Staubniederschlag

Untersuchungsumfang

Durchführung der Messungen

Die Bestimmung des Staubniederschlags (Probenahme sowie Wägung) erfolgte nach dem Bergerhoff-Verfahren, das in der VDI-Richtlinie 2119, Blatt 2 [9] festgelegt ist. Die Proben werden in Glasgefäßen gesammelt, die eine normierte Auffangfläche aufweisen und in einem Drahtkorb in 1,50 m Höhe aufgestellt sind. Die Sammelgefäße werden etwa einen Kalendermonat lang exponiert. Theoretisch fallen also 12 Messwerte pro Jahr und Messstelle an. Diese Sollzahl wird allerdings nicht immer erreicht, da - bedingt durch Glasbruch, Entwendung der Messgefäße oder sichtbare Verunreinigung der Proben - einzelne Messwerte vollständig fehlen oder als nicht vertrauenswürdig gestrichen werden müssen.

Anschließend wird die über einen Monat in das Bergerhoffglas niedergegangene Staubmasse bestimmt. Hierzu wird die Probe, die oftmals auch Regenwasser enthält, zunächst eingedampft und danach der Trockenrückstand unter standardisierten Temperatur- und Feuchtebedingungen gewogen. Aus der ermittelten Masse des Staubniederschlags wird unter Berücksichtigung der Auffangfläche des Sammelgefäßes und der tatsächlichen Expositionszeit die Staubniederschlagsrate berechnet.

In den einzelnen Messgebieten sind die Messstellen in einem 1 km x 1 km-Raster angeordnet. Die Angabe über die Größe des Messgebiets in Tabelle 1 entspricht daher genau der Anzahl der 1km²-Rasterflächen. Das Rasterflächennetz ermöglicht die Erfassung der räumlichen Struktur der Immissionsbelastung durch Staubniederschlag. Bei der Auswertung der Staubniederschlagsmessdaten werden die monatlich anfallenden Messwerte für die vier Messstellen an den Eckpunkten der Rasterfläche zu einem Flächenmittelwert zusammengefasst. Diese Mittelung erfolgt auch dann, wenn nur von drei Eckpunkten der Rasterfläche Messdaten vorliegen.

Die Staubniederschlagsbestimmung (Probenahme sowie Wägung der Staubniederschlagsproben) fand bis zum Jahr 1988 hausintern statt. Ab dem Messjahr 1989 wurde die Wägung an verschiedene externe Messinstitute vergeben; bei dem Teil der Proben, die auf Schwermetalle untersucht werden, führt jedoch das für die Schwermetallanalysen zuständige Labor die Wägung der Staubniederschlagsproben durch. In den 90er Jahren ging außerdem die Probenahme mehr und mehr in die Zuständigkeit externer Messinstitute über.

Stoffeigenschaften

Bezüglich der Eigenschaften von Staub (wie z. B. Zusammensetzung, Korngröße, Verweilzeit) sei auf den entsprechenden Abschnitt im Text zum Schwebstaub verwiesen. Im Folgenden werden daher nur einige Aspekte des Staubniederschlagsvorgangs beschrieben.

Die in die Atmosphäre eingebrachten Schadstoffe werden nach kürzerer oder längerer Zeit durch Prozesse, die aus der Sicht der Atmosphäre als Selbstreinigung zu beschreiben sind, wieder entfernt; der Schadstofffluss aus der Atmosphäre zur Erdoberfläche wird allgemein als Deposition bezeichnet. Bei der Abscheidung von Staubpartikeln aus der Luft muss man im Wesentlichen unterscheiden zwischen der trockenen Deposition (Sedimentation der Partikel) und der nassen Deposition (Auswaschung durch Regen, Schnee, Nebel). Bei der Staubniederschlagsmessung nach Bergerhoff wird die Summe aus trockener und nasser Deposition (Gesamtdeposition) gemessen; die gesammelte Staubmasse geht überwiegend auf trockene Deposition zurück. Bei wasserlöslichen oder an Feinstaub gebundenen Komponenten kann hingegen der Anteil der nassen Deposition an der Gesamtdeposition dominieren.

In der Immissionsmesstechnik wird folgende Unterscheidung getroffen [10]: Partikel mit Durchmessern bis etwa 30 µm werden als "Schwebstaub" bezeichnet und durch die Schwebstaubmessung erfasst. Partikel oberhalb von 30 µm sind aufgrund ihrer mit zunehmender Größe steigenden Sedimentationsfähigkeit nicht mehr homogen in der Luft verteilt und daher als grobe Niederschlagspartikel (Staubniederschlag) anzusehen. Ihr Anteil beträgt in städtischen Gebieten (ohne direkten Einfluss staubemittierender Quellen) etwa 5 - 10 % der Gesamtmasse aller in der Außenluft vorhandenen Partikel. Dieser gröbere Partikelbereich der aus der Atmosphäre ausfallenden Teilchen wird messtechnisch durch die Staubniederschlagsmessung abgedeckt.

