Luftverschmutzung in urbanen Räumen

Inhaltsverzeichnis

Abstrakt

Abstract

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Fragestellungen
1.2 Zielsetzung

2 Urbanes Klima
2.1 Allgemeines zum urbanen Klima
2.2 Windverhältnisse und Luftaustausch
2.3 Windsysteme mit Auswirkung auf das urbane Klima

3 Luftschadstoffe
3.1 Smog
3.2 Klassische Luftschadstoffe
3.3 Luftqualitätsrichtlinien und Grenzwerte
3.4 Gesundheitliche Auswirkungen der Luftschadstoffe

4 Analyse der Luftbelastung in urbanen Räumen
4.1 Feinstaubbelastung
4.2 Stickstoffdioxidbelastung
4.3 Ozonbelastung

5 Räumliche Auswirkungen

6 Lösungen und Maßnahmen
6.1 Urbane Vegetation
6.2 Sonstige Maßnahmen zur Luftschadstoffreduktion

7 Diskussion

8 Zusammenfassung

9 Literatur

Abstrakt

Die vorliegende Studie untersucht den aktuellen Zustand der Luftqualität in ur-banen Räumen mit Schwerpunkt auf Europa, den USA und der Volksrepublik Chi-na. Die Analyse beschränkt sich dabei auf die zurzeit problematischsten Luft-schadstoffe Feinstaub, Stickstoffdioxid und Ozon. Es werden die Grenzwerte die in Europa, den USA und der Volksrepublik China gelten dargestellt und mit den Richtlinien der WHO verglichen um Abweichungen aufzuzeigen. Mit Hilfe von Studienergebnissen sollen die Auswirkungen der Luftschadstoffe auf die mensch-liche Gesundheit näher beleuchtet werden. Zum Abschluss werden Maßnahmen präsentiert, wie man das Problem der Luftverschmutzung in urbanen Räumen in den Griff bekommen kann.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Luftschadstoffwerte in urbanen Räumen immer noch in einem Bereich liegen, wo sie negative Auswirkungen auf die Gesundheit der städtischen Bevölkerung haben. Die Feinstaubbelastung ist am höchsten im Mittleren Osten, wohingegen in Europa und in den Vereinigten Staaten die Richtwerte der WHO nur minimal überschritten werden. Beim Luftschadstoff Stickstoffdioxid sind Rückgänge in Europa und den USA zu verzeichnen. Die Kon-zentrationen sind aber nach wie vor zu hoch. Maßnahmen wie City Maut, Tempo-limits, Begrünung der Dächer und spezielle photokatalytische Asphaltbeläge zei-gen zwar Wirkung in der Luftschadstoffreduktion, deren Effektivität ist aber noch nicht ausreichend.

Abstract

The present study examines the current state of air quality in urban areas with an emphasis on Europe, the US and the People's Republic of China. The analysis is limited to the currently most problematic air pollutants particulate matter, nitro-gen dioxide and ozone. The air quality limits of europe, the US and the People’s Republic of China will be presented and compared with the guidelines of the world health organisation to show the differences. The effects of air pollutants on human health are presented by means of study results and conclusions are shown, on how to tackle the problem of air pollution in urban areas.

The results show that the concentrations of air pollutants are still lying in a range where they can harm the health of the urban population. The exposure to particu-lar matter is highest in the Middle East, while in Europe and the United States, the WHO guidelines are only minimally exceeded. The air pollutant nitrogen diox-ide is declining in Europe and the United States. However, the concentrations are still too high. Although actions to limit air pollution, such as congestion charging, speed limits, greening of roofs and special photocatalytic street pavements have an effect on the air pollution reduction, their effectiveness is not yet sufficient enough.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Temperaturdifferenz urbaner Raum und Umland (Puebla/Mexiko)

Abbildung 2: Luftzirkulation im urbanen Gebiet

Abbildung 3: Windgradient im urbanen Raum und im Umland

Abbildung 4: Städtische Atmosphäre

Abbildung 5: Talwind und Hangaufwind

Abbildung 6: Hangabwind und Hangaufwind

Abbildung 7: Land-See Windsystem

Abbildung 8: Smogarten

Abbildung 9: Smog in Peking

Abbildung 10: Unterschiede in den Grenzwerten für Feinstaub (µg/m³)

