Wie entstehen Luftverunreinigungen?

Die Luft ist zwar unsichtbar, im Normalfall geruchlos und besteht im Wesentlichen aus den Gasen Stickstoff und Sauerstoff. Was sich auf den ersten Blick so unscheinbar präsentiert, ist im Realfall ein komplexes Gemisch von Dutzenden von Gasen, von Flüssigkeitströpfchen und schwebenden Festkörpern geringer Grösse, sogenannten Partikeln.

Gasförmige Luftverunreinigungen entstehen vor allem bei Verbrennungsprozessen, beim Gebrauch von Chemikalien aber auch bei natürlichen Atmungs- und Stoffwechselprozessen in der Natur. Typische Quellen sind demnach der Verkehr, die Energiegewinnung und industrielle und gewerbliche Arbeitsprozesse.

Die drei wichtigsten Leitschadstoffe sind der Feinstaub (PM₁₀), das Ozon und die Stickoxide. Die Emissionen von Schwefeldioxid, ein Mitte der 80er Jahre wichtiger Luftschadstoff, wurde inzwischen so weit reduziert, dass man hier von einem Paradebeispiel einer lufthygienischen Sanierung sprechen kann. Seit einigen Jahren werden die Ammoniakemissionen auch zunehmend wichtiger, da neben ihrem Beitrag zur Versauerung und zum Nährstoffeintrag von Ökosystemen ihre Rolle bei der Entstehung von Feinstaub wichtig wird.

Feinstaub entsteht ebenfalls bei Verbrennungsprozessen, bei mechanischem Abrieb und durch Aufwirbelung z.B. von Strassenstaub. Typische Quellen sind der Verkehr, industrielle und gewerbliche Prozesse, Holzfeuerungen, das Verbrennen von Grünabfällen im Freien und natürliche Quellen wie Stürme. Staubteilchen variieren in ihrer chemischen Zusammensetzung stark und weisen Grössen von einem Zehntel bis einem Millionstel eines Millimeters auf. Man unterscheidet zwischen der Erfassung von Staubniederschlag und Schwebestaub (Feinstaub), auch PM₁₀ genannt.

Wer leidet unter den Schadstoffen?

Der Mensch, Hauptproduzent dieser Schadstoffe, leidet auch am meisten unter dieser Fracht. Dies vor allem durch Entzündungsprozesse und Reizreaktionen von Lunge und Schleimhäuten – unserer empfindlichen Sinnesorgane. Bei starker Belastung mit Partikeln nimmt zudem das Herz-Kreislaufsystem Schaden.

Auch Tiere und Pflanzen werden geschädigt. Vor allem bei Kulturpflanzen, wie Weizen, Tabak oder Klee treten Ernteverluste durch Einwirkung von Ozon auf.

Ganze Ökosysteme werden durch das Auswaschen (verschmutzter Regen) der Luftschadstoffe geschädigt. Ein typischer Fall ist die Versauerung von Waldböden und Seen.

Lebenszyklus von Schadstoffen

Die Schadstoffe werden bodennah (Verkehr) oder über einen Kamin über Dach (Verbrennungsprozesse aus Industrie und Gewerbe sowie private Holzfeuerungen) in die Luft ausgestossen (Emission).

Von dort breiten sie sich einerseits durch Luftbewegungen (Konvektion) und andererseits durch Eigenbewegung (Diffusion) aus. Dieser Ausbreitungsvorgang (Transmission) wird begleitet von einer chemischen Umwandlung entweder durch Lichteinwirkung, durch Reaktion mit anderen Gasen und Partikeln oder einer Kombination dieser Prozesse.

Am Ort, an dem sie ihre Wirkung entfalten (Immissionen) sind sie demnach unter Umständen bereits weit bewegt worden und haben sich chemisch verändert. Die Endstation der meisten Luftschadstoffe ist der Boden, wo sie vor allem über die natürliche Auswaschung durch den Regen hingelangen.