Der Staubgehalt der Atmosphäre lässt sich also sowohl durch die Messung von Schwebstaub als auch von Staubniederschlag beschreiben: Die beiden Messungen beziehen sich auf unterschiedliche, sich ergänzende Staubpartikel-Größenbereiche; dabei stellt die Schwebstaubbestimmung eine Konzentrations-, die Staubniederschlagsbestimmung hingegen eine Immissionsratenmessung dar.

Der Staubniederschlag bedeutet keine unmittelbare Gefährdung für die menschliche Gesundheit, da die größeren Partikel - im Gegensatz zu Schwebstaub - beim Einatmen nicht bis in die Lungen gelangen. Allerdings enthält auch der Staubniederschlag Stoffe wie Schwermetalle, die sich in Boden und Pflanzen anreichern können.

Emission

An dieser Stelle sei auf die Ausführungen zur Emission von Staub im Kapitel "Schwebstaub" verwiesen; dort finden sich Angaben zu direkten und indirekten Staubquellen, den Anteilen einzelner Emittentengruppen an der Gesamtstaubemission und zur Emissionsentwicklung.

Kartenbeschreibung

Auf der Karte sieht man - neben Lage und Umfang der einzelnen Messgebiete - die Ergebnisse der Staubniederschlagsmessungen des Jahres 2001. Dargestellt sind die Jahresmittelwerte in allen 1 km²-Rasterflächen. Wie bereits erwähnt werden bei den Staubniederschlagsmessungen Depositionsraten bestimmt; diese werden in der Einheit mg/(m² x d), also mg pro Quadratmeter und Tag angegeben. Die zwei Messgebiete Ulrichstein (Vogelsberg) und Hünfelden (Hintertaunus) stellen die emittentenfernen Vergleichsflächen dar; beide befinden sich in landwirtschaftlich genutzten Gebieten. Die Staubniederschlags-Jahresmittel lagen 2001 zwischen 44 und 165 mg/(m² x d), wobei nur wenige Werte über 150 mg/(m² x d) im Messgebiet Untermain oder Wiesbaden auftraten.

Tabelle 2 fasst die auf der Karte gezeigten Messergebnisse noch einmal zusammen: Sie enthält messgebietsbezogen die in den einzelnen Rasterflächen minimal, durchschnittlich und maximal erhaltenen Jahresmittelwerte. Die Gebietsmittelwerte sind geeignet, die allgemeine Belastungssituation über ein größeres Messgebiet zu beschreiben. Natürlich können sie keine kleinräumigen Informationen über die Staubniederschlagsstruktur wiedergeben; letztere kommt durch Einflüsse von lokalen Staubquellen sowie von Staubsenken wie Wälder und Parks zustande.

Tab. 2: Staubniederschlagsraten in den hessischen Messgebieten im Jahr 2001

Messgebiet	Jahresmittelwert [mg/(m2 x d)]
	Minimum	Gebietsmittelwert	Maximum
Untermain	51	90	159
Wiesbaden	45	83	165
Kassel	46	69	115
Wetzlar	51	102	149
Gießen	55	71	92
Hünfelden*	62	86	142
Ulrichstein*	44	51	64
* emissionsferner Standort (Vergleichsmessgebiet)

In den Untersuchungsgebieten betrugen die Gebietsmittelwerte 2001 etwa 70 - 100 mg/(m² x d), wobei das Messgebiet Wetzlar die höchste und Kassel bzw. Gießen die niedrigste mittlere Staubniederschlagsrate zeigte. In früheren Jahrzehnten, als die Staubbelastung noch wesentlich höher war, hatte es zwischen den Untersuchungsgebieten große Unterschiede in den Staubniederschlagsraten gegeben: Während der 70er und 80er Jahre waren die mittleren Werte in Wiesbaden (durchgehend) und in Wetzlar (meistens) erheblich höher als in Kassel und im Untermaingebiet. Seit Ende der 80er Jahre hat sich die mittlere Staubniederschlagsbelastung in diesen vier Gebieten auf ein ähnliches Belastungsniveau eingependelt [3].

Die Staubniederschlagsraten in den beiden emittentenfernen Vergleichsmessgebieten waren voneinander verschieden. Das Gebiet Ulrichstein war mit einem Gebietsmittelwert von 51 mg/(m² x d) von allen sieben Messgebieten am wenigsten mit Staubniederschlag belastet; hier bestimmen Weidewirtschaft und Wiesen die Landnutzung, weshalb es zu wenig Bodenerosion kommt. Im Gebiet Hünfelden fiel der Gebietsmittelwert mit 86 mg/(m² x d) höher aus, denn in dieser Region wird Ackerbau betrieben; bei der Bearbeitung der Felder können Staubemissionen und somit auch erhöhte Staubniederschlagswerte entstehen.

