Feinstaub

Mitschrift zur Vorlesung von Prof. Hitzenberger

Markus Drapalik

SS 2006

Kapitel 1

Einfuhrung

Feinstaub: unter 10µm

problematische Aerosole

• Ruß: mit C14-C12 verhaltnis manchmal bestimmbar, ob anthropogen odernicht

• Kohlenwasserstoffe: auch so bestimmbarSommersmog: KW + Stickoxide + Wasserdampf + Sonne = Ozon + se-kundare organische SubstanzenLos Angeles: kein Salat/Erdbeer-Anbau mehrKW: kommen sicherlich auch zu großem Teil aus Biomasseorg. KW konnen mit Stickoxiden vom Autoverkehr Partikel bilden... istdas jetzt anthropogen?Spanien und Niederlande haben bereits bestimmte Levels von Feinstaub,die sie uberschreiten durfen, weil naturlich (Seesalz-Partikel durch Bran-dung, Bodenstaub)

ad Folie 2:

Dust: feste Partikel

Mist: kleine flussige Partikel

Spray: Tropfchen (Welle mit schaumkrone klatscht auf)

meisten Bodenpartikel uber 10 µm: Slit (Schlick), feiner Sand,

Clay (Tonmineralien): etwas feiner

Smog: Kunstwort aus Smoke + Foggepragt in London um Jahrhundertwende

Olrauch: sehr relevant

1

KAPITEL 1. EINFUHRUNG 2

Tabakrauch: begrenzt interessant (Feinstaub ist per def. ein Problem der Außen-luft..., nur außen gerauchte Zigaretten mussen reguliert werden, in InnenraumenArbeitsrecht)

Flugasche: fruher Problem bei Kraftwerke, heute gefiltert

Zementstaub

Schwefelsaure

Verbrennungspartikel: sehr feine Partikel

1.1 gesellschaftlicher Hintergrund

(fast) niemand produziert mit boser Absicht Feinstaub

Menschen haben Grundbedurfnisse: Nahrung, Wasser, Energie (Warme)

Energie entweder aus rezenter Biomasse oder fossiler Energie

aus Verbrennung dieser Stoffe entstehen Partikel und die haben Gesundheits-auswirkungen

Auswirkung ist abhangig von Partikelgroße, chemischer Zusammensetzung:

sehr große Partikel dringen nicht in Lunge vor (von Nase gefiltert)

Seesalzaerosole grundsatzlich harmlos (werden schnell aufgelost), es sei denn mitpolyzyklischen KW verunreinigt

gesundheiltiche Wirkung oft nicht abschatzbar

1.2 Geschichte

erst in den letzten 60 Jahren Erkenntnis, dass Staub schadlich ist (Todesfalle inLondon, Los Angeles)

anthropogener Feinstaub hat mit Verwendung des Feuers vor 500000 Jahren(Altsteinzeit) begonnenOtzi durch Metallverarbeitung geschadigte Lungen

in Neusteinzeit erste Hauser gebaut, aber ohne Rauchfang → indoor-pollutiongroßes Problem, aber da oft in Trogtaler durch Inversionslagen auch außen heu-tige Grenzwerte sicher bei weitem uberschrittenVorteil des fehlenden Abzugs: mehr Warme, keine Insekten

erste echet Außenverschmutzung bei Entstehung der ersten Stadteauch wenn Heizung unnotig, gekocht wirdanderes Problem in ersten Stadten: Abgase organischer Herkunft (Abfall)Bsp. 837 v.Chr. belagerte Stadt Hermopolis musste aufgeben, da Gestank nicht

KAPITEL 1. EINFUHRUNG 3

mehr ertraglichvon Horaz bekannt: weißer Marmor wird schnell grau, wg Luftverschmutzungin Stadten

Erzgewinnung: z.B. Silber, starke Verschmutzung in entsprechenden Regionen

Bleigewinnung der Romer fuhrt zu 10x hoherer Bleikonzentration in Luft alsHintergrund (bekannt aus Eisbaukernen), heute nochmal 10fache von Romer

Kupfer dasselbe Problem: Einfuhrung der Kupfermunzen in Rom, Wirtschafts-boom um 1100 in China fuhren zu Cu-peak in Gronlandeis

1135-1204 judischer Geschichtsschreiber (in islamischem Reich) halt fest: “inStadten ist luft: hasslich trub schlecht [...] Bewohner sind dumm und vergess-lich)” Hinweis auf schleichende Bleivergiftung, in Rom sicher Gang und gabe

Problem sicher dann am großten, als Leute erkannten, dass Kohle ein sehr guterBrennstoff istKohle enthlt: C, O, S, Phoffene Verbrennung von Kohle erzeugt: Ruß, Staub, H2SO4in England im MA z.T. Kohleverbrennung bei Todesstrafe verboten

industrielle Revolution: ware ohne Kohle unmoglich gewesenguter Energietrager fur Industrie notwendig, Holz schon Mangelwar

im 17. Jhdt extreme Luftverschmutzung z.B. in London: “Luft ist Mischung aus:Ruß, Schmutz, pulversisierten Pferdeapfeln”“Luft so schlecht, dass Husten und Schwindsucht niemanden verschonen”

im viktorianischen England 25% aller Todesfalle durch Atemwegserkrankungen(das bei schlechtesten Hygienebedingungen)Mortalitat durch Feinstaub damals 4-7fache von heutiger

