Der Mensch beeinflusst zunehmend das System von Erde und Atmosphäre - mit Folgen für unser Klima. Bei den Aerosolen unterscheidet man dabei den direkten und indirekten Effekt, die beide eher abkühlend wirken. Um zu wissen, wie gross sie sind, braucht es weitere Forschung. Auch der Einfluss der Teilchen auf unsere Gesundheit wirft noch Fragen auf. Sicher ist, dass an Orten, wo die Partikelkonzentration höher ist, mehr Menschen sterben.

 
 
5 August, 2003

Erdatmosphäre

Die Atmosphäre ermöglicht
Leben auf der Erde.


Globaler Klimaschutz

Klimaschutz ist von globaler Bedeutung.

 

 


Schneelandschaft
Tropensturm
Himmel
Regen

Das menschliche Wirken beeinflusst das Klima der Erde und damit auch unser Wetter.


Die Atmosphäre und das Klima sind für uns Menschen von grosser Bedeutung, denn sie ermöglichen unsere Form von Leben auf der Erde. Das System von Erde und Atmosphäre wird von zahlreichen natürlichen Faktoren beeinflusst, zum Beispiel von natürlichen Treibhausgasen (insbesondere CO2) oder natürlich entstandenen Aerosolen. Nun wirkt aber der Mensch in besonderem Masse auf dieses System ein, indem er unter anderem durch industrielle Vorgänge, intensive Landwirtschaft und Verbrennung von fossilen Rohstoffen zusätzliche Treibhausgase und/oder Aerosolpartikel produziert. Die Auswirkungen dieser vom Menschen verursachten Einflüsse auf das Klima sind vielfältig und komplex.

Der Kyoto-Umweltgipfel von 1997 nahm sich zum ersten mal dieser Problematik im Rahmen einer Weltkonferenz an. Sein Erfolg muss vor allem darin gesehen werden, dass der globale Klimaschutz und die damit verbundene Einwirkung des Menschen auf das Erdklima von über 150 Ländern und der europäischen Union diskutiert wurde und sich bis auf wenige Teilnehmer – darunter die USA und China, Weltnummer 1 und 2 im Energieverbrauch – beispielsweise alle verpflichteten, den Ausstoss von Treibhausgasen zu reduzieren. Die Schweiz ratifizierte das Kyoto-Protokoll im Juli 2003 als 111. Land. Konkrete Erfolge aus der Rahmenvereinbarung sind bislang allerdings noch wenige auszumachen: Der Weltenergieverbrauch steigt weiter an, und auch der CO2-Ausstoss wurde nur in einigen Ländern auf das angepeilte Niveau von 1990 gesenkt.

Soviel ist klar: Die Klimaveränderung kennt keine Grenzen. Erderwärmung hiess bislang das Haupt-Schlagwort in der Diskussion um einen vom Menschen verursachten Klimawechsel (Zusammenstellung aller beeinflussenden Faktoren s. Bild unten). Die unmittelbaren chemischen und physikalischen Vorgänge der vom Menschen verursachten Treibhausgase, die diesen Temperaturanstieg verantworten, sind heute ziemlich gut erforscht. Die Unsicherheiten beim vom Menschen verursachten direkten und indirekten Aerosoleffekt, die beide eine tendenziell abkühlende Wirkung auf das Klima haben, sind hingegen noch recht gross. Hier ist weitere intensive Forschungsarbeit nötig!

Die Resultate aus der gesamten Klimaforschung führen in der Folge beispielsweise zu genaueren Klimamodellen (s. Glossar). Diese dienen zu verschiedenen Zwecken:
• kurzfristige für verbesserte Wetterwarnsysteme
• mittelfristige für neue gesetzliche Richtlinien
• langfristige für einen globalen Klimaschutz.