Die Staubniederschlagsraten weisen einen Jahresgang mit einem Maximum in den Sommermonaten auf [1]. Dies wird allerdings nicht sofort bei den Ergebnissen einzelner Messstellen oder Rasterflächen sichtbar, da die Messgröße Staubniederschlag generell starken Schwankungen unterliegt, sondern erst nach einer Mittelung über größere Gebiete. Betrachtet man dann die jahreszeitliche Verteilung der Monatsmittelwerte, sind die höchsten Staubdepositionsraten etwa von Mai bis August zu verzeichnen. Verantwortlich für diesen Verlauf sind die im Sommer höheren Temperaturen, die für eine stärkere Bodenaustrocknung sorgen, wodurch mehr Bodenstaub aufgewirbelt werden kann. Es ist interessant festzuhalten, dass die Jahresgänge der beiden Staubmessgrößen ganz unterschiedlich ausfallen: Beim Staubniederschlag werden die höchsten Werte im Sommer gemessen; die Schwebstaubkonzentrationen zeigen hingegen im Winter (wegen erhöhter Staubemissionen und schlechterer atmosphärischer Durchmischung) die höheren Werte.

Zeitliche Entwicklung

Von den vier Messgebieten in Untersuchungsgebieten liegen über drei Jahrzehnte durchgehende Zeitreihen vor. Abbildung 1 zeigt die Entwicklung der Staubniederschlagsraten für das Messgebiet Wetzlar, in dem - ebenso wie im Messgebiet Wiesbaden - aufgrund gravierender Staubemissionen im Industriebereich früher die mit Abstand höchsten Staubniederschlagsbelastungen in Hessen aufgetreten sind. In der Abbildung werden Gebietsmittelwerte dargestellt, d. h. über die einzelnen Rasterflächen eines Messgebiets gemittelte Jahresmittelwerte. In diesem Fall beziehen sie sich jedoch nicht auf das gesamte Messgebiet Wetzlar, dessen Größe sich im Verlauf der Jahre einige Male geändert hat, sondern auf einen durchlaufend beprobten Kernbereich von 12 km² Größe, damit der Auswertung immer dasselbe Gebiet zugrunde liegt.

Abb. 1: Staubniederschlagsraten in einem 12 km2 großen Teilgebiet des Messgebiets Wetzlar             (Jahresmittelwerte)

In der Abbildung fällt zunächst auf, dass die Staubniederschlagsraten teilweise große Unterschiede zwischen den einzelnen Jahren aufweisen, was typisch für diese Messgröße ist, denn die Höhe des Staubniederschlags wird stark von den meteorologischen Gegebenheiten des jeweiligen Messjahrs bestimmt. So können beispielsweise in Jahren mit langen Trockenperioden erhöhte Werte auftreten, die nicht auf eine Zunahme anthropogener Emissionen zurückgehen, sondern auf großräumige Verwirbelung und Verlagerung von trockenem Bodenstaub.

Daneben ist in Abbildung 1 der bemerkenswerte Rückgang der Staubniederschlagswerte sichtbar. Die stärkste Abnahme fand in den 70er Jahren statt; danach fielen die Werte (nach zwischenzeitlichem Wiederanstieg) nur noch langsam ab und lassen nun seit vielen Jahren keinen Trend mehr erkennen. Auch in den übrigen drei Untersuchungsgebieten erfolgte der Rückgang der Staubniederschlagsbelastung hauptsächlich in den 70er Jahren und anschließend nur noch in geringerem Umfang.

Der Vergleich der Staubniederschlagswerte vom Beginn der 70er Jahre mit denen des Messjahrs 2001 ergibt Folgendes: Im Messgebiet Wetzlar und Wiesbaden ist die mittlere Staubniederschlagsbelastung auf weniger als ein Drittel, im Messgebiet Untermain und Kassel auf weniger als die Hälfte der Ausgangswerte zurückgegangen.

Bewertung

Für Staubniederschlag waren in der Fassung der TA Luft, die bis Oktober 2002 gültig war, folgende Immissionswerte festgelegt [11]:

Jahresmittelwert (Immissionswert für Langzeiteinwirkung): 0,35 g/(m² x d),
maximaler Monatsmittelwert (Immissionswert für Kurzzeiteinwirkung): 0,65 g/(m² x d).

