Natürliche Quellen von Luftschadstoffen

Die Luftverschmutzung ist eine hauptsächlich vom Menschen verursachte Quelle. Zu großen Teilen werden die Schadstoffe wie z.B. Feinstaub und Stickstoffdioxid über Verbrennungsprozesse in Kraftwerken, Industrie oder Verkehr in die Luft gebracht, aber auch die Landwirtschaft verursacht Emissionen. Man nennt dies anthropogene, also vom Menschen verursachte Quellen. Demgegenüber stehen aber auch natürliche Quellen wie z.B. Wüstenstaubaufwirbelungen, Pollen, Vulkanausbrüche oder Waldbrände. Sind die Schadstoffe einmal in große Höhen aufgestiegen, dann können sie sehr weit transportiert werden. Daher kann es auch in Deutschland dazu kommen, dass in den Messstationen der Luftmessnetze der Länder und des Umweltbundesamtes Feinstaub aus der Sahara, aus Waldbränden oder aus Vulkanasche beobachtet wird.

Die Europäische Luftqualitätsrichtlinie 2008/50/EG geht darauf sogar extra in ihrem Artikel 20 „Emissionsbeiträge aus natürlichen Quellen“ ein. Darin steht, dass Emissionsbeiträge aus Naturereignissen wie Vulkanausbrüchen, Erdbeben, geothermischen Aktivitäten, Freilandbränden, Stürmen, Meeresgischt oder der atmosphärischen Aufwirbelung oder des atmosphärischen Transports natürlicher Partikel aus Trockengebieten (also auch Saharastaub) nicht durch den Menschen verursacht werden und daher nicht als Überschreitung eines Grenzwertes im Sinne dieser Richtlinie gelten. Dazu gibt die Richtlinie Hinweise, wie die Mitgliedstaaten der Europäischen Kommission in einem solchen Fall über die Emissionsbeiträge aus natürlichen Quellen berichten müssen.

Der Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) und das European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) erstellen für ein Ensemble von Modellen eine stündliche Vorhersage für Europa, in der beispielsweise über die Parameter „Dust“ oder „PM wild fire“ auch Informationen für natürliche Quellen von Luftschadstoffen abgerufen werden können.

Wird Sand in der Wüste aufgewirbelt und in große Höhen verfrachtet, dann kann der sehr feine Wüstensand über weite Strecken transportiert werden. So ist es keine Seltenheit, dass wir in Mitteleuropa Staub aus der Sahara beobachten (mehr dazu vom Deutschen Wetterdienst, siehe Link). Besonders deutlich wird das bei Niederschlägen: Wir sehen dann bräunliche Flecken auf Autodächern oder flächendeckenden, orange-braunen Schnee. Weniger offensichtlich, aber zuweilen recht deutlich, macht sich Saharastaub durch eine Trübung der Luft bemerkbar. Oftmals werden die erhöhten Feinstaub-Konzentrationen (PM10) zunächst an den Berg-Messstationen wie beispielsweise an der UBA-Messstation Schneefernerhaus/Zugspitze registriert. Das liegt zum einen natürlich an der südlichen Lage, zum anderen aber auch an der Höhe: Nicht immer finden sich die hohen Feinstaub-Konzentrationen an den ca. 400 tiefer gelegenen Stationen der Messnetze der deutschen Länder wieder. Je südlicher, desto häufiger werden diese Saharastaub-Ereignisse beobachtet.

Gesundheitliche Wirkung von Wüstenstaub

Es ist davon auszugehen, dass Wüstenstaub einen negativen Effekt auf die menschliche Gesundheit hat und die Entstehung von Atemwegserkrankungen sowie deren Verschlechterung begünstigt.

Wüstenstaub besteht in der Regel aus mineralischen Partikeln. In Experimenten wurde herausgefunden, dass diese Partikel das Risiko für entzündliche Lungenschäden und Allergien bei Kindern und Erwachsenen erhöhen. Zudem gibt es Studien zum Zusammenhang von Wüstenstaubbelastung und Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie Experimente, die darauf hindeuten, dass die Oberflächenreaktion von Wüstenstaub die Toxizität von Feinstaub in städtischen Umgebungen erhöhen kann. Einschränkend ist zu sagen, dass die vorliegenden Studien nicht in Deutschland oder speziell für Saharastaub durchgeführt wurden, sondern sich größtenteils auf den asiatischen Raum beziehen. Dies schränkt eine direkte Übertragbarkeit der Ergebnisse ein.

