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Mit jedem Atemzug

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Wir atmen von dem Moment unserer Geburt, bis zu dem Moment, in dem wir sterben. Es ist ein lebensnotwendiges und stetes Bedürfnis, nicht nur für uns, sondern für alles Leben auf der Erde. Schlechte Luftqualität betrifft uns alle: sie schädigt unsere Gesundheit und die Gesundheit der Natur, was zu wirtschaftlichen Einbußen führt. Aber woraus besteht die Luft, die wir atmen und woher kommen die unterschiedlichen Schadstoffe in der Luft?
ImaginAIR: SCHLECHTE LUFT

ImaginAIR: SCHLECHTE LUFT  Image © Stella Carbone

Ich finde es besorgniserregend, wie die Herrlichkeit der Umwelt aufgrund der Umweltverschmutzung, insbesondere der Luftverschmutzung, dahinschwindet.

Stephen Mynhardt, Irland (ImaginAIR)

Die Atmosphäre ist die gasförmige Masse, die unseren Planeten umgibt und in Schichten mit unterschiedlichen Gasdichten eingeteilt ist. Die dünnste und niedrigste (bodennahe) Schicht ist die Troposphäre. Hier leben Pflanzen und Tiere und hier tritt das Wettergeschehen auf. An den Polen umfasst sie etwa 7 Kilometer und am Äquator 17 Kilometer Höhe.

Wie auch der Rest der Atmosphäre ist die Troposphäre dynamisch. Je nach Höhe hat die Luft eine unterschiedliche Dichte und chemische Zusammensetzung. Die Luft bewegt sich beständig über die gesamte Erde und überquert dabei Ozeane sowie ausgedehnte Landschaften. Winde können kleine Organismen wie Bakterien, Viren, Samen und invasive Arten an neue Orte tragen.

Was wir Luft nennen, besteht aus ...

Trockene Luft besteht zu etwa 78 % aus Stickstoff, zu 21 % aus Sauerstoff und zu 1 % aus Argon. Es befindet sich ebenfalls Wasserdampf in der Luft, der zwischen 0,1 % und 4 % der Troposphäre ausmacht. Wärmere Luft enthält normalerweise mehr Wasserdampf als kühlere Luft.

Die Luft enthält auch sehr geringe Mengen an anderen Gasen, so genannte Spurengase, wie z. B. Kohlendioxid und Methan. Die Konzentrationen dieser in geringen Mengen vorkommenden Gase in der Atmosphäre werden üblicherweise in Teilchen pro Million (parts per million - ppm) gemessen. 2011 zum Beispiel wurde die Konzentration von Kohlendioxid, einem der bekanntesten und am meisten vorhandenen Spurengase in der Atmosphäre, auf etwa 391 ppm oder 0,0391 % geschätzt (EUA-Indikatoren zu atmosphärischen Konzentrationen).

Zudem setzen natürliche und vom Menschen verursachte Quellen Tausende anderer Gase und Partikel (einschließlich Ruß und Metalle) in die Atmosphäre frei.

Die Zusammensetzung der Luft in der Troposphäre ändert sich ständig. Einige Substanzen in der Luft sind hochreaktiv, das heißt, sie schließen sich eher mit anderen Substanzen zusammen, um neue Verbindungen zu bilden. Bei der Verbindung bestimmter Substanzen können „sekundäre“ Schadstoffe entstehen, die unsere Gesundheit und Umwelt schädigen. Hitze – einschließlich die der Sonne – ist üblicherweise ein Katalysator, der die chemischen Reaktionsprozesse ermöglicht oder auslöst.

ImaginAIR: Ever closing

(c) Stephen Mynhardt, ImaginAIR/EEA

Was wir Luftverschmutzung nennen

Nicht alle Substanzen in der Luft werden als Schadstoffe betrachtet. Im Allgemeinen wird Luftverschmutzung folgendermaßen definiert: das Vorkommen gewisser Schadstoffe in der Atmosphäre in Konzentrationen, die negative Auswirkungen auf die Gesundheit des Menschen, die Umwelt und unser kulturelles Erbe (Gebäude, Denkmäler und Materialien) haben. In den Rechtsvorschriften wird nur die vom Menschen verursachte Verschmutzung berücksichtigt, obwohl sie in anderen Zusammenhängen breiter definiert werden kann.

