Zusammenhang von Emission, Wetter und Luftschadstoffkonzentration

Die Massenkonzentration (im Weiteren Konzentration) von Schadstoffen in der Luft an einem Ort wird angegeben als die Masse des Schadstoffes (häufig in Mikrogramm [µg]) pro Volumen Luft (häufig in Kubikmeter [m3]). Die Konzentration eines Luftschadstoffes ergibt sich aus dem Zusammenspiel verschiedener Prozesse (siehe Abbildung).
Wichtige Einflussfaktoren für die Luftschadstoffkonzentration an einem Ort sind:

• Lokale Emissionen: lokale Freisetzung von Luftschadstoffen und Vorläuferstoffen in die Atmosphäre aus Emissionsquellen (Schadstoffquellen)
• Transmission: horizontaler Transport und vertikale Durchmischung von Luftschadstoffen in der Atmosphäre
• Chemische Prozesse: chemische Produktion, Umwandlung und Abbau der Luftschadstoffe
• Deposition: Entfernungsprozesse von Schadstoffen aus der Atmosphäre zum Boden
• Hintergrundkonzentration: Grundbelastung an einem Ort ohne unmittelbare Nähe zu Emissionsquellen
• Vorherrschende Wetterbedingungen

Die Quellen der lokalen Emissionen von Luftschadstoffen sind vielfältig und können zunächst in zwei Kategorien unterteilt werden, die natürlichen und die anthropogenen, also vom Menschen verursachten, Quellen. Natürliche Emissionsquellen sind unter anderem Pflanzen, Bäume, Meere, Wüsten und Vulkane. Anthropogene Emissionsquellen sind beispielsweise der Verkehr, die Landwirtschaft, Industrieprozesse und die Energieerzeugung sowie das Heizen von Gebäuden. Viele dieser Emissionsquellen bzw. die Stärke der Emissionen werden direkt oder indirekt von den vorherrschenden Wetterbedingungen beeinflusst. Ein deutliches Beispiel sind die Emissionen, die durch das Heizen von Gebäuden in den kalten Jahreszeiten entstehen. Aber auch der Straßenverkehr als Emissionsquelle wird von den lokalen Wetterbedingungen beeinflusst, wenn beispielsweise Wochenendausflüge bei schönem Wetter zunehmen.

Die Transmission beschreibt den horizontalen und vertikalen Transport von Luftschadstoffen in der Atmosphäre. Die von den Wetterbedingungen abhängige Stärke des Transportes von Luftschadstoffen hat einen entscheidenden Einfluss auf die Höhe der Konzentration an einem Ort. Bei hohen Windgeschwindigkeiten werden die Luftschadstoffe beispielsweise schnell von ihrer Emissionsquelle wegtransportiert, so dass ihre lokale Wirkung verringert wird. Außerdem können die Luftschadstoffe durch den Ferntransport über hunderte und tausende Kilometer hinweg transportiert werden und somit weit von ihren Emissionsquellen zur Schadstoffkonzentration beitragen. Bei eher niedrigeren Windgeschwindigkeiten können sich dagegen die emittierten Schadstoffe nahe der Quelle anreichern. Hier ist unter anderem entscheidend, ob ein Ort sich auf der dem Wind zu- (Luv) oder ab- (Lee) gewandten Seite der Quelle befindet. Die Leeseite ist dabei deutlich stärker durch die Emissionsquelle beeinflusst. Auch die vertikale Durchmischung der Atmosphäre beeinflusst die lokale Konzentrationsstärke entscheidend. Herrschen Wetterbedingungen vor, die eine starke vertikale Mischung begünstigen, wie zum Beispiel Tage mit intensiver Sonneneinstrahlung im Sommer, so führt dies zu einer zügigen Verdünnung der Luftschadstoffe in einer hohen vertikalen Säule. Vertikal austauscharme Wetterlagen (Inversionswetterlagen), wie sie vor allem im Herbst oder Winter auftreten, begünstigen die Anreicherung von Schadstoffen in den bodennahen Luftschichten und führen hier zu einer erhöhten Konzentration.