1879 in London: Inversionswetterlage + Kohlefeuerung (offene Kamine) = enor-me Ruß + Rauchkonzentrationdazu Feuchtigkeit von Themse = 3000 Tote

4.-10.12.1952“Great London Smog”: Inversionswetterlage: Smoke + SO2-Konzentrationjenseits aller heutigen Grenzwertestarker Anstieg der Todesrate, erzeugt nach alten Quellen ca. 4000 Todesfalle,nach neuen Quellen 34000 (und das ohne “harvesting.effect” = Sterben bereitsgefahrdeter Personen)Maßnahmen dagegen: Verbot von Kohlefeuern, Anraten Ammoniakflaschchenmit sich zutragen (neutralisiert Schwefelsaure)

in 60ern nochmal 120 Tote durch Smog

WHO-Schatzung: 1997 400.000 Todesfalle durch Feinstaub, 880.000 durch Ver-kehrsunfalle1950 - 1997: 20-30 Mio Tote durch Feinstaubbelastung, gesamtes 20. Jhdt: 20-40Mio. Tote (entspricht ca. Grippepandemie 1918/1919 bzw. 1. + 2. WK)

KAPITEL 1. EINFUHRUNG 4

woran stirbt man durch Feinstaub: Lungenfunktion stark beeintrachtigt, manch-mel Feinstaub toxisch (Flugasche bei Kohleverbrennung: Arsen; polyzyklischeAromate)Stoffe losen Entzundungsreaktionen in Lunge aus, diese bedingen Zusammen-bruch des Kreislaufkrebserregend: Tabakrauch, Arsen (Mesoteriom), Dieselruß (noch unklar)meisten Todesfalle aber wahrscheinlich durch Langzeitbelastung und resultie-rende Entzundungen

1.2.1 Feinstaub durch Energietrager

Wasserkraft tragt kaum zu Feinstaub bei (Sußwasser schaumt kaum)

Uran: im Normalbetrieb keine Emission

Mineralol: Ruß (reichlich)

Kohle: so richtig dreckig (SO2)

Erdgas: ziemlich sauber

Kohleverbrauch beginnt mit Industrieller Revolution

steigt immer weiter, ab 50er Jahren kommt Erdol dazu, steigt sehr schnell (klei-ner Einbruch 1973, erste Olkrise)nach Olkrisen immer eine Zeit lang reduzierter VerbrauchOl hat Umweltproblematik etwas hintangehalten

heute großter Kohleverbraucher: ChinaZusammenbruch der UdSSR reduziert Kohleverbrauch kurzfristigdamals im Erzgebirge (Polen) Lebenserwartung stark reduziertseit 1999 starke Verbesserung in Polen (denken an EU-Beitritt)

1.2.2 Anteil der Energietrager als Heizmittel

Alles in Prozent!

Kohle nimmt seit 1940 konsequent ab

Elektritzitat seit 1960 zu

Ol/Kerosin haben peak um 1960, seither langsame Abnahme (in Etwicklungslandernach wie vor beliebtes Heizmittel)

Gas bis 1970 starker Anstieg, dann konstant

man sieht: sowie Luftreinhaltemaßnahme eingefuhrt werden, nimmt der Kohle-verbrauch ab und der Gasverbrauch zu (Gas ist “clean fuel”)

KAPITEL 1. EINFUHRUNG 5

1.2.3 Schwefeldioxid/Stickoxid im Wandel der Zeit

siehe Folie

Verlauf nur durch Wirtschaftskrisen und Kriege beeinflusst

insgesamt aber seit 40er Jahren lineare Zunahme der Stickoxid- und Schwefeldioxid-Emissionen

Problem haben wir durch Hochtemperatur-Verbrennungsprozesse

in 40ern kaum Autos in Europa (Halfte aller Autos in USA)

in Otto-Motor ca 700◦C, reicht um N zu oxidieren

weiters immer hohere Temp. in Kraftwerken

saurer Regen und Waldsterben vermutlich starker durch Salpertersaure ausStickoxiden als durch Schwefelsaure aus SO2

1.3 Partikelkonzentration und Zusammensetzung

Frage: was ist sauber, was schmutzig?

