Klimawandel und Feinstaubbelastung in Bayern

Ich hätte es nicht für möglich gehalten, aber ich nehme nun doch noch einmal meine Doktorarbeit in die Hand und stelle sie hier vor. Was mich dazu bewegt hat? Meine Diss (Kurzform für Dissertation) widmete sich den nach wie vor sehr aktuellen Themen Klimawandel und Luftqualität bzw. der Belastung unserer Luft an bayerischen Messstationen und dem Einfluss meteorologischer Größen wie Temperatur oder Wind auf die Konzentrationen. Darüber hinaus habe ich analysiert, wie sich dieser Zusammenhang künftig entwickeln wird.

Wir erleben es selbst an Hitzetagen im Sommer oder kalten Wintertagen, dass die Luft in den Städten steht, das wir das Gefühl haben, nur noch Abgase einzuatmen. Global gesehen nimmt die Luftverschmutzung zu, was gerade in Städten ein massives Problem darstellt. Gleichzeitig schreitet auch der Klimawandel voran und so hat sich an der Brisanz des Themas seit meinen Untersuchungen wenig geändert.

From smog hanging over cities to smoke inside the home, air pollution poses a major threat to health and climate. The combined effects of ambient (outdoor) and household air pollution cause about seven million premature deaths every year, largely as a result of increased mortality from stroke, heart disease, chronic obstructive pulmonary disease, lung cancer and acute respiratory infections.

WHO 2021

Ein bedenklicher Anstieg von Emissionen feiner Partikel mit einem mittleren Durchmesser < 10 µm (PM10) konnte in den vergangenen Jahrzehnten beobachtet werden, der zu einer zunehmenden Belastung für die Umwelt und die menschliche Gesundheit geworden ist. Urbane Räume sind von der Luftverschmutzung besonders betroffen. Einige Studien belegen die Gesundheitsgefährdung des Menschen durch hohe Feinstaubbelastungen, insbesondere für die Atemwege und das Herz-Kreislauf-System.

Feinstaub wird vor allem durch menschliches Handeln erzeugt: Primärer Feinstaub entsteht durch Emissionen aus Kraftfahrzeugen, Kraft- und Fernheizwerken, Öfen und Heizungen in Wohnhäusern, bei der Metall- und Stahlerzeugung oder auch beim Umschlagen von Schüttgütern. Er kann aber auch natürlichen Ursprungs sein (beispielsweise als Folge von Bodenerosion). In Ballungsgebieten ist der Straßenverkehr die dominierende Staubquelle. Dabei gelangt Feinstaub nicht nur aus Motoren – vorrangig aus Dieselmotoren – in die Luft, sondern auch durch Bremsen- und Reifenabrieb sowie durch die Aufwirbelung des Staubes von der Straßenoberfläche. Eine weitere wichtige Quelle ist die Landwirtschaft: Die Emissionen gasförmiger Vorläuferstoffe, insbesondere die Ammoniakemissionen aus der Tierhaltung, tragen zur sekundären Feinstaubbildung bei.

Hintergrundwissen

Wo kommen diese Partikeln her, was sind also die Quellen/Emittenten? Feinstaub kann natürlichen Ursprungs sein, beispielsweise als Staub oder Gischt. Die Hauptquelle ist aber der Mensch. Sogenannter primärer Feinstaub entsteht durch Emissionen aus Kraftfahrzeugen, Kraft- und Fernheizwerken, Öfen und Heizungen in Wohnhäusern, bei der Metall- und Stahlerzeugung oder auch beim Umschlagen von Schüttgütern. In großen Städten ist vor allem der Verkehr die Hauptquelle für Feinstaub. Dabei gelangen die Partikel nicht nur aus Motoren – vorrangig aus Dieselmotoren – in die Luft, sondern auch durch Bremsen- und Reifenabrieb sowie durch die Aufwirbelung des Staubes von der Straßenoberfläche. Eine zentrale Quelle zur Bildung sekundärer Feinstäube ist die Landwirtschaft. Der Ausstoß gasförmiger Vorläuferstoffe, insbesondere die Ammoniakemissionen aus der Tierhaltung, tragen zur sekundären Feinstaubbildung bei.

