Projekt „Aschewolke“ 2010

des Max-Planck-Gymnasiums Trier

im Rahmen der

Island-Exkursion

Copyright by Lukas Wagner; eine Vervielfältigung jeglicher Art ist nicht gestattet

Einleitung

Im August/September 2010 machten sich 20 Schüler und 3 Lehrer des MPG-Trier auf den Weg nach Island. Da knapp ein halbes Jahr zuvor der

Ausbruch des „Eyjafjallajökull“ für Aufsehen gesorgt hatte, nahm eine Schülergruppe um Jürgen Schön ein, freundlicherweise von der

Firma Grimm bereitgestelltes, „Aerosolmessgerät“ mit nach Island. Diese Präsentation soll die

wissenschaftlichen Hintergründe des Messverfahrens und der Feinstaubproblematik

darstellen.

Feinstaub

Kleinste Schwebeteilchen

- s.g. „PM-Standard“ (Particular Matter):

- PM10

< 10 μm

- PM2.5

< 2,5 μm

Größe als Merkmal! Keine Aussagen über

- chemisch/physikalische Eigenschaften

- Form, etc.

Feinstaub als Aerosol

Feinstaub tritt als Aerosol auf

- Staub „schwebt“ in der Luft Die Physik dahinter

Postulierte Kugelform (r = Radius)

→ aufgrund es Luftwiderstandes gilt:

v2Sink

~ r Kleinste aufgewirbelte Teilchen verweilen

lange in der Luft Weite Transportstrecken durch Luftbewegung

Medizinische Aspekte

- Atemwege filtern Außenluft

- obere Atemwege: > 10 μm (s.a. Messgeräteaufbau)

- Bronchien/Bronchiolen: 2-10 μm

- Alveolen: < 2 μm

– Bronchien und Alveolen besitzen kein Flimmepithel mehr

→ Ein Abtransport über Exspiration ist nicht mehr möglich!

Gefahren Mögliche Schäden hängen stark von der

Qualität des Staubes ab:

- Ätzend (NaOH-Staub, H2SO

4-Tröpfchen, etc.)

- Reizend (z.B. Al2O

3-, CaOH

2-Stäube)

- Radioaktiv („Fallout“; 90Sr, 137Cs)

- Giftig (Pb-, As-, Hg-Stäube)

- Kanzerinogen (z.B. Asbest)

- Pathogen (Pneumokokken, Pilzsporen)

- Harmlos (Seesalz („Seeluft“), Wassertröpfchen)

Grenzwerte der WHO

(Air quality guideline, 1996)

Jahresmittel PM10

= 20 µg/m³

Jahresmittel PM2,5

= 10 µg/m³

→ Aussagekraft gering, da gewichtsbezogen

- keine chemisch-physikalischen Eigenschaften

→ schlechtes Maß für Gesundheitsgefahren

Aber: Gewichts-Parameter schnell, exakt bestimmbar!

Feinstaubplakette

• Sind die Partikel einheitlich (z.B. Autoabgase) ist ein partikelanzahlbezogener Wert ein gutes Maß für die gesundheitliche Gefahr

• Zur Bekämpfung der Feinstaubproblematik gibt es seit 2007 in deutschen Städten s.g. „Umweltzonen“ in den emissionsstarke PKW (zu bestimmen Zeiten) nicht fahren dürfen

• Da unsere „Staubqualität“ (Asche) bekannt war, war für uns eine partikelanzahlbezogene Messung völlig ausreichend

Vulkanische Asche

• Material vulkanischen Ursprungs < 2mm

• Hauptbestandteil: SiO2 und Spurenelemente

• Formen sehr variabel (scharfkantig, abgerundet)

Grundsätzlich keine Gesundheitsgefahr, aber:

- Ätzend durch H2SO

4-Anhaftungen

- Reizend durch mineralischen Charakter

- Enthaltene Fluoride binden Calcium

→ Probleme bei Blutgerinnung

Gefahren durch Vulkanasche

• Mögliche Gefahren durch Vulkanasche:

– „Sandstrahleffekt“ auf Scheiben, Lack, etc

– Verklebung der Triebwerke durch Aufschmelz- und Ablagerungseffekte

– Zusetzen von Sensoren

– Kristallisationskeime für Wasser/Eis

→ Auswirkungen sind stark abhängig von Art und Konzentration der Ascheteilchen!

