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Luftschadstoffe

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Definition: gesundheits- oder umweltschädliche Stoffe in der Luft

Englisch: air pollutants

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Erstellung: 05.02.2016

Luftschadstoffe sind Substanzen, die in der Luft normalerweise nicht oder kaum vorkommen und schädliche Auswirkungen haben, insbesondere auf die menschliche Gesundheit, auf die Umwelt, die Landwirtschaft oder Gebäude und Kulturgüter. Die Belastung der Luft mit solchen Schadstoffen wird als Luftverschmutzung bezeichnet. Der Artikel über Luftverschmutzung bespricht die allgemeinen Aspekte, während es hier um Details von Schadstoffen geht.

Arten von Luftschadstoffen, ihre Quellen und Schadwirkungen

Eine Vielzahl von Luftschadstoffen ist bekannt, von denen hier nur die wichtigsten diskutiert werden:

Stickoxide

Stickoxide entstehen bei diversen Verbrennungsprozessen häufig aus Stickstoff und Sauerstoff der zugeführten Verbrennungsluft, teils auch aus dem Stickstoff- oder Sauerstoffgehalt der zugeführten Brennstoffe. Sie reizen vor allem die Atemwege, und eine genügend starke Exposition kann auch zu schweren Krankheiten führen – vermutlich auch zu Krebs. Außerdem führt der Eintrag von Stickoxiden über das Regenwasser in Böden zur zunehmenden Versauerung von Böden und Gewässern, was vor allem Waldschäden, aber auch Produktionsverluste in der Landwirtschaft und die Schädigung der Fauna in stehenden Gewässern verursacht.

Die Bildung von Stickoxiden erfolgt hauptsächlich, wenn hohe Verbrennungstemperaturen auftreten. Eine besonders starke Quelle von Stickoxiden sind die in Straßenfahrzeugen (Autos, Bussen, Lastwagen etc.) verwendeten Verbrennungsmotoren, und zwar vor allem Dieselmotoren, bei denen eine effektive Abgasreinigung (“Entstickung”) technisch schwerer zu bewerkstelligen ist als bei Benzinmotoren (Ottomotoren). Auch bei Benzinmotoren ist die Entstickung mit einem Abgaskatalysator nicht vollständig, insbesondere in der Warmlaufphase.

Die Entstickung bei großen Feuerungsanlagen ist leichter zu bewerkstelligen als z. B. vielen kleinen Motoren.

Es gibt auch andere Quellen von Stickoxiden, beispielsweise diverse Kraftwerke wie Kohlekraftwerke und Gaskraftwerke. Auch hier wird heute versucht, mit entsprechenden Abgasreinigungsanlagen eine möglichst weitgehende Entstickung zu erreichen. Eine solche kann bei stationären Anlagen, die die meiste Zeit mit relativ gleichmäßiger Last arbeiten, recht effektiv sein, und die spezifischen Kosten solcher Abgasreinigung sind wesentlich geringer als beispielsweise bei Autos.

Der Artikel über Stickoxide enthält weitere Details.

Ozon

Ozon ist ein stechend riechendes und Gas, welches die Atemwege reizt und giftig ist. Es wird kaum direkt z. B. von Verbrennungsmotoren emittiert, sondern entsteht aus anderen Luftschadstoffen wie Stickoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, besonders in Anwesenheit von starkem Sonnenlicht. Die Reduktion der Luftbelastung mit Ozon, welches oft ein wesentlicher Bestandteil des Smogs ist, muss also durch die Reduktion von Vorläufersubstanzen erreicht werden, wobei es nicht genügt, nur die lokalen Emissionen dieser Substanzen zu verringern.

Der Artikel über Ozon enthält weitere Details.

Schwefeldioxid

Die Bekämpfung der Schwefeldioxidemissionen war innerhalb der letzten Jahrzehnte durchaus erfolgreich. Damit haben auch die Belastungen für die Wälder wesentlich nachgelassen.

Schwefeldioxid entsteht bei der Verbrennung von schwefelhaltigen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl oder ungereinigtem Biogas. Bis zu den 1980er Jahren verursachten vor allem Kohlekraftwerke sehr hohe Schwefeldioxidemissionen. Durch die Verwendung hoher Schornsteine kam es dabei zwar nicht zu extrem hohen Immissionswerten z. B. in Städten, jedoch traten zunehmend Schäden in Wäldern auf, unter anderem durch die Versauerung von Böden. Das beobachtete Waldsterben war für die Politik der Anlass, zunehmend strengere SO2-Immissionsgrenzwerte für Kraftwerke festzulegen, und die technische Reduktion solcher Emissionen über stetig weiterentwickelte Entschwefelungsanlagen war recht effektiv. Deswegen sind die Schwefeldioxidemissionen heute wesentlich geringer als damals. Die Reduktion der SO2-Emissionen von Kleinfeuerungen (v. a. für Kohle und Holz) gestaltet sich dagegen wesentlich schwieriger, so dass lokale SO2-Immissionen trotzdem noch wesentlich sein können.