Aerosole legen 1000km leicht in 2-3 Tagen zuruck

O bekommt also locker alle Aerosole der Umgebung (500km) ab

wenig durch: Spanien (Windrichtung), Norwegen, Schweden, Finnlandsonst durch alle

Feinstaub ist klar internationales/globales Problem

typische Definitionen

Hintergrundaerosol

Bezeichnung Partikelcm3

µgm3

echtes Hintergundaerosol1 <700 <5kontinentales HG <1000 <15

urbaner HG 1000-10000 -200verschmutzt urban 100000 >200

hochstes in Wien: 546µg

mittlerweile zw. 40 und 50 (entspricht EU-Empfehlungen)

neben Straße das 5-fache: durch aufgewirbelten Großstaub

nicht bedachtes Problem: Kinder atmen in Hohe der Auspuffe ein → Kinderhaben in Straßennahe wesentlich hohere Belastung

Rechnung: 0.7l/Atemzug

KAPITEL 1. EINFUHRUNG 6

Wien:5000 Partikel/cm3

⇒ 3.7 · 106 Partikel

Beijing:500000 Partikel/cm3

⇒ 3.7 · 108 Partikel

Belastung pro Tag:Wien: 5 · 1010 − 1011 Partikel

TagBeijing: 5 · 1012 − 1013 Partikel

TagBelastung des Korpers: je weiter in Korper die Partikel vordringen, desto schadlicherAbscheidung im Korper: siehe Foliezwischen 0.1 und 1 µm Depositionsloch → niedrigste Aufnahme

Abschatzung: ca. 70% (bezuglich Masse) bleiben in Korper350-700 µg bei sauberer Luft im Korper pro Tag35-70 mg bei verschmutzter LuftMasse allein also eher unbedeutend

in Atemluft ca 1/cm3 an Pollen/Bakterien/etc.in Spruhaerosol (Niesen) allerdings hohe Konzentration...

1.3.1 Partikelvarianten

• chemisch und biologisch inertsollten nichts machen

– nicht loslichspitze Partikel konnen Entzundungsreaktionen auslosenfuhren insgesamt zu hoherer MortalitatBsp Silikose: durch Kalk und Quarzsand (z.B. bei Schneiden der Ma-terialien) ist anerkannte Berufskrankheit (Staublunge)Faserformige Partikel: Asbest, Baumwollefasern, Glasfarspartikel (Iso-liermatten)

– loslichwerden im feuchten Milieu aufgelost und gehen in Korperflussigkeituberz.B. Meersalzziemlich untragisch, es sei denn sehr viel (ca. 1kg Kochsalz)

• chemisch reaktivHauptkandidaten: Sauren (H2SO4), Ozonauch feste Partikel konnen kleine O oder CO herausstehen haben

– oxidativer Stresswird durch Oxidantion auf Korper ausgeubt

KAPITEL 1. EINFUHRUNG 7

– dabei konnen Radikale enstehen (freie Radikale nicht gerade gesund)

• radioaktiv

– Partikel “hot spots”z.B. Kohle: enthalt alle moglichen Isotope, Flugasche hat ca. Akti-vitat eines Kernkraftwerks (K40, C14) im NormalbetriebStaub von abgereicherter Uranproduktion auch nicht so gesund (vielim Kosovo)

– an Partikel adsorbierte GaseRn222(Gastein...)

• toxisch, kanzerogen

– Zigarettenrauch

– Teer

– polyzyklische Aromate (PAH)

– diverse Kohlenwasserstoffe

– Ubergangsmetalle2

• allergen

– Pollen, Sporen

– diverse Metalle

– Katzhaare

– Kot von Hausstaubmiblen

• pathogenLegionellen, Toxoplasmose, Milzbrand

2geplantes Kohlekraftwerk in Burgenland wurde gecancelt, nicht wg unsauberer Braun-kohle oder Luftverschmutzung, sondern weil Kohle genugend Arsen enthielt, dass dieses inwesentlichen Teilen in Abgas enthalten gewesen ware

Kapitel 2

Großenverteilung undQuellen

2.1 Definitionen

2.1.1 Große

welche Große soll man messen?, was ist der Durchmesser eines ellipsoiden, einesfaserformigen Teilchens?

man nimmt heute i.A. den Durchmesser

definieren Aquivaltendurchmesserist der Durchmesser einer Kugeldiese kann haben:

• gleichen Durchmesser

• gleiches Verhalten: optischer Aquivalentdurchmesser, Diffusionsaquivalentdurchmesser,aerodynmischer Aquivalentdurchmesser

ad aerodynamischer Aquivalentdurchmesser (dAE): ist d einer Kugel von % =1g/cm3 mit gleichem aerodynamischem Verhalten

PM 10 bezieht sich auch dAE < 10 µm

2.1.2 Großenverteilung

siehe Zettel

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KAPITEL 2. GROSSENVERTEILUNG UND QUELLEN 9

man kann Haugkeit versus Durchmesser darstellen

oder man normiert auf Haufigkeit durch IntervallbreiteVorteil: Flache der einzelnen Balken entspricht Partikelzahl, Summe aller Flachengibt Gesamtzahl

ist insgesamt aber ungunstig, daher Verwendung normierter Verteilungenerhalt schließlich eine Funktion f(dp) fur Haufigkeitsdichteverteilung

kann wie immer verschiedene Mittelwerte definieren

• Mode: haufigster Durchmesser

• Median: Flache links u. rechts gleich

• arithmetisches Mittel

Standardabweichung wie ublich: σ =

√∑(xi−x)2ni

N−1

symmetrisch um x

Flache unter Kurve:∫∞−∞ f(dp) · ddp = 1

2.1.2.1 logarithmische Normalverteilung

x, σ → lnx, lnσ

gibt keinen wirklichen physikalischen Grund furWahl der logarithmischen Ver-teilung, außer, dass bei Zerjkleinerungsprozessen geometrische

Reiehen entstehen.