Nicht alle Schadstoffe in der Luft kommen aus von Menschen geschaffenen Quellen. Viele natürliche Phänomene wie Vulkanausbrüche, Waldbrände und Sandstürme setzen Luftschadstoffe in die Atmosphäre frei. Staubpartikel können sich, abhängig von Luftströmungen und Wolken, sehr weit verteilen. Unabhängig davon, ob sie vom Menschen verursacht oder natürlich sind, können diese Substanzen, sobald sie in die Atmosphäre gelangen, chemisch miteinander reagieren und zur Luftverschmutzung beitragen. Ein klarer Himmel und gute Sicht sind nicht unbedingt ein Zeichen für saubere Luft.

Trotz erheblicher Verbesserungen in den letzten Jahrzehnten schädigt die Luftverschmutzung in Europa noch immer unsere Gesundheit und die Natur. Vor allem die Verschmutzung durch Feinstaub und Ozon stellt für die europäischen Bürger ernstzunehmende Gesundheitsrisiken dar, hat Auswirkungen auf die Lebensqualität und verringert die Lebenserwartung. Jedoch haben unterschiedliche Schadstoffe unterschiedliche Ursachen und Auswirkungen. Es lohnt sich, die wichtigsten Schadstoffe genauer zu betrachten.

Wenn winzige Partikel in der Luft schweben

Feinstaub (PM) ist der Luftschadstoff, der die Gesundheit der Menschen in Europa am stärksten beeinträchtigt. Stellen Sie sich Feinstaub als Partikel vor, die so leicht sind, dass sie in der Luft schweben können. Manche dieser Partikel sind so klein (ein Dreißigstel bis ein Fünftel des Durchmessers eines menschlichen Haars), dass sie nicht nur tief in unsere Lungen eindringen, sondern genauso wie Sauerstoff auch in unseren Blutkreislauf gelangen.

Manche Partikel werden direkt in die Atmosphäre abgegeben. Andere entstehen als Ergebnis chemischer Reaktionen, bei denen Vorstufengase wie Schwefeldioxid, Stickstoffoxid, Ammoniak und flüchtige organische Verbindungen beteiligt sind.

Diese Partikel können aus unterschiedlichen chemischen Komponenten bestehen und ihr Einfluss auf unsere Gesundheit und die Natur hängt von ihrer Zusammensetzung ab. Einige Schwermetalle und Halbmetalle wie Arsen, Kadmium, Quecksilber und Nickel können ebenfalls im Feinstaub gefunden werden.

Eine kürzlich durchgeführte Studie der Weltgesundheitsorganisation (WHO = World Health Organization) zeigt, dass die Feinstaubbelastung (PM2,5 d. h. Feinstaub, der nicht größer als 2,5 Mikrometer im Durchmesser ist) ein größeres Gesundheitsrisiko darstellen könnte, als bisher angenommen. Laut dem Bericht der WHO über die Daten zu den gesundheitlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung („Review of evidence on health aspects of air pollution“) kann Langzeitbelastung durch Feinstaub Arteriosklerose, unerwünschte Geburtsausgänge und Atemwegserkrankungen bei Kindern auslösen. Die Studie legt ebenfalls eine mögliche Verknüpfung zwischen der Entwicklung des Nervensystems, kognitiven Fähigkeiten und Diabetes nahe, und bestärkt den ursächlichen Zusammenhang zwischen PM2,5 und Todesfällen auf Grund von Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen.

Abhängig von der chemischen Zusammensetzung können Partikel auch das weltweite Klima beeinflussen, indem sie den Planeten entweder aufheizen oder abkühlen. So entsteht zum Beispiel der sogenannte schwarze Kohlenstoff (Ruß)  - der zumeist als Feinstaubpartikel auftritt (kleiner als 2,5 Mikrometer im Durchmesser) - durch die unvollständige Verbrennung von Brennstoffen — sowohl von fossilen Brennstoffen als auch durch das Verbrennen von Holz. In städtischen Gebieten werden die Emissionen schwarzen Kohlenstoffs größtenteils durch den Straßenverkehr verursacht, vor allem durch Dieselmotoren. Neben seinen Auswirkungen auf die Gesundheit trägt schwarzer Kohlenstoff in Feinstaub zum Klimawandel bei, indem er die Wärme der Sonne absorbiert und die Atmosphäre erwärmt.

