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Aus Raspberry Pi Geek 12/2017

Feinstaub in Eigenregie messen

© mihtiander, 123RF

Dicke Luft

Frank Hofmann

Die Diesel-Affäre hat das Thema Feinstaub ins Zentrum des öffentlichen Interesses katapultiert. Wer fundiert mitreden will, der baut sich einfach für kleines Geld einen eigenen Feinstaubsensor.

In den vergangenen Jahren hat die Sensibilisierung für das Thema Feinstaub quer durch alle Bevölkerungsschichten stark zugenommen. Ganz aktuell wächst durch die Diesel-Affäre der Automobilindustrie das Interesse, sich mit dem Thema auseinanderzusetzen. Aus diesem Interesse heraus entstand unter anderem das schwäbische Projekt Luftdaten.info. Wir zeigen, wie Sie auf dessen Basis Ihren eigenen Sensor zur Luftanalyse zusammenbauen, betreiben sowie die darüber erfassten Daten auswerten und öffentlich teilen.

Was ist Feinstaub?

Der mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmbare Feinstaub bildet einen Teil des in der Luft hängenden Schwebestaubs. Lediglich bei bestimmten Wetterlagen kann man den Feinstaub in Form einer Dunstglocke wahrnehmen [1]. Er bildet einen über uns schwebenden Cocktail giftiger Substanzen, den wir täglich zu uns nehmen, ohne uns dessen bewusst zu sein.

Die US-amerikanische Umweltschutzbehörde Environmental Protection Agency (EPA) führte bereits 1987 den Standard “National Air Quality” für Feinstaub (englisch: Particulate Matter, PM) ein. Er definierte das Einwirken von Verunreinigungen der Luft (Immissionen) grundlegend neu: Wurde zuvor lediglich die Gesamtimmission betrachtet, liegt das Augenmerk nun nur noch auf dem tatsächlich eingeatmeten Teil.

Während größere Partikel kaum eine Belastung der Atemwege darstellen, können die Härchen in der Nase sowie die Schleimhäute im Nasen- und Rachenraum sehr feine Partikel nur teilweise zurückhalten. Liegt deren Größe unter 10 Mikrometer (PM10), gelangen sie in die Nasenhöhle. Ab einer Größe von 2,5 Mikrometer (PM2,5) dringen sie auch in die Bronchien und Lungenbläschen vor. Ultrafeine Partikel können sogar bis in das Lungengewebe oder den Blutkreislauf gelangen.

Feinstaub macht krank und kostet Leben: Seine Partikel verursachen unter anderem Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Asthma und Lungenkrebs [2]. Nach Angabe der Weltgesundheitsorganisation WHO sterben weltweit jährlich 2 Millionen Menschen an den Folgen der schlechten Luft.

Wie entsteht Feinstaub?

Feinstaub kann sowohl aus natürlichen Quellen stammen als auch vom Menschen verursacht werden. In beiden Fällen unterscheidet man zwischen primären und sekundären Quellen. In ersteren entsteht der Feinstaub direkt, bei den letzteren wandeln chemische Prozesse in der Atmosphäre reaktionsfähige Gase zu Staubteilchen um.

Zu den vom Menschen verursachten primären Quellen von Feinstaub zählen beispielsweise Reifen- und Bremsabrieb, aufgewirbelter Straßenstaub, Abgase, Heizungen und Abfallverbrennungsanlagen, aber auch die Tonerpartikel von Laserdruckern und Kopiergeräten [17]. Als sekundäre Quellen gelten vor allem Gase aus der Landwirtschaft, der chemischen Industrie oder Lösungsmitteln, die durch chemische Prozesse zu Staubteilchen zerfallen.

Als natürliche Primärquellen für Feinstaub kommen unter anderem Wald- und Buschfeuer, Pollenflug und Verwitterungsprozesse infrage. Zu den sekundären Quellen zählen Vulkangase, Nitrat aus den Böden und Gewässern, Methan von Rindern oder Distickstoffoxid durch biologische Aktivitäten im Boden.

Feinstaubmessung

Eine Feinstaubmessung erfasst alle Partikel in der Luft, deren Durchmesser unter 10 Mikrometer liegt und die damit eine Gefahr für die Atemwege darstellen. Zur Verbesserung der Luftqualität hat die EU zwar Grenzwerte festgelegt, diese übersteigen die von der WHO empfohlenen Werte aber deutlich. Sie sollen jedoch genügen, um die Feinstaubbelastung bis zum Jahr 2030 auf die Hälfte des Werts von 2005 zu verringern. Die Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen zeigen bereits erste Erfolge [3], insbesondere eine deutlich sauberere Luft an Tagen mit weniger Autoverkehr [4].