Welche Rolle spielen Aerosole, also kleine feste oder flüssige Schwebeteilchen, im Klimasystem und welchen Einfluss haben diese auf den Klimawandel? Die Rolle der Schwebeteilchen ist sehr vielfältig. Dies liegt auch daran, dass die Teilchen sehr variabel in ihrer Zusammensetzung sind und unterschiedliche Verweildauern, von wenigen Stunden bis hin zu einigen Wochen, haben. Einerseits reflektieren die Teilchen das einfallende Sonnenlicht zurück in die Atmosphäre und tragen damit zu einem Kühlungseffekt bei. Andererseits können die Partikel, wenn sie sehr dunkel sind (wie beispielsweise Russpartikel) auch das Sonnenlicht absorbieren und tragen damit zu einer Erwärmung der Atmosphäre bei. Hier gibt es noch viel Forschungsbedarf und in Klimamodellen sind Aerosole nach wie vor nur sehr rudimentär berücksichtigt.

Zentrale Ergebnisse

Für meine Analysen habe ich Feinstaub-Messdaten aus dem Lufthygienischen Überwachungssystem des Bayerischen Landesamtes für Umwelt an 16 bayerischen Stationen für einen 30-jährigen Zeitraum (1980-2011) verwendet. Die meteorologischen Messdaten kamen vom Deutschen Wetterdienst und den Reanalysen des NCEP/NCAR. Die Klimamodell-Daten habe ich von verschiedenen Szenarien unterschiedlicher Klimamodelle herangezogen. Es wurde keine Quellenzuordnung gemacht und der menschliche Einfluss nur in Form der Klimamodell-Projektionen, von business-as-usual bis hin zur Einhaltung des 2-Grad-Zieles, berücksichtigt.

Auf die Methodik der statistischen Modellierung möchte ich an dieser Stelle nicht weiter eingehen. Nur so viel – es wurden von der Principal Component Analysis über Random Forest hin zu Multiplen Linearen Regression verschiedenste Ansätze angewendet und die Ergebnisse analysiert. Dazu bitte ich die Diss genauer zu lesen bei Interesse.

Als ein zentrales Ergebnis stellte sich zunächst heraus, dass sowohl auf lokaler, als auch auf regionaler und synoptischer Skala die Temperatur und der zonale Wind in allen Jahreszeiten den größten Einfluss auf Partikelkonzentrationen haben. Der zonale Wind sorgt auf lokaler Eben für einen Luftmassenaustausch und damit für einen Weitertransport der feinen Partikel, die sich bei wenig Wind wiederum lokal ansammeln. Auf regionaler und synoptischer Skala führt der zonale Wind für einen Weitertransport von PM10-Konzentrationen, oftmals über weite Strecken hinweg. Ein besonders eindrucksvolles Ereignis sind die Saharastaub-Events bei uns, wo Staub aus der Sahara bis zu uns getragen wird und sich bei uns ablagert. Die Temperatur dient als „Anzeiger“ für austauscharme Wetterlagen im Sommer und Winter, wo es im Sommer sehr heiß werden kann und im Winter sehr kalt.

Ein weiteres Ergebnis war, dass in Zukunft die Partikelkonzentrationen durch den meteorlogischen Einfluss auf verschiedenen Skalen tendenziell im Winter abnehmen und im Sommer dafür zunehmen. Dieses Ergebnis war unabhängig von Klimamodellen und Projektionen zu beobachten. Eine mögliche Erklärung hierfür ist wohl die Zunahme der wärmeren Winter und auch eine Zunahme der Hitze-Sommer in der Zukunft.

Ausblick

Insgesamt war der Einfluss der meteorologischen Größen auf die PM10-Konzentrationen in Bayern, als weiteres zentrales Ergebnis meiner Analysen, nicht sehr hoch, so dass die zukünftigen klimatischen Veränderungen nur einen geringen Effekt auf die Partikelkonzentrationen haben werden. Vielmehr ist der Mensch und sein Handeln der Faktor, der heute und in Zukunft unserer Luftqualität und damit auch unserer Gesundheit beeinflusst. Saubere Luft zum Atmen ist ein wertvolles Gut und ein Menschenrecht, denn sie trägt zu unserem Wohlbefinden bei.