Tatsachlich passt Logarhitmus nicht vollstandig (Partikelgroßen nicht normal-verteilt)

man konnte Verteilung durch Uberlagerung von mehreren Gauß-Verteilungendarstellen, wieviele man hineinlegt ist Geschmackssache, brauche aber pro Gauß-Verteilung mindestens 3 Messpunkte (ist aber schon sehr schwach)

man konnte das als Uberinterpretation von Messdaten ansehen, klares Jein

haben bis jetzt Anzahlverteilungen betrachtet:

f(x) = N (d) = n (d) =dN

d ln d

wenn ich aber z.B. Filter messe, bekomme ich Masse der Artikel

m (d) =dm

d ln d=

d3π

6ρ

dN

d ln d∝ d3n (d)

KAPITEL 2. GROSSENVERTEILUNG UND QUELLEN 10

wegen d3-Abhangigkeit hat Massenverteilung (∝Volumsverteilung) Maximumbei großen Partikeln, Anzahlverteilung jedoch bei kleinen

bei Massenverteilungen also schon Haufungspunkte: 2-4µm, kleiner bei kleinenPartikeln, ...

Wie komme ich von Volums- zur Massenverteilung? Wie komme ich zur Ober-flachenverteilung?

S (d) ∝ d2 · n (d)

Kenne ich Parameter der Gauß-Kurve fur Anzahlverteilung, kenne ich auch diefur Massenverteilung. Standardabweichung bleibt namlich immer gleich, Mittel-punkt woanders. MMD(mass medium diameter), CMD(count medium diame-ter), SMD(surface medium diameter)

MMD = CMD · e3·ln2 σg

SMD = CMD · e2·ln2 σg

Wieso kann ich Masse mit 1 annehmen? Masse steht eh außerhalb Integrals:mg =

∫dm

d ln d · d ln d = ρπ6

∫d3 dN

d ln d · d ln d

2.1.2.2 Gegenuberstellung Normalverteilung und logarithische Nor-malverteilung

Normalverteilung LNVsymmetrisch um x symmetrisch um ln xx = −∞ . . . +∞ x = 0 . . . +∞

x± σ : 68.26 zw. xσ . . . σx : 68.28

x± 2σ : 95fur additive Prozesse fur Prozesse ∝ x

Fehler von x Fehler in

Nachteil beider Verteilungen

Werte am Rand der Verteilung sind bei Messung (bedingt durch Messgerat) amunsichersten, gehen aber am starksten einbenutze ich zwei Gerate, deren Bereiche sich uberlappen oder will ich von einemins andere umrechnen, habe ich ein Problem

KAPITEL 2. GROSSENVERTEILUNG UND QUELLEN 11

2.1.2.3 gangige Verteilung

heute gangige Verteilung: trimodale logarithmische Verteilung (Fig. 14.2)

ein peak liegt zw. 0.1 und 1 µm, diese sind am haltbarsten in Atmosphare (Tagebis Wochen)

schwere Partikel sedimentieren relativ schnell

leichte Partikel koagulieren wegen hoher Diffusion schnell, Masse bei jeder Ko-agulation verdoppelt, wandern schnell in 0.1-1µm Bereich

Kapitel 3

Enstehung vonAerosolquellen und -senken

3.1 Bildung von Aerosol

2 Moglichkeiten ufr Bildung:

1. grobes Material zerkleinern

2. aus Dampfen kondensieren

2 Moglichkeiten fur Emission

1. direkte Emission

2. Gas → Reaktion →Partikel(gas to partical conversion)

3.1.1 ad Zerkleinerungsprozesse

ergibt Grobstaub

z.B. Wustenstaub war einmal Gestein

durch Erosion wird aus jedem Gestein einmal Sand und dieser wird immer feiner

auch sich zersetzende Biomasse ergibt kleine Brosel (im Herbst in Wien 20%des C in Luft aus Biomasse)

Pflanzen tragen auch direkt bei: Wachsschicht auf Blattern (aber meist uber2µm)

12

KAPITEL 3. ENSTEHUNG VON AEROSOLQUELLEN UND -SENKEN 13

3.1.2 ad Kondensation ubersattigter Dampfe

Verbrennungmotoren: verbrennen nicht perfekt, schlecht verbrannter Treibstoffkondensiert

3.1.3 ad gas to partical conversion

Gase werden in (eigentlich stark reaktive) Atmosphare emittiert, trifft dort auchnoch auf UV-Licht

Bsp: SO2 ist bei Normalbedingung immer gasformig, H2SO4 immer flussig

kann homogen oder heterogen kondensieren:homogen = an sich selbstheterogen = Kondensation an vorhandenen Partikeln, diese wachsen dadurch

dadurch mit der Zeit immer intern gemsichte Partikel im Aerosol

Bsp.: Russpartikel trifft Sulfatpartikel, bleiben aneinander kleben...

