Messung ultrafeiner Partikel im Umfeld des Flughafens München

UFP-MUC

Von 08/2020 bis 07/2023

Projektleiter: Anke Nölscher
Mitarbeiter: Julius Seidler, Markus Friedrich

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Beobachtungen im Umfeld von großen Flughäfen zeigten, dass dort vermehrt ultrafeine Partikel in der Umgebung vorkommen. Mit dem Projekt UFP-MUC wollen wir im Umfeld des Münchner Flughafens erstens untersuchen, welche Mengen und welche Größen an ultrafeinen Partikeln durch den Betrieb am Flughafen, den Flugverkehr sowie anderen Quellen in die bodennahe Luft gelangen. Zweitens werden wir eine Methode entwickeln, die die chemische Zusammensetzung der ultrafeinen Partikel analysiert. Diese Analyse soll dazu beitragen, die Herkunft der vermessenen Partikel zu zuordnen und zukünftige Abschätzungen des Einflusses von ultrafeinen Partikeln auf die Gesundheit der Anwohner und der Umwelt im Allgemeinen zu ermöglichen. Ein dritter Aspekt dieses Projekts ist eine vergleichende Charakterisierung von UFP-Messgeräten, die handgetragen zum Beispiel für mobile Messungen eingesetzt werden können.

 

Hintergrund

Ultrafeine Partikel (UFP) sind sehr kleine feste und/oder flüssige Partikel mit einem Durchmesser von maximal 100 Nanometer [nm] (siehe Abbildung 1: 1000 nm entsprechen 1 Mikrometer [µm] - 1000 µm entsprechen 1 Millimeter [mm]). UFP entstehen auf natürliche Weise bei Waldbränden oder als Produkt der photochemischen Reaktion von flüchtigen, gasförmigen Verbindungen, die zum Beispiel durch die Vegetation in die Luft abgegeben werden. Werden die Emissionen von UFP durch den Menschen verursacht, so wie bei Verbrennungsprozessen in Motoren und Turbinen im Land-, See- und Luftverkehr, oder bei Feuerungsanlagen zur Energieerzeugung, spricht man von anthropogenen Emissionen.

Die beobachteten Anzahlkonzentrationen für ultrafeine Partikel schwanken stark, im Mittel von etwa 1.000 Partikeln pro cm3 (z. B. an Bergstationen oder im ländlichen Hintergrund) zu etwa 10.000 Partikeln pro cm3 (z. B. in der Stadt). Anders als für gröbere Partikel (PM2.5 oder PM10, diese entsprechen 2.500 bzw. 10.000 nm großen Partikeln) gibt es aktuell keine gesetzliche Regulierung für UFP.

UFP_skala_uebersicht

Abbildung 1: Skala zur Veranschaulichung verschiedener Größen und Objekte.

 

Forschungsfragen

Mit der Messung von ultrafeinen Partikeln im Umfeld des Münchener Flughafens wollen wir folgende offene Forschungsfragen bearbeiten:

  • Wie groß ist die Anzahl der ultrafeinen Partikel in der bodennahen Atmosphäre der angrenzenden, bewohnten Gebiete?
  • Wie sehr variiert sie und von welchen Faktoren hängt diese Variation ab?
  • Welchen Anteil hat der Betrieb am Flughafen und der Flugverkehr im Vergleich zu anderen anthropogenen und natürlichen UFP-Quellen?

Die aktuelle Pandemie-Lage erlaubt es uns zusätzlich zu erforschen, wie sich der unterschiedlich frequentierte Betrieb am Flughafen auf das Vorkommen und die Variabilität der ultrafeinen Partikel in der bodennahen Atmosphäre auswirken.