ImaginAIR: Price of comfort

(c) Andrzej Bochenski, ImaginAIR/EEA

Ozon: wenn sich drei Sauerstoffatome verbinden

Ozon ist eine spezielle und hochreaktive Form des Sauerstoffs, die aus drei Sauerstoffatomen besteht. In der Stratosphäre — eine der oberen Schichten der Atmosphäre — schützt uns das Ozon vor der gefährlichen UV-Strahlung der Sonne. In der niedrigsten Schicht der Atmosphäre — der Troposphäre — ist das Ozon jedoch ein wichtiger Schadstoff, der die allgemeine Gesundheit und die Natur beeinträchtigt.

Bodennahes Ozon bildet sich durch komplexe chemische Reaktionen zwischen Vorstufengasen wie Stickstoffoxiden und flüchtigen, methanfreien Kohlenwasserstoffverbindungen. Methan und Kohlenmonoxid spielen ebenfalls eine Rolle bei der Bildung von Ozon.

Ozon ist stark und aggressiv. Hohe Ozonkonzentrationen greifen Materialien, Gebäude und lebendes Gewebe an. Ozon vermindert die Fotosyntheseleistung bei Pflanzen und behindert die Kohlendioxidaufnahme. Außerdem beeinträchtigt es die Vermehrung und das Wachstum der Pflanzen, was sich in geringeren Ernteerträgen und vermindertem Waldwachstum bemerkbar macht. Im menschlichen Körper verursacht es Entzündungen in den Lungen und Bronchien.

Wenn unser Körper Ozon ausgesetzt wird, versucht er, dessen Aufnahme in die Lungen zu verhindern. Dieser Reflex verringert die Sauerstoffaufnahme über die Atemluft. Eine verminderte Sauerstoffaufnahme führt zu einer erhöhten Herzaktivität. Für Menschen, die bereits unter Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Atemwegserkrankungen wie Asthma leiden, können höhere Ozonwerte schwächend und sogar tödlich sein.

Was ist noch in der Mischung enthalten?

Ozon und Feinstaub sind nicht die einzigen besorgniserregenden Luftschadstoffe in Europa. Unsere Autos, LKWs, Stromkraftwerke und andere industrielle Anlagen benötigen Energie. Beinahe jedes Auto und jede Anlage verwendet einen Brennstoff und verbrennt ihn, um Energie zu erhalten.

Die Brennstoffverbrennung verändert gewöhnlich die Form vieler Substanzen, wie auch Stickstoff — das am häufigsten vorkommende Gas in unserer Atmosphäre. Wenn Stickstoff mit Sauerstoff reagiert, bilden sich Stickstoffoxide in der Luft (einschließlich Stickstoffdioxid NO2). Wenn Stickstoff mit Wasserstoffatomen reagiert, bildet sich Ammoniak (NH3), ein weiterer Luftschadstoff mit schwerwiegenden negativen Auswirkungen auf die Gesundheit des Menschen und die Natur.

Tatsächlich setzen Verbrennungsvorgänge eine Vielzahl an Luftschadstoffen frei, von Schwefeldioxid und Benzol bis hin zu Kohlenmonoxid und Schwermetallen. Manche dieser Schadstoffe haben kurzfristige Auswirkungen auf die Gesundheit des Menschen. Andere Schadstoffe wie einige Schwermetalle und persistente organische Schadstoffe sammeln sich in der Umwelt an. Somit gelangen sie in unsere Nahrungskette und landen letztlich auf unseren Tellern.

Andere Schadstoffe wie Benzol können im Falle einer langfristigen Belastung das Erbmaterial der Zellen schädigen und Krebs verursachen. Da Benzol als Benzinzusatz verwendet wird, kommen etwa 80 % des in Europa in die Atmosphäre freigesetzten Benzols von der Kraftstoffverbrennung in Autos.

Ein weiterer bekannter und krebsverursachender Schadstoff ist Benzo(a)pyren (BaP), das hauptsächlich durch das Verbrennen von Holz oder Kohle in häuslichen Öfen freigesetzt wird. Autoabgase, besonders aus Dieselfahrzeugen, sind eine weitere BaP-Quelle. BaP kann nicht nur Krebs verursachen, sondern es reizt auch die Augen, die Nase, den Hals und die Bronchien. BaP wird üblicherweise in Feinstaubpartikeln gefunden.