Erdöl enthält natürlicherweise erhebliche Mengen an Schwefel (mit großen Unterschieden zwischen verschiedenen Erdölquellen). Trotzdem können erdölbasierte Kraftstoffe wie Dieselkraftstoff und Brennstoffe wie Heizöl sehr schwefelarm sein, wenn sie in der Erdölraffinerie entsprechend hergestellt werden. Leider führt dies häufig nur dazu, dass der Schwefelgehalt nicht etwa abgetrennt, sondern in andere Produkte wie Schweröl verlagert wird, die dann beispielsweise als Kraftstoff für große Schiffe (Bunkeröl) eingesetzt werden.

Der Artikel über Schwefeldioxid enthält weitere Details.

Feinstaub

Die Erforschung der gesundheitlichen Wirkungen von Feinstaub ist sehr schwierig und aufwendig.

Unter Feinstaub versteht man in der Luft fein verteilte sehr kleine Partikel, die aus den unterschiedlichsten Substanzen bestehen können. Im Gegensatz zu gröberen Staub können solche kleinsten Partikel von den Atemwegen kaum daran gehindert werden, tief in die Lunge zu gelangen. Auch ein Übergang ins Blut und von dort in alle möglichen Organe ist möglich. Die gesundheitlichen Konsequenzen von Feinstaubbelastungen sind wissenschaftlich bislang nur recht unvollständig geklärt. Die entsprechende Forschung ist sehr aufwendig, u. a. weil eine Vielzahl unterschiedlicher Substanzen zu berücksichtigen ist, die womöglich sehr unterschiedliche Auswirkungen haben können. Außerdem treten entsprechende Schäden u. U. erst nach längerer Exposition auf, was die Zuordnung von Ursache und Wirkung erschwert.

Der Straßenverkehr erzeugt verschiedene Arten von Feinstaub – nicht nur über die Abgase.

In Städten stammt ein großer Teil der Feinstaubbelastung vom Straßenverkehr – einerseits aus Abgasen von Verbrennungsmotoren, v. a. von Dieselmotoren ohne Rußpartikelfilter oder mit eingeschränkt wirksamem Filter und andererseits durch Abrieb von Reifen und Bremsen sowie durch Aufwirbelung von bereits auf der Straße vorhandenem Staub. Es ist heute klar, dass insbesondere Feinstaub in Form kleiner Rußpartikel sehr gefährlich ist; weniger klar ist, inwieweit die Aufwirbelung natürlicher Staubpartikel (die sogar durch das Fahren von Elektroautos erfolgt) ebenfalls schädlich wirkt. Die Feinstaubemissionen von Dieselmotoren können durch moderne Rußpartikelfilter recht effektiv vermindert werden, während gegen die Aufwirbelung von Partikeln wohl kaum Maßnahmen möglich sind.

Auch Heizungsanlagen, die mit Festbrennstoffen betrieben werden, tragen oft stark zur Feinstaubbelastung bei.

Im Winter kann auch ein erheblicher Teil der Luftbelastung mit Feinstaub von Heizungsanlagen stammen, die mit Festbrennstoffen wie Holz oder Kohle betrieben werden. Bei unsachgemäßem Betrieb solcher Öfen (etwa mit mangelnder Luftzufuhr, unzureichend getrocknetem Holz, Mitverbrennung von Abfällen etc.) entstehen sogar extrem hohe Schadstoffmengen, jedoch ist der Feinstaub-Ausstoß solcher Öfen selbst bei optimalen Betrieb keineswegs vernachlässigbar.

Zigaretten und andere Tabakprodukte verursachen beim Gebrauch in Innenräumen erhebliche Konzentrationen von Feinstaub, der mit diversen giftigen Substanzen versetzt ist.

Der Artikel über Feinstaub enthält weitere Details.

Kohlenmonoxid

Kohlenmonoxid (CO) ist ein geruchloses giftiges Gas, welches vor allem bei Verbrennungsprozessen mit Sauerstoffmangel entsteht. Es wird beispielsweise in den meisten Verbrennungsmotoren mehr oder weniger stark gebildet (besonders stark von Zweitaktmotoren), kann aber von Abgaskatalysatoren relativ effektiv abgebaut werden (außer in der Warmlaufphase).

Bei Kohlenmonoxid geht es vor allem um die Lebensgefahr bei hohen Konzentrationen, weniger um chronische Belastungen.

