Abteilung Verfahrenstechnik. Bereich "Luftgetragene Partikel / Luftreinhaltung"

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1 Abteilung Verfahrenstechnik Bereich "Luftgetragene Partikel / Luftreinhaltung" Astrid John, Thomas Kuhlbusch Institut für Energie- und Umwelttechnik (IUTA e.v.) Bliersheimer Str. 6, Duisburg Tel. 265/ johnas@iuta.de IUTA-Bericht Nr. LP 9/24 - Abschlussbericht "Ursachenanalyse von Feinstaub(PM 1)-Immissionen in Berlin auf der Basis von Messungen der Staubinhaltsstoffe am Stadtrand, in der Innenstadt und in einer Straßenschlucht" Im Auftrag von Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Brückenstraße Berlin Datum:

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Messstationen, eingesetzte Geräte und chemische Analytik Standortbeschreibung der Stationen Meteorologische Stationen eingesetzte Geräte Massenkonzentrationsbestimmung und Chemische Analytik Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle Messergebnisse Spurengas-Messwerte aus dem BLUME-Messnetz PM 1-Messwerte aus dem BLUME-Messnetz Zeitreihen und Korrelationen der PM 1-Massenkonzentrationen Chemische Zusammensetzung Datenauswertungen Windrichtungsabhängigkeiten der PM 1-Massenkonzentrationen und chemischen Inhaltsstoffe Vergleich der 3h- und 24h-Wind- und PM 1-Daten (MC 42) Vergleich der Konzentrations-Windrosen der PM 1-Inhaltsstoffe (MC 42) Vergleich der Konzentrationswindrosen zwischen den Messstationen Ähnlichkeitsanalysen nach Wongphatarakul et al. (1998) Massenverhältnisse und Massendifferenzen der Inhaltsstoffe der Standorte zur Innenstadt-Station MC Quellenzuordnung nach dem Ansatz Lenschow et al. (21) Zuordnung zu Quellregionen Chemische Zusammensetzung für die Quellregionen Emissionskataster Ergebnisse der Quellenzuordnung Einfluss weiterer Immissionssituationen auf die Quellenzuordnung Zusammenfassung der Ergebnisse zur Quellenzuordnung Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung von der PM1- Massenkonzentration Zusammenhang zwischen Rückwärtstrajektorien und PM 1- Massenkonzentrationen Episodenanalysen für Tage mit Überschreitungen des Grenzwertes...68 i

3 4.7.1 Episodentypen Wochengang der Tagesgrenzwertüberschreitungen Vergleich der Ergebnisse mit Ergebnissen von anderen Standorten und vorherigen Studien Vergleich der PM 1-Massenkonzentrationen Vergleich der PM 1-Inhaltsstoffkonzentrationen Vergleich mit anderen Studien zur Quellenzuordnung Massenkonzentrationsabhängige chemische Zusammensetzung und Episodentypen Abschätzung des Beitrages von Erdkrustenmaterial und Seesalz Zusammenfassung Literatur Anhang...9 ii

4 Abkürzungsverzeichnis der Messstationen MC 42: Messstation Nansenstrasse (städtischer Hintergrund) MC 174: Messstation Frankfurter Allee (verkehrsnah) MC 27: Messstation Stadtrand 1 MC 77: Messstation Stadtrand 2 FT: Frohnauer Turm (Hintergrund) BS: Beusselstrasse (verkehrsnah) PA: Paulinenaue (regionaler Hintergrund) HH: Hasenholz (regionaler Hintergrund) NG: Neuglobsow (Hintergrund) WH: Waldhof (Hintergrund) iii

5 1 Einleitung In der 1. Tochterrichtlinie (99/3/EG) zur Rahmenrichtlinie Luftqualität (96/69/EG) sind im Juli 1999 neue, verschärfte Grenzwerte unter anderem für Feinstaub (PM 1) eingeführt und mit der 22. BImSchV (11/9/22) in deutsches Recht umgesetzt worden. Da diese PM 1-Grenzwerte in vielen Bereichen des Stadtgebietes von Berlin, vor allem straßennah, deutlich überschritten werden, besteht für das Land Berlin nach Art. 7 und 8 der Rahmenrichtlinie die Verpflichtung, Maßnahmen zu ergreifen, damit die Feinstaubemissionen so reduziert werden, dass die Grenzwerte in 25 überall in der Stadt eingehalten werden. Neben der nach Art. 6 verlangten Messung und Beurteilung der PM 1-Belastung erfordern Art. 8 und 11 eine Aussage über die Ursachen von Grenzwertüberschreitungen. Anhang VI der Richtlinie verpflichtet im Rahmen der Entwicklung von Maßnahmenplänen zu einer Analyse des Ursprungs der Verschmutzung, inklusive der dafür verantwortlichen wichtigsten Emissionsquellen, sowie eine Schätzung der zu erwartenden Verbesserung der Luftqualität infolge von Emissionsminderungsmaßnahmen. Aus diesen rechtlichen Anforderungen ergab sich die Notwendigkeit, zu untersuchen - welche Verursacher welche Beiträge zur PM 1-Belastung liefern und - welchen Anteil lokale und überregionale Quellen an dieser Belastung haben. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden Messungen der Belastung durch Feinstaub (PM 1) und dessen Inhaltsstoffe durchgeführt - an einer Verkehrsmessstelle, zur Quantifizierung des Anteils des Straßenverkehrs - im urbanen Hintergrund, zur Quantifizierung des übrigen Anteils der Stadt - am Stadtrand (2 Messpunkte), zur Quantifizierung des Anteils von Quellen außerhalb Berlins an der PM 1-Belastung in der Stadt. An den genannten Messstandorten wurden ein Jahr lang täglich PM 1-Proben gesammelt und chemisch analysiert. Zusätzlich zu den genannten umfangreichen Messungen konnten die Ergebnisse weiterer Messprogramme und Projekte, wie beispielsweise des vom BMBF geförderten HOVERT, in die hier durchgeführte Studie eingebunden werden. So wurden Daten teilweise über den gesamten Messzeitraum, teilweise nur über einen begrenzten Zeitraum von zwei weiteren Berliner Messstationen sowie von Stationen des Landesumweltamtes Brandenburg und des Umweltbundesamtes zur Bestimmung der regionalen Hintergrundbelastung in die Auswertung einbezogen. 1

