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Feinstaub

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Definition: in der Luft fein verteilte Partikel mit Durchmesser unterhalb von 10 μm

Englisch: particulate matter

Kategorien: Fahrzeuge, Grundbegriffe, Umwelt und Ökologie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 20.07.2014; letzte Änderung: 03.11.2016

Feinstaub besteht aus in der Luft fein verteilten Partikeln mit einem Durchmesser unterhalb von 10 μm. Im Gegensatz zu Staub mit größeren Partikeln kann Feinstaub weit in die Lunge eindringen und ist deswegen gesundheitlich wesentlich bedenklicher. Feinstaub wird teilweise über Abgase zum Beispiel von Dieselmotoren, Holzheizungen und diversen industriellen Anlagen freigesetzt. Die Feinstaubbelastung der Atemluft stammt also zu einem wesentlichen Teil von Verbrennungsprozessen. Allerdings gibt es auch diverse andere Quellen von Feinstaub, zum Beispiel auf Straßen von Fahrzeugen aufgewirbelter Staub, Abrieb von Bremsen und Kupplungen, Feuerwerke sowie die Aufwirbelung bei der Verladung von Schüttgut. Es gibt auch natürliche Quellen, etwa die Aufwirbelung von Staub durch Wind, der über erodiertes Gestein streicht, und Vulkanausbrüche. Extrem hohe lokale Konzentrationen von Feinstaub entstehen durch Tabakrauch sowie durch Rauch entwickelnde Feuer (auch Waldbrände).

Anders als gröberer Staub neigt Feinstaub kaum dazu, sich am Boden abzusetzen; er bleibt also sehr lange in der Luft und kann mit dem Wind auch über größere Entfernungen transportiert werden. Dies liegt daran, dass Feinstaubpartikel aufgrund ihrer sehr geringen Masse eine geringe Sinkgeschwindigkeit aufweisen. Beispielsweise liegt diese Sinkgeschwindigkeit für Partikel mit einer Größe von 1 μm bei nur etwas über 10 cm pro Stunde. Für eine Partikelgröße von 0,1 μm = 100 nm sind es nur noch einige Millimeter pro Stunde, und für 10 nm nur noch ca. 0,2 mm pro Stunde. Das bedeutet, dass bereits die feinste Luftbewegung weitaus stärker wirkt als das natürliche Sinken der Teilchen.

Feinstaub aus Verbrennungsprozessen

Feinstaub entsteht insbesondere in Form von Ruß, wenn die Verbrennung von Brennstoffen oder Kraftstoffen unvollständig verläuft. Die Vollständigkeit der Verbrennung hängt wiederum von der Art des Brennstoffs ab, aber stark auch von den Bedingungen der Verbrennung. Beispielsweise fördert ein Sauerstoffmangel die Bildung von Ruß, und ob entstandener Ruß in der Flamme später doch noch verbrennen kann, hängt davon ab, ob er lange genug in Bereiche der Flamme gerät, in denen genügend Sauerstoff vorhanden ist und gleichzeitig ausreichend hohe Temperaturen herrschen. In Dieselmotoren sind die Verhältnisse diesbezüglich wesentlich ungünstiger als bei Ottomotoren, wobei allerdings auch Ottomotoren mit Direkteinspritzung nennenswerte Partikelemissionen aufweisen können. (Bei Defekten z. B. am Einspritzsystem können die Emissionen noch massiv über das normale Maß ansteigen.) Neue Fahrzeuge mit Dieselmotoren müssen heute z. B. in der EU zunehmend strenge Grenzwerte für die Partikelemissionen erfüllen, was nur noch mit aufwendigen Abgasreinigungssystemen möglich ist; ein System mit Partikelfilter muss hierfür optimiert werden. Beispielsweise setzt die aktuelle Euro-6-Norm einen PM10-Grenzwert von 4,5 mg/km für Diesel- und Ottomotoren, während die Euro-3-Norm vom Jahr 2000 für Dieselmotoren noch mehr als das Zehnfache zuließ.

Vor allem kleinere Holzheizungen tragen vielerorts stark zur Feinstaubbelastung der Luft bei. Ähnliches gilt für die Verbrennung von Gartenabfällen in offenen Feuern.

Bei allen Arten von Hubkolbenmotoren entstehen meist kleine Mengen von Partikeln im Abgas auch durch Abrieb (z. B. durch Chrom- und Nickelaerosole durch Kolbenverschleiß), durch gewisse Additive im Kraftstoff und im Schmieröl und als Korrosionsprodukte.