Abbildung 11: Todesfälle durch Luftverschmutzung bei Kindern bis zu 5 Jahren

Abbildung 12: Todesfälle durch Luftverschmutzung

Abbildung 13: Todesfälle durch Luftverschmutzung

Abbildung 14: Feinstaubbelastung (PM10) in 1600 urbanen Räumen

Abbildung 15: Feinstaubbelastung (PM2.5) in urbanen Gebieten

Abbildung 16: Stickstoffdioxidkonzentrationen 2005 und 2014 in Europa

Abbildung 17: Rückgang der Stickstoffdioxidkonzentrationen in Europa

Abbildung 18: Stickstoffdioxidkonzentrationen in den USA 2005 und 2014

Abbildung 19: Rückgang der Stickstoffdioxidkonzentrationen in den USA

Abbildung 20: Trend der Stickstoffdioxidkonzentration in China und Japan

Abbildung 21: Stickstoffdioxidbelastung im Ostasiatischen Raum 2014

Abbildung 22: Klimatische Regionen in den Vereinigten Staaten

Abbildung 23: Rückgang der Ozonkonzentration in Europa 2002 – 2011

Abbildung 24: Durchschnittliche Ozon Konzentrationen in der VR China Juli 2014

Abbildung 25: Durchschnittliche Ozon Konzentrationen in der VR China Jänner 2015

Abbildung 26: Stickoxid und Feinstaub Reduktion durch das CLRTAP

Abbildung 27: Grenzüberschreitende Luftverschmutzung

Abbildung 28: Luftqualitätsverbesserung durch Bäume in den USA

Abbildung 29: Luftschadstoffneutralisation durch Gründächer

Abbildung 30: Luftschadstoffneutralisation verschiedener Vegetationstypen

Abbildung 31: Stickoxidkonzentrationen über photokatalytisch aktivem Asphalt

Abbildung 32: Stickoxidreduktion (%) mit/ohne Waschung der Oberfläche

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Kaltluftproduktionsraten verschiedener Landschaftstypen

Tabelle 2: WHO Richtwerte für Luftschadstoffe

Tabelle 3: Luftschadstoffgrenzwerte in der EU

Tabelle 4: Luftschadstoffgrenzwerte in den USA

Tabelle 5: Luftschadstoffgrenzwerte in der Volksrepublik China

Tabelle 6: Weltweite Feinstaubbelastung (PM10)

Tabelle 7: Reduktion der Ozonkonzentration in den Vereinigten Staaten

1 Einleitung

Die stetig wachsende Weltbevölkerung und die rasant ansteigende Urbanisierung tragen zu erhöhten Umweltbelastungen bei. Ein negativer Aspekt dieser modernen Entwicklung ist die Verschmutzung der Luft durch Luftschadstoffe. Sie stellt besonders in urbanen Gebieten ein Problem für die Gesundheit der Menschen dar und verursacht zusätzliche Kosten für das Gesundheitssystem. Die Menschen, die in Städten und Ballungszentren leben, können sich gegen die negativen Auswirkungen der Luftschadstoffe nicht schützen und haben keine andere Möglichkeit, als mit jedem Atemzug die mit Schadstoffen belastete Luft einzuatmen. Dies führt zu gesundheitlichen Einbußen und damit zu einer geringeren Lebensqualität.

Wie negativ sich die Verschmutzung der Luft in urbanen Gebieten auf die menschliche Gesundheit auswirkt konnte man beispielsweise bei der Smog Katastrophe in London im Dezember 1952 sehen. Während einer Nebelperiode traten stark erhöhte Schwefeldioxid und Ruß Konzentrationen in der Luft auf. Dieser starken Belastung der Luft fielen mehrere tausend Menschen zum Opfer.

Auf globaler Ebene besteht, neben den urbanen Räumen im Mittleren Osten, in China der größte Handlungsbedarf. Hier erreichen beispielsweise die Feinstaubkonzentrationen Rekordwerte. Die Luft ist in den chinesischen Metropolen zeitweise so belastet, dass es für die Bevölkerung nicht möglich ist, sich im Freien aufzuhalten ohne gesundheitliche Konsequenzen. Im Vergleich dazu hat sich in Europa die Luftqualität seit der Zeit der Industrialisierung deutlich gebessert. Dennoch gibt es in den urbanen Räumen Europas des Öfteren Überschreitungen der von der EU festgelegten Grenzwerte.

Auf den folgenden Seiten soll nun näher auf das Problem der Luftverschmutzung in urbanen Gebieten eingegangen werden. Da die Stadt ein spezielles Klima aufweist, das sich vom Umland unterscheidet, wird zuerst der Frage nachgegangen, wie das Klima der Stadt die Luftverschmutzung beeinflusst. Nach einer Darstellung der Auswirkung der in der Luft vorkommenden Schadstoffe auf die menschliche Gesundheit und der Vorstellung der wichtigsten Luftschadstoffe folgt eine detaillierte Analyse der gegenwärtigen lufthygienischen Situation weltweit mit Schwerpunkten in China, Europa und den USA. Anschließend wird näher auf die räumlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung eingegangen, insbesondere der Transport der Schadstoffe über weite Distanzen.

