ergibt dies im Durchschnitt eine um mindestens ein Jahr reduzierte Lebenserwartung durch die Gesamtfeinstaubbelastung.
Die Studien sind zwar ein Hinweis auf Gesundheitsschaeden; jedoch können eventuelle Stoergroessen 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 schaerfere Feinstaubgrenzwerte verwendet zu haben. Nach WHO-Aussagen verkuerzt sich infolge des Feinstaubes die durchschnittliche Lebenszeit aller Europaeer im Mittel um 8,6 Monate und in Deutschland um 10,2 Monate. Die EU-Kommission geht von circa 310.000 Todesfaellen europaweit aus, die jedes Jahr vorzeitig infolge der Feinstaubbelastung eintreten.
Juengere Forschungen haben gezeigt, dass der PM2,5-Anteil am Feinstaub besonders gesundheitsgefaehrdend 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 Gefaehrlichkeit wird offensichtlich nicht durch die Masse, sondern vor allem durch die Oberflaeche der Partikel bestimmt. Partikel, die aus Verbrennungsprozessen stammen, sind offensichtlich relevanter als beispielsweise Bodenpartikel oder Reifenabrieb. Weitgehend ungeklaert ist noch, welche Bedeutung die verschiedenen Partikelkomponenten (anorganisch, organisch, loeslich, unloeslich, fluechtig, nichtfluechtig) haben.
Seesalze tragen durchschnittlich 5 µg/m³ zum PM10-Anteil auf der Nordseeinsel Norderney bei [3]. Da sie wasserloeslich 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 Innenraeumen aufhaelt, spielt deren Partikelbelastung eine wichtige Rolle. Hier besteht noch besonderer Forschungsbedarf [4].
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 Tueren und Fenstern einen Ford Mondeo Turbodiesel 30 Minuten laufen lassen, und dann den Partikelanteil bestimmt. Anschliessend wurde die Garage vier Stunden lang gruendlich gelueftet 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 europaeische Emissionsgrenzwert beträgt 40 Mikrogramm pro Kubikmeter. Ihre Untersuchung, so das Fazit der Wissenschaftler, belege den dringenden Bedarf, in allen geschlossenen oeffentlichen Raeumen und Arbeitsstaetten ein Rauchverbot zu verhaengen.
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 haette gezeigt, dass der Rauch einer Zigarette etwa so viel Feinstaub enthaelt, 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 haette, dass die Feinstaubemissionen eines nicht abgasreduzierten Dieselmotors selbst im Leerlauf um ein Vielfaches höher sind als die von Zigaretten.
Europäische Union
Nach der 1980 beschlossenen Richtlinie 80/779/EWG [5] wurden die Mitgliedstaaten zur Einhaltung folgender Grenzwerte ab 1. April 1983 verpflichtet:
- 80 µg/m³ für den Median der wärend 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 Summenhaeufigkeit aller wärend des Jahres gemessenen Tagesmittelwerte von PM10, eine ueberschreitung ist nur einmal an hoechstens drei aufeinanderfolgenden Tagen erlaubt.
Der Europäische Gerichtshof hat 1991 festgestellt [6], dass die Bundesrepublik Deutschland die Richtlinie nicht rechtzeitig umgesetzt hat; die Grenzwerte wurden jedoch eingehalten.
Die 1996 beschlossenen Richtlinie 96/62/EG [7] 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 [8] legt für die Zeit ab 1. Januar 2005 folgende Grenzwerte fest:
50 µg/m³ für den 24-Stunden-Mittelwert von PM10, es sind 35 ueberschreitungen 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 Verschaerfungen der Grenzwerte in Kraft treten, wenn sie nicht vorher geaendert werden:
- weiterhin 50 µg/m³ für den 24-Stunden-Mittelwert von PM10, es sind jedoch nur noch 7 ueberschreitungen pro Jahr erlaubt;
- 20 µg/m³ für den Jahresmittelwert von PM10.
Die zustaendigen Behoerden müssen bei ueberschreitungen kurzfristig mit Aktionsplaenen Gegenmassnahmen treffen. Sie sind verpflichtet, Luftreinhalteplaene aufzustellen, wenn zukuenftig geltende Grenzwerte deutlich ueberschritten werden.
