Aerosole wie beispielsweise Russpartikel oder Pollen sind per Definition jene flüssigen oder festen Teilchen in unserer Luft, die wenige millionstel bis mehrere tausendstel Millimeter gross sind. Veranschaulicht heisst das, dass sie rund 100 bis 1000 mal kleiner sind als ein menschliches Haar "dick" ist. Trotz ihrer "Winzigkeit" sind Aerosole von grosser Bedeutung für unsere Gesundheit und unser Klima.

 
 
18 November, 2003


Der Begriff Aerosol meint eigentlich das Aerosolteilchen und die es umgebende Luft. Wissenschaftlich ausgedrückt lautet die Definition: "Dispersion von flüssigen oder festen Teilchen (= Partikel) in einem Gas, üblicherweise in Luft." Ein mittelgrosses Aerosolpartikel misst zirka 100 Nanometer respektive 0,0001 Millimeter. Es ist also rund 2000 mal kleiner als das Satzzeichen Punkt in einer gängigen Tageszeitung (s. auch "Anschauliche Grössenvergleiche").
Die Forschung an diesen vielfältigen Mini-Partikeln mit grosser Bedeutung für unser Klima und unsere Gesundheit ist voll im Gange. Sie hat beispielsweise auch schon Auswirkungen auf die Schweizer Gesetzgebung gezeigt: Der Anfang 1998 eingeführte PM10-Grenzwert in der Luftreinhalteverodnung basiert auf den Resultaten der Aerosolforschung.


Luftbild

Unsere Luft, ein
Molekül-/Partikelgemisch.



Eiskristall

Eiskristall.


Stadt-Land

Stadt: 100'000 Aerosol-teilchen pro cm3 Luft.

Land: 10'000 Partikel pro cm3 Luft.

Unsere Luft

Unsere Atmungsluft besteht hauptsächlich aus gasförmigen Molekülen (s. Glossar), und zwar zu 78 Prozent aus Stickstoff (N2), zu 21 Prozent aus Sauerstoff (O2) und zu 1 Prozent aus anderen Gasen. Die Zahlen beziehen sich auf "trockene" Luft, die es so im Freien nicht gibt. Unsere Umgebungsluft enthält zusätzlich 1 bis 5 Prozent Wasserdampf. Alle diese verschiedenen Moleküle sind weniger als ein Nanometer klein, das heisst weniger als ein millionstel Millimeter (1000 Nanometer = 1 Mikrometer; 1000 Mikrometer = 1 Millimeter).

Aerosolpartikel sind im Gegensatz zu den Gasmolekülen feste oder flüssige Teilchen, und ihre Grösse reicht von einem Nanometer bis zu mehreren Mikrometern.


Noch grösser sind Wolkentröpfchen und Eiskristalle, also die eigentlichen Bestandteile einer Wolke. Sie messen 10 bis 100 Mikrometer. Mit einer Grösse von mehreren Millimetern sind die Regentropfen und Schneeflocken richtige "Brummer" unter den Teilchen in unserer Luft, weshalb sie ja auch zu Boden fallen.

Aerosolpartikel kommen an verschiedenen Standorten übrigens verschieden häufig vor: In der Stadt misst man typischerweise 100'000 Partikel pro Kubikzentimeter Luft, auf dem Land 10'000 Partikel und in der mittleren und oberen Troposphäre (Luftschicht bis 10 Kilometer Höhe), in der sich auch das Jungfraujoch befindet, deren 1000.

Unser Himmel

Die Moleküle in der Luft sind dafür verantwortlich, dass unser Himmel blau erscheint. Der Grund liegt darin, dass sie – wie Aerosolpartikel das Licht streuen. Nach den Gesetzen der Beugung erfolgt die Streuung des blauen, kurzwelligen Anteils des Sonnenlichtes am stärksten. Die Aerosolpartikel beeinflussen nun je nach Art und Situation das Himmelblau. Ist die Luft zum Beispiel sehr stark mit Russpartikeln verschmutzt, so wirkt der Himmel in der Folge grau und dunstig.

Die luftgetragenen Teilchen sind auch für das Morgen- und Abendrot "zuständig": Weil das zu diesen Stunden schräg auf die Erdoberfläche einstrahlende Sonnenlicht einen viel weiteren Weg durch die Atmosphäre als am Mittag zurücklegen muss, halten die Aerosolpartikel zusätzlich zu den Molekülen die blauen und grünen Lichtanteile zurück und wirken deshalb wie ein Rotfilter. Je mehr Teilchen (s. auch "Warum Aerosolforschung") es in der Luft hat, desto stärker ist der Himmel übrigens rot gefärbt Regen liegt in der Luft. Ohne ein/e HellseherIn zu sein, kann also durch die Beobachtung des Himmels das Wetter vorhergesagt werden. Das Sprichwort "Morgenrot schlecht Wetter droht" beschreibt diesen Sachverhalt. "Abendrot Schönwetterbot" trifft insofern zu, als dass die Abendröte verursachende hohe Luftfeuchtigkeit oft bereits in der Nacht "abregnet", so dass am anderen Morgen bereits wieder die Sonne lacht. Die beiden Wetterprophezeiungen haben allerdings nicht auf der ganzen Welt ihre Gültigkeit. Zutreffend sind sie nur dort, wo das schlechte Wetter tendenziell von Westen kommt (Himmelsrichtung, in der die Sonne untergeht), wie es aber in der Schweiz häufig der Fall ist.