Im zweiten Teil der Studie sollen Lösungen und Maßnahmen aufgezeigt werden, die geplant oder bereits umgesetzt worden sind um das Problem der Luftverschmutzung in den Griff zu bekommen. Zudem soll analysiert werden, wie sich urbanes Grün auf die Verschmutzung der Luft auswirkt. Es folgt eine Diskussion der Ergebnisse mit einer anschließenden Zusammenfassung.

1.1 Fragestellungen

Die nachfolgende Studie orientiert sich an folgenden Fragestellungen:

- Wie ist der aktuelle Zustand der Luftqualität in urbanen Räumen weltweit, besonders in Europa, den Vereinigten Staaten und der Volksrepublik China?
- Werden die Grenzwerte eingehalten?
- Wie stark sind die gesundheitlichen Auswirkungen auf die Menschen, die in urbanen Räumen den erhöhten Luftschadstoffkonzentrationen ausgesetzt sind?
- Welche Möglichkeiten gibt es, die Luftqualität in urbanen Räumen zu verbessern?

1.2 Zielsetzung

Folgende Vorgehensweisen sollen die oben angeführten Fragestellungen beantworten:

- Vergleich der Luftschadstoffgrenzwerte der Länder mit den Richtlinien der WHO, um etwaige Differenzen darzustellen
- Aufzeigen der gesundheitlichen Konsequenzen einzelner Schadstoffe mit Hilfe von Studienergebnissen
- Analyse der weltweiten Luftbelastung in urbanen Räumen durch Studien, Beschränkung auf die drei wichtigsten Schadstoffe Feinstaub, Stickstoffdioxid und Ozon
- Lösungen und Maßnahmen zu diskutieren, die bereits umgesetzt worden sind und die Effektivität dieser darzustellen

2 Urbanes Klima

Das modifizierte Klima urbaner Räume beeinflusst die Konzentration und Verbreitung von Luftschadstoffen sehr stark. In diesem Kapitel wird deshalb die veränderte klimatische Situation in urbanen Räumen kurz dargestellt. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf den veränderten Luftströmungsverhältnissen. Sie haben wohl den größten Einfluss auf die lufthygienische Situation im urbanen Raum.

2.1 Allgemeines zum urbanen Klima

Urbane Räume unterscheiden sich in der Regel sehr stark voneinander und weisen Unterschiede in Größe, Struktur und Bauweise auf. Man kann daher nicht von einem einheitlichen urbanen Klima sprechen, das allgemein gültig ist. Vielmehr bildet jeder urbane Raum ein individuelles Klima aus, das sich von seinem Umland unterscheidet. Das urbane Klima ist sehr anfällig gegenüber Veränderungen in der Struktur des Raumes. So kann beispielsweise eine Änderung der Infrastruktur das Klima der Stadt erheblich beeinflussen (Kommission Reinhaltung der Luft 1988: 4).

Einer der wichtigsten Unterschiede zwischen dem Klima des urbanen Raums und dem des Umlandes ist die im urbanen Raum auftretende höhere Lufttemperatur. Dieser Effekt wird allgemein als „Urban Heat Island“ bezeichnet. Beschrieben wurde die städtische Wärmeinsel erstmals vor 150 Jahren für London (Helbig & Baumüller 1999: 32). Sie tritt hauptsächlich bei ruhigem sommerlichen Strahlungswetter in der Nacht auf (Hupfer & Kuttler 2005: 389). Im Laufe des Vormittags gleicht sich die Lufttemperatur des Umlandes immer mehr dem urbanen Raum an. Zu Mittag sind kaum noch Temperaturdifferenzen festzustellen (vgl. Abbildung 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Temperaturdifferenz urbaner Raum und Umland (Puebla/Mexiko)

Quelle: Gab G. o.J.

Wie im nächsten Kapitel (2.2.) noch näher beschrieben wird, wirkt sich die städtische Wärmeinsel auf die Luftströmungsverhältnisse zwischen Stadt und Umland aus. Der Flurwind der durch Luftdruckdifferenz zwischen Stadt und Umland entsteht, ist umso ausgeprägter, je größer der Temperaturunterschied zwischen Stadt und Umland ausfällt.