Bsp.: an Sulfatpartikel kondensiert organischer Dampf

Aerosol ist hochreaktives System, das sich sehr schnell verandert

relative Feuchte im Atemtrakt ist 100%, atmen wir Partikel ein, wachsen siesehr schnell und verhalten sich daher wieder anders

3.1.4 Quellen

• extraterrestrischer Staub: was nicht zu schnell ist (vergluht nicht)

• Vulkan: fordert bei Ausbruch Unmengen Grobstaub, SO2 bei “Normalbe-trieb” nicht zu ignorieren

• Meere: sind sehr große Aerosolquellen, haben indirekt darauf Einfluss,hauptsachlich GrobstaubDMS (Dimethylsulfid→ SO2→ CCN-Wolkenkondensationskeime) ist durchTemp beeinflusstauch auf sea spray (Seesaluaerosol) wird z.T. von Menschen erzeugtOberflache des Meers von Blasen bedeckt, platzt diese, kann Aersol aufverschiedene Arten entstehenkommt Blasen an Oberflache, platzt Film, entstehen kleine Tropfen, nachruckendesWasser erzeugt Jet (Spritzer), zerfallt in viele Tropfchenwann schaumt Wasser besonders gut? Wenn sehr viel organisches Materialim Wasser ist (Abwasser im Meer)Seesalzaerosol enthalt auch große Mengen BakterienHauptteil allerdings nicht athropogen

KAPITEL 3. ENSTEHUNG VON AEROSOLQUELLEN UND -SENKEN 14

• Bodenstaub: hauptsachlich GrobstaubErosionsprozesse von Mensch beeinflusstReduktion des Bodenstaubs ist besonders effektiv um Grenzwerte zu er-reichen, da ja grober Feinstaub hohe Masse hat

– Hauptquelle allerdings Wusten, relativ wenig Einfluss (Panzer inGolfkriegen haben allerdings Wuste gestort: Wuste hat nach genugZeit schlecht erodierende Deckschicht, durch Panzer aufgebrochen)

– Bodenstaub in Stadten durch Straßenverkehr etc

– Baumaßnahmen: Erosion von Gebaudeoberflachen

– weitzeiliger zeitweiliger Anbau, z.B. Maisfeld: wachst nur bestimmteZeit, dann wird geerntet, Abstand zwischen Maispflanzen recht groß,Ende August wird geerntet, April/Mai wird gesaht, dazwischen Feldohne BedeckungWeinberge dasselbe Problem, weil Unkraut dazwischen weggepflugtist grober Feinstaub

– fruher wurden Felder abgebrannt (jetzt verboten), wurden dann so-fort umgepflugt (vollig unnotig) → Redutkionspotential

• Verbrennungsprozesse: direkte Emission von PartikelnBiomassebrande (Savannenfeuer, Waldbrande, Prariefeuer), Industrie, Au-tosemittieren: Ruß, BC (black carbon), (S, NOx)fur Emissionsstarke siehe Tabelle Emission factors (allerdings ohne Filter)und Central Values of Partic...

– Biomassefeuer: 150Mt/y

– Kohlekraftwerke besonders starke Quellen (deswegen gibt’s in Wienkeine)

– Olkraftwerke gibt’s reichlich (Simmering, Lobau), konnen meist beihohen Belastungswerten kurzfristig auf (teureres) Gas umsteigen

– Stroh und Holz verbrennen sehr unsauber, getrockneter Dung we-sentlich besser (1/8 davon)

grooooßes Loch

Kapitel 4

Exposition

4.1 Definition

unterscheiden:

• Konzentration: in µg/m3

• Exposition: macht nur Sinn, wenn jemand da ist (auch in µg/m3)

• Dosis: unterscheiden weiter in

– biologisch aktive Dosis: vom Koroer aufgenommene Menge

– potenzielle Dosis: Gesamtaufnahme · Luftaustauschrate(hoher beim Laufen als beim Gehen)

unterscheiden weiters 5 Mikroenvironments

• zu Hause schlafend

• zu Hause tagsuber

• Arbeitsplatz

• Transit

• Innenraum nicht zu Hause (Theater, Kaffeehaus, etc.)

mit diesen kann ich individuelle Exposition berechnen (Sume uber Zeit in En-vironment mal Belastung)

Ei =m∑

j=1

Eij =m∑

j=1

fjcij

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KAPITEL 4. EXPOSITION 16

in Europa verbringt man 80% seiner Zeit in Innenraumen, in den USA 90%,dennoch ist 50% der Gesamtexposition durch Außenkonzentration bestimmt(gerade feine Partikel gehen auch durch Fenster hindurch)

einige wenige Quellen im nnenraum sind reguliert (Asbest, Spanplatten, etc.),die meisten nicht:

Bodenstaub (Schuhe abputzen), Sauberkeit, Rauchen, Ultraschallluftbefeuchtermit Leitungswasser

4.2 Methoden d. Expositionsabschatzung

Reihenfolge in Folge der Qualitat der Ergebnisse

4.2.1 direkte Messung an Personen

eher schierig (wer will schon Gerate dauernd am Korper tragen)

4.2.2 indirekt: Messung in Mikroenvironments

siehe Zettel Comparison of Daily Individual...

man erkennt: beim ersten kann man gar keine Korrelation finden

beim zweiten nimmt man den MIttelwert der Exposition und vergleicht diesen,das ist schon besser (aber nicht gut)

heute misst man nicht mehr so gerne sondern modelliert lieber

4.2.3 Messung der Außenkonzentration

4.2.4 quantitative Surrogate

kann noch Distanz zu einer großen Straßen verwenden (fruher durch Befragunggemacht, heute liebes GIS-Systeme)

4.2.5 qualitative Surrogate

“Wohnen Sie nahe an einer großen Quelle?”