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Stecknadelkopf

Heissluftballon

Wäre ein durchschnittliches Aerosoteilchenl so gross wie eine Stecknadel, so hätte diese wiederum die Grösse von zwei Heissluftballons.

 


 


Aerosolpartikel sind so klein, dass man sie normalerweise nicht von Auge sehen kann. Ausser, man blickt an einem schönen Sommertag mit leicht zugekniffenen Augen in Richtung der Sonne (diese mit der Hand abdecken). Dann sieht man feinste Stäubchen in der Luft schweben. Das sind sie, die Aerosolpartikel.

Sie sind also wirklich sehr klein. Das Satzzeichen "Punkt", wie es in einer gängigen Tageszeitung verwendet wird, ist beispielsweise rund 2000-mal grösser als ein mittelgrosses Partikel von 100 Nanometer Durchmesser. Oder unser Haar
es ist verglichen mit dem "Durchschnitts-Aerosol" 100 bis 1000 mal dicker.

Bakterien, die dafür berüchtigt sind, Krankheiten von Mensch zu Mensch über die Luft zu übertragen, sind übrigens auch noch 10 bis 100-mal grösser als ein durchschnittliches Aerosolteilchen.


RusspartikelHaarBakterien

Aerosolpartikel: im Mittel rund 0.1 Mikrometer gross. Menschliches Haar: 10 bis 100 Mikrometer "dick". Bakterien: 1 bis 10 Mikrometer gross (v.l).


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Aerosol-Klimaeffekte

Aerosole wirken direkt und indirekt auf das Klima.



Atemwege

Kleine Aerosole gelangen tief in unsere Lunge.

 


Auswirkung auf das Klima
Aerosole haben einen Einfluss auf unser Klima. Indem sie einerseits Sonnenlicht zurück in den Weltraum streuen und andererseits dazu beitragen, dass sich Wolken bilden, wirken sie tendenziell abkühlend auf unsere Erde. Wie gross diese beiden Effekte sind, darüber herrscht noch Unklarheit.

Damit genauere Aussagen über die Klimarelevanz von Aerosolen möglich sind, ist weitere Forschungsarbeit nötig.
Diese ist von grosser Bedeutung, denn die abkühlende Wirkung des direkten und indirekten Aerosol-Effekts steht im Gegensatz zum bekannten Treibhausgas-Effekt, der für eine Erwärmung der Erdatmosphäre sorgt. Neue wissenschaftliche Erkenntnisse führen in der Folge beispielsweise zu präziseren Klimamodellen (s. Glossar). Mehr darüber unter "Warum Aerosolforschung".


Auswirkung auf unsere Gesundheit
Aerosole sind gleichfalls wichtig für unsere Gesundheit. Weil sie so klein sind, können sie die Atemweg-Filtersysteme des Menschen ungehindert passieren. Über die Bronchien dringen sie je nach Grösse bis in die so genannten Lungenbläschen respektive Alveolen (s. Glossar) der Lunge ein und gelangen von da teilweise auch in den Blutkreislauf. Diese Fähigkeit der Aerosole wird in der Medizin bereits genutzt: In Atem-Inhalationssprays kommen Wirkstoff-Partikel zum Beispiel zur Anwendung. Wenn die Teilchen 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 (siehe www.dieselkrebs.de).

Auch hier ist mehr Forschung nötig, um besser zu verstehen, wie diese Vorgänge ablaufen. Die Resultate können unter anderem in der Bestimmung von Grenzwerten zum Einsatz kommen. Mehr darüber unter "Warum Aerosolforschung".

Auswirkungen auf unsere Gesetzgebung
Eine konkrete Auswirkung der Aerosolforschung auf unsere Gesetzgebung und damit unser Alltagsleben ist beispielsweise der Anfang 1998 eingeführte PM10-Grenzwert. Dieser besagt, dass es von Aerosolen, die kleiner als zehn Mikrometer sind, nicht mehr als 20 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft im Jahresdurchschnitt und deren 50 im Tagesdurchschnitt haben darf. Es handelt sich dabei um eine Vorschrift in der Luftreinhalteverordnung des Bundes (www.umwelt-schweiz.ch; Fachgebiete; Luft), genauso wie unter anderem die Ozongrenzwerte.

Der PM10-Grenzwert trägt der Tatsache Rechnung, dass zwischen erhöhter Aerosol-Belastung und erhöhter Sterberate ein Zusammenhang nachgewiesen wurde (Dockery et al., 1993). Dabei ist noch nicht klar, welcher Anteil des Aerosolpartikels 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 des Aerosolteilchens unseren Körper? Die Forscher sind daran, diese und weitere wichtige Fragen zu klären! Mehr darüber unter "Warum Aerosolforschung/Gesundheit".