Während eine hohe Konzentration von Kohlenmonoxid in der Atemluft lebensgefährlich ist, muss eine dauerhafte geringe Belastung nicht unbedingt gesundheitsschädlich sein, da sie lediglich die Sauerstoffversorgung geringfügig vermindert. Deswegen hat die Reduktion von Kohlenmonoxid-Immissionen an den meisten Orten keine besondere Priorität, während die Vermeidung hoher CO-Konzentrationen in Innenräumen beispielsweise als Folge des Betriebs von Verbrennungsmotoren oder Grills in abgeschlossenen Räumen oder durch defekte Heizungsanlagen aus Sicherheitsgründen sehr wichtig ist.

Der Artikel über Kohlenmonoxid enthält weitere Details.

Flüchtige organische Verbindungen

Zu dieser Stoffgruppe gehören unter anderem Kohlenwasserstoffe sowie Substanzen, die hiervon abgeleitet sind, beispielsweise chlorierte oder anders halogenierte Kohlenwasserstoffe. Insbesondere soweit solche Stoffe flüchtig sind (d. h. leicht verdampfen), können Sie in erheblichen Mengen in der Luft enthalten sein. Welche Substanzen genau als “flüchtige organische Substanzen” (VOC = volatile organic compounds) gilt, ist nicht allgemeingültig festgelegt; verschiedene Länder verwenden hierfür verschiedene Definitionen. Beispielsweise zählt das ungiftige, aber klimaschädliche Methan teils dazu, teils auch nicht.

HC-Emissionen von Fahrzeugen verursachen einen erheblichen Teil der Belastung mit flüchtigen Kohlenwasserstoffen.

Keineswegs alle Kohlenwasserstoffe sind giftig oder umweltschädlich, jedoch trifft dies für viele dieser Substanzen zu; manche sind sogar krebserregend. Belastungen entstehen vor allem durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe in Abgasen von Ottomotoren (Benzinmotoren), die häufig als HC-Emissionen bezeichnet werden. Ein Abgaskatalysator kann Kohlenwasserstoffe normalerweise effektiv abbauen, jedoch nicht in der Warmlaufphase und auch nicht, wenn eine sogenannte Volllastanreicherung vorgenommen wird. Letztere hat zur Folge, dass ein mit Vollgas beschleunigendes Fahrzeug Insassen von dahinter fahrenden Fahrzeugen erheblich mit giftigen Kohlenwasserstoffen (und übrigens auch Kohlenmonoxid) belasten kann.

Viele Lösemittel sind flüchtige organische Substanzen und gelangen bei der Verwendung durch Verdampfung in die Atmosphäre und tragen damit zur entsprechenden Luftbelastung bei. Auch bei der Verwendung von Kraftstoffen kommt es zu Verdunstungsemissionen.

Ein wichtiges Beispiel für schädliche Kohlenwasserstoffe ist Benzol, eine krebserregende Substanz, die vor allem durch Abgase von Benzinmotoren (Ottomotoren) in die Umwelt gelangt. Es ist im Erdöl natürlicherweise enthalten und ist im Benzin an sich wegen der damit möglichen Erhöhung der Klopffestigkeit erwünscht, wird aber nicht immer vollständig verbrannt oder im Katalysator abgebaut. Der Artikel über Benzol enthält weitere Details.

Es gibt nicht nur technische, sondern auch diverse natürliche Quellen für flüchtige organische Substanzen, und diese sind Teils nicht direkt schädlich, sondern erst nach der Reaktion mit anderen Substanzen. Beispielsweise dünsten aus Bäumen und aus frisch gemähtem Rasen natürliche organische Stoffe aus, die im Zusammenwirken mit Stickoxiden zur Ozonbildung beitragen – ähnlich wie die HC-Emissionen von Fahrzeugen.

Ammoniak

Ammoniak (NH3) ist ein stechend riechendes Gas, welches die Atemwege stark reizen kann. Eine chronische Belastung mit Ammoniak ist vor allem deswegen gesundheitsschädlich. Auch der Eintrag von Ammoniak in Gewässer kann durch die Wirkungen auf Fische problematisch sein.

Es gibt diverse natürliche Quellen von Ammoniak, die allerdings normalerweise keine erhebliche Belastung der Luft mit Ammoniak verursachen. Jedoch können durch die Massentierhaltung an manchen Orten große Mengen von Ammoniak frei werden, und zwar sowohl aus Ställen als auch beispielsweise durch die Ausbringung von Gülle auf Äcker. Von der Industrie werden große Mengen von Ammoniak produziert, die jedoch kaum in die Umwelt entweichen, sondern zu diversen Produkten (beispielsweise zu Stickstoffdünger) umgesetzt werden.

