Luftqualität

Stickstoffdioxid (NO2) ist ein für uns Menschen schädliches Reizgas. Es gelangt über die Atemwege tief in den Körper und kann die Gesundheit dauerhaft schädigen. Außerdem kann NO2 die gesundheitsschädlichen Wirkungen von Ozon und Feinstaub verstärken. Epidemiologische Studien zeigen statistische Zusammenhänge zwischen der Luftbelastung durch NO2 und den gesundheitlichen Auswirkungen wie Erkrankungen der Atemwege und des Herz-Kreislauf-Systems. So steigt z.B. bei höheren NO2-Belastungen das Risiko, an Bronchitis oder Asthma zu erkranken. Besonders empfindlich reagieren Menschen mit Vorerkrankungen der Atemwege wie bestehendem Asthma, sowie Kinder und ältere Menschen.

NO2 ist bei intensiver Sonneneinstrahlung außerdem an der Bildung des Treibhausgases Ozon beteiligt, das ebenfalls eine stark reizende Wirkung auf unsere Atemwege hat.

NO2 entsteht überwiegend bei Verbrennungsprozessen mit hohen Temperaturen und Luftüberschuss, z.B. in Dieselfahrzeugen, in Kraftwerken sowie beim Verbrennen von Holz. Die wichtigste Quelle erhöhter NO2-Konzentrationen in Berlin ist der Kraftfahrzeugverkehr. Er verursacht circa drei Viertel der an Hauptverkehrsstraßen gemessenen NO2-Belastung. Etwa die Hälfte des verkehrsbedingten NO2 an Straßen stammt aus Diesel-Pkw.

Feinstaub ist ein Gemisch verschiedenster fester und flüssiger Partikel, die über längere Zeit in der Atmosphäre schweben und über weite Strecken transportiert werden können. Diese Partikel können die Atemwege schädigen und erhöhen das Risiko für Herz-Kreislauferkrankungen. Die Partikel dringen je nach Größe verschieden tief in den Körper ein. Je kleiner sie sind, umso gefährlicher sind sie für den Organismus. Partikel, deren (aerodynamischer) Durchmesser kleiner als 10 Mikrometer – ein hundertstel Millimeter – ist, werden als PM10 (PM für Particulate Matter) bezeichnet. PM10 kann beim Menschen in die Nasenhöhe, Rachen und obere Bronchien, PM2,5, deren Durchmesser kleiner als 2,5 Mikrometer beträgt, bis in die Bronchien und Lungenbläschen oder sogar bis in die Blutbahn gelangen. Sie können zu Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems und der Atemwege führen. Eine Erhöhung der Partikel-Konzentration mit einem Anstieg der Gesamtsterblichkeit verbunden.

Partikel entstehen z.B. bei der Verbrennung von Kraftstoffen in Fahrzeugmotoren oder von Kohle und Öl in Kraftwerken. Eine zunehmend wichtiger werdende Quelle sind holzbefeuerte Öfen in Wohnungen. Des Weiteren gelangen Partikel durch mechanische Prozesse, z.B. auf Baustellen, oder durch Staubaufwirbelung in die Atmosphäre. Etwa ein Drittel der Partikel in der Berliner Luft werden erst in der Atmosphäre aus Gasen wie Stickstoffoxiden, Schwefeldioxid oder Kohlenwasserstoffen gebildet. Die Partikelbelastung an Hauptverkehrsstraßen stammt zu etwa einem Viertel aus dem Kraftfahrzeugverkehr. Die wichtigste Quelle ist dabei der Abrieb von Reifen und Bremsen sowie die Aufwirbelung von Partikeln. Rußpartikel tragen nur etwa 5 % zur Partikelbelastung an Straßen bei. Da diese Partikel jedoch im Gegensatz zu Partikeln aus Abrieb und Aufwirbelung besonders klein sind, sind sie für den größten Teil der gesundheitsschädlichen Wirkung der verkehrsbedingten Partikel verantwortlich.