Klima-Einflussfaktoren

Zusammenstellung der nach dem heutigen Stand des Wissens dominierenden Faktoren, die eine Veränderung des Strahlungshaushalts der Erde bewirken. Die Säulen zeigen den globalen und über die Jahreszeiten hinweg gemittelten Strahlungsantrieb im Vergleich zum Zustand zu Beginn der Industrialisierung (ca. 1850). Die I—-I in den Säulen zeigen an, wie gross die Unsicherheit ist, dass die Säulenhöhe "korrekt" ist, die den wahrscheinlichsten Wert angibt. Die vertikale Skala "Mittlerer globaler Strahlungsantrieb" zeigt, wieviel vom Menschen zusätzlich verursachte Strahlungsenergie in der Erdatmosphäre deponiert wird. (Quelle: IPCC-Report, www.ipcc.ch)


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Treibhauseffekt

Treibhauseffekt.
Gelb die aus dem All eintreffenden Sonnenstrahlen, rot die von der Erde abgegebenen Wärmestrahlen.

Erd-Temperaturanstieg

Die Erde erwärmte sich in den letzten 100 Jahren stetig.

 

 


Klimaeffekte der Treibhausgas
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Dank den natürlichen Treibhausgasen – Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Lachgas (Distickstoffoxid; N2O) und halogenierte Kohlenwasserstoffe (FCKWs) – ist es auf unserer Erde nicht bitter kalt. Warum? Ein Hinweis gibt ihr Name, der sehr bildhaft ist. Denn wie in einem Treibhaus bewirken sie, dass die sichtbaren (kurzwelligen) Strahlen der Sonne zwar das Innere des Hauses – unser System aus Erdoberfläche und der Troposphäre – erreichen, dass aber die hier, aus den Sonnenstrahlen entstehenden (langwelligen) Wärmestrahlen das besagte Hausinnere nurmehr erschwert wieder verlassen können. In der Folge wird es im Innern des Hauses angenehm warm.

Die Durchschnittstemperatur der Erdoberfläche ist nun allerdings in den letzten hundert Jahren um 0,4 bis 0,8 Grad Celsius angestiegen. Der Grund dafür ist mit erheblicher Wahrscheinlichkeit der vom Menschen verursachte (anthropogene) Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre. Für die Zunahme von CO2 ist zu 77 Prozent die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Zementproduktion verantwortlich und zu 23 Prozent die veränderte Landnutzung in den Tropen, vor allem Brandrodungen (IPCC, 2001). Vereinfacht dargestellt bewirkt die vom Menschen verursachte Erhöhung der Treibhausgas-Konzentration eine stärkere Isolierung des Glashausinneren von der Umgebung (Weltraum) durch das Glasdach, so dass im Glashausinnern die Temperatur zusätzlich ansteigt.
Wissenschaftlich ausgedrückt bewirkt die anthropogene Erhöhung der Treibhausgase-Konzentration eine verstärkte Absorption der von der Erde aus dem Sonnenlicht umgewandelten Wärmestrahlung in der Atmosphäre und damit auch eine Erhöhung der Rückstrahlung. Um die im solaren Spektralbereich absorbierte Strahlung dennoch wieder abstrahlen zu können, muss sich die Temperatur von Erdoberfläche und darüber liegender Atmosphäre nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz erhöhen.

Wird es nun auf Grund des Treibhausgas-Effekts überall auf der Erde um gleich viel wärmer? Nein, das System von Erde und Atmosphäre ist dafür viel zu komplex. Die Temperaturanpassung und die dadurch hervorgerufenen Effekte müssen also nicht global konstant sein. Beispielsweise kann eine durch die Temperaturzunahme erhöhte Verdunstung über den Ozeanen zu einer Erhöhung des Niederschlags in kontinentalen Gebirgen und zu einer Vergrösserung der dortigen Gletscher führen.


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Direkter Aerosoleffekt

Der direkte Aerosoleffekt beschreibt die Lichtstreufähigkeit der luftgetragenen Partikel.

