Gut geschätzt!

Dreckige Luft gefährdet die Gesundheit. Aus welchen Quellen die Luftschadstoffe stammen, ist größtenteils bekannt, wie viel die Quellen emittieren, wird aber geschätzt. Forscher:innen aus Jülich haben diese Schätzungen überprüft. Sie liefern damit auch ein wichtiges Werkzeug, um Maßnahmen zu identifizieren, die die Luftqualität verbessern.

Der Dieselskandal, Kritik an Messstellen oder Klagen wegen Überschreitung der Grenzwerte – das Thema Luftqualität sorgt immer wieder für Aufregung. Doch, auch wenn in Deutschland die Belastung etwa mit Feinstaub und Stickstoffdioxid (NO₂) seit Jahren sinkt, werden Bund und Länder ihre Maßnahmen wohl verschärfen müssen. Im Oktober 2022 hat die EU-Kommission strengere Grenzwerte vorschlagen. Treten diese ab 2030 in Kraft, wären die Schadstoffbelastungen an vielen Orten zu hoch.

Rund 600 Messstellen vom Umweltbundesamt (UBA) und von den Bundesländern gibt es. Sie bestimmen neben den Mengen Feinstaub und NO₂ etwa auch Ozon, Kohlenmonoxid sowie Schwefeldioxid. Die meisten stehen in Ballungsräumen, wo die Belastung für die Menschen sehr hoch ist. Sie messen allerdings nicht, woher die Schadstoffe kommen und wie viel eine Quelle emittiert. Den Zusammenhang zwischen Emission und gemessenen Schadstoffen zu verstehen, ist aber entscheidend. Er ist die Grundlage, um sinnvolle Maßnahmen zu treffen, die die Luftqualität verbessern. Das UBA schätzt daher die Emissionsmengen auf der Basis vieler verschiedener Daten zu Schadstoffquellen: etwa der Zahl der Haushalte und womit diese heizen, der Verkehrsdichte oder welche Industrie vor Ort ansässig ist. Es fließen dabei nicht nur Angaben von Behörden ein, sondern auch von Firmen, etwa von Autoherstellern zum Schadstoffausstoß ihrer Fahrzeuge.

Luftverschmutzung ist nach Bluthochdruck, Rauchen und schlechter Ernährung der wichtigsten Risikofaktoren für Krankheiten und Sterblichkeit weltweit.

^{Quelle: Global Burden of Diseases, Injuries, and Risk Factors Study (GBD) 2019}

Wie gut die Schätzungen sind, haben Jülicher Atmosphärenforscher:innen im Auftrag des UBA überprüft. Verwendet haben sie dafür das von ihnen entwickelte, komplexe Rechenmodell EURAD-IM „Unser Chemie-Transportmodell berücksichtigt mehr als 100 verschiedene chemische Verbindungen in der Luft und wie diese miteinander reagieren,“ sagt Dr. Anne Caroline Lange vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-8). Der größte Vorteil des Modells: „Wir können damit quasi rückwärts rechnen. Wir starten zum Beispiel mit der gemessenen Konzentration von Stickoxiden an einem Punkt. Das Modell berechnet dann auf der Basis von meteorologischen Daten und den bekannten Reaktionen von Stickoxiden in der Luft deren Weg, wie sie sich verteilt und mit welchen Stoffen sie reagiert haben. Es modelliert also, von wo wie viele Stickoxide kommen.“ Diese simulierten Emissionsdaten können die Forscher:innen dann mit den geschätzten Emissionsdaten des UBA vergleichen.

Vorhersage der Luftqualität

EURAD-IM (EURopean Air pollution Dispersion - Inverse Model) ist ein System zur Vorhersage und Analyse der Luftqualität. Das regionale Chemie-Transport-Modell berechnet, welche Gase und Aerosole in welchen Mengen in der unteren Atmosphärenschicht (Troposphäre) auftreten und simuliert deren Ausbreitung. In die Berechnungen fließen tagesaktuelle Daten aus Messstationen am Boden, von Satelliten, sowie Wetterdaten ein. Das ermöglicht 3-Tages-Vorhersagen der Luftqualität, die Jülicher Forscher:innen täglich online zur Verfügung stellen und der Europäischen Union zur Beratung übermitteln.

Das Modell kontrolliert die eigenen Vorhersagen kontinuierlich, indem es die berechneten Werte rückwirkend in sogenannten Analysen mit den gemessenen Werten abgleicht und gegebenenfalls Parameter anpasst.

EURAD-IM Luftqualitätsvorhersagen

Für die erste Überprüfung hatten sich die Jülicher:innen zunächst auf das Jahr 2016 beschränkt. „Wir haben ein durchschnittliches Jahr gewählt, in dem sich der Klimawandel schon zeigt, es aber keine Extremereignisse gab, wie etwa Hitze, Dürre, Vulkanausbrüche oder Saharastaub“, so Lange. Zudem bedeutet bereits ein einzelnes Jahr enormen Rechenaufwand. „Wir haben für jeden Ort und Landkreis lediglich die durchschnittlichen Emissionen pro Jahr berechnet – bei einer Auflösung von 5 mal 5 Kilometern, aber selbst dafür benötigten Jülicher Supercomputer mehrere Monate.“

Die erfreuliche Nachricht: „Die Ergebnisse unserer Modellrechnungen stimmen gut mit den Emissionswerten überein, die das Umweltbundesamt ermittelt hat“, sagt Lange. Aber: „Die räumliche Verteilung der Schadstoffemissionen könnte noch präziser werden.“ Und es gab zunächst unerwartete Unstimmigkeiten, berichtet Lange: „Bei unseren Berechnungen kamen höhere Stickoxidemissionen heraus, als vom UBA geschätzt. Es stellte sich heraus, dass sich die Abweichung auf den Dieselskandal im Jahr 2016 zurückführen ließen: Die Abgasemissionen von Dieselfahrzeugen waren zum Teil deutlich höher als von den Herstellern angegeben. Diese Emissionen fehlten in der Schätzung des UBA, die zu Projektbeginn verfügbar war.“

Die Wissenschaftler:innen wollen nun die UBA-Schätzungen aus weiteren Jahren mit den Berechnungen ihres Modells vergleichen. Außerdem soll mit anderen Chemie-Transport-Modellen kontrolliert werden, ob diese zu ähnlichen Ergebnissen kommen. Denn die Simulationen können nicht nur prüfen, wie gut die Abschätzungen sind, sie können Politik und Behörden auch helfen, zu entscheiden, welche Maßnahmen zielführend sind, um die Luftqualität zu verbessern.

Mit dem vorliegenden Bericht über das Jahr 2016 kann das UBA aber schon jetzt analysieren, wie sich die räumliche Verteilung der Schadstoffe künftig besser abschätzen lässt. „Eventuell müssen Ausgangsinformationen regional differenzierter betrachtet werden, zum Beispiel in der Landwirtschaft: Welche Pflanzen werden in der Region angebaut und welche Dünger verwendet?“, so Lange. Dann können Maßnahmen, um neue Grenzwerte einzuhalten, auch gezielter geplant werden.

^{Quellen:
Robert Wegener aus Daten der Europäischen Umweltagentur (EEA) für 2021, vorläufige Auswertung. (https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/dashboards/air-quality-statistics);
EU-Kommission: Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council on ambient air quality and cleaner air for Europe – Annexes}

^{Text: Barbara Schunk , Christian Hohlfeld}

Kontakt

Dr. Anne Caroline Lange

Senior Scientist Head of group "Air Quality and Emission Optimization"

• Institute of Climate and Energy Systems (ICE)
• Troposphäre (ICE-3)

Gebäude 05.2 /
Raum 2031

+49 2461/61-6078

E-Mail

Dr. Barbara Schunk

Pressereferentin

Gebäude 15.3 /
Raum 3028b

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Institutswebsite

Troposphäre (IEK-8)

Untersuchung der Quellen, der chemische Zusammensetzung und der mikrophysikalischen Eigenschaften atmosphärischer Aerosole unter verschiedenen Aspekten.