 

Zwei Messstationen am Flughafen München

Für dieses Projekt betreiben wir zwei neue Messstationen im Norden und Süden des Flughafens München (Abbildung 2). Wir haben die Standorte gemeinsam mit den Vertretern der Stadt und Gemeinde vor Ort, dem Bürgerverein Freising und dem Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz begutachtet und bestimmt. Eine Messstation steht am Rande des Stadtgebiets Freising (Lerchenfeld), die andere Messstation am Rande des Gemeindegebiets Hallbergmoos auf dem Volksfestplatz. Die Ausrichtung und Kombination der beiden Messstationen erlaubt es, den direkten Eintrag des Flughafenbetriebs in die bewohnten Gebiete zu untersuchen. Ebenso erwarten wir, insbesondere für die südliche Messstation, den Eintrag von ultrafeinen Partikeln durch einzelne Flugbewegungen wie nahe Vorbeiflüge oder außerplanmäßige Überflüge (bspw. beim Aufziehen einer Schlechtwetterfront).

standorte_karte

Abbildung 2: Kartenansicht des Flughafens München und seiner Umgebung. Die Standorte der UFP-Messstationen sind in Freising die Stadtgärtnerei und in Hallbergmoos der Volksfestplatz.

UFP_containerlayout

Abbildung 3: Übersicht des Messcontainers mit den Messgeräten zur Beobachtung von UFP, Meteorologie, Ozon und Stickoxiden.

 

Methoden

Durch ihre geringe Masse ist die Messung der nm-großen Partikel eine technische Herausforderung. In den letzten Jahren wurden Messmethoden entwickelt, um sowohl die Anzahl der Partikel in der Luft zu bestimmen als auch ihre chemische Zusammensetzung.

Um Vergleichbarkeit zu garantieren werden die beiden Messstationen identisch instrumentiert. Wir messen die Anzahlgrößenverteilung der ultrafeinen Partikel mit Mobilitäts-Partikel-Größenspektrometern (MPSS). Im Prinzip, trennt diese Methode die Partikel gemäß ihrer elektrischen Mobilität: Je kleiner ein Partikel desto größer ist seine elektrische Mobilität. Zur Trennung werden die Partikel durch ein elektromagnetisches Feld geschickt, in welchem sie je nach elektrischer Mobilität eine unterschiedlich starke Ablenkung erfahren. Dann wird die Anzahl der Partikel pro Größenkategorie bestimmt, wobei unsere Messgeräte Partikel mit Durchmessern zwischen 10 nm und 800 nm erfassen. Die eingesetzten Messgeräte erfordern regelmäßige, erfahrene Bedienung, Kalibration und Qualitätskontrolle. Diese führen wir nach wissenschaftlich etablierten Standards (ACTRIS) durch, was unsere Messungen mit anderen UFP-Messungen deutschland- oder europaweit vergleichbar macht.

Außerdem ist auf den Messstationen eine Wetterstation zur Messung der Lufttemperatur, des Luftdrucks, der Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Windrichtung und globaler Strahlung installiert. Als Maß für die Luftqualität bestimmen wir zusätzlich die Ozon- und Stickoxid-Konzentrationen in der Luft, wobei wir uns an den Standards des Lufthygienischen Landesüberwachungssystems Bayerns (LÜB) orientieren.

 

Mobile Messgeräte

Die WMO (World Meteorological Organization) sieht in neuen, kostengünstigen und mobilen Messgeräten für luftchemische Größen eine Chance sich flächendeckend und ohne viel Aufwand ein Bild von der bodennahen Luftqualität zu machen. Handgetragene Partikelzähler, die bis in den UFP-Bereich hinein messen können, haben einen klaren Mobilitäts- und Kostenvorteil. Die kompakte Bauform solcher Geräte „kostet“ jedoch Messpräzision und Qualitätskontrolle. Als Teil dieses Projekts testen wir daher unterschiedliche mobile Partikelzähler in Labor und an den Messstationen gegen die MPSS-Referenzgeräte.

 

Projekt

Dieses Projekt wird durch das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz finanziert.

stmuv



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