Luft: Immissionskataster

Staubniederschlag

Rückblick / Aktuelles / Untersuchungsumfang

 

Rückblick

In den Anfängen der Immissionsüberwachung wurde die Staubniederschlagsmessung wegen des relativ einfachen Messprinzips zur Überwachung der Belastung durch Staub eingesetzt.

Seit 1969 wurden in Hessen flächenbezogene Staubniederschlagsmessungen durchgeführt.  Zunächst von der Mess- und Prüfstelle für die Gewerbeaufsichtsverwaltung und ab 1976 fortgeführt vom Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie. Bis Anfang der 90er Jahre wurden die Messergebnisse in einzelnen Berichten veröffentlicht; in [1] wurde über den Zeitraum 1985 - 1992 berichtet.

Die Ergebnisse aus dem Messjahr 2001 sind in [2] zusammengefasst. Im Immissionsbericht [3], in den Luftreinhalteplänen für die vier hessischen Untersuchungsgebiete [4, 5, 6, 7] sowie im Luftqualitätsbericht Untermain [8] sind viele der Staubniederschlagsergebnisse dargestellt.

Seit 2006 werden die Ergebnisse im „Lufthygienischen Jahresbericht Staub, Teil II“ auch im Internet dargestellt.


Aktuelles / Untersuchungsumfang

Staubniederschlagsmessprogramm


Wie eingangs  erwähnt, wird der Staubniederschlag in Hessen bereits seit 1969 gemessen. Er wurde früher flächenbezogen (1 km × 1 km Rasterflächen) ausgewertet. Mit der Neufassung der TA Luft vom 24. Juli 2002 wurde auch für das hessische Staubniederschlagsmessprogramm die messpunktbezogene Auswertung eingeführt. Hierzu werden aus allen 12 Monatsmesswerten Jahresmittelwerte gebildet. Im Jahre 2012 wurde der Staubniederschlag in sieben Messgebieten, an insgesamt 220 Messpunkten ermittelt.

Durch die Betrachtung der einzelnen Messpunkte kommen lokale Einflüsse stärker zur Geltung als bei der flächenbezogenen Betrachtung. In Abbildung 1 sind die Bereiche von Hessen, in denen Staubniederschlagsmessungen durchgeführt werden, dargestellt. Sie zeigt in Ausschnitten die geographische Lage der unterschiedlichen Messgebiete. Weiterhin sind dort auch die Messraster (Maschenweite: 1 km × 1 km) in den einzelnen Messgebieten eingetragen.

Die Angabe von 4 Sondermesspunkten in Wetzlar, die das dortige Messnetz in einem Teilbereich auf die Maschenweite von 500 m × 500 m verdichten, hat temporären Charakter und dient der besseren Erfassung der Deposition in einem Gebiet ausgeprägter industrieller Aktivität.

Auf der nachfolgenden Karte ist die  Lage und der Umfang der 220 Messpunkte in den hessischen Messgebieten ersichtlich



Abb. 1: Hessische Messgebiete

In den dargestellten  sieben Regionen werden  seit 2005 an 220 Messpunkten  Staubniederschlagsmessungen incl. der Erfassung einiger Schwermetalle durchgeführt. Tabelle 1 zeigt die 7  Messgebiete mit der Angabe der Messgebietsgröße und der Anzahl der Messpunkte.

Tabelle 1: Darstellung der 7 Messgebiete für Staubniederschlag

Messgebiete
/ Anzahl Messpunkte 
Rechtswerte 
Hochwerte
Größe des Messgebietes Gebietsbeschreibung
Gießen/ 9
3476-3478
5603-5605
4 km² Stadtgebiet, teilweise Industrie
Hünfelden/ 9
3436-3438
5576-5578
4 km² ländliches, emissionsfernes Vergleichs- messgebiet (Intensivlandwirtschaft)
Kassel/ 21
3534-3538
5685-5689
13 km² Stadtgebiet, teilweise Industrie
Ulrichstein/ 9
3509-3511
5608-5610
4 km² ländliches, emissionsfernes Vergleichsmessgebiet (Grünland)
Untermain/ 111
3466-3500
5548-5557
73 km² Stadtgebiet, teilweise Industrie
Wetzlar/ 25
3462-3466
5602-5606
16 km² Stadtgebiet, teilweise Industrie
Wiesbaden/ 32
3443-3449
5543-5550
21 km² Stadtgebiet, teilweise Industrie
Die Messpunkte der jeweiligen Messgebiete liegen innerhalb der durch die oben genannten Rechts- und Hochwerte  begrenzten Flächen.