 


Direkter Klimaeffekt der Aerosole


Um den natürlichen direkten Klimaeffekt der Aerosolpartikel zu erklären, lässt sich wiederum das Bild des Treibhauses verwenden. In früheren Zeiten sprühte man verdünnte Kalkfarbe auf die Dächer der Treibhäuser, wenn es in diesen im Sommer zu warm wurde. Dadurch wurde die einfallende Sonnenstrahlung nicht mit der gleichen Intensität in das Haus hineingelassen, sondern zum Teil vom Dach nach oben gestreut, also quasi reflektiert. Die Aerosolpartikel sind nun in der Atmosphäre das, was die Kalkfarbe für das Treibhaus ist. Zusammen mit Wolken bewirken Aerosolpartikel, dass im globalen Mittel 30 Prozent der eingestrahlten Intensität der Sonnenstrahlen innerhalb der Atmosphäre von der Erdoberfläche weggestreut wird.
Sofern die Partikel nicht selbst Sonnenstrahlen aufnehmen und in der Folge Wärme abstrahlen, wie das bei Russteilchen der Fall ist, entspricht der direkte Aerosoleffekt einem negativen Strahlungsantrieb (s. Bild oben). Der Strahlungsantrieb ist ein Mass für die vom Menschen zusätzlich verursachte Strahlungsenergie, die in der Erdatmosphäre deponiert wird.

Genauso wie die meisten Treibhausgase kommen auch Aerosolteilchen natürlicherweise in der Atmosphäre vor. Der direkte Effekt durch vom Menschen verursachte Partikel, der den direkten Effekt durch natürliche Teilchen verstärkt, ist in den Industrieregionen am grössten, weil dort besonders viele dieser anthropogenen Aerosole entstehen. Dies hat zur Folge, dass lokal der abkühlende direkte Aerosoleffekt den wärmenden Effekt der anthropogenen Treibhausgase zumindest teilweise aufheben, mitunter sogar auch überwiegen kann.

Indem Aerosole die Sonnenstrahlung streuen, ergibt sich noch ein weiterer Effekt, der zwar nicht direkt klimarelevant, aber spannend zu wissen ist: Die Sichtweite in der Troposphäre wird einschränkt. Ist die Luft sehr rein, befinden sich also nur wenige natürliche Partikel darin, so ist die Sichtweite durch die Streuung an Luftmolekülen auf etwa 300 Kilometer begrenzt. Vom Menschen verursachte Aerosole reduzieren diese Sichtweite typischerweise um einen Faktor 10 auf lediglich 30 Kilometer.


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Aerosol-Aktivierungsprozess

Die vier Stufen der Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentröpfchen.

 

 


Indirekter Klimaeffekt
der Aerosole

Aerosolteilchen sind auch für die Bildung von Wolken bedeutsam, deren "Dichte" und letztlich auch deren "Lebensdauer". Dieser Einfluss des Partikels auf das Klima wird als indirekter Aerosoleffekt bezeichnet.

Wolken haben grundsätzlich die Eigenschaft, dass sie einen Teil des Sonnenlichtes in den Weltraum zurückstrahlen und somit abkühlend wirken. Dieses Phänomen kann man gut selbst erfahren: Unter einer Wolke ist es schattiger und auch kühler. Doch wie beeinflussen die kleinen Aerosolpartikel ganz konkret ein so riesiges Gebilde wie eine Wolke?
Aerosolteilchen können, in Abhängigkeit ihrer Grösse und chemischen Zusammensetzung, als so genannte Kondensationskeime für Wolkentropfen wirken, den Grundbausteinen jeder Wolke. Dieser Prozess läuft folgendermassen ab:
1. Das Aerosolpartikel stellt sozusagen die nötige Oberfläche und Verunreinigung dar, die der in der Luft vorhandene Wasserdampf braucht, um auf ihm zu flüssigem Wasser zu "werden" respektive zu kondensieren.

2. Die Ionen (s. Glossar) des Aerosolpartikels "verlassen" den Kern des Partikels und "gehen" in den in Schritt 1 neu gewonnenen Wassermantel.
3. Dank dieser Ionen im Wassermantel wird der so genannte Dampfdruck an der Wassermantel-Oberfläche erniedrigt. Dies führt dazu, dass sich noch viel mehr Wasser an der Partikeloberfläche anlagert.