Die aufgeführten Grenzwerte galten für die 1 km²-Rasterflächen (und nicht für die einzelnen Messstellen). Seit Oktober 2002 gilt eine neue Version der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft [12]: Für Staubniederschlag ist kein Kurzzeitgrenzwert mehr vorgesehen; der Langzeitgrenzwert hat seinen Wert behalten, ist aber jetzt punktbezogen einzuhalten. Die Bewertung der Staubniederschlagsergebnisse des Jahres 2001 wird im Folgenden noch mit der alten TA Luft vorgenommen.

Der Langzeitgrenzwert von 350 mg/(m² x d) wurde zu Beginn des Staubniederschlagsmessprogramms in den 70er Jahren noch in manchen Bereichen der Messgebiete überschritten. Ab den 80er Jahren wurde er in den 1 km²-Rasterflächen aller Messgebiete eingehalten. Dies ist wohl auch für Hessen insgesamt gültig, wenn man von bestimmten Betriebsgeländen wie Kiesgruben, Steinbrüchen, Deponien etc. absieht. Im Jahr 2001 wurde der genannte Grenzwert maximal zu 47 % ausgeschöpft.

Etwas anders ist die Lage bezüglich des Kurzzeitgrenzwerts: Auch in den letzten zwei Jahrzehnten kam es vereinzelt zu Überschreitungen dieses Grenzwerts; Monatsmittelwerte über 650 mg/(m² x d) wurden in manchen Messjahren in wenigen Rasterflächen gefunden. Solche Ausreißer können in Einzelfällen vorkommen, bedingt durch begrenzt auftretende Ereignisse wie z. B. Baustellen oder Feldbearbeitung. 2001 erreichte der maximale Monatsmittelwert 79 % des zulässigen Grenzwerts.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich die Staubniederschlagssituation verglichen mit früheren Jahrzehnten sehr verbessert hat und die Immissionswerte der TA Luft (außer in den o. g. möglichen Ausreißerfällen) deutlich unterschritten werden. Weitere Absenkungen der Staubniederschlagswerte werden nur noch schwer zu erreichen sein. Staubaufwirbelungen von nicht begrünten Flächen sowie durch den Kfz-Verkehr prägen ebenso wie die primären Staubemissionen den Staubniederschlagswert. Um bei dem heute erreichten Belastungsniveau die Staubniederschlagsbelastung weiter zu reduzieren, muss neben der Minderung der primären Emissionen auch eine Reduktion der sekundären Staubemissionen z. B. durch Begrünungsmaßnahmen angegangen werden.

Literatur

[1] Bericht über Staubniederschlagsmessungen im Land Hessen von 1985 - 1992, Schriftenreihe der Hessischen Landesanstalt für Umwelt, Heft Nr. 175, Wiesbaden (1994)

[2] Staubniederschlagsmessprogramm Hessen – Messbericht für das Jahr 2001: Staubniederschlag und Schwermetalle im Staubniederschlag, Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Bericht für die Umweltverwaltung, Wiesbaden (2003)

[3] Immissionsbericht Hessen 1996, Schriftenreihe der Hessischen Landesanstalt für Umwelt, Heft Nr. 210, Wiesbaden (1997)

[4] Luftreinhalteplan Kassel – 1. Fortschreibung. Herausgegeben vom Hessischen Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft und Forsten, Wiesbaden (1999)

[5] Luftreinhalteplan Wetzlar – 1. Fortschreibung. Herausgegeben vom Hessischen Ministerium für Umwelt, Energie, Jugend, Familie und Gesundheit, Wiesbaden (1995)

[6] Luftreinhalteplan Rhein-Main – 1. Fortschreibung. Herausgegeben vom Hessischen Ministerium für Umwelt, Energie und Bundesangelegenheiten, Wiesbaden (1991)

[7] Luftreinhalteplan Untermain. Herausgegeben vom Hessischen Minister für Umwelt und Reaktorsicherheit, Wiesbaden (1988)

[8] Die Luftqualität im Untersuchungsgebiet Untermain – Ist-Situation und Entwicklung, Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Luftreinhaltung in Hessen, Heft 3, Wiesbaden (2003)

[9] VDI-Richtlinie 2119: Messung partikelförmiger Niederschläge
Blatt 2, Ausgabe 9.96: Bestimmung des Staubniederschlags mit Auffanggefäßen aus Glas (Bergerhoff-Verfahren) oder Kunststoff

[10] VDI-Richtlinie 2463: Messen von Partikeln
Blatt 1, Ausgabe 11.99: Gravimetrische Bestimmung der Massenkonzentration von Partikeln in der Außenluft. Grundlagen

[11] Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft – TA Luft) vom 28. August 1974 (GMBl. S. 425), Neufassung vom 27. Februar 1986 (GMBl. S. 95), aufgehoben zum 1. Oktober 2002 durch die TA Luft vom 24. Juli 2002 (GMBl. S. 511)

[12] Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft – TA Luft) vom 24. Juli 2002 (GMBl. S. 511)