In mehreren europaeischen Ballungsgebieten werden die Grenzwerte ueberschritten. Als erste deutsche Stadt hat Stuttgart am 13. März 2005 den Grenzwert zum 35. Mal ueberschritten.
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) ueberschritten.
Der Grenzwert für PM10 als 24-h-Mittelwert von 50 µg/m³ darf hoechstens 1 mal im Jahr ueberschritten werden. Die permanente ueberschreitung von Grenzwerten lässt viele Schweizerinnen und Schweizer an der Glaubwuerdigkeit von Grenzwerten zweifeln. Der Feinstaub-Tagesmittelwert wurde im Februar 2006 um das vielfache ueberschritten, 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 Anzuenden von Kaminfeuern untersagt.
USA
Bei PM10 darf der Jahresmittelwert hoechstens 50 µg/m³ betragen, der 24-Stunden-Mittelwert darf 150 µg/m³ hoechstens einmal pro Jahr ueberschreiten.
Bei PM2,5 beträgt der Grenzwerte für den Mittelwert von drei Jahren 15 µg/m³. Zusaetzlich muss der Mittelwert in der 98. Perzentile der 24-Stunden-Werte dreier Jahre 65 µg/m³ einhalten.
Die nationale Umweltschutzbehoerde 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 Umweltbehoerde verfassungsgemaess ermaechtigt wurde, Grenzwerte festzulegen, und dabei nicht die daraus resultierenden wirtschaftlichen Kosten zu beachten braucht. 2002 stellte ein Gericht dazu fest, dass die Umweltschutzbehoerde weder ihren Ermessensspielraum ueberschritten noch willkuerlich gehandelt hat (etc.)
Aktuelle Diskussion über Feinstaub
Der DPF stellt sicherlich die technisch beste Lösung dar, um die krebserregenden Partikel in den Emissionen von Dieselmotoren massiv zu reduzieren. Dennoch sollte das Verbesserungspotential bei der Feinstaubbelastung durch den DPF nicht ueberschaetzt werden, da der Anteil des Strassenverkehrs (Pkw und Nutzfahrzeuge) an der Feinstaubbelastung für Partikel < 10 µm lediglich 17 % im Bundesdurchschnitt beträgt (Quelle: SPIEGEL 14/05). Eine Veroeffentlichung in den VDI-Nachrichten besagt, dass bei einer Nachruestung aller KFZ in Deutschland der gesamte Feinstaubanteil nur um ca. 5 % zurueckginge.
Grenzwertueberschreitungen in den Staedten Die ueberschreitungen der von der Europaeischen Union vorgegebenen Grenzwerte sind dagegen tatsaechlich auf den Kraftverkehr als Hauptverursacher zurueckzufuehren. Das liegt an der in Staedten extrem viel höheren Verkehrsdichte als im Bundesdurchschnitt. Der Stadtverkehr traegt zur lokalen Belastung oftmals zu mehr als 50 % bei, wie die Messungen der einzelnen Städte belegen. An den Orten mit Grenzwertueberschreitungen liegt der Anteil in der Regel nochmal deutlich höher.
Massnahmen Es kommen kommunal sehr viele Möglichkeiten in Betracht, die lokale Feinstaubbelastung zu entschaerfen. Obwohl in Deutschland die Feinstaubproblematik von allen EU-Mitgliedsstaaten am schlimmsten ausgepraegt ist, werden hier jedoch nur zoegerlich Massnahmen zu Reduktion ergriffen. In Griechenland oder Italien z. B. sind in den Grossstaedten sogar zeitliche Fahrverbote über alle Fahrzeugklassen hinweg in Anwendung. Athen z. B. lässt in die Innenstadt tageweise wechselnd nur Fahrzeuge mit geraden bzw. ungeraden Nummernschildzahlen einfahren. Bei den in Europa bis jetzt eingerichteten Citymautsystemen (z. B. London) wird u. a. nach Emissionsklassen unterschieden.