4. Das ursprünglich rund 100 Nanometer grosse Aerosolpartikel ist zu einem 10 bis 100 Mikrometer grossen Wolkentröpfchen angewachsen – sein Durchmesser hat also um einen Faktor 100 bis 1'000 zugenommen! Es handelt sich um ein so genannt aktiviertes Aerosolteilchen. Aktivierte Partikel sind also jene Aerosolteilchen, die als Keime bei der Wolkenbildung gedient haben und an dem das Wolkentröpfchen gewachsen ist.

Hat es in der Luft nun zusätzlich zu den natürlichen Aerosolpartikeln zusätzlich noch solche, die vom Menschen verursacht wurden, so verteilt sich der vorhandene Wasserdampf auf diese vergrösserte Anzahl: Es gibt mehr Wolkentröpfen, und damit wird die Wolke "dichter", da die einzelnen Tröpfchen kleiner sind. Eine dichte Wolke hat die Eigenschaft, dass sie das einstrahlende Sonnenlicht besser reflektiert respektive in den Weltraum "zurückschickt" als eine "luftige" Wolke. In der Fachsprache wird diese Kühlung der Erdoberfläche Negativer Strahlungsantrieb (s. Glossar) genannt.

Eine dichte Wolke "lebt" ausserdem länger, das heisst, sie regnet weniger rasch aus. Wieso das? Aus Wolkentröpfchen entstehen Regentropfen, indem sie aneinanderstossen, sich durch diesen Aufprall vereinen und so anwachsen. Kleinere Wolkentröpfchen weisen eine tiefere Vereinigungsrate auf, was im Fachjargon Koagulationsrate genannt wird. Sie vereinen sich also weniger effektiv, als wenn kleine mit grossen Wolkentröpfchen zusammenstossen. Weil nun die Grösse der Wolkentropfen in einer dichten Wolke langsamer zunimmt, dauert es auch länger, bis die Tropfen die für den Niederschlag notwendige Grösse erreichen. Die Wolke existiert folglich länger, die Wolkenbedeckung nimmt zu, was wiederum einen negativen Strahlungsantrieb zur Folge hat.


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Die Ablagerungen von Zigarettenrauch in der Lunge sind klar sichtbar.

 

Dass Aerosole bis tief in die Lunge eindringen können, wird auch in Form von Inhalationssprays medizinisch genutzt.

 

 


Einführung

Nebst den Einflüssen der Aerosolteilchen auf das Klima, sind die luftgetragenen Partikel gleichfalls für unsere Gesundheit wichtig. Sie wurden durch Studien in der breiten Bevölkerung als Verursacher einer erhöhten Sterblichkeit in der Bevölkerung erkannt (siehe auch www.dieselkrebs.de).

Der Grund liegt in ihrer – geringen – Grösse. Weil sie nur wenige millionstel bis einige wenige hundertstel Millimeter klein sind, können sie mehrheitlich die oberen Atemwege – Nase und Rachen – des Menschen ungehindert passieren, die ansonsten über effiziente Reinigungsmechanismen verfügen. Über die Bronchien dringen die Aerosolteilchen bis in die unteren Atemwege ein und können von da auch in den Blutkreislauf gelangen. Diese Fähigkeit der so genannten Lungengängigkeit wird in der Medizin bereits genutzt: In Atem-Inhalationsprays kommen Wirkstoffaerosole zum Beispiel zur Anwendung. Wenn die Partikel aber krebserregende Substanzen auf sich tragen, dann ist das entsprechend gefährlich für unseren Körper. Dies ist beispielsweise beim Rauchen der Fall oder beim Einatmen von (Dieselmotor-)Abgasen.

Auch auf dem Feld der gesundheitlichen Auswirkungen von Aerosolen ist mehr Forschung nötig, um besser zu verstehen, wie diese Vorgänge ablaufen. Denn es ist noch nicht klar, welcher Anteil des Partikels überhaupt für die höhere Sterblichkeit verantwortlich ist. Ist es seine chemische Zusammensetzung? Ist es die Art der Oberfläche? ist es eine Kombination der beiden Faktoren? Oder schädigen ganz andere Eigenschaften unseren Körper? Die Forscher sind daran, diese und weitere wichtige Fragen zu klären!