Entstehung und Eigenschaften des Sommersmog

Beim Sommersmog handelt es sich um eine Luftverschmutzung, die durch so genannte Vorläufersubstanzen (im Wesentlichen Stickoxid und flüchtige organische Verbindungen) hervorgerufen wird, welche sich unter intensiver Sonnenbestrahlung chemisch verändern. Ozon ist der wichtigste Schadstoff, der durch diese fotochemische Reaktion entsteht, und dient als Referenz für die Beurteilung der Belastung durch Sommersmog. Gleichzeitig entstehen auch noch andere Schadstoffe wie zum Beispiel Formaldehyd, Peroxyacetylnitrat (PAN) und Salpetersäure. Die Bildung von Sommersmog und die damit einhergehende hohe Ozonkonzentration sind Anzeichen einer übermässigen Verschmutzung der Atmosphäre, die sich sowohl auf die menschliche Gesundheit und die Vegetation als auch auf Sachgüter und auf das Klima schädigend auswirken.

Entstehung und Eigenschaften des Wintersmogs

In den letzten Jahren hat der Feinstaub insbesondere im Flachland und während der Wintermonate zu Problemen geführt. Einerseits trugen die dichte Besiedlung und ein stark befahrenes Strassennetz zu hohen Emissionen bei. Zum anderen sorgten Inversionslagen dafür, dass die belastete Luft kaum zirkulieren konnte und die Schadstoffe sich in den unteren Schichten immer weiter anreicherten. (Bei Inversionen liegt kalte Luft unter wärmeren, was durch Nebel und Windstille begünstigt wird und deshalb im Herbst/Winter vermehrt auftritt. Da kalte Luft schwerer ist als warme, bleibt sie in dieser Situation, ähnlich einem See, in Alpentälern wie auch im Flachland liegen). Zu bedenken ist allerdings, dass Feinstaub das ganze Jahr über in die Luft ausgestossen wird und sich somit eine sparsame Fahrweise nicht nur im Fall einer Inversionslage anbietet.

Massnahmen gegen Luftverschmutzung

Die LRV regelt vor allem die Anforderungen an stationären Anlagen, wie Hausfeuerungen und industriellen Anlagen. Dabei gibt sie Grenzwerte vor und regelt die Kontrolle der Einhaltung.

Zusätzlich erstellen der Bund und die Kantone in regelmässigen Abständen Massnahmenpläne für diejenigen Bereiche, in denen die Immissionsgrenzwerte der LRV überschritten sind. Dazu erstellen sie Emissionskataster um festzustellen, welches die entsprechenden Hauptverursacher sind.

Ausserdem kann jeder von uns etwas dazu beitragen, dass die Luft weniger belastet ist: Kurzstrecken zu Fuss oder mit dem Velo zurücklegen. Öffentlicher Verkehr und Carsharing-Angebote nutzen oder Fahrgemeinschaften organisieren. Regionale und saisonale Produkte kaufen. Mit naturbelassenem und trockenem Holz einfeuern, sowie zum Anzünden kein Papier, sondern Anzündhilfen aus dem Handel benutzen.

Warum wird gemessen?

Die Luftreinhalte-Verordnung (LRV) schreibt für bestimmte Schadstoffe Immissionsgrenzwerte vor. Durch gezielte Immissionsmessungen werden die Schadstoffkonzentrationen überwacht. Überschreitet ein bestimmter Schadstoff regelmässig die Grenzwerte,  legen die Behörden Massnahmen im Massnahmenplan fest. Durch die Umsetzung des Massnahmenplans wird eine Reduktion der Luftschadstoffbelastung unter die Grenzwerte angestrebt.

Nebst dem gesetzlichen Auftrag gezielt Schadstoffe zu messen ist die Untersuchung der Wirkung von Luftschadstoffen auf Lebewesen eine spannende Herausforderung. Dafür bieten sich biologische Zeigerorganismen (z.B. baumbewachsende Flechten) an, die auf den Schadstoffmix in einem bestimmten Gebiet reagieren.