Um Richtwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit speziell für Wüstenstaub zu formulieren reicht die Wissensbasis derzeit nicht aus.

Saharastaubereignis auf der Zugspitze

Quelle: Michael Elsasser / UBA

Eine weitere natürliche Quelle von Luftschadstoffen sind Vulkanausbrüche. Charakteristisch dafür sind hohe Konzentrationen an Schwefeldioxid und Staubpartikeln mit einer veränderten chemischen Zusammensetzung, z. B. deutlich erhöhte Eisen- und Mangangehalte. In Europa können wir uns noch gut an den Ausbruch des Vulkans Eyjafjallajökull auf Island im Jahr 2010 erinnern, da in Folge dessen der Luftraum in Europa für den Flugverkehr gesperrt wurde. An den UBA-Messstationen Schneefernerhaus auf der Zugspitze und Schauinsland im Schwarzwald wurden in dieser Zeit ungewöhnlich hohe Schwefeldioxid- und Feinstaubwerte registriert.

Ausbruch des Vulkans Cumbre Vieja auf der spanischen Kanareninsel La Palma (Foto vom 16.10.2021)

Quelle: mukilp22 / Adobe Stock

Auch die Partikel und Gase, die bei Waldbränden entstehen, können über sehr weite Entfernungen in der Luft transportiert werden. Bei dem Verbrennungsprozess werden Schadstoffe wie Feinstaub, Stickoxide, flüchtige organische Verbindungen oder Kohlenmonoxid freigesetzt. Waldbrände treten meist in der wärmeren Jahreszeit auf und können durch die Emission von flüchtigen organischen Verbindungen zudem die Produktion von bodennahem Ozon antreiben.

Gesundheitliche Wirkung von Waldbränden

Wirkungen auf die menschliche Gesundheit können vielfältig sein und sind abhängig von der Höhe und Dauer der Schadstoffbelastung. Aufgrund der raschen Verteilung der Partikel und Gase in der Atmosphäre sind bei Wald- und Buschbränden akute Rauchvergiftungen, die oft in der Nähe des Feuers auftreten, eher selten, können aber dennoch vorkommen. Durch das Einatmen heißer Luft kann es zu Verbrennungen vor allem der oberen Atemwege (Nasenhöhlen und -nebenhöhlen, Mundhöhle und Rachen) kommen. Je nach Art des Brennmaterials gelangen verschiedene Schadstoffe in die Atemwege und in die Lunge, was zu lokalen Entzündungsreaktionen mit Gewebeschwellungen führen kann. Atmung und Lungenfunktion können daher deutlich eingeschränkt sein. Eine häufige Todesursache ist das Einatmen giftiger Gase wie Kohlenmonoxid. Dieses bindet mit einer 250-fach höheren Affinität als Sauerstoff an das Hämoglobin der roten Blutkörperchen und führt über diesen und weitere Mechanismen zu einer Sauerstoffunterversorgung des Körpers.

Weitaus häufiger als die akute Rauchgasvergiftung sind vor allem Erkrankungen der Atemwege oder des Herz-Kreislauf-Systems infolge der hohen Luftverschmutzung durch Waldbrände, die teilweise auch in größerer räumlicher Entfernung zum Brandherd messbar ist. Hierfür verantwortlich sind unter anderem die erhöhten Feinstaub-Konzentrationen in der Atmosphäre (PM₁₀, PM_2.5). Verschiedene Studien deuten auf Zusammenhänge zwischen Atemwegsreizungen, verminderter Lungenfunktion, Verschlechterung vorbestehender Krankheiten wie Asthma oder chronisch-obstruktiver Bronchitis (COPD) oder vermehrten Herzinfarkten in Waldbrandgebieten hin. Zudem gibt es erste Hinweise, dass Waldbrände – vor allem, wenn sie in den späteren Monaten der Schwangerschaft auftreten – mit negativen Folgen für die Neugeborenen wie niedrigem Geburtsgewicht oder Frühgeburtlichkeit assoziiert sind. 