Ausschlaggebend für die höhere Lufttemperatur im urbanen Raum im Vergleich zum Umland sind folgende Faktoren (Hupfer & Kuttler 2005: 372):

- Stadtgröße
- Einwohnerzahl
- Art der urbanen Flächennutzungstypen
- Urbane Topografie
- Versiegelungsgrad des Bodens
- Intensität der dreidimensionalen urbanen Strukturierung
- Art und Stärke von Luftbeimengungen
- Fühlbare und latente Abwärme aus technischen Prozessen

2.2 Windverhältnisse und Luftaustausch

Für die Ausbreitung von Luftschadstoffen sind in erster Linie die Windverhältnisse und der Luftaustausch von Bedeutung. Eine gute Durchlüftung wirkt sich stets positiv auf die Luftqualität der Stadt aus. Nun findet man aber in der Stadt bedingt durch die dichte Bebauung lokal sehr unterschiedliche Windverhältnisse vor (vgl. Abbildung 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Luftzirkulation im urbanen Gebiet

Quelle: Malberg 2002: 395

Entscheidend für die Ausprägung kleinräumiger Windsysteme ist in erster Linie die Struktur der Stadt. Anordnung und Höhe von Gebäuden oder Freiflächen in Form von Stadtparks sind alle an der Ausbildung eines individuellen städtischen Windsystems mitverantwortlich und somit auch an der Ausbreitung von Luftschadstoffen. In urbanen Räumen kommt es bedingt durch die Stadtstruktur zu 10% bis 30% geringeren Windgeschwindigkeiten als im Umland mit den damit verbundenen Folgen für den Luftaustausch und den Abtransport von Luftschadstoffen (Kommission Reinhaltung der Luft 1988: 50).

2.2.1 Beeinflussung des städtischen Windfeldes durch Oberflächenrauheit

Ein wichtiger Faktor, der das städtische Windfeld beeinflusst, ist die aerodynamische Rauheit der bebauten Flächen. Diese Rauheit sorgt für einen verminderten Austausch von Luftmassen und einen verringerten Abtransport von Luftschadstoffen und trägt dazu bei, dass bis zu 500 Meter über Grund Veränderungen im Windfeld nachweisbar sind. Besonders ausgeprägt ist dieser Zustand in Städten, die in Tallagen liegen. Straßenschluchten, die Tallagen im mikroklimatischen Bereich darstellen, leiden ebenfalls besonders unter diesen austauscharmen klimatischen Bedingungen. So kann man verallgemeinernd sagen, dass der urbane Raum mit seiner von Stadt zu Stadt unterschiedlichen Struktur ein Wind- bzw. Strömungshindernis darstellt (Henninger 2011: 84f).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Windgradient im urbanen Raum und im Umland

Quelle: Kommission Reinhaltung der Luft 1988: 46

Abbildung 3 zeigt die Unterschiede des Windprofils in Abhängigkeit zur Oberflächenrauheit für den urbanen Raum, suburbanen Raum und den ländlichen Raum. Es fällt auf, dass die Windgeschwindigkeit über dem Freiland in vergleichbarer Höhe höher ist als im urbanen und suburbanen Raum. Die durch die erhöhte Bodenrauheit im urbanen Raum verursachte geringere Windgeschwindigkeit hat negative Auswirkungen auf die lufthygienische Situation der Stadt durch den verminderten Abtransport der Schadstoffe (Baumbach 1994: 76).

2.2.2 Stadtatmosphäre und Windfeld

Man teilt die Stadtatmosphäre allgemein in zwei Schichten. Die Schicht, die vom Boden bis zum Dachniveau reicht, wird als Stadthindernisschicht (Urban Canopy Layer) bezeichnet. Sie beherbergt die Elemente, die die Stadtstruktur ausmachen. In dieser Schicht findet eine starke Variation meteorologischer Elemente statt. Über der Stadthindernisschicht befindet sich die Stadtgrenzschicht (Urban Boundary Layer) (vgl. Abbildung 4)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Städtische Atmosphäre

Quelle: Spektrum 2001

In der Stadtgrenzschicht wirkt die Stadt als Ganzes, es machen sich jedoch auch Stadtteile wie z.B. Industriegebiete bemerkbar. Hier ist die Variation der meteorologischen Elemente im Vergleich zur Stadthindernisschicht weniger ausgeprägt (Kommission Reinhaltung der Luft 1988: 42f). Das Dachniveau der Stadthindernisschicht wirkt in der Stadtgrenzschicht wie eine zweite Bodenoberfläche für viele klimatische Prozesse. Die Stadtgrenzschicht endet da wo kein Einfluss durch die Stadt auf die Atmosphäre mehr stattfindet. (Spektrum 2001).