Verbrennungsprozesse produzieren kaum Ammoniak. Umgekehrt kann Ammoniak sogar eingesetzt werden, um in bestimmten Abgaskatalysatoren Stickoxide effektiver abzubauen (durch selektive katalytische Reduktion). Soweit diese Technik in Dieselfahrzeugen angewandt wird, wird der nötige Ammoniak nicht in einem Tank mitgeführt, sondern aus besser transportierbarer Harnstofflösung (Adblue) erzeugt.

Schwermetalle

Schwermetalle neigen im Prinzip nicht dazu, sich lange in der Luft aufzuhalten. Jedoch können sie in Form feiner Stäube (Feinstaub) auftreten, die sich lange in der Luft halten können und nach der Ablagerung auf dem Boden leicht wieder aufgewirbelt werden können. Damit können Sie auch in die Atemwege gelangen. Dort abgelagerte Schwermetalle können oft lange im Körper bleiben und ihre giftige Wirkung entfalten.

Ein besonderer Fall ist das relativ leicht flüchtige Quecksilber. Seine Aufnahme in den Körper verringert insbesondere die Entwicklung des Gehirns junger Menschen. Es ist insbesondere in den Abgasen von Kohlekraftwerken enthalten, wobei die Konzentration stark von der Qualität der verwendeten Kohle sowie von der Abgasreinigung abhängt. Da insbesondere in den USA erkannt wurde, dass allein schon durch die durchschnittlich verringerten geistigen Fähigkeiten junger Menschen als Folge der Quecksilber-Exposition wirtschaftliche Schäden in Milliardenhöhe entstehen, und dass ein wesentlicher Teil des Quecksilbers durch Kohlekraftwerke in die Luft gelangt, wurden dort zunehmend strenge Emissionsgrenzwerte für Kraftwerke beschlossen. Europa (auch Deutschland) hängt in diesen Sektor der Luftreinhaltung stark hinterher, dass sich die betroffenen Kraftwerksbetreiber bisher recht wirksam gegen die Verwendung der (übrigens hauptsächlich in Deutschland entwickelten) effektiven Abgasreinigungstechnologie wehren.

Radioaktive Stoffe

Auch diverse radioaktive Stoffe können als Luftschadstoffe auftreten – zwar meist in recht geringen Konzentrationen, aber mit der Gefahr des Einatmen und der Ablagerung in der Lunge. Radioaktive Emissionen treten nicht nur bei Kernkraftwerken und anderen kerntechnischen Anlagen (etwa Wiederaufarbeitungsanlagen) auf, sondern in größerem Umfang (solange keine nukleare Katastrophe stattfindet) vor allem durch Kohlekraftwerke. Kohle enthält nämlich diverse radioaktive Spurenelemente wie Radium, Uran, Thorium, Polonium und Kalium 40. Der größte Teil der radioaktiven Substanzen verbleibt zwar bei moderner Abgasreinigung in festen Rückständen wie Flugasche und Granulat, die entsprechend sorgfältig entsorgt werden sollten; angesichts der riesigen emittierten Abgasmengen sind jedoch die im Abgas verbleibenden Schadstoffmengen trotzdem keineswegs vernachlässigbar. Etliche dieser Stoffe sind schon allein wegen ihrer chemischen Giftigkeit als Schwermetalle problematisch.

Klimawirksame Luftschadstoffe

Kohlendioxid (CO2) ist in moderaten Konzentrationen ungiftig, auch für Pflanzen und Tiere, führt jedoch zur Verstärkung des Treibhauseffekts und verursacht dadurch Klimagefahren. Ähnliches gilt für Methan (CH3) wie auch für gewisse fluorierte und/oder chlorierte Kohlenwasserstoffe.

Es handelt sich hier also nicht um klassische Schadstoffe mit giftiger Wirkung, sondern “nur” um klimaschädliche Stoffe. Allerdings dürften die Klimagefahren für Menschheit und Natur langfristig das größere Problem als die klassischen Luftschadstoffe darstellen, zumal sie wesentlich schwerer abwendbar sind. Vor allem das zusätzliche Kohlendioxid, welches heute in riesigen Mengen in die Atmosphäre gerät, reichert sich dort mehr und mehr an und bewirkt für mehrere Jahrhunderte eine globale Klimaerwärmung. Ein eigentlicher Abbau diese Schadstoffs erfolgt nicht, sondern lediglich langfristig eine Aufnahme in den Ozeanen, wobei deren Versauerung zusätzliche Probleme verursacht.

Siehe auch: Luftverschmutzung, Emissionen und Immissionen, Verdunstungsemissionen, Abgas, Abgasqualität, Abgaskatalysator, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte

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