Auswirkungen der Luftverschmutzung auf die Gesundheit

Die gesundheitlichen Auswirkungen beurteilen

Obwohl Luftverschmutzung alle betrifft, betrifft sie doch nicht jeden gleichermaßen und auf die gleiche Art und Weise. Auf Grund der höheren Bevölkerungsdichte sind in städtischen Gebieten mehr Menschen der Luftverschmutzung ausgesetzt. Manche Personengruppen sind anfälliger, dazu gehören jene, die unter Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen leiden, Menschen mit empfindlichen Atemwegen und Atemwegsallergien, ältere Menschen und Kinder.

„Die Luftverschmutzung betrifft die Menschen in den mehr oder minder weit entwickelten Ländern gleichermaßen“, sagt Marie-Eve Héroux vom europäischen Regionalbüro der Weltgesundheitsorganisation. „Selbst in Europa ist noch immer ein großer Teil der Bevölkerung Konzentrationen ausgesetzt, die unsere Empfehlungen für die Richtlinien zur Luftqualität übersteigen.“

Es ist nicht einfach, den durch die Luftverschmutzung verursachten Schadensumfang an unserer Gesundheit und der Natur vollständig abzuschätzen. Es gibt jedoch viele Studien, die auf verschiedenen Sektoren oder Verschmutzungsquellen basieren.

Dem Aphekom-Projekt zufolge, das von der Europäischen Kommission mitfinanziert wurde, führt die Luftverschmutzung in Europa zu einer Verringerung der Lebenserwartung jedes Menschen um etwa 8,6 Monate.

Einige Wirtschaftsmodelle können verwendet werden, um die Kosten der Luftverschmutzung zu schätzen. Diese Modelle enthalten üblicherweise die durch die Luftverschmutzung verursachten Krankenkosten (Verlust an Produktivität, zusätzliche medizinische Kosten, usw.) sowie die Kosten, die durch geringere Ernteerträge und Schäden an bestimmten Materialien verursacht werden. Solche Modelle beziehen jedoch nicht alle Kosten für die Gesellschaft mit ein, die sich auf die Luftverschmutzung zurückführen lassen.

Aber trotz ihrer Einschränkungen geben uns diese Kostenschätzungen eine Vorstellung vom Ausmaß des Schadens. Fast 10.000 Industrieanlagen in Europa melden dem Europäischen Schadstoffemissionsregister (EPER) die Menge an verschiedenen Schadstoffen, die sie in die Atmosphäre ausstoßen. Basierend auf diesen öffentlich zugänglichen Daten hat die EUA berechnet, dass die Luftverschmutzung der 10.000 Anlagen mit dem höchsten Schadstoffausstoß in Europa die Europäer im Jahr 2009 zwischen 102 und 169 Milliarden Euro gekostet haben muss. Dabei ist wichtig zu erwähnen, dass nur 191 Anlagen für die Hälfte der gesamten Schadenskosten verantwortlich gemacht wurden.

Es gibt auch Studien, die die möglichen Vorteile schätzen, die durch eine verbesserte Luftqualität erzielt werden könnten. Zum Beispiel sagt die Aphekom-Studie voraus, dass sich eine Verringerung der jährlichen Durchschnittswerte von PM2,5 auf die Werte der Richtlinien der Weltgesundheitsorganisation deutlich in einer höheren Lebenserwartung widerspiegeln würde. Es wird davon ausgegangen, dass allein das Erreichen dieses Ziels zu einer durchschnittlichen Zunahme von 22 Monaten pro Person in Bukarest, 19 Monaten in Budapest, 2 Monaten in Malaga und etwas weniger als einem halben Monat in Dublin führen würde.

Die Auswirkungen von Stickstoff auf die Natur

Nicht nur die Gesundheit des Menschen wird durch die Luftverschmutzung beeinträchtigt. Unterschiedliche Luftschadstoffe haben unterschiedliche Auswirkungen auf viele Ökosysteme. Überschüssiger Stickstoff stellt dabei jedoch ein besonderes Risiko dar.