Neben der Rauheit der Stadtoberfläche tragen die erhöhten Temperaturen der Stadt, die allgemein als Urban Heat Island Effekt bekannt sind, dazu bei, dass das Windfeld der Stadt beeinflusst wird. Die wärmere Luft der Stadt bewirkt ein Aufsteigen der Luftmassen mit den damit verbundenen Auswirkungen auf das städtische Luftdruckfeld. Durch den Luftdruckunterschied zwischen Stadt und Land entsteht eine Luftströmung (Flurwind), die vor allem bei austauscharmen Wetterlagen auftritt. Dieser Effekt ist umso stärker ausgeprägt je höher der Temperaturunterschied zwischen Stadt und Umland ausfällt. Die Luftströmung zwischen Stadt und Land verläuft dabei wie folgt: Vom Umland dringt bodennah eine kühlere mit höherem Luftdruck wirkende Luft dem thermischen Tief der Stadt entgegen. Durch den Druckausgleich wird diese Luft in die Stadt transportiert. In der Stadt wird die kalte Luft aus dem Umland erwärmt und steigt daraufhin auf. Anschließend wird die Luft durch das Druckgefälle wieder zurück ins Umland transportiert (Henninger 2011: 84).

2.2.3 Auswirkung der Kaltluftzufuhr auf die Windverhältnisse

Der Faktor der Kaltluftzufuhr vom Umland in die Stadt ist für die lufthygienische Situation der Stadt von besonderer Bedeutung. Durch den Flurwind findet so auch bei ruhigen Wetterlagen ein Abtransport der Schadstoffe durch die weiter oben beschriebene Luftzirkulation statt. Hierzu ist es allerdings wichtig, dass sich im Umland der Stadt weiträumige Freiflächen befinden, die die „Produktion“ der Kaltluft sicherstellen. Unter Kaltluft versteht man gemeinhin die bodennahe Luftschicht, die sich bei der nächtlichen Abstrahlung abkühlt durch die Tatsache, dass aus dem Boden nur wenig Wärme nachgeliefert wird. Bei den Flächen, die Kaltluft produzieren, gibt es erhebliche Unterschiede in den Produktionsraten. Die Produktionsrate wird angegeben in m³ gebildete Kaltluft pro m² Boden. Nachfolgende Tabelle zeigt die kaltluftproduzierende Kapazität von vier verschiedenen Landschaftsräumen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Kaltluftproduktionsraten verschiedener Landschaftstypen

Quelle: Geo-Net Umweltconsulting o.J.: 14

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, liefert der Landschaftstyp „Wiese“ die meiste Kaltluft. Ein Siedlungsraum weist hingegen so gut wie keine Produktion von Kaltluft auf. Ist ein urbaner Raum mit Freiflächen umgeben, die eine hohe Produktion von Kaltluft sicherstellen, so ist auch bei austauscharmem Wetter für einen Luftaustausch und damit einen Abtransport der Luftschadstoffe durch den Flurwind gesorgt, ganz im Gegenteil zu Städten, die sich innerhalb von Ballungsgebieten befinden (z.B. Düsseldorf im Ruhrgebiet).

Neben der Ausstattung der kaltluftproduzierenden Flächen spielen weitere Faktoren eine Rolle in der Kaltluftproduktion. Hierbei ist die Hangneigung der Fläche von besonderer Bedeutung. Die Kaltluftproduktion steigt proportional zur Hangneigung. So weist beispielsweise ein bewaldeter Hangbereich mit einer Hangneigung von 25 – 30° eine Kaltluftproduktion von 30 – 40 m³/m²/h auf, wohingegen eine Gehölzfläche mit Hangneigung von 8 – 10° nur 10 – 15 m³/m²/h aufweist (Geo-Net Umweltconsulting o.J.: 14).

2.3 Windsysteme mit Auswirkung auf das urbane Klima

Je nach geografischer Lage eines urbanen Raumes ergeben sich unterschiedliche Beeinflussungen durch Windsysteme. Liegen urbane Räume in der Nähe von Küsten, so wirkt sich z.B. der Land-Seewind auf die klimatischen und lufthygienischen Verhältnisse dieser Stadt aus. Aber auch Städte in Tallagen sind Windzirkulationen wie dem Berg-Tal Wind ausgesetzt. Im Folgenden werden diese Windsysteme, die für die lufthygienische Situation in urbanen Räumen von Bedeutung sind, kurz erklärt

2.3.1 Berg-Talwind

Durch die Berg und Talwind Zirkulation ergibt sich wie im Falle des Flurwindes ein Luftaustauschsystem, das für die lufthygienische Situation von urbanen Räumen in Tallagen von Bedeutung ist. Hier findet tagsüber eine Luftströmung vom Tal in Richtung Gebirge statt, die als Talwind bezeichnet wird (vgl. Abbildung 5)

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Abbildung 5: Talwind und Hangaufwind

Quelle: Sam Houston State University

In der Nacht kehrt sich diese Luftströmung um und es fließt vom Gebirge frische kühle und saubere Luft ins Tal. So kommt es besonders in der Nacht zu einer Frischluftzufuhr durch die absinkende kühle Luft der Gebirgshänge. Die Fließgeschwindigkeiten der Luft betragen hierbei 1 bis 5 Meter pro Sekunde (Zardi & Whiteman 2012: 6). Es handelt sich dabei um einen schwachen Wind, der ähnlich wie der Flurwind wirkt, und nur bei schwachen großräumigen Windsystemen für die lufthygienische Situation von Bedeutung ist. Berg und Talwinde finden nur bei Hochdruckwetter mit schwachen Winden und viel Sonnenstrahlung statt. Dieses Hochdruckwetter garantiert eine tagsüber durch die Solarstrahlung starke Aufheizung der Berghänge und eine langwellige Abstrahlung in der Nacht. Die Zirkulation des Berg-Tal Windsystems ähnelt dabei dem der Stadt-Umland Luftströmung und dem des Land-Seewindes.