In einer Luftqualitätsdatenbank [5] sammelt die WHO Informationen zum Luftzustand in rund 3000 Städten aus 103 Ländern. In 80 Prozent der erfassten Metropolen werden die Grenzwerte regelmäßig überschritten. Das trifft insbesondere Schwellenländer wie China und Indien. In den Industriestaaten überschreitet die Luftbelastung in Städten mit mehr als 100 000 Einwohnern in 56 Prozent aller Fälle die Grenzwerte, in einkommensschwächeren Ländern liegt die Rate dagegen bei 98 Prozent. Eine interaktive Karte [6] gibt einen Überblick, wie die Belastung weltweit aussieht.

Feinstaub reduzieren

Die Europäische Union hat festgelegt, dass Mitgliedstaaten geeignete Maßnahmen zur dauerhaften Verminderung von Luftverunreinigungen ergreifen müssen, sobald die Luftimmissionen die Grenzwerte überschreiten. Für Großstädte gilt dabei ein Feinstaubgrenzwert von 50 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft, der maximal an 35 Tagen im Jahr überschritten werden darf.

In Deutschland ist das in zahlreichen Innenstädten der Fall, deshalb haben einzelne Bundesländer und Ortschaften Luftreinhalte- und Aktionspläne zur Verbesserung der Luftqualität erstellt [7], insbesondere zur Einrichtung von Umweltzonen. In Berlin sieht der entsprechende Plan [8] unter anderem folgende Maßnahmen vor:

  • Das Nachrüsten von Linienbussen mit einem neuen Abgasreinigungssystem,
  • eine optimierte Verkehrssteuerung (Lkw-Durchfahrverbot, Tempo-30-Zonen, Einbahnstraßen),
  • das Fördern öffentlichen Personennahverkehrs, Fuß- und Radverkehrs (Umweltzonen, Parkuhren, Radwege),
  • Verkehrsvermeidung durch Stadtstrukturen mit kurzen Wegen sowie
  • das Nachrüsten von Baumaschinen und Fahrgastschiffen mit Partikelfiltern.

Einen großen Einfluss auf die Feinstaubbelastung hat jedoch das Wetter: So bleiben die Staubteilchen je nach Windrichtung und Temperaturen entweder am Ort der Freisetzung oder werden abtransportiert. So stammt in Berlin laut einer Studie nur etwa ein Drittel des Staus aus der Hauptstadt selbst, der Rest kommt von außen, bei entsprechender Windlage etwa in Form von Rußpartikeln aus polnischen und tschechischen Kohlekraftwerken.

Auch beim Abtransport des Feinstaubs spielt das Wetter eine entscheidende Rolle. Im Winter etwa mischt sich die kalte, schwere Bodenluft kaum mit der darüberliegenden Warmluft. Die Feinstaubpartikel bleiben dann wie in einer Käseglocke eingeschlossen, bis der nächste Wind oder Regen die Luft wieder reinigt.

Schadstoff-Monitoring

Die Überwachung der Luftqualität erfolgt mittlerweile durch eine Vielzahl über ganz Deutschland verteilter Messstationen. Dazu zählen auf Bundesebene [9] die Messpunkte des Umweltbundesamts (Abbildung 1), hinzu kommen ländereigene und kommunale Anlagen sowie private Initiativen wie das Stuttgarter Projekt Luftdaten.info [10].

Abbildung 1: Die Messpunkte des Umweltbundesamts.

Abbildung 1: Die Messpunkte des Umweltbundesamts.

Aufgrund seiner Lage in einem Talkessel sowie zahlreicher Baustellen trägt Stuttgart den Spitznamen “Hauptstadt des Staus” [11]. Dadurch kommt es in der schwäbischen Metropole regelmäßig zur Überschreitung der festgelegten Grenzwerte. Deswegen möchten die Initiatoren von Luftdaten.info zusammentragen, an welchen Orten in Stuttgart regelmäßig hohe Feinstaubkonzentrationen auftreten, die Messdaten auf einer Landkarte darstellen und somit ein stets aktuelles Gesamtbild für den Großraum Stuttgart erstellen.

Das Projekt läuft im Rahmen der Open Knowledge Foundation (OK Lab Stuttgart) und stellt alle erfassten Daten transparent für alle Interessierten in Form von Open Data [12] bereit. Abbildung 2 zeigt die OpenStreetMap-Karte des Projekts mit den derzeit aktiven Messpunkten [13]. Je weiter Sie in die Karte zoomen, umso detaillierter zeigt sich die Auflösung der Sensoren.

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