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Es gibt grundsätzlich zwei Sorten von Aerosolpartikeln: Einerseits anthropogene, also solche, die vom Menschen verursacht werden. Dazu zählen beispielsweise die Russpartikel. Andererseits entstehen die luftgetragenen Teilchen wie Pollen, Mineralstaub und Meersalz auch "natürlich". Ammoniumsulfat und so genannte Nanopartikel können beiderlei Ursprung haben. Egal ob anthropogen oder biogen - alle weisen sie ganz spezifische Merkmale auf, die in unterschiedlicher Art und Weise auf unser Klima und unsere Gesundheit einwirken.



Nanopartikel

Nanopartikel sind zu klein und zu flüchtig, um abgebildet werden zu können.

 


Nanopartikel

Grösse: kleiner als 30 Nanometer (1 nm = 0.001 Mikrometer = 0.000001 Millimeter).

Quelle: diverse gasförmige Vorläufer, die vom Menschen oder von der Natur (insbesondere Pflanzen) verursacht werden. Nanopartikel treten indes auffallend häufig neben verkehrsreichen Strassen auf. Sie bilden sich im abkühlenden Abgas ausserhalb des Auto-Auspuffs.

Aussehen: kugelförmig, vermutlich flüssig.

Lebensdauer: wenige Stunden
. Die kurze Lebensdauer ist insbesondere dadurch begründet, dass die Nanopartikel rasch mit grösseren Partikeln "verwachsen" respektive koagulieren.

Merkmal:
• Wenn Nanopartikel vorkommen, dann in grosser Anzahl.
• Weil Nanopartikel so klein sind, können sie tief in unsere Lungen gelangen. Sie sind also gut lungengängig und damit bedeutsam für unsere Gesundheit.
• Die Nanopartikel sind noch wenig erforscht.

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Russpartikel
 


Russpartikel


Grösse: rund 100 Nanometer.

Quelle: vom Menschen verursachte, unvollständige Verbrennung fossiler Brennstoffe (s.Glossar). Dieselmotoren produzieren zum Beispiel viele Russpartikel.

Aussehen: filigran verästelt, schwarz.

Lebensdauer: rund eine Woche. Die Lebensdauer hängt davon ab, welche Alterungsprozesse die Russpartikel erfahren. In diesem Zusammenhang ist ihre Fähigkeit, Wasser anzulagern von Bedeutung.
Ebenfalls wichtig für ihre Lebensdauer ist, wie häufig es nach ihrer "Geburt" regnet, weil dann die Russpartikel aus der Luft "ausgewaschen" werden.

Merkmal:
• Russ ist krebserregend.
• Russpartikel sind so klein, dass sie tief in die Lungen gelangen.
• Die schwarzen Partikel "schlucken" respektive absorbieren das Sonnenlicht sehr gut. Dies ist wichtig für den "direkten" Klimaeffekt der Aerosole.
• "Frische" Russpartikel sind hydrophob, das heisst wasserunlöslich, während gealterte Russpartikel hygroskopischer sind, sie können also besser Wasser anlagern. Die Fähigkeit, Wasser anzulagern, ist ein weiterer bedeutsamer Prozess für die Klimaforschung.

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Ammoniumsulfat
 


Ammoniumsulfat


Grösse: um 100 Nanometer.

Quelle: diverse. Das Ammoniumsulfat-Aerosol,
(NH4)2SO4, entsteht erst durch chemische Vorgänge in unserer Atmosphäre (s. Glossar) und ist deshalb ein so genannt sekundäres Aerosol. SO2, das aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe resultiert, und NH3, das seine Quelle in der Industrie und Landwirtschaft hat, sind die Vorläufer-Gase.

Aussehen: kompakt, weiss.

Lebensdauer: rund eine Woche.


Merkmal:
• Ammoniumsulfat ist gut wasserlöslich und damit gut wolkenbildend.

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Meersalz
 


Meersalz


Grösse: 200 Nanometer bis rund 10 Mikrometer.

Quelle: Meer; Zersprühung von Meerwasser beispielsweise bei einer Brandung oder bei Wellengang (Gischt).

Aussehen: kompakt, weiss.

Lebensdauer: Stunden bis wenige Tage
.

Merkmal
:
Meersalz besteht vorwiegend aus NaCl, wie das in unserer Küche verwendete Kochsalz.
Meersalz ist sehr gut wasserlöslich und damit gut wolkenbildend.
• Meersalz-Aerosole stellen keine Gefahr für die Gesundheit dar.

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Pollen
 


Pollen


Grösse: rund 3 bis 100 Mikrometer.

Quelle: Pflanzen respektive pflanzliches Material (Pollenflug).

Aussehen: formschöne vielfältige Erscheinung.

Lebensdauer: Stunden bis Tage. Pollen werden durch Regen sehr wirksam aus unserer Luft ausgewaschen.

Merkmal:
- Pollen-Aerosolpartikel sind schlecht wasserlöslich.
- Pollen stellen für Allergiker ein gesundheitliches Problem dar (bekannt als Heuschnupfen).

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