2.3.2 Hangwind

Das Luftzirkulationsmuster der Hangwinde ist ein Teilbereich des Berg- Talwindsystems. Hier erwärmen sich die Hänge tagsüber durch die Sonneneinstrahlung schneller als der Talgrund. Warme Luft steigt über den Hängen auf und es entsteht ein Tief über dem Boden. Dem Druckausgleich folgend fließt nun die warme Luft aus dem Tal die Hänge aufwärts. In der Nacht dreht sich die Zirkulation um und es fließt kalte Luft von den Hängen ins Tal. Hangwinde erreichen eine Geschwindigkeit von 3 Metern pro Sekunde und können bis zu 1,5 Meter in das urbane Gebiet eindringen (Geo-Net Umweltconsulting o.J.: 9). Ausschlaggebend für die Eindringtiefe in die Stadt ist dessen Struktur und Bebauung.

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Abbildung 6: Hangabwind und Hangaufwind

Quelle: IMA Richter & Röckle

2.3.3 Land-Seewind

Der Land-Seewind entsteht durch eine unterschiedliche Erwärmung der Land und Wasserflächen durch die Solarstrahlung. Die Landoberfläche erwärmt sich bei Sonneneinstrahlung schneller als die Wasseroberfläche, da Wasser eine höhere spezifische Wärmekapazität besitzt als die Landoberfläche. Es folgt ein Aufsteigen warmer Luftmassen über Land mit Ausbildung eines Bodentiefs. Durch die Luftdruckdifferenz findet nun eine Luftströmung vom Bodenhoch über der Wasseroberfläche in Richtung Land statt. Dieser Luftfluss wird als Seewind bezeichnet. In der Nacht dreht sich diese Luftzirkulation und es bildet sich über Wasser ein Bodentief mit aufsteigenden warmen Luftmassen. Die Luftströmung findet nun vom Bodenhoch über der Landoberfläche in Richtung Bodentief über dem Wasser statt. Diese Zirkulation wird als Landwind bezeichnet. In Abbildung 7 ist dieses Luftzirkulationssystem graphisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Land-See Windsystem

Quelle: IMA Richter & Röckle

Wie stark die Land-See Windzirkulation das Klima in urbanen Räumen, die in Küstennähe liegen, beeinflusst, zeigt das Beispiel des Photochemischen Smogs von Los Angeles. Hier bildet sich an 320 Tagen eine Temperaturinversion, die einen Luftaustausch mit Luftschichten in höheren Lagen verhindert. Grund dafür ist einerseits die kühle Luft, die vom Pazifik in Richtung Küste fließt und dort das Aufsteigen der warmen Luftmassen über Land bewirkt. Ein weiterer Faktor ist die geografische Lage von Los Angeles. Los Angeles ist in drei Himmelsrichtungen von Gebirgsmassiv umgeben und nur zum Pazifik hin geöffnet. Diese zwei Faktoren bewirken eine Ansammlung von Schadstoffen über einen längeren Zeitraum und führen zur Ausbildung des Photochemischen Smogs (Fabian 1992: 82f).

3 Luftschadstoffe

Unter Luftschadstoffen versteht man allgemein gasförmige oder partikelförmige Stoffe, die die natürliche Zusammensetzung der Luft beeinflussen. Sie haben negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und stammen in urbanen Räumen überwiegend aus anthropogenen Quellen. Zu diesen anthropogenen Quellen zählen der KFZ-Verkehr, Kraftwerke, Industrie und Gewerbe und der Hausbrand. Wobei der KFZ- Verkehr die größte Rolle spielt. Mit einem Anteil von 50% an den gesamten Stickoxidemissionen ist er der Hauptverursacher für die Luftverschmutzung im urbanen Raum (Henninger 2011: 86f). Darüber hinaus trägt der bodennahe Emmissionsausst0ß dazu bei, dass sich die Schadstoffe überwiegend im menschlichen Aktionsraum ausbreiten (Lahmann 1990: 21).