Flugverbot-Kontroverse

• Vor Ausbruch keine Grenzwerte

• Keine Referenzwerte

• Seit Beginn der modernen Luftfahrt sind ca. 30 Zwischenfälle bekannt

– Auswirkungen sehr unterschiedlich

– Spätere Aussagen über Aschekonzentration bei Durchflug nicht möglich

Die Messflüge

• Flugzeuge mit Aerosolmessgeräten (maßgeblich von der Firma Grimm) bestimmten die tatsächliche Feinstaubkonzentration während der Ausbruchsphase

• Im Dezember 2010 werden wir unsere Messergebnisse Herrn Prof. Dr. Weber von der FH Düsseldorf vorstellen, der u.a. Messflüge durchgeführt hat

Konsequenzen des Flugverbotes• Größte Störung des Luftverkehrs seit

11.09.2001

• Geschätzter wirt. Schaden: 1 Milliarde € weltweit!

• Festlegung von Grenzwerten (EU):

– Zone 1: < 0,2mg/m³: keine Einschränkungen

– Zone 2: 0,2-2 mg/m³: kürze Wartungsintervalle

– Zone 3: > 2 mg/m³: Flugverbot in 110 km-Umkreis

Eyjafjallajökull

• Kleiner, subglacialer Vulkan im Süden Islands

• Vor 2010 nur ein Ausbruch im Jahre 1834

– Dauer: 13 Monate mit Unterbrechungen

– Keine gesicherten Daten verfügbar

• Ausbruch 2010

– Dauer: 20.03.- 24.05.2010

– Wechsel zwischen starken und schwachen Erruptionsphasen

– Asche wurde durch verdampfendes Gletscherwasser bis in 8000m geschossen

Eyafjallajökull

→ Transport bis zum europäischen Festland durch starke Winde

• Während der Exkursion konnten wir am Nordrand des Gletschervulkanes eine erhöhte Staubkonzentration durch aufgewirbelte Asche messen

ICAO und VAAC

• 9 „Volcanic Ash Advisory Center“ (VAAC) der

„International Civil Aviation Organisation“ (ICAO)

→ Überwachung von Vulkanaschegefahren für den weltweiten Luftraum

• Bis 2010 keine Grenzwerte für Aschekonzentration!

- Lediglich „Sichtbarkeit“ der Asche durch Infrarotabsorption im Satellitenbild

Das Spektrometer

• „Grimm Aerosolspektrometer # 1.109“

• Kleinste und leichteste Gerät zur

Echtzeitmessung von Feinstaub weltweit

• 2,5 kg

• Tagelange Messreihen dank aufladbarer

Batterie und Speicherkarte ohne

Strom/Computer möglich

→ Ideales Gerät für Exkursions-Messungen

„Trägheitsfilter“

Erläuterung zum „Trägheitsfilter“

• Luftstrom im Messgerät: 72l/h

→ Geringe Sogkraft

• Teilchen > 10µm werden aufgrund ihrer Trägheit nicht eingezogen, sondern sinken zu Boden

• Gleiches System findet sich beim Nasenhöcker

Das Messprinzip

• „90°-Streulichtdetektion“

• Laserstrahl fällt senkrecht auf Probenstrom

• Feinstaubpartikel reflektieren/streuen das Licht

• In Abhängigkeit der Lichtintensität/Streuwinkel

im Detektor Aussage über Größe und Menge

der Partikel möglich

• Messung nahezu unabhängig von

Beschaffenheit und stofflicher Qualität des

Staubes

Der Strahlengang

Quellen

• http://de.wikipedia.org/wiki/Ausbruch_des_Eyjafjallaj%C3%B6kull_2010

• http://de.wikipedia.org/wiki/Vulkanasche

• http://de.wikipedia.org/wiki/Feinstaub

• http://de.wikipedia.org/wiki/International_Civil_Aviation_Organization

• http://www.lfg.uni-erlangen.de/lehre/pchar/Praktikum_PA/Praktikum_%20Produktanalyse.pdf

• http://de.wikipedia.org/wiki/Pneumokoniose

• http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktiver_Niederschlag

• http://de.wikipedia.org/wiki/Volcanic_Ash_Advisory_Center

• http://de.wikipedia.org/wiki/Aerosol

• Bedienungsanleitung des „Grimm Aerosolspektrometers #1.109“

• Copyright by Lukas Wagner; eine Vervielfältigung jeglicher Art ist nicht gestattet