Stickstoff ist einer der Hauptnährstoffe in der Umwelt, den Pflanzen für ein gesundes Wachstum und ihr Überleben benötigen. Er ist wasserlöslich und wird von den Pflanzen durch ihr Wurzelsystem aufgenommen. Da Pflanzen große Mengen Stickstoff verbrauchen und diesen aus dem Boden entnehmen, verwenden Bauern und Gärtner gewöhnlich Dünger, um den Boden mit Nährstoffen wie Stickstoff anzureichern und somit die Produktion zu erhöhen.

Der Stickstoff in der Luft hat einen ähnlichen Effekt. Wenn er sich in Gewässern oder im Boden ablagert, kann zusätzlicher Stickstoff für manche Arten in Ökosystemen mit geringen Nährstoffvorkommen, wie den sogenannten „empfindlichen Ökosystemen“ mit ihrer einzigartigen Flora und Fauna, vorteilhaft sein. Überschüssiger Stickstoff kann in diesen Ökosystemen das Gleichgewicht der Arten völlig verändern und zum Verlust der Artenvielfalt in den betroffenen Gebieten führen. In den Ökosystemen der Binnen- und Küstengewässer kann es auch zu einem vermehrten Algenwachstum beitragen.

Die Reaktion der Ökosysteme auf eine überschüssige Stickstoffablagerung nennt man Eutrophierung. In den letzten zwanzig Jahren sind die empfindlichen Ökosystemgebiete in der EU, die von der Eutrophierung betroffen sind, nur leicht zurückgegangen. Heute schätzt man, dass beinahe die Hälfte der als empfindliche Ökosysteme bezeichneten Gebiete von der Eutrophierung bedroht ist.

Stickstoffverbindungen tragen auch zur Versauerung von Süßwasser und Waldböden bei und beeinträchtigen so die von diesen Ökosystemen abhängigen Arten. Ähnlich den Auswirkungen der Eutrophierung können die neuen Lebensbedingungen für manche Arten vorteilhaft und für andere von Nachteil sein.

Die Gebiete mit empfindlichen Ökosystemen, die von der Versauerung betroffen sind, konnten von der EU stark reduziert werden. Dies geht hauptsächlich auf die starke Reduzierung von Schwefeldioxid-Emissionen zurück. Nur noch wenige besonders stark belastete Gebiete in der EU, vor allem in den Niederlanden und in Deutschland, haben Probleme mit der Versauerung.

ImaginAIR: Forests in the Czech Republic still affected by air pollution

(c) Leona Matoušková, ImaginAIR/EEA

"Das im Norden der Tschechischen Republik gelegene Landschaftsschutzgebiet Isergebirge gehört zu der Region, die in der Vergangenheit aufgrund der starken Luftverschmutzung als das ‚Schwarze Dreieck‘ verrufen war.“ Leona Matoušková, Tschechische Republik

Verschmutzung ohne Grenzen

Obwohl manche Gebiete und Länder ihre Auswirkungen auf die allgemeine Gesundheit und die Natur deutlicher zu spüren bekommen als andere, ist die Luftverschmutzung ein globales Problem.

Durch globale Winde können die Luftschadstoffe um die ganze Welt getragen werden. Ein Teil der in Europa gefundenen Luftschadstoffe und deren Vorstufen werden in Asien oder Nordamerika ausgestoßen. Gleichermaßen wird ein Teil der Schadstoffe, die in Europa in die Luft freigesetzt werden, in andere Regionen und Kontinente transportiert.

Das Gleiche gilt auch im kleineren Maßstab. Die Luftqualität in städtischen Gebieten wird im Allgemeinen von der Luftqualität in den umliegenden ländlichen Gebieten beeinflusst und umgekehrt.

„Wir atmen die ganze Zeit und sind der Luftverschmutzung ausgesetzt — egal ob in geschlossenen Räumen oder im Freien“, sagt Erik Lebret vom Staatlichen Institut für Gesundheitswesen und Umwelt (RIVM = National Institute for Public Health and the Environment) in den Niederlanden. „Egal, wo wir hingehen, wir atmen Luft, die mit einer Vielzahl an Schadstoffen in einer Konzentration belastet ist, bei der zum Teil mit negativen Auswirkungen auf die Gesundheit gerechnet werden kann. Leider gibt es keinen Ort, an dem wir ausschließlich saubere Luft atmen können.“

Weitere Informationen

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