KAPITEL 4. EXPOSITION 17

4.3 Konzentration in Europa

Monitoring Netzwerke

haufig in Nahe großer Emmittenten

manchmal will man Ozon messen (macht in Stadten nicht viel Sinn, eher in denHintergrundregionen in denen es gebildet wird - Waldviertel)

meisten Messstellen liegen in urbanen Gebieten (sinnvoll, weil ja da die meistenPersonen)

Daten oft mangelhaft: liefern nur Uberschreitung ja nein

gibt schon Echtzeitsysteme, die in Verkehrsleitsysteme eingebunden werden (konnen)

wichte Messwerke (auch im Internet): EMEP (von UN), GAW - Global Atmo-spheric Watch (von WMO - World Meteorological Organisation), AIRBASE(Europa)

Messstationen werden von Landern bezahlt und nicht von EU, daher zum Teilsehr große Lucken, Ausfalle, etc.

durfen derzeit an 35 Tagen im Jahr Grenzwerte uberschreiten

siehe dazu Grafiken aus PPT

4.4 Modellierung von Exposition

am einfachsten ware es mit mittlerer Konzentration (außen) und Bevolkerungsdichte,nehme noch ein bissi Ausbreitungsrechnung dazu und berechne daraus Exposi-tion der Bevolkerung

Typen:

1. Proxyman benutzt Stellvertreter fur GEsamtexposition, z.B. NO2

Gefahr: limitiert man diesen Parameter, so passt sich Industrie daran an,und es geht z.B. NO2 runter, dafur aber Ruß hinauf

2. Vergleich PM-Daten aus Messnetzwerken / Bevolkerungsdichtebei dichtem Netzwerk und homogener Bevolkerungsverteilung stimmt dasgutin O ist Hintergrundbelastung in großen Gebieten ziemlich homogen, beistarken Quellen stimmt es naturlich nichtin Wien in alten Stadtteilen angenehme Struktur, da in Innenhofen wederultrafeiner noch Grobstaub

KAPITEL 4. EXPOSITION 18

3. Mobilitat einbeziehenkurzzeitige Mobilitat (Zahl der Pendler, Zahl der Stunden eines Durch-schnittswieners im Verkehr)langfristige Mobilitat (Zahl der Ubersiedlungen in belastete/unbelasteteGebiete)lasst sich aus Mikrozensusdaten und GIS (geographical information sys-tems) she gut modellieren, hoher Rechenaufwand

4.5 individuelle Exposition

4.5.1 Langsschnittstudien

betrachte uber langeren Zeitraum Belastung einzelner Personen aus bestimmterGruppe, Veranderung uber Jahre

4.5.2 Querschnittstudien

Nebenbemerkung: im Winter hochste Konzentration in Wien in 19. Bezirk amFuße des Wienerwaldes

betrachte einzelne Stadt, Verteilung der Belastung

4.5.3 innen/außen

Vergleich innen/außen ist sehr wichtig bei individueller Exposition

siehe Grafik Fraction of Indoor PM From Outoor...

selbst bei niedrigen Luftwechselraten ist Feinstaubkonzentration von außen nachinnen sehr groß

cinnen =p · aa + k

caußen +Ncig · Scig + Tcook · Scook

(a + k) · V · t+

Sother

(a + k)± . . .

p Penetration, a Austauschrate, k Abscheiderate, Ncig Anzahl Zigaretten, Scig

Quellstarke Zigaretten, Tcook Zeit, die gekocht wird

Kochen hat ziemlich starken Beitrag zu Innenraumbelastung

cin/cout bei a = 0.76 /h und PM2.5: cin/cout = 0.66

cin/cout bei a = 0.76 /h und PM10-2.5: cin/cout = 0.43

Arbeiter haben doppelte Belastung von Buroangestellten

junge Erwachsene haben hohere Exposition als altere

KAPITEL 4. EXPOSITION 19

hochste Exposition haben arbeitlose Manner, kleinste arbeitslose Frauen, gehtuber alle soziokulturellen Gruppen Hinweg

machmal verbring tman kurze Zeit in Gebieten sehr hoher Konzentration, treibtindividuelle Exposition dramatisch in die Hohe