Man beachte, dass Fahrzeuge Feinstaub nicht nur über die Abgase ausstoßen, sondern auch beispielsweise feinen Reifen- und Bremsabbrieb erzeugen und außerdem beim Fahren Staub von der Straße aufwirbeln, der zum Teil Feinstaub ist.

Ein großes Problem sind die Feinstaubemissionen von Holzheizungen, und zwar insbesondere von kleinen Anlagen. Hier kommen mehrere ungünstige Bedingungen zusammen. Die Versorgung der Flammen mit Sauerstoff ist oft ungenügend, und die Rußbildung kann auch stark zunehmen, wenn eine Flamme durch Kontakt mit der Ofenwand oder mit kaltem Holz stark abgekühlt wird. Sehr negativ ist außerdem die Verwendung von feuchtem Holz, welches naturgemäß schlechter abbrennt. Die zunehmende Verwendung kleiner Holzfeuerungen mit dem Ziel, fossile Energieträger im Bereich der Heizungen zu verdrängen, führt leider dazu, dass die Feinstaubbelastung der Luft in vielen Städten ähnlich stark durch Holzfeuerungen verursacht wird wie durch den Verkehr. Für neue Holzfeuerungen wird in Deutschland demnächst gefordert werden, dass Filter zur Reduktion der Feinstaubbelastung des Abgases eingesetzt werden. Allerdings werden trotzdem viele alte Feuerungen verbleiben, die noch jahrelang die Luft belasten werden. Auch die illegale Verbrennung von Abfällen in Holzöfen ist schwer einzudämmen, zudem das Wissen um die verursachten massiven Gefährdungen zu wenig verbreitet ist.

Bei großen Feuerungen ist es einfacher, die Feinstaubemissionen niedrig zu halten. Hier kann eher überwacht werden, dass kein feuchtes Holz verbrannt wird, und die Anlagen können technisch besser optimiert werden. Auch der Einsatz von Feinstaubfiltern ist hier eher möglich als bei kleinen Anlagen, weil die Kosten pro Kilowatt Heizleistung wesentlich niedriger ausfallen. Ebenso kann eher gewährleistet werden, dass solche Anlagen von sachkundigen Personal betrieben werden.

Gas- und Ölheizungen erzeugen kaum Feinstaub, da die Verbrennung solch hochwertiger Brennstoffe in modernen Anlagen leicht zu beherrschen ist.

Gesundheitliche Wirkungen von Feinstaub

Feinstaub ist kein Bagatellproblem: In Deutschland sterben jedes Jahr zigtausende Menschen vorzeitig daran.

Dem Feinstaub wird heute eine wesentliche Rolle im Zusammenhang mit der gesundheitsgefährdenden Luftverschmutzung zugeschrieben. Insbesondere gibt es starke Hinweise auf den Einfluss der Feinstaubbelastung der Luft auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen; auch die Häufigkeit von Herzinfarkten und die allgemeine Sterblichkeit nehmen in Gegenden und zu Zeiten mit hoher Feinstaubbelastung deutlich zu. Ebenfalls geht man von einem Einfluss auf allergische Erkrankungen und Asthma aus. Mikro- und Nanopartikel könnten ebenfalls über die Lunge in das Blut gelangen und dort womöglich weitere schädliche Wirkungen haben. Viele Details der gesundheitlichen Gefährdungen (einschließlich der biologischen Wirkungsmechanismen) sind aber wissenschaftlich noch nicht geklärt. Grobe Schätzungen auf der Basis epidemiologischer Studien ergaben, dass in Deutschland jährlich zigtausende von Menschen aufgrund der Feinstaubbelastung der Atemluft vorzeitig sterben [1]. Von erheblichen gesundheitsbedingten wirtschaftlichen Auswirkungen ist deswegen ebenfalls auszugehen.