Die Messung als Information zur Gesundheitsvorsorge ist eine weitere interessante Motivation. Dabei wird ersichtlich, wo man sich zur aktuellen Zeit besser nicht aufhält und wo man gute Luft erwarten darf. Dafür braucht man «schnelle Messgeräte», sogenannte Monitore, und eine effiziente Informationsstruktur wie das Internet, damit die Daten vom Messpunkt direkt an die Server übermittelt werden.

Wie wird gemessen?

Für rasche Resultate (Information) und genaue, zeitaufgelöste Messreihen (Ursachenermittlung) braucht man empfindliche und komplexe Messgeräte, sogenannte schadstoffspezifische Monitore. Diese können einzeln betrieben werden, sind aber in der Regel zu Gruppen zusammengefasst, an eine aufwändige Versorgungsstruktur gekoppelt und mit einem Messsystem für Wind und Wetter ergänzt.

Für einfachere Messungen ohne beschränkte Zeitauflösung (einige Tage bis Wochen) und Genauigkeit genügen auch passive Sammelsysteme. Damit können grossflächig Aussagen zur Langzeitentwicklung einer bestimmten Schadstoffimmission gemacht werden. Ein klassisches Beispiel dafür sind die Passivsammler für Stickoxide.

Eine Stichprobenmessung ist besonders dann sinnvoll, wenn die Messung über einen längeren Zeitraum Auskunft gibt und flächendeckend durchgeführt werden kann. Dafür ist die Bioindikation bestens geeignet. Die Zeigerorganismen ermöglichen eine Beurteilung der Luft nach der Wirkung der Schadstoffzusammensetzung vor Ort. Eine weit verbreitete Methode ist die Kartierung von baumbewohnenden Flechten.

Wo wird gemessen?

Die Fragestellung gibt sowohl den Messort als auch die Messmethode vor:

• a) Sollen im Wesentlichen die Immissionen gemessen werden, die von einer oder einigen wenigen grossen Quellen stammen, so sollte nahe an der Quelle und zeitauflösend gemessen werden. Beispiele dafür sind Messstandorte an Autobahnen oder solche in der Nähe grosser Anlagen wie internationale Flughäfen, Zementwerke, Kehrrichtverbrennungsanlagen etc.
• b) Sollen mittels einer Modellierung oder einer Verallgemeinerung flächendeckende Aussagen gemacht werden, so bietet es sich an, Immissionskategorien zu bilden und Standorttypen auszuscheiden. An diesen Standorten kann stellvertretend für alle vergleichbaren Bereiche im betrachteten Gebiet gemessen werden.
• c) Soll mittels einer Messung eine flächendeckende Aussage gemacht werden, so muss ein Netz von Messstellen errichtet werden, das feinmaschig genug ist, um kleinräumige wesentliche Änderungen der Luftqualität zu registrieren. Aus Kostengründen kommt hier fast ausschliesslich die Bioindikation mit Flechten zum Zuge.

Messungen im Kanton Schwyz

Der Kanton Schwyz misst seit 1989 Luftschadstoffe. Nach einer Zeit von Basiserhebungen (1989-1991, 1996-1997) und einer Zeit von Trenderhebungen für Stickstoffdioxid und Ozon (1991-1998) schloss sich der Kanton Schwyz mit den Zentralschweizer Kantonen zu einem Messverbund zusammen und ist seit 1999 am Betrieb des interkantonalen Luft-Messnetzes «in-LUFT» beteiligt. Dieses Messnetz arbeitet nach dem Prinzip der Verallgemeinerung von Standorttypen und bietet aktuelle wie auch vergangene Informationen und Messresultate an.

Ergänzend zu den chemischen und physischen Messungen, sind in den Jahren 1997, 2001 und 2004 mit Wiederholungen in den Jahren 2008, 2009 und 2013 auch je eine ca. 20 km²; abdeckende Flechtenkartierung in verschiedenen Regionen des Kantons durchgeführt worden.