Grenzwerte für Luftschadstoffe sind europaweit mit der Europäischen Richtlinie 2008/50/EG über Luftqualität und saubere Luft festgelegt worden. In Berlin konnten die Grenzwerte für Partikel seit 2016 durchgehend eingehalten werden, seit 2020 wird auch der NO2-Grenzwert dank der in der zweiten Fortschreibung des Berliner Luftreinhalteplans getroffenen und umgesetzten Maßnahmen eingehalten. An wenigen Straßen besteht jedoch weiterhin die Gefahr einer NO2-Grenzwertüberschreitung. Der Berliner Senat hat die zweite Fortschreibung des Luftreinhalteplans im Juli 2019 beschlossen. Hier geht es zum Luftreinhalteplan.

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat ihre weltweit maßgeblichen Richtwerte für die Luftqualität im September 2021 aktualisiert – und dabei deutlich verschärft. Die Richtwerte beruhen auf tausenden von Wirkungsstudien weltweit. Die Festlegungen markieren neue, niedrigere Richtwerte für die Belastung mit Luftschadstoffen wie Stickstoffdioxid (NO2) oder Feinstaub (PM10 und PM2,5), bei deren Überschreitung ein deutliches Risiko für die Gesundheit besteht. Die geltenden EU-weiten Grenzwerte, die auch dem aktuellen Berliner Luftreinhalteplan zugrunde liegen, sind derzeit noch deutlich weniger streng.

Die WHO hat die Kurzzeitwirkung der Luftbelastung vornehmlich auf Tagesmittelwertbasis bewertet. Eine Überschreitung dieser Tagesmittel sollte auf maximal 3 bis 4 Tagen pro Jahr reduziert werden. Daraus abgeleitet können auch maximale Stundenmittelwerte angegeben werden, die nicht überschritten werden sollten. Denn erhöhte Stundenwerte führen zu erhöhten Tageswerten. Zudem hat die WHO Zwischenziele zur Erreichung der gesundheitsrelevanten Zielwerte eingeführt, die zu einer allmählichen Verbesserung der Luftqualität führen sollen.

Um die menschliche Gesundheit bestmöglich vor schädlichen Luftschadstoffbelastungen zu schützen, sollten die täglichen NO2-Mittel nicht höher als 25 µg/m³ betragen, als Zwischenziel werden hier 50 µg/m³ empfohlen. Das PM10-Tagesmittel sollte nicht höher als 45 µg/m³ sein und die PM2,5-Werte nicht höher als 15 µg/m³ im Tagesmittel mit einem Zwischenziel von 25 µg/m³. Das empfohlene Zwischenziel für PM10 liegt bei 50 µg/m³ im Tagesmittel, also unwesentlich niedriger als der empfohlene Zielwert.

Zum bestmöglichen Schutz der Bevölkerung sollten deshalb die empfohlenen Werte nicht überschritten werden.

Für die schnelle Beurteilung der Luftqualität wird die Belastung farblich angezeigt. Die Farbskala zeigt auf einen Blick die momentane Luftbelastung an und bewertet die Kurzzeitwirkung der Luftschadstoffe auf die menschliche Gesundheit. Hierzu werden die berechneten Konzentrationen einer von fünf Belastungsstufen zugeordnet und orientieren sich an den von der WHO vorgeschlagenen Richtwerten, wobei für die stündlichen Konzentrationen die gleichen Richtwerte angesetzt worden sind wie für die täglichen Konzentrationen. Erhöhte stündliche Konzentrationen führen auch zu erhöhten täglichen Konzentrationen.

NO2:

PM10:

PM2,5:

Genießen Sie Ihre Aktivitäten im Freien, gesundheitlich nachteilige Wirkungen sind nicht zu erwarten. Hier können Sie sich beim Gehen oder Radfahren gut erholen.

Kurzfristige nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit sind unwahrscheinlich. Allerdings können Effekte durch Luftschadstoffkombinationen und bei langfristiger Einwirkung des Einzelstoffes nicht ausgeschlossen werden. Zusätzliche Reize, z.B. ausgelöst durch Pollenflug, können die Wirkung der Luftschadstoffe verstärken, so dass Effekte bei empfindlichen Personengruppen (z.B. Asthmatikern) wahrscheinlicher werden.  Besonders empfindliche Personen sollten hier körperlich anstrengende Tätigkeiten vermeiden. Für das Gehen oder Radfahren ist diese Straße gerade weniger geeignet. Zu einer besseren Luftqualität können Sie beitragen, wenn Sie hier jetzt nicht mit dem Auto (mit Verbrennungsmotor) fahren und so weit wie möglich auf andere Verkehrsmittel umsteigen.