Viele Luftschadstoffe werden direkt aus den Emissionsquellen freigesetzt, unterliegen jedoch in der Atmosphäre chemischen Umwandlungs- und Abbauprozessen. Dazu gehören beispielsweise Stickstoffoxide (NOx). Andere Schadstoffe werden erst aus sogenannten Vorläuferstoffen in der Atmosphäre durch chemische Reaktionen gebildet, z.B. Ozon und so genannte sekundäre Feinstäube. Viele dieser chemischen Produktions-, Umwandlungs- und Abbauprozesse sind abhängig von meteorologischen Parametern, wie z.B. Lufttemperatur, Einstrahlung und Luftfeuchte. Die chemischen Reaktionen zur Bildung von Ozon beispielsweise sind stark abhängig von der Temperatur und Strahlung. Dies zeigt sich bereits im Jahresgang der Ozonkonzentration. Die Ozonkonzentrationen sind generell in den Sommermonaten am höchsten und Spitzenkonzentrationen treten vor allem während langanhaltenden, trockenen Hitzeperioden auf.

Die Deposition von Luftschadstoffen, also die Entfernungsprozesse von Schadstoffen aus der Atmosphäre zum Boden, kann grob in zwei Kategorien unterteilt werden, der trockenen und der nassen Deposition. Die trockene Deposition ist die Ablagerung von in der Luft vorhandenen festen und gasförmigen Teilchen auf Böden und der Vegetation. Als nasse Deposition wird die Ablagerung von Luftschadstoffen auf Böden und der Vegetation durch Niederschlag bezeichnet. Dabei kann die Aufnahme der Luftschadstoffe in die Tröpfchen innerhalb von Wolken oder unterhalb der Wolkenbasis erfolgen. Im Hinblick auf die Wetterbedingungen sind wichtige Einflussfaktoren für die trockene bzw. nasse Deposition die vertikale Durchmischung und die vertikale Temperaturverteilung der Atmosphäre sowie die Luftfeuchte bzw. die aktuellen Niederschlags- und Wolkeneigenschaften. Die Stärke der Deposition bei gleichen Bedingungen ist zudem abhängig vom betrachteten Schadstoff.

Die Hintergrundkonzentration an einem Ort ist die Grundbelastung, die sich aus der Verteilung von Luftschadstoffen in einem großflächigen Gebiet ergibt und nicht dem direkten Einfluss einer lokalen Emissionsquelle unterliegt. Die Hintergrundkonzentration allein betrachtet ist daher räumlich und zeitlich weniger variabel als die tatsächliche Schadstoffkonzentration an einem Ort, die zusätzlich durch lokale Emissionen beeinflusst wird. Die Hintergrundkonzentration ergibt sich aus einem Zusammenspiel der oben beschriebenen Einflussfaktoren und Prozessen und demnach auch deren Wetterabhängigkeiten.

Die Variabilität der Konzentration von Luftschadstoffen an einem Ort ist stark geprägt von den meteorologischen Bedingungen. Das ergibt sich aus der Abhängigkeit der fünf erstgenannten Einflussfaktoren von den vorherrschenden Wetterbedingungen. Diese Abhängigkeiten sind unterschiedlich für die verschiedenen Luftschadstoffe, d.h. sie haben nicht für jeden Schadstoff die gleiche Relevanz.
Auf Grund der zuvor beschriebenen Zusammenhänge ist eine Trennung des Einflusses von Emissionen und Wetterbedingungen auf die lokale Luftschadstoffkonzentration schwierig. Je nach Wetterbedingungen führen gleiche Emissionsstärken zu unterschiedlichen Luftschadstoffkonzentrationen an einem Ort. Auch drastische Minderungen von Luftschadstoffemissionen können bei ungünstigen Wetterbedingungen zu keiner vergleichbaren Minderung der Konzentration führen. Welche Wetterbedingungen die Anreicherung oder den Abbau fördern, hängt auch von dem jeweiligen Luftschadstoff ab.
Für die Luftreinhaltung stellt sich daher generell die Frage nach dem Einfluss von Emission und Wetterbedingungen. Da hier die beeinflussbare Größe die Schadstoffemission ist, muss das Ziel sein, diese soweit zu senken, dass auch bei für die Luftqualität ungünstigen Wetterbedingungen, die Konzentrationen nicht den gesetzlichen Grenzwert überschreiten.