6 2 Messstationen, eingesetzte Geräte und chemische Analytik 2.1 Standortbeschreibung der Stationen Während des Messprogramms wurden an einer Berliner Innenstadtstation, einer Verkehrsstation und zwei Stadtrandstationen ein Jahr lang täglich (15/9/1-15/9/2) Proben genommen. Im Laufe des Projektes kamen noch weitere Messstationen innerhalb und außerhalb Berlins hinzu, die in die Datenerhebung und -auswertung einbezogen wurden. In diesem Kapitel erfolgt eine kurze Charakterisierung dieser Standorte und eine Übersicht der dort jeweils eingesetzten Geräte. Messstation Innenstadt Lage: Nansenstr. 1, 1247 Berlin Bezeichnung: MC 42 Kategorie: innerstädtischer Hintergrund Messzeitraum: 15/9/1-15/9/2 Abbildung 2-1: Messstation Innenstadt MC42 Im Messcontainer der Station (siehe Abbildung 2-1) waren die automatischen Geräte zur kontinuierlichen Bestimmung der PM 1-Massenkonzentration (FH 62 IR) sowie der Spurengaskonzentrationen SO 2, NO x, CO und Ozon untergebracht. Ebenfalls im klimatisierten Messcontainer befand sich der manuelle High Volume Sampler (HVS, Digitel DHA 8) zur Bestimmung der PM 1-Massenkonzentration sowie der Inhaltsstoffe, OC, Ionen und teilweise Eisen. Weiterhin war die Station mit 3 Low Volume Samplern (LVS, Fa. Derenda) ausgerüstet, die auf dem Dach des Containers platziert waren und zur Bestimmung der PM 1-, PM 2.5- und PM 1-Massenkonzentrationen sowie der Inhaltsstoffe, OC, Ionen und Eisen dienten. Die Einlasshöhe betrug für alle Geräte 3,5 m über Grund. 2

7 Messstation Strassenschlucht Lage: Frankfurter Allee 86a, 1274 Berlin Bezeichnung: MC 174 Kategorie: verkehrsnah Messzeitraum: 15/9/1-15/9/2 Abbildung 2-2: Messstation Straßenschlucht MC174 Wie auch an der Station Nansenstrasse wurden an der ebenfalls in der Innenstadt Berlins gelegenen Verkehrsstation Frankfurter Allee (siehe Abbildung 2-2) die PM 1- Massenkonzentration (FH 62 IR) sowie die Spurengaskonzentrationen SO 2, NO x und CO kontinuierlich bestimmt. Als manuelle Filtriersammler wurden ein HVS (PM 1-Massen- und Inhaltsstoffkonzentrationen), untergebracht im Container, und 3 LVS (PM 1-, PM 2.5- und PM 1-Massen- und Inhaltsstoffkonzentrationen), platziert auf dem Dach des Containers, eingesetzt. Die Einlasshöhe war für alle Geräte 3,5 m über Grund. Messstation Stadtrand 1 Abbildung 2-3: Messstation Stadtrand MC27 3