Tabelle 1 gibt den aktuellen Stand des Messprogramms für das  Jahr 2012 wieder:
Die einzelnen Messgebiete sind hinsichtlich ihrer Ausdehnung sehr unterschiedlich. Die Summe aller Messgebietsflächen betrug im Jahre 2012 insgesamt 135 km².
Die vier größten  in der Tabelle aufgeführten Messgebiete ( Untermain, Wiesbaden, Kassel und Wetzlar), sind die Gebiete, in denen die Staubniederschlagsmessungen von Anfang an durchgeführt wurden.

Im Jahr 1987 kam das Messgebiet Gießen hinzu. Die beiden in der Tabelle genannten Messgebiete mit je 9 Messpunkten (Hünfelden und Ulrichstein) befinden sich an landwirtschaftlich genutzten, emissionsfern gelegenen Standorten; sie wurden ab 1989 in das Messprogramm  als Vergleichsflächen außerhalb von Belastungsschwerpunkten aufgenommen.

Die Größe der einzelnen Messgebiete hat sich im Lauf der Jahrzehnte öfter verändert; oftmals wurden sie im Zusammenhang mit der Erstellung von Luftreinhalteplänen aufgestockt. Um einen Überblick über weitere Flächen zu bekommen, wurden die Messgebiete gegebenenfalls erweitert; wenn sich bestimmte Zonen als weniger belastet erwiesen hatten, wurden die Messungen wieder auf Kerngebiete beschränkt.

Durchführung der Messungen

Bei der Staubniederschlagsmessung wird der Staub erfasst, der während eines festgelegten Zeitintervalls auf eine normierte Auffangfläche sedimentiert.

Im Rahmen des Staubniederschlagsmessprogramms wird zum einen die deponierte Staubmasse als solche ermittelt, zum anderen auch die Konzentration der Schwermetalle im Staubniederschlag bestimmt (siehe Kapitel "Schwermetalle im Staubniederschlag").).
Die Bestimmung des Staubniederschlags (Probenahme sowie Wägung) erfolgt nach dem Bergerhoff-Verfahren, das in der VDI-Richtlinie 2119, Blatt 2 [9] festgelegt ist. Die Proben werden üblicherweise  in Glasgefäßen gesammelt, die in einem Drahtkorb in 1,50 m Höhe aufgestellt sind.

Die Sammelgefäße werden etwa einen Kalendermonat lang exponiert. Theoretisch fallen so 12 Messwerte pro Jahr und Messstelle an. Diese Sollzahl wird allerdings nicht immer erreicht, da - bedingt durch Glasbruch, Frosteinwirkungen, 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.
Da alle Proben aus den 220 Messpunkten  auch auf Schwermetalle untersucht werden, führt das für die Schwermetallanalysen zuständige Labor auch die Wägung der Staubniederschlagsproben durch.

(siehe Kapitel "Schwermetalle im Staubniederschlag")

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.

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 wird im Wesentlichen unterschieden 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 kann in städtischen Gebieten (ohne direkten Einfluss staubemittierender Quellen) etwa 5 - 10 % der Gesamtmasse aller in der Außenluft vorhandenen Partikel betragen. Dieser gröbere Partikelbereich der aus der Atmosphäre ausfallenden Teilchen wird daher messtechnisch durch die Staubniederschlagsmessung abgedeckt.