Bei der unvollständigen Verbrennung des organischen Materials entstehen zusätzlich Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Die Aufnahme in den menschlichen Körper erfolgt über die Nahrung, die Haut oder die Atmung. Einige chemische Komponenten der PAK sind nachweislich krebserregend, fruchtbarkeitsgefährdend und können Erbgut menschlicher Zellen verändern. Da PAK auch im menschlichen Körper nur sehr schlecht eliminiert werden können, reichern sie sich mit der Zeit im Gewebe an.

Waldbrand

Quelle: herculaneum79 / Fotolia.com

Ein bedeutender Teil der natürlichen Feinstaubpartikel ist Meersalz. Es entsteht, wenn durch Wellen Meerwassertröpfen in die Luft geraten und dort verdunsten. Es ist klar, dass es nicht nur auf die Masse an Feinstaub in der Luft ankommt, sondern auch auf dessen Zusammensetzung. Denn im Gegensatz zum Einatmen von Rußpartikeln ist das Einatmen von Meersalzaerosolen für die Gesundheit sogar förderlich. Im Messnetz des Umweltbundesamtes werden beispielsweise die Ionen Natrium und Chlorid im Feinstaub (PM_2,5) gemessen.

Gischt (Nordsee - Sylt)

Quelle: Karin Uhse / UBA

Bei der Belastung der Luft mit Pollen (Blütenstaub) von Bäumen oder Gräsern ist die gesundheitliche Beeinträchtigung der Menschen sehr unterschiedlich: Während die einen überhaupt nichts davon merken, wirkt sich bei den Pollenallergikern eine hohe Pollenkonzentration deutlich auf die Gesundheit aus. Der Deutsche Wetterdienst (DWD) bietet auf Basis der durch die Stiftung Deutscher Pollenfluginformationsdienst erhobenen Pollenmessdaten für die acht allergologisch wichtigsten Pollen in Deutschland (Hasel, Erle, Esche, Birke, Süßgräser, Roggen, Beifuß und Ambrosia) seit langem schon einen aktuellen Pollenflug-Gefahrenindex (Link siehe Linkleiste oben). Im Frühjahr 2022 wurde die Vorhersage auf einen längeren Zeitraum (6 Tage) und eine deutlich höhere räumliche Auflösung erweitert (ICON-ART Pollenprognosen). Zudem gibt es eine Pollenflug-Statistik, über die rückwirkend die Belastung der Luft durch die jeweiligen Pollen gezeigt wird.

Können Allergien auslösen: die Pollen der Birke

Quelle: photocrew / Fotolia.com

Auch die Vegetation stellt eine natürliche Quelle von Luftschadstoffen dar. Viele Pflanzen emittieren sogenannte flüchtige organische Komponenten (englisch: biogenic volatile organic compounds, BVOCs). Diese sind an luftchemischen Prozessen beteiligt und tragen dadurch zum einen zur Ozonbildung und zum anderen zur Bildung von sekundären Feinstaubpartikeln bei. Sekundärer Feinstaub entsteht im Gegensatz zu primärem Feinstaub, der schon partikelförmig emittiert wird, aus gasförmigen Substanzen. Vor allem die weniger reaktiven Substanzen wie Mono- oder Sesquiterpene fördern die Feinstaubbildung, wie z. B. der Stoff α-Pinen aus Kieferngewächsen. Die Eiche beispielsweise emittiert hingegen das sehr reaktive Isopren, welches zur Bildung von bodennahem Ozon beiträgt.

Laubwald

Zeitweise verursachen Bäume durch ihre Pollen Feinstaub. Sie können aber auch durch die Emission flüchtiger organischer Substanzen zur Bildung von sekundärem Feinstaub oder Ozon beitragen.

Quelle: G. Schütze | Umweltbundesamt