Negative gesundheitliche Auswirkungen können auftreten. Wer empfindlich ist oder vorgeschädigte Atemwege hat, sollte hier körperliche Anstrengungen reduzieren oder vermeiden. Diese Straße sollten Sie momentan als Fußgänger oder Radfahrer eher vermeiden.

Zu einer besseren Luftqualität können Sie beitragen, wenn Sie hier jetzt nicht mit dem Auto (mit Verbrennungsmotor) fahren und möglichst auf andere Verkehrsmittel umsteigen.

Statistisches Modell mit „big data“ und KI

Für die Berechnung der Luftbelastung an Hauptverkehrsstraßen sowie in lebensweltlich orientierten Räumen (LOR – „Kieze“) wird das statistische Modell „FAirQ“ verwendet, das von INWT Statistics GmbH entwickelt worden ist. Dies ist ein mathematisches Modell-System zur stadtweiten Überwachung und Vorhersage der Luftschadstoffbelastung in Echtzeit, das auf „big-data“- und „künstliche Intelligenz“-Ansätzen aufbaut. Die Berechnung der aktuellen und prognostizierten Luftqualität erfolgt in mehreren Schritten.

Stadtstruktur und Wetter beeinflussen Vorhersage

Wichtige Eingangsgrößen sind die zurückliegenden Luftqualitätsmessungen, die Wettervorhersagen, die großräumigen Luftschadstoffvorhersagen, sowie Verkehrsdaten und Informationen über die Stadtstruktur, also die Aufteilung in Straßenraum, Wohnviertel, Grünflächen und daraus abgeleiteten Emissionsverteilungen. Anhand von langen Messreihen „lernt“ das Modell Zusammenhänge zwischen den einzelnen Eingangsvariablen und unterteilt diese Zusammenhänge in so genannte „Entscheidungsbäume“. Diese können für die Zielvariable – also die Luftschadstoffbelastung durch NO2, PM10 und PM2,5 – sehr unterschiedlich ausfallen. So ist beispielsweise die NO2-Belastung weit stärker durch den Verkehr geprägt als die Partikel-Belastung, die durch überregionale Einflüsse stärker beeinflusst wird. Auch der Einfluss des Wetters ist für Partikel weit wichtiger als für NO2. Aus diesen Zusammenhängen wird dann anhand der Vorhersagen für das Wetter, für den Verkehr und für die großräumige Luftschadstoffbelastung die aktuelle und zukünftige Luftschadstoffbelastung an Berliner Hauptverkehrsstraßen und in so genannten Kiezen berechnet und dargestellt.

Aktualisierung zwei Mal täglich

Die Berliner Vorhersage wird auf einem regelmäßigen Gitter von 50x50 m² durchgeführt und zweimal am Tag erneuert. Ausgehend von diesen Gitterwerten werden dann die Vorhersagen für einzelne Straßenabschnitte zusammengezählt und die stündlichen Vorhersagen für diesen Straßenzug für die nächsten vier Tage als Stundenwerte erzeugt. Zudem werden die stündlichen Gittervorhersagen für die Berliner „Kieze“ (LOR) gemittelt und auf Tageswerte aggregiert. Somit steht auch eine Vorhersage für den aktuellen Tag und für die nächsten vier Tage zur Verfügung.

Stundengenaue Vorhersagen an Hauptstraßen

An Hauptverkehrsstraßen halten sich die allermeisten Menschen nur wenige Stunden durchgängig auf. Deshalb werden hier stundengenaue Vorhersagen gemacht. In Wohnvierteln und so genannten Kiezen hingegen, die zwar auch von den Straßenemissionen belastet sind, aber auch von vielen anderen Quellen beeinflusst werden, werden Tagesmittelwerte vorhergesagt. Denn gerade diese sind nachweislich für Krankheitslasten maßgeblich.