Im folgenden Kapitel werden nun die wichtigsten klassischen Luftschadstoffe näher beschrieben. Weiteres wird in diesem Kapitel auf die Auswirkungen, die die Luftschadstoffe auf die menschliche Gesundheit haben, näher eingegangen. Außerdem werden in diesem Kapitel die Luftschadstoffgrenzwerte näher analysiert.

3.1 Smog

Treten Luftschadstoffe in hohen Konzentrationen in urbanen Räumen auf, sodass sie visuell sichtbar sind, spricht man von Smog. Bei dem Wort handelt es sich um eine Wortkombination von Smoke und Fog zu Deutsch Rauch und Nebel. Die Anwesenheit von Nebel ist dabei aber nicht zwingend notwendig, es reicht die erhöhte Konzentration von Luftschadstoffen, wenn von Smog die Rede ist.

Allgemein bekannt sind zwei Smog-Typen, der London Smog und der Los Angeles Smog. Beim London Smog handelt es sich um ein erhöhtes Aufkommen von Schwefeldioxid in Verbindung mit Ruß in den Wintermonaten durch die vermehrte Heiztätigkeit. Ruß verstärkt die Neigung zur Bildung von Nebel. Schwefeldioxid löst sich in die Nebeltropfen und trägt zur Bildung von schwefelhaltiger Säure bei, aus der wiederum Schwefelsäure entstehen kann.

Erhöhte Konzentrationen von Photooxidantien finden sich hingegen beim Los Angeles Smog, der in den Sommermonaten auftritt und vom Straßenverkehr verursacht wird. Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe werden dabei intensiver Sonneneinstrahlung ausgesetzt und führen dadurch zur Bildung von Ozon und anderen oxidierenden Substanzen. Durch diese Art von Smog kommt es zu einer Eintrübung der Luft mit den Folgen einer Herabsetzung der Sichtweite. Der Los Angeles Smog kommt bevorzugt in urbanen Räumen mit starker Sonneneinstrahlung und einem erhöhten Aufkommen von Straßenverkehr vor. Er führt zur Reizung der Augen und Schleimhäute und ist durch seine stark erhöhte Konzentration von Luftschadstoffen schädlich für die menschliche Gesundheit. Überdies trägt er zur Zerstörung der Blätter einiger Pflanzenarten bei. Abbildung 8 gibt einen detaillierten Überblick über die zwei verschiedenen Smog-Typen (Kommission Reinhaltung der Luft 1988: 231, Fabian 1992: 78f).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Smogarten

Quelle: Kommission Reinhaltung der Luft 1988: 231

In der Volksrepublik China kommt es immer wieder zu sehr starken Schadstoffbelastungen der Luft. In der Hauptstadt Peking ist der Smog so stark, dass ein Blick auf den blauen Himmel verhindert wird. Im Dezember 2015 wurde hier das erste Mal die Alarmstufe Rot ausgerufen und die Bevölkerung dazu angehalten, zuhause zu bleiben und sich möglichst nicht ins Freie zu begeben. Der Luftzustand wurde als „Hazardous“ bezeichnet (Zeit Online 2015). Aber auch in Europa herrschen teilweise sehr starke Smogbelastungen. In Mailand wurde im Dezember 2015 ein dreitägiges Fahrverbot für den Autoverkehr verhängt, um den auftretenden Smog wieder in den Griff zu bekommen. Als Ausgleich wurden spezielle Anti-Smog-Tickets für den öffentlichen Verkehr angeboten (Basler Zeitung 2015).

Welche Extremformen die Smogbelastung annehmen kann, zeigt Abbildung 9. Da durch den starken Smog, der in Peking vorherrscht, die Sicht auf den Himmel verhindert wird, wird der Sonnenaufgang auf einem riesigen Display auf einem öffentlichen Platz dargestellt. Die starke Smogbelastung führt auch zu neuen Geschäftsideen bei Firmen. So verkauft eine australische Firma der chinesischen Bevölkerung frische Luft aus Dosen. Für 18,80 Dollar bekommt man Frischluft die für 130 Atemzüge reicht (Spiegel Online 2016)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Smog in Peking

Quelle: Die Welt

3.2 Klassische Luftschadstoffe

Zu den Luftschadstoffen zählt eine Vielzahl an organischen und anorganischen Substanzen. Die wichtigsten Schadstoffe können aber in eine kleine Gruppe zusammengefasst werden. Man bezeichnet sie als klassische Luftschadstoffe. Zu dieser Gruppe zählen Feinstaub, Stickstoffdioxid, Ozon, Schwefeldioxid und Kohlenmonoxid (WHO 2000: 173, Vallero 2008: 58). Für diese Luftschadstoffe sind Grenzwerte festgelegt worden und die Konzentrationen in der Luft werden regelmäßig mit Hilfe von Luftgütemessstellen aufgezeichnet.