Ein Teil der Wirkungen des Feinstaubs hängt wesentlich von der Art des Staubs ab; beispielsweise gilt Dieselruß, der auch krebserregende Substanzen enthält, als besonders schädlich. Ähnliches gilt für Zigarettenrauch. Es scheint aber auch Wirkungen zu geben, die hauptsächlich von der Größe und Zahl der Partikel abhängen und weniger von deren chemischer Zusammensetzung. Grundlegend scheint die Zahl der Staubpartikel pro Kubikmeter Atemluft wesentlicher zu sein als die gesamte Masse des Staubs. Insofern sind Immissionsgrenzwerte, die sich auf die Partikelmasse beziehen (also in Einheiten von μg/m3 angegeben werden), offenbar der Sachlage nicht angemessen. Immerhin ist es ein Fortschritt, dass heute nicht nur die so genannten PM10-Werte ermittelt werden, die die Gesamtmasse aller Teilchen mit Durchmesser kleiner als 10 μm erfassen, sondern oft auch PM2,5- und PM1-Werte, bei denen nur Teilchen kleiner als 2,5 μm bzw. 1 μm zählen. Allerdings beziehen sich gängige Immissionsgrenzwerte z. B. in der EU nach wie vor allein auf PM10-Werte. Beispielsweise gilt seit 2005 der Grenzwert von 50 μg/m3 für PM10 als einzuhaltender Tagesmittelwert, der maximal an 35 Tagen im Jahr überschritten werden dürfte; im Jahresmittel wären 40 μg/m3 erlaubt. Solche Grenzwerte können in den meisten größeren Städten nicht eingehalten werden. Dabei fordert die Weltgesundheitsorganisation (WHO) einen strengeren PM10-Grenzwert von 20 μg/m3 im Tagesmittel und 10 μg/m3 im Jahresmittel. Maßnahmen wie Umweltzonen (mit Fahrverboten für Fahrzeuge mit relativ hohen Feinstaubemissionen) oder zeitlich befristete Fahrverbote können lokal gewisse Verbesserungen bewirken, entschärfen die Problematik aber nicht grundlegend. Mittelfristig sind von strengeren Emissionsgrenzwerten für Fahrzeuge und Heizungsanlagen bessere Wirkungen zu erwarten.

Bei den EU-Abgasnormen für Kraftfahrzeuge wurde der Umstand, dass die Partikelzahl zusätzlich zu der Partikelmasse eine wichtige Rolle spielt, inzwischen berücksichtigt – für Fahrzeuge mit Dieselmotor seit der Norm Euro 5 b, bei Ottomotoren seit Euro 6.

Wohlgemerkt ist auch Feinstaub aus natürlichen Quellen keineswegs harmlos. Beispielsweise haben Forscher von der Harvard University mithilfe von Daten aus früheren Studien abgeschätzt, dass die Waldbrände, die im September und Oktober 2015 in Indonesien wüteten, durch den freigesetzten Feinstaub mindestens 100 000 zusätzliche Todesfälle verursacht haben dürften. In der EU dürfte es aufgrund des Feinstaubs in der Atemluft jährlich mehrere hunderttausend vorzeitige Todesfälle pro Jahr geben. Auch durch die Verbrennung von Gartenabfällen können lokal hohe Immissionen auftreten, die sehr gesundheitsschädlich sind.

Noch wenig geklärt ist die Wirkung von Nanoteilchen (ultrafeinen Partikeln), d. h. von Teilchen mit einem Durchmesser unterhalb von 0,1 μm = 100 nm (Nanometer). Ebenso ist eine weitere Entwicklung von Messverfahren für die Anzahl und Menge kleiner Partikel nötig.

Viel weitere Forschung wird notwendig sein, um die Zusammenhänge genauer zu verstehen und die Schädlichkeit verschiedener Feinstäube genauer quantifizieren zu können. Auch vor dies erreicht ist, verlangen die bereits vorhandenen Kenntnisse und das Vorsorgeprinzip, dass die Belastung der Atemluft mit Feinstaub baldmöglichst weiter vermindert wird.

Klimaschädlichkeit von Feinstaub

Seit einigen Jahren ist bekannt, dass sehr kleine Rußpartikel, die lange in der Atmosphäre verbleiben, in erheblichem Maß klimaschädlich sind. Der Artikel über Ruß enthält hierzu weitere Details.

Andere kleine Partikel können ebenfalls Auswirkungen auf das Klima haben, die jedoch von der Art der Partikel abhängen. Je nach Material variiert nämlich einerseits die Verweilzeit in der Atmosphäre und andererseits auch die Absorption von Infrarotstrahlung.

Literatur

[1]D. Kallweit und D. Wintermeyer, “Berechnung der gesundheitlichen Belastung der Bevölkerung in Deutschland durch Feinstaub (PM10)”, http://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/360/publikationen/berechnung_belastung_feinstaub_dtl_s_18-24.pdf
[2]Aktuelle Luftdaten vom Umweltbundesamt, http://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/aktuelle-luftdaten
[3]“Erhöhtes Sterberisiko durch Luftverunreinigung”, Studie des Leibniz-Instituts für umweltmedizinische Forschung, http://www.iuf-duesseldorf.de/pm20131216.html

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Abgas, Dieselmotor, Verbrennung, Ruß, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Grundbegriffe, Umwelt und Ökologie

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