Die Grenzen des Modells

Ein Modell ist immer nur eine Annäherung an die Realität, wie sie mit Messgeräten bestimmt wird. Es können daher Über- oder Unterschätzungen der tatsächlichen Luftqualität auftreten. Die Modellwerte wurden mit Messergebnissen verglichen, die Abweichungen liegen im Rahmen hoher Qualitätsanforderungen. Gerade aber an der Stadtautobahn ergeben sich rechnerisch sehr hohe Luftschadstoffbelastungen, die durch die Verdünnung in der Atmosphere an angrenzenden Wohnbebauungen bereits wesentlich niedriger sind. So nimmt beispielsweise die Stickstoffdioxid-Belastung (NO2) schon innerhalb von ca. 100 Metern von der Emissionsquelle sehr stark ab.

Die Vorhersagen können direkt mit den Messdaten verglichen werden und bilden eine gute Grundlage, die Qualität des Modells zeitnah zu überprüfen.

Luftgütemessdaten: Die Luftqualität in Berlin wird an 17 Stationen des Berliner Luftgütemessnetzes (BLUME) durch kontinuierliche Messungen von Stickstoffdioxid, Feinstaub PM10 und PM2,5 und weiteren Stoffen überwacht. Sieben der Stationen stehen an stark befahrenen Straßen, fünf im innerstädtischen Hintergrund (Wohn- und Gewerbegebieten) und fünf im Stadtrand- und Waldbereich.

Verkehrsdaten: Um die aktuelle Verkehrssituation auf den Hauptverkehrsstraßen bewerten zu können, werden die Daten der über 200 kontinuierlich messenden Verkehrsdetektoren ausgewertet. Aus diesen Daten lassen sich die Verkehrsstärken an den Messorten punktgenau bestimmen und über statistische Umlagefunktionen auf das gesamte Hauptstraßennetz kartieren. Hierfür wird u.a. die offizielle Verkehrsmengenkarte verwendet, sowie Stadtstrukturdaten. Ein wichtiger Parameter zur Vorhersage der Verkehrsmengen ist der Tagesverlauf: so sind am Wochenende und nachts weit weniger Fahrzeuge auf den Straßen als im Berufsverkehr. Räumliche und zeitliche Veränderungen werden über die Verkehrsdetektordaten berücksichtig. Auch das Wetter hat einen Einfluss auf die Verkehrsmengen, die über die Wetterdaten in die Verkehrsstärkenberechnung eingehen.

Wettervorhersagen: Es werden die Wettervorhersagen des Deutschen Wetterdienstes genutzt. Um das Luftschadstoffmodell „anzulernen“, wurden zurückliegenden Daten der DWD-Vorhersagen übernommen, um die Zusammenhänge zwischen den Luftschadstoffbelastungen und den Wetterdaten zu beschreiben. Genutzt wurden Wind, Temperatur, Niederschlag und die Wolkenbedeckung sowie die Sonnenscheindauer.

Das Berliner Luftschadstoffmodell nutzt zudem die großräumige Luftschadstoffvorhersage, die im Rahmen des COPERNICUS-Konsortiums (CAMS) zur Verfügung gestellt werden.

Wichtig für die Beschreibung der räumlichen Luftschadstoffsituation in Berlin sind die Stadtstrukturdaten. Die genaue Kenntnis, welche Räume auf Berliner Boden wie genutzt werden, ist für die Stadt- und Landschaftsplanung von großen Wichtigkeit. Die Daten werden deshalb kontinuierlich überarbeitet und bauen auf dem Liegenschaftskataster des Landes Berlin auf. Die Karten der realen Nutzung der bebauten Flächen, der Straßenräume und des Grün- und Freiflächenbestandes ergänzen sich zu einer flächendeckenden Darstellung der realen Flächennutzung Berlins. Darauf aufbauend wiederum wurde das Berliner Emissionskataster erstellt, das neben den Stadtstrukturdaten in die Vorhersage der Luftschadstoffbelastung Berlins eingeflossen ist. Anhand dieser Informationen lässt sich die räumliche Verteilung der Luftschadstoffbelastung sehr gut abbilden.