Kapitel 5

Toxikologie

5.1 mogliche Wirkungen

• Infektionsanfalle

• Entzundungen an Luftwegen - beeintrachtigen Gasaustausch

• Entzundungen in Alveolen - Signalkaskade

• Verschlechterung bestehender Krankheiten z.B. Asthma

• Entzundungen in Alveolen - Gerinnungsneigung

• Lungenodem

• Bronchiolitis

• Lungenentzundung - evtl Herversagen

• Herzrhythmusstorungen

5.2 Ubergang ins Korperinnere

uber:

• Mukoviszillarteppich

• Alveolen

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KAPITEL 5. TOXIKOLOGIE 21

je nach Verhalten der Teilchen unterschiedliche Wege moglich:

losliche gehen in Flussigkeitsfilm der Lunge uber, werden metabolisiert, kommendirekt in Lungenkreislauf und damit in den ganzen Korper (ist es NaCl passiertgarnichts, bei H2SO4 gibts Infektionen)

unlosliche treffen auf Mukoviszillarteppich, werden dort aufgefangen, wieder hin-aufbefordert und gelagen dann in Magen

unlosliche treffen auf Alveolen und werden von Macrophagen aufgefressen, ak-tivieren damit Immunsystem und starten Entzundungskaskaden, erhohen Ge-rinnungsneigung - Herz beleidigt; Makrophagen fressen Teilchen, sterben undgeben sie an uber Mukoviszillarteppich ab (ca 1/3), Rest uber Epitelzellen insKorperinnere (Lymphe oder Blut) (ca 50%), uber Lymphe werden ca 1-10%d. Partikel transportiert, Blut Rest und uber letzteres in sekundare Zielorgane(Herz, Leber, Milz, Niere, Gehin, Nervensystem)

Problem bei ulltrafeinen Partikeln: sehr große Oberflache, sehr viele davon

5.3 Tiermodelle

siehe auch Folien

Tiere mit speziellen Anfalligkeiten gegenuber Krankheiten werden gezielt gezuchtet

Ratten grundsatzlich sehr geeignet, sind allerdings resistent gegen Schwefelsaure

besser Meerschweinchen, die werden vor allem recht alt (8 Jahre), sodass manLangzeitstudien machen kannje nach Anlage (kann man aussuchen) Anfalligkeit fur Asthma, Lungenfunkti-onsstorung, Allergien

Schwefelsaure an Meerschweinchen getestet: H2SO4 ist starkes Oxidans, Medi-ziner nehmen an, dass Hauptgrund fur Signalkaskadenein Ergebnis: Tiere mit starkerem angeborenen Luftwiderstand in Lunge reagie-ren 4-10 mal starker - Asthmatiker besonders betroffen (an denen auch uberpruft)

Airway Sensitivity: Reizgas wird in Atemwege eingeblasen und Anderung desLuftwegwiderstands gemessen

bedenken H2SO4 wirkt wie SO2, nur wesentlich starker: wieso?Schwefelsaure liegt als Tropfchen vor, ist daher nicht homogen verteiltbei Reizgas kriegt gesamte Lungenoberflache gleiche Dosis ab, bei Aerosolenbekommen kleine Bereiche hohe Dosen aboft sitzt Schwefelsaure auf inerten Partikeln (Rauchgas bei Kohleverbrennungtragt 9% des in Kohle enthaltenen Schwefels in Form von H2SO4, bei Metall-verarbeitung ahnlich)

kumulative Dosis: CO-Diffusions-Kapazitat, jede weitere Exposition erhoht Wir-kung langfristig

KAPITEL 5. TOXIKOLOGIE 22

Moral von der Geschicht: einmalige hohe Dosis steckt man leicht weg, nimmtkumulative Dosis zu, wird Effekt immer großer

weitere Erkenntnis: Wirkung geht auf oxidativen Stress durch Saure zuruck

bei Studien beachten: Wirkung eines “naturlichen” Gemisches aus Gas und Ae-rosol anders als Einzelexpositionen

5.4 Tiere und Ultrafeinpartikel

weitere Studie: Teflon setzt bei 400◦C Ultrafeinstaub frei, Studie damit beiMausen fuhrte bei Dosis, die ofters in Großstadten auftritt, nach 4 Stunden zumTod aller Mause (definitiv was schiefgelaufen, vermutlich toxische Wirkung desTeflon)

20nm Titan-Partikel (inert) fuhren immer zu Entzundungsreaktionen (zum teilziemlich stark)

besonders wichtig sind Ubergangsmetalle, weil sie Oxidationsreaktionen kataly-sieren konnen (besonders bose: Zink)

5.5 Studien an Menschen

wenige, an Freiwilligen mit niedrigen Dosen

fur den Toxikologen schlecht, fur den Epidemologen gut (weil ubliche Exposi-tionen)

Belastung entsprach in etwa Gurtelkreuzung: fuhrt schon zu betrachtlichenEntzundungsreaktionen, Personen jedoch sympomfrei

Asthmatiker sitzen 20min in Straßentunnel: heftige Entzundungen, nicht sym-ptomfreiwurden sie nachher mit Allergenen konfrontiert, war Reaktion wesentlich starkerals sonst

neuere Studie: es gibt genetische Pradisposition; ist bestimmtes Enzym nur man-gelnd vorhanden, ist Korper besonders emfindlich