Der Staubgehalt der Atmosphäre lässt sich sowohl durch die Messung von Schwebstaub als auch von Staubniederschlag beschreiben:


Die beiden Messungen beziehen sich auf unterschiedliche, sich ergänzendeStaubpartikel-Größenbereiche; dabei stellt die Schwebstaubbestimmung eine Konzentrationsmessung dar.
Der Staubniederschlag bedeutet keine unmittelbare Gefährdung für die menschliche Gesundheit, da durch die Größe  der Partikel - im Gegensatz zu Schwebstaub – diese beim Einatmen nicht bis in die Lungenbläschen gelangen. Allerdings enthält auch der Staubniederschlag Stoffe wie Schwermetalle (siehe seperater Bericht dazu), die sich in Boden und Pflanzen anreichern können. Bei den Staubniederschlagsmessungen werden Depositionsraten bestimmt; diese werden in der Einheit mg/(m2 x d), also mg pro Quadratmeter und Tag angegeben.

Die Tabelle 2 fasst die Messergebnisse  für das Jahr 2012 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.

Tabelle 2: Staubniederschlagsraten in den hessischen Messgebieten im Jahr 2012       

Messgebiet
Jahresmittelwert [mg/(m2 x d)]
Minimum
Gebietsmittelwert
Maximum
Untermain
29
284
84
Wiesbaden
39
219
86
Kassel
29
188
76
Wetzlar
47
216
105
Gießen
45
178
108
Hünfelden*
40
218
126
Ulrichstein*
40
227
85
* emissionsferner Standort (Vergleichsmessgebiet)

In den Untersuchungsgebieten betrugen die Gebietsmittelwerte im Jahre 2012 zwischen 84 - 126 mg/(m2 x d), wobei das Messgebiet Hünfelden  die höchste und Untermain die niedrigste mittlere Staubniederschlagsrate zeigte.

 

Zeitliche Entwicklung


Abb. 2: Zeitliche Entwicklung der Staubentwicklung in unterschiedlichen Messgebieten

 

Ausblick

Für Staubniederschlag waren in der Fassung der TA Luft[11], die bis Oktober 2002 gültig war, folgende Immissionswerte festgelegt: 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 seinerzeit 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]: Darin ist für Staubniederschlag kein Kurzzeitgrenzwert mehr vorgesehen; der Langzeitgrenzwert von 350 mg/(m² x d) hat seinen Wert behalten, ist nun aber  punktbezogen einzuhalten.  

Abbildung 2  zeigt, dass beim Staubniederschlag in den Jahren seit 1996 kein eindeutiger Trend der Immissionsbelastung zu erkennen ist. In allen Messgebieten durchläuft die Staubniederschlagsbelastung in den Jahren 2002 bis 2004 ein Minimum und steigt danach wieder an. Diese Entwicklung zeigt sich auch in den Folgejahren, ist jedoch von relativ starken Schwankungen begleitet. Die Schwankungen haben ihre Ursache in den von Jahr zu Jahr unterschiedlichen meteorologischen Verhältnissen.

Die Messgebiete Hünfelden und Ulrichstein (ländlicher Raum) sowie auch Gießen und Wetzlar zeigen für 2012 eine leichte Erhöhung bei den Gebietsmittelwerten für Staubniederschlag gegenüber 2011.

Ulrichstein liegt zwar im ländlichen Raum, allerdings überwiegt dort das Grünland. So hat die Aufwirbelung von Bodenstaub dort eine deutlich geringere Bedeutung als z. B. im "Hintergrundmessgebiet" Hünfelden, wo die Immissionssituation eher durch die Intensivlandwirtschaft geprägt wird. In den anderen Messgebieten Kassel, Wiesbaden und Untermain sind die mittleren Niederschlagsraten in 2012 leicht zurückgegangen. Diese Unterschiede liegen weiterhin im Rahmen der in den letzten Jahren beobachteten Schwankungen.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich die Staubniederschlagssituation verglichen mit früheren Jahrzehnten sehr verbessert hat und die Immissionswerte der TA Luft (abgesehen von  Ausreissern) deutlich unterschritten 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)

© 2013 Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie