Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Symbolverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Vorgehensweise
2 Umweltzonen
2.1 Rechtliche Rahmenbedingungen des BImSchG
2.2 Umweltzonen in Deutschland
2.3 Finanzielle Belastung für Autobesitzer
3 Luftschadstoff Feinstaub
3.1 Feinstaubpartikel
3.2 Messung der Feinstaubbelastung
3.3 Entwicklung der Feinstaubbelastung in Deutschland
3.4 Wirkung von Feinstaub
4 Durch Feinstaub gefährdete Krankheitsbilder
4.1 Atemwegserkrankungen
4.1.1 Medizinischer Prozess
4.1.2 Bisherige Forschungsergebnisse
4.2 Herz-Kreislauf-Erkrankungen
4.2.1 Medizinischer Prozess
4.2.2 Bisherige Forschungsergebnisse
4.3 Sonstige Erkrankungen
4.3.1 Medizinische Prozesse
4.3.2 Bisherige Forschungsergebnisse
5 Empirische Analyse
5.1 Ökonometrische Schätzmethode
5.1.1 Annahmen der Difference-in-Difference Methode
5.1.2 Chancen und Risiken der Methode
5.2 Untersuchungsgegenstand der Analyse
5.2.1 Auswahl und Einteilung der Studienpopulation
5.2.2 Auswahl und Einteilung der Krankheiten
5.3 Modellierung
5.3.1 Ergebnisse der Analyse
5.3.2 Sensitivitätsanalyse
6 Vergleich und Einordnung der Ergebnisse
7 Fazit und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhang I
Anhang II
Anhang III
Anhang IV
Abbildung 1: Umweltzonen in Deutschland (Quelle: UBA, 2014).
Abbildung 2: Quellen der Partikelentstehung (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an Becker, Gerike und Winter, 2009).
Abbildung 3: Feinstaubentwicklung (PM10) in Deutschland im Zeitraum von 2002-2013 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an UBA 2014c).
Abbildung 4: Relative Luftfeuchtigkeit in den Jahren 2003, 2004, 2006, 2007 und 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an DWD).
Abbildung 5: Entwicklung der Lufttemperatur in den Jahren 2003, 2004, 2006, 2007 und 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an DWD).
Abbildung 6: Entwicklung der Niederschlagshöhe in den Jahren 2003, 2004, 2006, 2007 und 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an DWD).
Abbildung 7: Entwicklung der Sonnenscheindauer in den Jahren 2003, 2004, 2006, 2007 und 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an DWD).
Abbildung 8: Entwicklung der Windgeschwindigkeit in den Jahren 2003, 2004, 2006, 2007 und 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an DWD).
Abbildung 9: Feinstaubentwicklung (PM2,5) in Deutschland im Zeitraum von 2002-2013 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an UBA 2014c).
Abbildung 10: Häufigkeitsverteilung der Krankheitsgruppen der Studienpopulation (Quelle: eigene Berechnung und Darstellung).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Immissionsgrenzwerte für den Luftschadstoff Feinstaub PM10 und PM2,5 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an §4 der 39. BImSchV, 2010).
Tabelle 2: Beurteilungsschwellen für den Luftschadstoff Feinstaub PM10 und PM2,5 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an Anlage 2 zu §12 der 39. BImSchV, 2010).
Tabelle 3: Kurzzeit- und Langzeiteffekte von Feinstaub (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an LANUV NRW, 2010).
Tabelle 4: Monatsmittelwert der Feinstaubkonzentration über das Jahr 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an UBA).
Tabelle 5: Regressionsergebnis für PM10 (Quelle: eigene Berechnung und Darstellung).
Tabelle 6: Charakteristika der Studienpopulation (Quelle: eigene Berechnung und Darstellung).
Tabelle 7: Häufigkeitsverteilung der Krankheitsgruppen auf Jahresbasis (Quelle: eigene Berechnung und Darstellung).
Tabelle 8: Regressionsergebnisse auf Monatsbasis (Quelle: eigene Berechnung und Darstellung).
Tabelle 9: Ergebnisse einer altersspezifischen Regressionsanalyse auf Monatsbasis (Quelle: eigene Berechnung und Darstellung).
Tabelle 10: Regressionsergebnis unter Berücksichtigung der Asthmatiker (Quelle: eigene Berechnung und Darstellung).
Tabelle 11: Altersspezifische Regressionsergebnis unter Berücksichtigung der Asthmatiker (Quelle: eigene Berechnung und Darstellung).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Mit Erlassung der 35. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV)1 seitens der Bundesregierung am 10. Oktober 2006 wurde die deutschlandweit einheitliche Kennzeichnung emissionsarmer Kraftfahrzeuge vorgeschrieben. Die sogenannte „Plakettenverordnung“ trat bereits im März des darauffolgenden Jahres in Kraft. Im Dezember 2007 erfolgte eine Ausweitung auf Fahrzeuge, die zur Reduzierung der Feinstaubemission mit einem Partikelminderungssystem oder Fahrzeugkatalysator ausgestattet wurden. Auf Basis dessen war es den zuständigen Straßenverkehrsbehörden möglich, nach §40 des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG) den Kraftfahrzeugverkehr durch Einführung von Umweltzonen zu verbieten bzw. zu beschränken.
Begonnen wurde am 01. Januar 2008 in den Städten Berlin, Hannover und Köln mit der Erhebung eines Einfahrverbots für Kraftfahrzeuge, die der Schadstoffgruppe 1 angehörten. Diese Beschränkung wurde über die Jahre kontinuierlich ausgeweitet. Seit Anfang 2010 dürfen in Berlin und Hannover sowie seit Mitte 2014 auch in Köln nur noch Fahrzeuge, die zur 4. Schadstoffgruppe zählen, in den gekennzeichneten Bereich einfahren. Es handelt sich dabei um die sogenannten „grünen Zonen“. In ganz Deutschland wurden bis dato insgesamt 48 Umweltzonen eingeführt, die bereits überwiegend den Status der grünen Zone erreicht haben. Lediglich vier Regionen befinden sich noch in der zweiten Phase der Einführung. Für das Jahr 2015 ist die Implementierung drei weiterer Umweltzonen geplant.
Die Auswirkungen von Feinstaub auf die menschliche Gesundheit sind in der Wissenschaft bereits ausführlich untersucht worden. In Folge dessen rücken folgende Fragestellungen, denen im Verlauf der Arbeit nachgegangen werden soll, in den Fokus: Inwieweit wird eine Reduzierung des Luftschadstoffs durch Einführung der Umweltzonen erreicht? Und wie wirkt sich diese Entwicklung auf die Gesundheit der Bevölkerung aus?
Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen der Einführung von Umweltzonen auf die Entwicklung der Feinstaubbelastung zu untersuchen sowie mögliche Effekte auf unterschiedliche Krankheitsbilder aufzudecken. Dabei sind zunächst die Einzugsbereiche der eingeführten Zonen zu klären und anhand dessen, die Einteilung der Studienpopulation vorzunehmen. Nach Aufbereitung des Datensatzes einer privaten Krankenversicherung bedarf es einer Festlegung des untersuchten Zeithorizonts und der damit verbundenen Unterteilung in Pre- und Post-Treatment-Periode. Ebenso ist die Eingrenzung auf durch Feinstaub möglicherweise beeinflusste Krankheitsbilder und deren Zusammenfassung in unterschiedliche Gruppen von Nöten.
Im Rahmen dieser Arbeit werden in den Kapiteln zwei und drei die Grundlagen zum besseren Verständnis der späteren empirischen Analyse gelegt. Dabei erfolgt zu Beginn in Kapitel 2 die Vorstellung der mit dem Bundes-Immissionsschutzgesetz einhergehenden Maßnahmen, die Darlegung der aktuellen Situation bzgl. der Einführung von Umweltzonen in Deutschland und die grobe Einordnung der mit dieser politischen Entscheidung verbundenen finanziellen Belastung aller Kraftfahrzeughalter.
Anschließend wird in Kapitel 3 der Luftschadstoff Feinstaub thematisiert. Dabei wird insbesondere auf die Messung der Partikelkonzentration sowie die Entwicklung der Belastung über den Zeitraum von 2002-2013 eingegangen. Nachfolgend steht die Thematisierung der Wirkung derartiger Partikel auf die menschliche Gesundheit an. Diese bildet schließlich die Grundlage für Kapitel 4, in dem diesbezüglich detailliert der aktuelle Wissenstand zu gefährdeten Krankheitsbildern dargelegt wird. In Kapitel 5 folgt die eigens durchgeführte empirische Analyse. Die dort angewandte ökonometrische Methode und deren Besonderheiten legen die Grundlage für die anschließende Auswertung der Ergebnisse. In Kapitel 6 findet ein Vergleich und die Einordnung der gewonnenen Erkenntnisse – insbesondere zu den im vierten Kapitel dargelegten Studienresultaten – statt.
Ein Fazit sowie Ausblick runden abschließend in Kapitel 7 diese Arbeit ab.
Mit dem Ziel die Menschheit, Tiere und Pflanzen unter anderem vor schädlichen Umwelteinflüssen durch Luftschadstoffe zu schützen und deren Entstehung so weit wie möglich einzudämmen, wurde im März 1974 erstmals das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) ausgefertigt. Luftverunreinigungen werden dabei als Veränderung der natürlichen Luftzusammensetzung durch Ruß, Rauch, Staub und Aerosole verstanden. (BImSchG, 2013)
Die zum Schutz der menschlichen Gesundheit in §38 des Gesetzes erwähnten Emissionsgrenzwerte für den Luftschadstoff Feinstaub, die bei Inbetriebnahme von Kraftfahrzeugen (KFZ) und deren Anhängern nicht überschritten werden dürfen, werden in §4 der 39. Verordnung zur Durchführung des BImSchG2 detailliert aufgeführt und in Tabelle 1 veranschaulicht. (39. BImSchV, 2010)
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Tabelle 1: Immissionsgrenzwerte für den Luftschadstoff Feinstaub PM10 und PM2,5 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an §4 der 39. BImSchV, 2010).
Bei Missachtung der genannten Richtlinien ist die zuständige Straßenbehörde laut § 40 BImSchG befugt den Kraftfahrzeugverkehr „nach Maßgabe der straßenverkehrsrechtlichen Vorschriften auf bestimmten Straßen oder in bestimmten Gebieten [zu] verbieten oder [zu] beschränken“ (BImSchG, 2013).
Im Fünften Teil des BImSchG werden grundsätzliche Anforderungen an die Überprüfung der Luftqualität formuliert. Die zuständigen Behörden sind dazu verpflichtet, Kontrollen regelmäßig durchzuführen und bei Überschreitung des Toleranzbereiches hinsichtlich des Schadstoffanteils einen entsprechenden Luftreinhalteplan aufzustellen. Dieser enthält Maßnahmen zur Reduzierung der gemessenen Belastung und somit zur Sicherstellung der Grenzwerte. Für die Festlegung von Ballungsräumen dienen sogenannte Beurteilungsschwellen (BS). Übersteigt der gemessene Wert die obere BS, so sind zur Bewertung der Luftqualität ortsfeste Messungen unabdingbar. Unterschreitet der Wert hingegen die untere BS genügt eine objektive Einschätzung der Luftqualität mittels Modellrechnung oder ähnlichem. (39. BImSchV, 2010)
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Tabelle 2: Beurteilungsschwellen für den Luftschadstoff Feinstaub PM10 und PM2,5 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an Anlage 2 zu §12 der 39. BImSchV, 2010).
Bei den eben angesprochenen Luftreinhalteplänen handelt es sich um Zielpläne mit vorbeugendem Charakter, da sie die entsprechenden Schwellenwerte bereits vor ihrem Verbindlichwerden sicherstellen. Die meist vorgeschalteten Aktionspläne hingegen, wie sie in §47 BImSchG, Absatz 2 beschrieben werden, dienen der Planung und weisen daher einen vorsorgenden Charakter auf. Sie umfassen Handlungsanweisungen, auf die im Falle einer kritischen Situation zurückgegriffen werden kann. Ein Aktionsplan kann Teil eines Luftreinhalteplanes sein, muss es jedoch nicht. (Paternoster, 2010)
Als eine zentrale Maßnahme zur Einhaltung der im Januar 2005 europaweit eingeführten Grenzwerte für Feinstaub wurden seit dem Jahr 2008 kontinuierlich Umweltzonen in Deutschland eingerichtet. Mit deren Hilfe soll die Luftqualität durch erhobene Einfahrverbote für Fahrzeuge mit hoher Feinstaubemission – insbesondere verkehrsdichter Regionen – gezielt verbessert werden. Hierfür werden nach der 35. BImSchV aus dem Jahr 2007 die Automobile in unterschiedliche Schadstoffgruppen eingeteilt und mit einer entsprechenden Umweltplakette ausgestattet. Folgende vier Gruppen werden anhand ihrer im Fahrzeugschein eingetragenen Steuerklasse und der EURO-Schadstoffnorm unterschieden:
- Schadstoffgruppe 1: keine Plakette
- Schadstoffgruppe 2: rote Plakette
- Schadstoffgruppe 3: gelbe Plakette
- Schadstoffgruppe 4: grüne Plakette (BMUB, 2014).
Besonders ältere Automobile besitzen häufig keine ausreichende Ausstattung mit Rußfiltern oder Katalysatoren, sodass deren Ausstoßmenge zu einer deutlichen Überschreitung der Grenzwerte beiträgt. Um die menschliche Gesundheit zu schützen, bedarf es daher der Beseitigung dieser Gefahrenquelle. Zur Erreichung einer besseren Schadstoffgruppe ist in der Regel eine Nachrüstung mittels Partikelminderungssystems erforderlich. Um den Kraftfahrern einen Anreiz zu bieten, diesem Wandel zu folgen, wurde bis Ende 2010 eine derartige Investition von der Bundesregierung gefördert. Zudem erhielten Personen, die in der Zeit von Januar 2011 bis Dezember 2013 besonders schadstoffarme Fahrzeuge erwarben, durch §3b des Kraftfahrzeugsteuergesetzes befristet eine KFZ-Steuerbefreiung. (BMVI, 2014)
Die Einrichtung einer Umweltzone erfolgt in drei Etappen. In einem ersten Schritt (Stufe 1) werden Einfahrverbote für Fahrzeuge ohne Plakette ausgesprochen. Das bedeutet, dass alle Kraftfahrzeuge mit roter, gelber und grüner Marke uneingeschränkt am Verkehr teilnehmen dürfen. Stufe 2 impliziert eine weitere Einschränkung für Autos, die der zweiten Schadstoffgruppe zugehörig sind. In einem letzten Schritt wird auch den mit einer gelben Umweltplakette ausgestatteten Fahrzeugen die Einfahrt in den gekennzeichneten Bereich verboten. Ziel ist es, in allen deutschen Bundesländern nur noch „grüne“ Umweltzonen zu haben. (UBA, 2014)
Derzeit existieren in Deutschland 48 Umweltzonen, wovon sich vier in der zweiten Phase der Implementierung befinden. Laut Umweltbundesamt sollen weitere drei zu Beginn des Jahres 2015 eingerichtet werden. Die restlichen 44 haben bereits den Status der „grünen Zone“ erreicht. (UBA, 2014a) Nachfolgende Graphik veranschaulicht die Lage und den Entwicklungsstand der Umweltzonen in Deutschland:
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Abbildung 1: Umweltzonen in Deutschland (Quelle: UBA, 2014).
Bei Betrachtung der Karte fällt auf, dass überwiegend in größeren Städten und Ballungsräumen, die sich durch ein erhöhtes industrielles Aufkommen sowie eine hohe Bevölkerungsdichte auszeichnen, Umweltzonen vorzufinden sind. Der Norden und Osten des Landes sind folglich nur spärlich abgedeckt.
Eine Investition wie die Einführung einer Umweltzone geht immer mit einer hohen finanziellen Belastung einher – in diesem Fall in erster Linie mit einem erheblichen Kostenaufwand für viele Kraftfahrzeugbesitzer. Seit der Einführung ist die Kennzeichnung des Fahrzeuges mit einer entsprechenden Feinstaub-Plakette, wer nicht sämtliche Innenstadtbezirke umfahren möchte, obligatorisch. Die Kosten für den Erhalt dieser sind jedoch bisher nicht in der GebOSt3 geregelt, sodass jedes Bundesland nach eigener Einschätzung des administrativen Aufwandes Preise für die Dienstleistung erheben kann. Die Kosten liegen dabei laut dem Center Automotive Research (CAR) der Universität Duisburg-Essen in den einzelnen Kommunen bei ungefähr 20 Euro. Die Gültigkeit der Plakette ist zwar unbegrenzt, jedoch muss beachtet werden, dass sie an das jeweilige KFZ-Kennzeichen gebunden ist und im Falle eines Umzugs oder ähnlichem ein erneuter Kauf ansteht. (Mayer, 2009)
Problematisch wird es bei Fahrzeugen, die keine grüne Einstufung erhalten. Die Besitzer sind häufig genötigt, ihr Auto mit entsprechenden KFZ-Bestandteilen nachzurüsten oder sich ein neues Auto anzuschaffen. Davon betroffen sind in erster Linie die Eigentümer von Dieselfahrzeugen. Der Einbau eines der gängigsten Nachrüstelemente ist der Diesel-Partikelfilter. Dieser verursacht einmalig Kosten von ungefähr 650 Euro, wovon jedoch der Staat bei einer Nachrüstung bis Ende 2009 eine Höhe von 330 Euro in Form einer Steuerbefreiung zzgl. des Entfalls der Strafsteuer für zwei Jahre übernahm. (Bunke, 2009)
Neben der Belastung für die Kommunen durch die zusätzlichen Personalkosten in Höhe von ca. 10,6 Millionen Euro (laut CAR-Schätzung) erleiden viele Autobesitzer durch die Einführung der Umweltzonen zusätzlich einen indirekten Vermögensschaden. CAR-Direktor Professor Dudenhöffer schätzt für Fahrzeuge ohne Feinstaubplakette die durchschnittliche Wertminderung auf 2.000 Euro, für Autos mit einer ausgewiesenen roten Marke auf 1.500 Euro und für diejenigen, die der dritten Schadstoffgruppe angehören, auf 1.000 Euro. Insgesamt sind in etwa sieben Millionen Personen davon betroffen, sodass sich ein Gesamtschaden von 12,1 Milliarden Euro errechnet. (Mayer, 2009)
Neben diversen anderen Schadstoffen wie Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und Blei existiert eine nicht unerheblich hohe Zahl an Feinstaubpartikeln in der Luft. Im Englischen werden unter dem Begriff „particulate matter“ (kurz: PM) alle Partikel verstanden, die bei einem Verbrennungsvorgang in industriellen Anlagen, aber auch im Straßenverkehr entstehen. Anhand der Partikelgröße wird der inhalierbare Feinstaub (Durchmesser < 10µm – PM10) vom lungengängigen Feinstaub (Durchmesser < 2,5µm – PM2,5) und den ultrafeinen Partikeln (Durchmesser < 0,1µm – UP) unterschieden. Je feiner die Partikel, umso höher ist ihre Verteilung und Verweildauer in der Atmosphäre und umso tiefer können sie in den menschlichen Körper eindringen. (Koch und Spieth, 2007) Die Aufnahme von Grenzwerten für PM2,5 in die neueste Ausgestaltung der BImSchV des Jahres 2010 unterstreicht deren Bedeutung für die menschliche Gesundheit.
Bei der Entstehung von Feinstaubpartikeln wird zwischen natürlichen und anthropogenen4 Quellen differenziert. Abbildung 2 stellt mögliche Auslöser dar.
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Abbildung 2: Quellen der Partikelentstehung (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an Becker, Gerike und Winter, 2009).
Auf globaler Ebene stehen bei der Entstehung von Feinstaub die natürlichen Quellen im Vordergrund. In den Industrienationen hingegen wird der Großteil durch die Menschen selbst verursacht, sei es durch den Betrieb von Kraftwerken, anderen industriellen Anlagen oder die Ausstöße im Straßenverkehr. Bei Letzterem können sowohl durch das Verbrennen des Kraftstoffs in den Motoren als auch durch den Abrieb der Straße toxische Elemente in die Atmosphäre gelangen. Durch geeignete Maßnahmen bei der Ausstattung von Industrieanlagen konnten die Feinstaub-Emissionen seit 1990 deutlich reduziert werden. Allerdings befinden sich die gemessenen Werte nach wie vor auf einem gesundheitsschädigenden Niveau, sodass sich das Augenmerk nach der Emissionsreduzierung in der Industrie nun immer stärker auf den Straßenverkehr richtet. (Paternoster, 2010)
Bereits in einer Vielzahl von Studien wurde die Wirkung von inhalierten Partikeln und insbesondere Feinstaub auf die menschliche Gesundheit untersucht. Dabei sind für die Entstehung von Krankheiten neben der Partikelgröße auch die Menge und vor allem die chemische Zusammensetzung der Atemluft entscheidend. Größere Partikel gelangen durch den Mund und Nasen-Rachen-Raum in die Lunge, werden jedoch in den meisten Fällen durch die dort vorhandene Filterbarriere aufgehalten. Kleinere Elemente hingegen können bis in die Lungenbläschen, die sogenannten Alveolen vordringen und so in die Blutbahn gelangen. Der Anteil letzterer ist mit etwa 0,1-1% zwar recht gering, jedoch werden über die Blutbahn möglicherweise sämtliche innere Organe in Mitleidenschaft gezogen. Zudem ist zu bedenken, dass es sich hierbei um eine dauerhaft bestehende Feinstaubablagerung handelt. (Koch & Spieth, 2007 und Gerlach, 2008)
Aufgrund der bereits angesprochenen potentiellen Gesundheitsgefährdung bedarf es einer regelmäßigen Messung der Feinstaubbelastung. Die Messung der PM10- und PM2,5-Konzentration birgt jedoch Schwierigkeiten, da ihre chemische Zusammensetzung nicht einheitlich ist. Feinstaub besteht aus einer Vielzahl von Elementen wie u.a. Kohlenstoffverbindungen, Nitraten und Sulfaten. Diese Stoffe weisen jeweils sehr unterschiedliche Eigenschaften auf, sodass sie nur schwer zu vergleichen sind. Um ein möglichst aussagefähiges Ergebnis zu erhalten, eignet sich besonders die sogenannte Referenzmethode. Bei diesem gravimetrischen Verfahren wird der Feinstaub in Filtern gesammelt und anschließend manuell im Labor gewogen. Anhand des Verhältnisses von Staubmasse zum zeitgleich gemessenen Luftvolumen kann die vorherrschende Schadstoffbelastung in µg/m³ ermittelt werden. (LANUV NRW, 2009)
Da dieses Verfahren jedoch sehr aufwendig und keine zeitnahe Berichterstattung möglich ist, wird auf eine kontinuierliche Messung mit Geräten, die automatisch und dauerhaft die Feinstaubbelastung ermitteln, ausgewichen. Bei der Erhebung werden das Beta-Strahlenabsorptionsverfahren und die oszillierende Mikrowaage unterschieden. Bei ersterem wird Staub auf einem Filterband gesammelt und anschließend die den Filter passierende Beta-Strahlung gemessen. Eine Reduktion steht dabei im Verhältnis zur abgeschiedenen Staubmenge. Beim zweiten Verfahren werden Teile eines Luftstroms durch einen Messfilter, der Bestandteil eines schwingenden Systems ist, geleitet. Die während der Bestaubung auftretende Veränderung der Schwingungsfrequenz dient als Maß für die Staubbelastung. Mit beiden Methoden können tagesaktuelle Informationen zur Feinstaubbelastung erhoben werden. (LANUV NRW, 2009a)
In diversen Untersuchungen wurde jedoch herausgefunden, dass die kontinuierlichen Messungen in der Regel um 10-30% niedrigere Ergebnisse als das Referenzverfahren liefern. Dies wird im Wesentlichen auf das Verdampfen von flüchtigen Staubelementen innerhalb der Geräte sowie auf unterschiedliche Wasseranteile im Staub zurückgeführt. Daher bedarf es einer regelmäßigen Kalibrierung der ermittelten PM-Werte mit den Referenzmessungen. Zu Beginn jedes Kalenderjahres werden entsprechende Kalibrierfaktoren festgelegt, mit denen die Daten des vergangenen Jahres kalibriert werden. Um sichere Messergebnisse zu erhalten, werden aufgrund der starken Abhängigkeit der Werte von Jahreszeit, Stationsumgebung und anderen Einflussparametern mehrere Vergleichsmessungen benötigt. Das genaue Vorgehen wurde von der EU im Juli 2009 in dem Leitfaden „Guidance for the Demonstration of Equivalence“ festgelegt. (LANUV NRW, 2009b)
In Deutschland stehen für die Messung der Feinstaubbelastung insgesamt 538 Messstationen zur Verfügung, wovon 389 die PM10-Konzentration erheben. Die anderen 149 Messpunkte dienen zur Kontrolle der PM2,5-Werte.5 Folgende drei Stationstypen kommen dabei zum Einsatz (Europäisches Parlament und Europäischer Rat, 2008):
1) Verkehrsmessstationen: sie befinden sich in der Regel an Verkehrsknotenpunkten, um die unmittelbar durch die Kraftfahrzeuge erzeugte Feinstaubbelastung zu messen.
2) Stationen im städtischen Hintergrund: sie werden meist in städtischen Wohngebieten aufgestellt, an denen die Messwerte repräsentativ für die exponierte städtische Bevölkerung sind.
3) Stationen im ländlichen Hintergrund: sie messen die Schadstoffkonzentration, denen die ländliche Bevölkerung ausgesetzt ist.
Das Umweltbundesamt (UBA) veröffentlicht auf seiner Homepage (http://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/aktuelle-luftdaten) kontinuierlich Tagesmittelwerte der Feinstaubkonzentration. Dadurch kommt es seiner in §46a BImSchG vorgeschriebenen Berichtspflicht gegenüber der Öffentlichkeit nach und schafft Transparenz bezüglich der Luftqualität. Dabei ist jedoch anzumerken, dass aufgrund der zuvor beschriebenen Messproblematik am heutigen Tag nur die Tagesmittelwerte vom Vortag angezeigt werden können. (UBA, 2014b)
In §10 der 22. BImSchV6 wurde festgelegt, dass ab dem Jahr 2002 alle zuständigen Behörden für die Beurteilung der Luftqualität sorgen müssen und entsprechende Messungen der Luftschadstoffe durchzuführen haben. Nachstehende Abbildung 3 stellt die Entwicklung der Feinstaubbelastung zwischen 2002 und 2013 dar. Der rot markierte Pfad symbolisiert dabei den durchschnittlichen Jahresmittelwert Deutschlands. Bei Betrachtung der Messungen für Mecklenburg-Vorpommern und das Saarland – derzeit beides Bundesländer ohne Umweltzone – wird ersichtlich, dass deren PM10-Konzentration im Mittel deutlich unterhalb der durchschnittlichen Belastung liegt. Hingegen lässt sich in Berlin eine im Schnitt kontinuierlich höhere Menge an Feinstaub nachweisen.
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Abbildung 3: Feinstaubentwicklung (PM10) in Deutschland im Zeitraum von 2002-2013 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an UBA 2014c).
Zudem lassen sich in den Jahren 2004, 2007, 2008 und 2012 bei allen Graphen starke Feinstaubreduzierungen, hingegen in den Jahren 2003, 2006 und 2010 PM-Zunahmen erkennen. Einen möglichen Erklärungsansatz bietet die Analyse der unterschiedlichen Klimabedingungen. Das Klimasystem besteht aus vielerlei Komponenten wie Luftfeuchtigkeit und -temperatur, Niederschlagshöhe, Sonnenscheindauer und Windgeschwindigkeit. (ZAMG, 2014) Mittels der Daten vom Deutschen Wetterdienst (DWD) für den Zeitraum 1999 bis 2008 lassen sich die in den entsprechenden Jahren aufgetretenen Wetterzustände graphisch darstellen. Abbildung 4 spiegelt dabei die Entwicklung der relativen Luftfeuchtigkeit pro Jahr wieder.
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Abbildung 4: Relative Luftfeuchtigkeit in den Jahren 2003, 2004, 2006, 2007 und 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an DWD).
Bei Ermittlung der Luftfeuchte wird sich auf den Wasserdampfgehalt in der Luft fokussiert, dementsprechend gibt der relative Wert an, zu welchem Prozentsatz die Moleküle mit diesem gesättigt sind (FU-Berlin, 2014). Mit bloßen Auge lassen sich kaum Unterschiede zwischen den einzelnen Graphen erkennen. Bei genauer Betrachtung des Mittelwertes fällt jedoch auf, dass er im Jahr 2003 sowie 2006 – zeitgleich mit einem Anstieg der Feinstaub-konzentration – einen geringeren Wert gegenüber den anderen Jahren aufweist. Dies lässt eine negative Korrelation zwischen Luftfeuchtigkeit und Feinstaubkonzentration vermuten. Das Paul Scherrer Institut (PSI) hat in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz im Rahmen einer Studie herausgefunden, dass Feinstaubpartikel, die hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind, für die menschliche Gesundheit gefährlicher sind. Die Partikel nehmen in dieser Situation verstärkt Wasserdampf auf und bekommen so eine gelartige Konsistenz, die eine Entwicklung von Allergien begünstigt. (Shiraiwa et al., 2011)
Mit Hilfe der Lufttemperatur wird die mittlere Geschwindigkeit der Luftteilchen gemessen. Eine höhere Temperatur impliziert dabei eine schnellere Bewegung der Moleküle. (FH-Berlin, 2014) Wie sich diese auf die PM-Konzentration auswirkt, haben unter anderem Krein et al. (2007) in ihrer Studie untersucht. Dabei fanden sie heraus, dass eine niedrige Außentemperatur in Luxemburg aufgrund von zunehmendem Heizverhalten der Autofahrer mit einer erhöhten Feinstaubemission und damit -konzentration in der Luft einhergeht. Bei Betrachtung der Graphen, basierend auf den Daten vom DWD zur Entwicklung der Lufttemperatur (siehe Abbildung 5), lassen sich jedoch keine gravierenden Unterschiede erkennen.
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Abbildung 5: Entwicklung der Lufttemperatur in den Jahren 2003, 2004, 2006, 2007 und 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an DWD).
In den Jahren 2003 und 2006 ergaben sich zwar sowohl höhere Minustemperaturen als auch höhere Plusgrade, jedoch glichen sich diese im Durchschnitt derart aus, dass der Mittelwert stets zwischen 9° und 10° Celsius lag. Es lässt sich daraus kein direkter Zusammenhang zur Entwicklung der PM-Belastung in Deutschland herleiten. Daher können die Forschungsergebnisse von Krein et al. (2007) durch die zugrunde gelegten Daten nicht bestätigt werden. Es muss jedoch bedacht werden, dass die Ergebnisse der Autoren auf das Jahr 2007 zurückzuführen sind und somit lediglich bis zum Jahr 2006 die Entwicklung der Lufttemperatur einbezogen werden konnte. Unter Berücksichtigung dieses Aspekts und bei Betrachtung der Mittelwerte aus den Jahren 2003, 2004 sowie 2006 spiegelt sich wiederum deren Studienresultat auch in dieser Auswertung wieder.
Eine weitere Komponente des Klimasystems ist der Niederschlag. Die Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) hat festgestellt, dass sich die Niederschlagsmenge bedeutend auf die Feinstaubbelastung auswirkt. Dabei stellten die Forscher fest, dass der überwiegende Teil der PM-Überschreitungstage in sogenannte Trockenperioden fällt. Bezogen auf die Niederschlagsmenge existieren dabei keine Messunterschiede zwischen Stationen an Verkehrsknotenpunkten und denen mit ländlichem Hintergrund. Entscheidender Faktor dabei ist nicht die Niederschlagsdauer sondern die Tatsache, dass es regnet. (LUBW, 2007) Bei Betrachtung der nachfolgenden Graphen lässt sich dieses Untersuchungsergebnis nur bedingt erkennen.
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Abbildung 6: Entwicklung der Niederschlagshöhe in den Jahren 2003, 2004, 2006, 2007 und 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an DWD).
In den Jahren 2004, 2007 und 2008 weist der Mittelwert einen Wert von über 2 mm auf, was eine höhere Menge an Niederschlag impliziert und einen Teil der PM-Abnahme erklären könnte. Jedoch besteht zwischen den Mittelwerten der Jahre 2006 und 2008 lediglich eine Differenz von 0,1 mm. Im Hinblick auf die in diesen Zeiträumen gemessenen Konzentrationswerte (PM10/2006 = 27,81 und PM10/2008 = 22,52 µ/m³) scheint es sich dabei vielmehr um einen marginalen Unterschied als einen Beweis für einen direkten Zusammenhang von Niederschlag und Feinstaub zu handeln.
Bei der Einflussgröße der Sonnenstunden lassen sich wiederum eindeutigere Zusammenhänge aufzeigen. Gemessen wird die direkte Sonneneinstrahlung in einem festen Bereich und über einen festen Zeitraum. Mit Hilfe der Einzelmessungen kann die Strahlung schließlich für die globale Ebene prognostiziert werden. (LANUV NRW, 2014) Im Jahr 2003 lag der Mittelwert in Höhe von 5,61 Sonnenstunden pro Tag deutlich über dem anderer Jahre (vergleiche Abbildung 7). Die Daten lassen in Bezug zur Entwicklung der Feinstaubbelastung folgenden Zusammenhang vermuten: Je mehr Sonnenstunden, desto höher die gemessene Konzentration.
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Abbildung 7: Entwicklung der Sonnenscheindauer in den Jahren 2003, 2004, 2006, 2007 und 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an DWD).
In den Episoden der PM-Abnahmen lassen sich dagegen im Mittel lediglich 4,5 Sonnenstunden messen.7 Die entsprechend positive Korrelation existiert ebenfalls im Jahr 2006, wenn auch in etwas abgeschwächter Form. Durch einen Anstieg der Sonnenstunden kommt es möglicherweise vielerorts zu einer starken Erwärmung des Asphalts, die wiederum bei gleichbleibendem Verkehrsaufkommen eine Zunahme des Straßenabriebs bedingen kann.
Als letzte Komponente des Klimasystems wird die Entwicklung der Windgeschwindigkeit analysiert. Es wird die Wegstrecke (meist in Metern) gemessen, den die Luft in einem zuvor definierten Zeitabschnitt (i.d.R. pro Sekunde) zurücklegt (DWD, 2014). Das Nationale Beobachtungsnetz für Luftfremdschadstoffe (NABEL) hat bei seinen Messungen einen negativen Zusammenhang zwischen der Windgeschwindigkeit und der PM-Belastung herauskristallisiert. Dabei stauen sich die Partikel während windstiller Phasen aufgrund des fehlenden Luftaustausches wie unter einer Art Haube. Die Feinstaubkonzentration bleibt demnach längere Zeit auf einem relativ hohen Niveau. (Roch, 2005) Bei Betrachtung der folgenden Graphen (siehe Abbildung 8) wird dieser Zusammenhang wiedergespiegelt. In den Jahren mit höherer Schadstoffbelastung liegt der Mittelwert jeweils unter 3,5 m/s. Hingegen weisen die Zeiträume mit im Mittel höheren Windgeschwindigkeiten eine PM-Abnahme auf. Dementsprechend kann mit Hilfe der Daten vom DWD die Erkenntnis der NABEL belegt werden.
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Abbildung 8: Entwicklung der Windgeschwindigkeit in den Jahren 2003, 2004, 2006, 2007 und 2008 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an DWD).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass über den Zeitraum von elf Jahren zwar ein Rückgang der Feinstaubbelastung von durchschnittlich 20% zu verzeichnen ist.8 Nichtsdestotrotz besteht nach wie vor Handlungsbedarf, da aufgrund der vielen nicht beeinflussbaren Klimafaktoren ein hohes Gefährdungspotential für den Menschen bestehen bleibt.
Die Brisanz des lungengängigen Feinstaubs wurde erst vor gut sechs Jahren erkannt und in der Richtlinie 2008/50/EG9 des Europäischen Parlaments und Europäischen Rates (2008) erstmals in Absatz 11 niedergeschrieben. Nach ersten Testmessungen dieser Partikel findet inzwischen seit 2010 eine kontinuierliche Erfassung der PM2,5-Konzentrationen statt. Das bedeutet jedoch, dass bisher nur Daten von vier Jahren vorliegen. In Berlin sind es nur drei Messwerte, da im Jahr 2013 eine Messstation fehlte. Wie bereits in Kapitel 2.2 angesprochen, existieren in einigen Bundesländern noch keine Umweltzonen. Die für Mecklenburg-Vorpommern gültige grüne Kurve in Abbildung 9 zeigt exemplarisch, warum dort bei derartig niedrigen Konzentrationen an PM2,5 kaum Handlungsbedarf besteht.
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Abbildung 9: Feinstaubentwicklung (PM2,5) in Deutschland im Zeitraum von 2002-2013 (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an UBA 2014c).
Bei den durchschnittlichen Jahresmittelwerten für PM2,5 lassen sich ähnliche Entwicklungen wie bei PM10 beobachten (vgl. Abbildung 3). Auch hier werden in der Hauptstadt Deutschlands im Vergleich zum durchschnittlichen Jahresmittel (verkörpert durch die rote Kurve) höhere Werte gemessen. Insgesamt lässt sich jedoch auch hier von 2010 bis 2013 eine Abnahme der Schadstoffmenge in der Luft von ungefähr 18,5% verzeichnen.10
Eingeatmete Feinstaubpartikel werden während der Phagozytose von sogenannten Makrophagen, auch bekannt unter dem Namen Fresszellen, aufgenommen und „aktiviert“. Diese schütten daraufhin Entzündungsbotenstoffe sowie Wachstumsfaktoren aus und setzen Sauerstoffradikale frei. Bei einer andauernden Feinstaubexposition können demzufolge chronische Entzündungen und im schlimmsten Fall Tumore entstehen. (Bursch, 2006)
Bei Betrachtung der verschiedenen Kurz- und Langzeit-Effekte (vgl. Tabelle 3) wird deutlich, dass Feinstaub primär die Lungenfunktion beeinträchtigt. Weiterhin konnten in diversen Studien bereits Schädigungen des Herz-Kreislauf-Systems sowie erhöhte Mortalitätsraten nachgewiesen werden. Unter ersterer werden Wirkungen verstanden, die in engem zeitlichen Kontext mit der Feinstaubexposition stehen, d.h. innerhalb von bis zu fünf Tagen auftreten. Hingegen liegt den Langzeiteffekten eine zeitandauernde Aussetzung mit dem Luftschadstoff zugrunde. (LANUV NRW, 2010)
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Tabelle 3: Kurzzeit- und Langzeiteffekte von Feinstaub (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an LANUV NRW, 2010).
Dabei gilt zu beachten, dass nicht alle Menschen gleich stark von den Wirkungen betroffen sind. Gefährdete Subpopulationen stellen ältere (> 65 Jahre) und vorerkrankte Menschen sowie Kinder dar, da diese in der Regel ein schwächeres Immunsystem aufweisen und so die eingeatmeten Giftstoffe leichter im Körper zur Wirkung kommen können. Insbesondere Asthmatiker leiden verstärkt unter der Exposition, daher gilt dieser Gruppe in der eigens durchgeführten Analyse besondere Aufmerksamkeit. (Eikmann, Dopp & Herr, 2010)
Wie bereits im vorherigen Kapitel angesprochen, stellen die Atemwegserkrankungen eines der am stärksten durch Feinstaub hervorgerufenen Krankheitsbilder dar. Dazu gehören Erkrankungen der Lunge (u.a. Asthma, Bronchitis, COPD11 ), der Nasennebenhöhlen (u.a. Rhinitis, Sinusitis) sowie des Rachens (u.a. Pharyngitis). (LGA, 2014) Da in einer Vielzahl von Studien bereits die gravierende Wirkung von PM auf Asthmatiker untersucht wurde, liegt das Augenmerk zunächst auf dieser Krankheit.
Bei der Erkrankung Asthma handelt es sich um eine dauerhafte Entzündung der Atemwege, bei der aufgrund einer Schwellung der Schleimhäute die oberen Luftwege verengen und so die Ein- und Ausatmung behindern. Häufigste Ursache ist eine Allergie gegenüber bestimmten Stoffen, daher ist diese Ausprägung in der Regel als „allergisches Asthma“ bekannt. Von diesem Asthmatyp sind überwiegend Kinder, Jugendliche und Erwachsene unter 40 Jahren betroffen. In selteneren Fällen lässt sich Asthma auf keine allergische Reaktion zurückführen. Das sogenannte „nichtallergische Asthma“ tritt überwiegend nach einer lange unerkannten Atemwegsinfektion auf. Hiervon betroffen sind in der Regel Erwachsene im fortgeschrittenen Alter. (Kroegel, 2005)
Der Krankheitsverlauf ist für beide Typen episodenförmig. Die Dauer und Stärke der Beschwerden sind je nach Periode sehr individuell und lassen sich nicht verallgemeinern. Insbesondere der Wechsel von Zeiten des Wohlbefindens zu Beschwerdeintervallen unterscheidet Asthma von anderen chronischen Atemwegserkrankungen. Die Symptome reichen dabei von starkem wiederkehrenden Husten bis hin zur lebensbedrohlichen Luftnot. Verstärkt treten die Beschwerden an Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit, beim Sporttreiben und in rauchhaltiger Umgebung auf. Besonders letzteres macht den Zusammenhang mit einer hohen Feinstaubkonzentration deutlich. Leidet eine Person bereits unter Asthma, so verstärken die lungengängigen und ultrafeinen Partikel eine Reizung der Atemwege durch das Freisetzen von entzündungsfördernden Substanzen, die sich auf den bereits vorbelasteten Schleimhäuten ablagern. In Folge dessen kommt es häufig zu einer Asthmaattacke, der nur mit erhöhtem Medikamentenkonsum Einhalt geboten werden kann. (Kroegel, 2005)
Ähnliches gilt jedoch auch für die anderen eingangs erwähnten Atemwegserkrankungen. Die Partikel dringen unbehandelt, d.h. mit allen Elementen, mit denen sie in der Luft organische Verbindungen eingegangen sind, in den Mund-, Nasen- und Rachenraum des Menschen vor. Bei entsprechender Menge können Krankheiten von Entzündungen bis hin zu Tumoren hervorgerufen werden. Dies geschieht einerseits durch die Freisetzung schädlicher Substanzen, die an die Partikel gekoppelt sind und andererseits durch die Aktivierung diverser Entzündungsmediatoren in den Körperzellen. (Koch & Spieth, 2007)
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1 Verordnung zur Kennzeichnung der Kraftfahrzeuge mit geringem Beitrag zur Schadstoffbelastung.
2 Verordnung über Luftqualitätsstandards und Emissionshöchstmengen.
3 Gebührenordnung für Maßnahmen im Straßenverkehr.
4 Von griechisch „anthropos“ = Mensch, „genos“ = Gattung/Geschlecht und „genein“ = her-
vorbringen/verursachen (Brockhaus, 1986).
5 Die Werte basieren auf dem Jahr 2013.
6 Verordnung über Immissionswerte für Schadstoffe in der Luft.
7 Rechnung: [(Mittelwert2004 + Mittelwert2007 + Mittelwert2008) / 3] = [(4,40 + 4,71 + 4,44)] / 3 = 4,51.
8 Rechnung: [(27,5 (Wert 2002) – 22 (Wert 2013)) / 27,5 (Wert 2002)]*100.
9 Richtlinie über Luftqualität und saubere Luft für Europa vom 21. Mai 2008.
10 Rechnung: [(20 (Wert 2010) – 16,3 (Wert 2013)) / 20 (Wert 2010)]*100.
11 Chronisch obstruktive Lungenerkrankung.
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