Sechs-Staedte-Studie

in der so genannten "Sechs-Städte-Studie" zeigt sich deutlich, dass in Städten mit hoher Aerosolbelastung (L, H und S) die Sterblichkeit in der Bevölkerung deutlich erhöht ist. (Quelle: Dockery et al., 1993)


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Schornsteinfeger

Schornsteinfeger - die ersten bekannten Russ-"Opfer".

 


Ursprünge


Bereits vor rund 200 Jahren wurde erkannt, dass Aerosolpartikel gesundheitliche Auswirkungen auf den Menschen haben. Sir Percival Pott bemerkte damals, dass Schornsteinfeger, die mit extrem hohen Russkonzentrationen in Kontakt kamen, ungewöhnlich häufig an Hodenkrebs erkrankten (Quelle: Goldberg, 1985). Diese Erkrankungen wurden wahrscheinlich durch die im Russteilchen enthaltenen krebserregenden Substanzen wie Benzo(a)pyren verursacht.

In den 70er- und 80er-Jahren des 20. Jahrhunderts folgten die ersten wirkungsbezogenen, epidemiologischen Studien, die einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Belastung unserer Luft durch Aerosolpartikel und Atemwegserkrankungen bzw. Sterblichkeitsraten zeigten. Etwa zur gleichen Zeit erlebte die Aerosolforschung einen grossen Aufschwung.


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Lunge

Die menschlichen Atemwege sind in drei Bereiche eingeteilt: Nase und Rachen zählt zu den oberen Atemwegen, Kehlkopf und Hauptbronchie zu den mittleren und Bronchienspitzen sowie Lungenbläschen zu den unteren Atemwegen.

Alveolen

In den Alveolen, den Lungenbläschen, findet der Gasaustausch zwischen der Atemluft und dem Blut statt.

 

 


Hauptfaktor Lungengängigkeit


Die gesundheitlichen Auswirkungen von Aerosolen betreffen in erster Linie die menschliche Lunge. Sie ist unser grösstes Organ, das mit der Umwelt in ständigem Kontakt steht. Der Luftaustausch von 10'000 bis 20'000 Litern pro Tag findet über eine Fläche von etwa 100 Quadratmetern statt. Über die Lungenbläschen, den Alveolen, wird der Sauerstoff in der Atemluft in den Blutkreislauf abgegeben, und CO2 wird umgekehrt von dort aufgenommen.

Die Grösse der Aerosolpartikel ist von grundlegender Bedeutung für deren gesundheitliche Auswirkungen: Je kleiner die Teilchen, desto grösser die Eindringtiefe in die Lunge, auch Lungengängigkeit genannt. Dabei gilt es, drei Bereiche zu unterschieden:
• Obere Atemwege
– Partikel grösser als 10 Mikrometer wie Pollen beispielsweise bleiben in der Nase oder im Rachen "stecken".
• Mittlere Atemwege – für Aerosole von rund 5 Mikrometer ist beim Kehlkopf Endstation.
• Untere Atemwege – für Aerosolpartikel von rund 4 Mikrometern stellen die Hauptbronchien eine wirksame Barriere dar. Teilchen von 1 bis gut 3 Mikrometer Grösse dringen bis in die Bronchienspitzen vor. Am weitesten gelangen diejenigen Partikel, die kleiner 1 Mikrometer sind. Sie können alle "Filtersysteme" passieren und landen teilweise in den Lungenbläschen respektive Alveolen, wo sie sich auf deren enorm grossen Oberfläche ablagern. Die Mehrheit der Aerosole gelangt übrigens bis in die unteren Atemwege!