5.6 InVitro Studien

noch neuer: Endotoxine (Bakterienhullen, Teile davon), bei manchen Krank-heiten sind diese Krankheitsursache. befinden sich in grobem Aerosol (PM2.5)losen Entzundungsreaktionen aus

sind auch noch Metalle enthalten sind Reaktionen noch starker

ultrafeine Partikel produzieren in Zellen Radikale - es geht wieder los

KAPITEL 5. TOXIKOLOGIE 23

5.7 Conclusio

oxidativer Stress ist der Hauptausloser von Gesunheitseffekten die nicht aufdirekte Exposition mit extremen Dosen beruhen

Kapitel 6

Epidemiologie

6.1 Grundlagen

6.1.1 Erneteffekt

.....

Auswirkungen: verringerte Lebenserwartung um etwa 1-2 Jahre in schmutzigs-ten Gebieten Europas gegenuber sauberste

6.1.2 Moglichkeiten fur Studien

• health endpoints

– Mortalitat (Todesfalle)

– Moribiditat (Krankheitsfalle)

∗ Spitalsaufnahmen∗ Krankenstandstage∗ Praxisbesuche

Mortalitat ist sehr sicher, Todesursache haufig schlecht diagnostiziert

fur Cost-benefit-Analysen sind v.a. Aufnahmen und Krankenstande entschei-dend

24

KAPITEL 6. EPIDEMIOLOGIE 25

6.1.3 Studiendesign

ad Figure 6.1:

populationbased (okologische Studien): betrachte Gesellschaft oder Lebensraum(z.B. bestimmte Stadt) und betrachte Todesrate/Krankheiten und betrachteBelastungen (aus Messnetzen) siehe dazu PPT-Folien

cohort-based (panel-studies): bestimmte Gruppe herausgegriffen und untersucht(meist langer, aber auch kurze)einige bekannte: 7th day adventists (amerikanische “Kirchengemeinschaft”, Rau-chen verboten, gesunder Lebensstil), Harvard Six Cities (sehr saubere bis sehrdreckige Stadt untersucht), American Cancer Institute Studies (ACI 151, un-tersucht eigentlich Krebshaufigkeit, kann man aber auch dafur verwenden)Feinstaubinfo stammt aber aus den Messnetzen, sind Kohorten klein, kann manDaten von nachstgelegenem Messpunkt nehmen

weiters gibts:

Zeitserien

Querschnittstudien: East-LA kontra Hollywood, Wien-Graz-Linz kontra Waid-hofen

6.2 Methoden

Zeitreihenanalyse: fur kleine Effekte kaum moglich, Ausreißer gehen schwach ein

multivariate Regression:Nachteil linearer Regression: Funktion ist von nur 1 Variable, x-Achse hat keinenFehler...-correlation -coefficients werden eingesetztbetrachtet also SOx, CO, O3, ...einzelne Studie auch hier wertlos, mehrere Studien von verschiedenen Personenan verschiedenen Orten mit verschiedenen Computerprogrammen sollten gleicheErgebnisse liefern

Prufung auf Plausibilitat wichtig: steigt Todesrate vor oder nach Episode (wennvorher, ignorieren), gibt andere Stressoren z.B. Hitze oder Kalte (leider in Euro-pe bei stabiler Hochdrucklage geringer Luftaustausch, dadurch hohe PM-Werte,aber eben auch hohe Hitze)

Studie in England 2003 (Rekordsommer): 20-40% uberzahlige Todesfalle durchOzon und Feinstaub

Holland wahrend dieser Episode: auch 20-40% durch Ozon und Feinstaub

weiters zu berucksichtigen: confounders (“Verwirrer”) = Parameter, die mit PMwechselwirken

KAPITEL 6. EPIDEMIOLOGIE 26

z.B: Rauchen (passiv, aktiv) - Kinder wenig belastetsozio-okonomischer Status (Personen mit sehr niedrigem Status sind ofter krankund sterben fruher) - Trucker in USA (verbringen meiste Zeit in Verkehrsaerosol- haben hohe Mortalitat durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen - Frage: was istEffekt der Exposition, was des Lebensstil, was der mangelnden Bewegung)

verantwortliche Bestandteile: man weiß, dass PM einen Effekt hat, aber welcherTeil davon ist Frage von Studienbekannt: Verkehrs- und Verbrennungsaerosol sehr ungesund, Bodenstaub un-gefahrlich (sofern keine Endotoxine) - 10mg Vulkanstaub bei Ausbruch hattenkeine Auswirkung

6.3 Kurzzeitstudien

kurzfristige Effekte meist durch Zeitserien oder okologische Studien

Mortalitat oder Morbiditat betrachtet, angegeben in %-Anstieg pro 10µg/m3

PM10

der Effekt ist linear oder log-linear

Mortalitat bei ca 0.8%

siehe ab Folie3 PPT (BS = black smoke = tracer fur Verkehrsaerosol), SD =standard death rate, CVD cardiovascar disease

siehe Kopien