Feinstaub Mitschrift zur Vorlesung von Prof. Hitzenberger · Kapitel 1 Einfuhrung¨ Feinstaub:...
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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)
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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
15
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
20
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