Apropos Alveolen: Rund 300 Millionen Lungenbläschen bevölkern jede einzelne menschliche Lunge. Sie stellen die Austauschfläche von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen dem Blut und der Atemluft dar. Die Wandstärke der Alveolen beträgt rund 0,001 Millimeter, ihr Durchmesser ungefähr 0,25 Millimeter. Die Oberfläche der Lungenbläschen ist mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm (Surfactant) bedeckt.

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Aerosolwirkung
Aerosolpartikel können ins Blut gelangen.

 


 


Wirkungsweise

Welcher Anteil des Aerosolpartikels überhaupt für die schädlichen Auswirkungen auf unsere Gesundheit bis hin zu einer erhöhten Sterblichkeit verantwortlich ist, ist bislang noch nicht geklärt. Ist es seine chemische Zusammensetzung? ist es die Art der Oberfläche? ist es eine Kombination der beiden Faktoren? Die Forschung verfügt allerdings über Anhaltspunkte und Hypothesen. So wurde in Studien belegt, dass Partikel unter 2,5 Mikrometer Durchmesser verstärkt zu einer erhöhten Sterblichkeitsrate beitragen. Dies im Vergleich mit Teilchen, deren Durchmesser grösser sind.

Bei den Ursachen für die schädliche Wirkung in der Lunge sind zwei Hauptmechanismen zu unterscheiden:
Wirkung durch wasserlösliche Substanzen auf den Partikeln

• Wirkung durch wasserunlösliche Partikel


Aerosolwirkung
Wasserlösliche Substanzen des Aerosolpartikels können ins menschliche Blut gelangen, wasserunlösliche Teilchen können für Entzündungen sorgen.


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Russpartikel

Russpartikel beispielsweise sind schlecht wasserlöslich.

 


Wirkungsweise wasserunlöslicher Partikel

Gelangen wasserunlösliche Partikel, wie zum Beispiel Russteilchen, mit der Atemluft in die unteren Atemwege, so werden sie von der internen "Gesundheitspolizei" (Makrophagen) als Eindringlinge erkannt und attackiert. Jedes einzelne Partikel beschäftigt einen dieser "Gesundheits-Polizisten". Dies ist von Bedeutung, weil viele biologische Effekte um so stärker sind, je grösser die Anzahl und die Oberfläche der Partikel sind. Und dies ist bei den kleinen Partikeln der Fall, denn vergleicht man dieselbe Masse grosser mit jener von kleinen Partikeln, dann hat es von letzteren sowohl anzahlmässig mehr und auch ihre gemeinsame Oberfläche ist viel grösser als jene von wenigen grossen Partikeln.

Ist die Anzahl der wasserunlöslichen Aerosolpartikel hoch, wie das typischerweise in Städten der Fall ist, so ist diese erste Abwehrlinie überfordert. Dann können Partikel auch von den so genannten Epithelzellen, welche die Lungenbläschen auskleiden, aufgenommen werden. Über das weitere Schicksal dieser Partikel ist noch wenig bekannt. Gesichert ist, dass der Körper sich gegen die potenzielle Gefährdung mit einer lokalen Entzündungsreaktion wehrt. Bei dem in der Folge ausgelösten "Vernichtungsprozess" wird auch gesundes Gewebe zerstört. Normalerweise sorgt der Körper dafür, dass die entzündete Stelle wieder abheilt. Wenn dieses Gleichgewicht jedoch gestört ist, kann noch mehr gesundes Gewebe angegriffen werden.


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Ammoniumsulfat

Ammoniumsulfat-Teilchen sind ein Beispiel für gut wasserlösliche Aerosolpartikel.

 


Wirkungsweise wasserlöslicher Partikel

Gelangen Partikel mit wasserlöslichen Anteilen in die Lungenbläschen, so lösen sich diese in der Folge in deren "wässrigen" Oberfläche auf. Die so eingeschleusten Substanzen, die für den Körper schädlich sein können, wirken nun vereint und unabhängig von der Anzahl ihrer "Träger". Was das für Folgen hat, das "wissen (bislang) nur die Götter". Oder anders ausgedrückt: Die Wirkungsweise wasserlöslicher Partikel ist umstritten und wird zurzeit erforscht.


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