3.2.1 Feinstaub

Beim Feinstaub handelt es sich um ein Gemisch aus feinen Partikeln und Flüssigkeitströpfchen. Er besteht aus Säuren, Metallen, organischen Chemikalien und Staubteilchen. Feinstaub unterscheidet sich vom gewöhnlichen Staub, wie der Name sagt, durch seine Größe bzw. seinen Durchmesser. Von Feinstaub spricht man, wenn die Partikel einen Durchmesser haben, der kleiner als 10 Mikrometer (10 μm) ist. Feinstaub tritt in unterschiedlichen Größen in der Luft auf. Die Daten, die von Luftgütemessstellen aufgezeichnet werden, beziehen sich auf Feinstaub mit einem Größendurchmesser von 10 μm, auch als PM10 bezeichnet, und Feinstaub mit einem Durchmesser von 2,5 μm (PM2.5). Anders als der Grobstaub, der von den Schleimhäuten der Nase gefiltert wird, besitzt Feinstaub die Möglichkeit, wenn er eingeatmet wird, bis in die Lungen vorzudringen. Dies ist besonders beim Feinstaub mit einem Durchmesser von 2,5 Mikrometern und kleiner der Fall. Der Feinstaub kann auch, je nach Wetter und Windverhältnissen, weite Distanzen zurücklegen. So kann beispielsweise Feinstaub aus Straßenverkehrsemissionen in weit abgelegene Gebiete oder bis ins Gebirge transportiert werden. Feinstaubpartikel lagern sich überdies auf der Bodenoberfläche und auf Wasseroberflächen ab und können so die Umwelt schädigen durch die Störung des natürlichen Nährstoffgleichgewichts dieser Ökosysteme. Nach der Art der Emission wird der Feinstaub in primären und sekundären Feinstaub unterteilt. Unter primärem Feinstaub versteht man Feinstaubpartikel, die direkt an der Quelle emittiert werden. Dies geschieht üblicherweise bei Verbrennungsprozessen. Als sekundärer Feinstaub wird der Feinstaub bezeichnet, der in Folge von gasförmigen Vorläufersubstanzen entsteht. Zu diesen gasförmigen Vorläufersubstanzen werden Stickoxide, Schwefel und Ammoniak gerechnet (Environment Protection Agency 2015a, Umweltbundesamt 2015).

3.2.2 Stickstoffdioxid

Stickstoffdioxid (NO2) zählt ebenso wie Stockstoffmonoxid (NO) zu den Stickstoffoxiden. Unter Stickstoffoxiden versteht man gasförmige Verbindungen von Stickstoff und Sauerstoff. Stickstoffdioxid hat einen stechenden chlorähnlichen Geruch und besitzt eine braunrote Farbe. Das Gas ist sehr giftig und hat bereits in geringen Konzentrationen negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Stickstoffdioxid wird aus anthropogenen sowie natürlichen Quellen freigesetzt. Zu den natürlichen Quellen zählen Vulkanausbrüche, Gewitter und mikrobiologische Reaktionen im Boden. In urbanen Räumen wird es hauptsächlich durch Verbrennungsprozesse in die Atemluft freigesetzt. Verbrennungsmotoren, Feuerungsanlagen für Kohle, Öl, Gas, Holz und Abfälle zählen zu den Hauptquellen. Der Straßenverkehr ist allerdings die bedeutendste Quelle für NO2. Stickstoffdioxid kann durchaus als Indikator für die durch den Straßenverkehr verursachte Luftverschmutzung herangezogen werden (WHO 2004: 7). Es trägt überdies zur Bildung von bodennahem Ozon bei und zur Bildung von Feinstaub. Stickstoffdioxid wird durch drei luftchemische Prozesse gebildet. Die Oxidation von Sauerstoff mit Stickstoffmonoxid führt zur Bildung von Stickstoffdioxid, sowie die Oxidation von Stickstoffmonoxid durch Ozon, hierbei entsteht gleichzeitig Sauerstoff. Auch Peroxidradikale besitzen die Fähigkeit, Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid zu oxidieren. Peroxidradikale sind flüchtige organische Verbindungen, die z.B. durch Lösungsmittelanwendungen oder KFZ Abgase freigesetzt werden. Der Abbau von Stickstoffdioxid in der Atemluft wird üblicherweise durch Sauerstoff und Sonnenlicht bewerkstelligt. Die chemische Reaktion, die hierbei abläuft, lautet: NO2 + O2 + Sonnenlicht = NO + O3. Beim Abbauprozess von Stickstoffdioxid entsteht Stickstoffmonoxid und Ozon. Die Zeit, die Stickstoffdioxid in der Atemluft verbringt, beträgt ca. 2 bis 5 Tage. (Umweltbundesamt 2015, Witten o.J.: 2)

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