8 Lage: Schichauweg 66, 1237 Berlin Bezeichnung: MC 27 Kategorie: Stadtrand Messzeitraum: 15/9/1-15/9/2 An der südlichen Stadtrandstation (Abbildung 2-3) befand sich ein Messcontainer mit den Geräten zur kontinuierlichen Bestimmung von PM 1, SO 2, NO x, CO und Ozon sowie der PM 1-Massen- und Inhaltsstoffkonzentrationen mit dem manuellen Filtriersammler HVS. Die Einlasshöhe betrug für alle Geräte 3,5 m über Grund. Die Bestimmung der PM1- Massenkonzentration wurde über den gesamten Messzeitraum durchgeführt, für die chemische Analytik erfolgte die Selektion der Luv-Station. Messstation Stadtrand 2 Lage: Wiltbergstr. 5, Berlin Bezeichnung: MC 77 Kategorie: Stadtrand Messzeitraum: 15/9/1-15/9/2 An der zweiten Stadtrandstation (Abbildung 2-4) im Norden von Berlin wurden PM 1, NO x und Ozon kontinuierlich bestimmt sowie PM 1-Massen- und Inhaltsstoffkonzentrationen mit dem manuellen Filtriersammler HVS. Die Geräte befanden sich alle im klimatisierten Container, Einlasshöhe war 3,5 m über Grund. Die Bestimmung der PM1- Massenkonzentration wurde wie an der Stadtrandstation 1 über den gesamten Messzeitraum durchgeführt, für die chemische Analytik erfolgte die Selektion der Luv-Station. Abbildung 2-4: Messstation Stadtrand MC77 4

9 Messstation "Frohnauer Turm" Lage: Jägersteig 1, Berlin Bezeichnung: FT Kategorie: Hintergrund Messzeitraum: 18/1/1-15/9/2 Die Turmmessstation im Norden Berlins war neben den Gasanalysatoren für SO 2, NO x und Ozon mit dem manuellen Filtriersammler HVS zur Bestimmung der PM 1-Massen- und Inhaltsstoffkonzentrationen ausgerüstet. Die Probenahme erfolgte in 324 m Höhe. Beginn der Messungen war am 18/1/1, kurz nach dem Start der Kampagne an den übrigen Berliner Stationen im September 21. Abbildung 2-5: Bodenstation zur Messstation "Frohnauer Turm" FT (kein Foto vorhanden) Messstation "Beusselstrasse" Lage: Beusselstrasse 66, 1553 Berlin Bezeichnung: BS Kategorie: verkehrsnah Messzeitraum: 1/7/2-1/11/2 Abbildung 2-6: Messstation "Beusselstrasse" BS und Messbus 5

10 Neben dem hier vorgestellten Projekt "Ursachenanalyse von Feinstaub(PM 1)-Immissionen in Berlin auf der Basis von Messungen der Staubinhaltsstoffe am Stadtrand, in der Innenstadt und in einer Straßenschlucht" wurden von Juli 22 bis November 22 PM 1-Messungen in der Beusselstrasse im Rahmen des Projektes "Analyse der Verursacher der PM 1- Konzentrationen in der Beusselstrasse" durchgeführt. Die Messungen in der Beusselstrasse dienten der Untersuchung der umweltseitigen Auswirkung verkehrslenkender Maßnahmen, die dort im Rahmen des EU-Projektes HEAVEN (Healthier Environment through Abatement of Vehicle Emissions and Noise) versuchsweise durchgeführt wurden. Zu diesem Projekt liegt ein eigener Bericht vor (John und Kuhlbusch, 24). Die dort erhaltenen Messergebnisse werden teilweise in diese Datenauswertung mit einbezogen. Bestimmt wurden online die PM 1-Massenkonzentration sowie die Spurengaskonzentrationen SO 2, NO x und CO und diskontinuierlich die PM 1-Massen- und Inhaltsstoffkonzentrationen mit dem manuellen Filtriersammler HVS (Geräte im klimatisierten Container, Einlasshöhe 3,5 m über Grund). Messstationen "Paulinenaue" und "Hasenholz" Lage: Paulinenaue, Brandenburg Hasenholz, Brandenburg Bezeichnung: PA bzw. HH Kategorie: regionaler Hintergrund Messzeitraum: 4/1/2-15/9/2 (PA) bzw. 8/2/2-15/9/2 (HH) Anfang 22 wurden auch die beiden Stationen "Paulinenaue" und "Hasenholz" des LUA Brandenburg in das Messprogramm mit einbezogen. Beide Standorte waren mit HVS-Geräten zur Bestimmung der PM 1-Massen- und Inhaltsstoffkonzentrationen ausgerüstet. PA HH Abbildung 2-7: Messstationen "Paulinenaue" PA und "Hasenholz" HH 6

11 Messstationen "Waldhof" und "Neuglobsow" Lage: Lüder-Langenbrügge ("Waldhof") Neuglobsow Bezeichnung: WH bzw. NG Kategorie: Hintergrund Messzeitraum: 15/9/1-15/9/2 (WH und NG) Zusätzlich zu den im Rahmen dieses Projektes erhobenen Daten standen auch Messwerte der beiden Stationen "Waldhof" und "Neuglobsow" des Umweltbundesamtes zur Verfügung. Abbildung 2-8 zeigt die Lage dieser Standorte. An diesen Standorten wurden online PM 1 und die Spurengase SO 2 und NO x sowie die meteorologischen Parameter Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur, relative Feuchte und Druck bestimmt. Weiterhin erfolgte die diskontinuierliche Probenahme von PM 1 mit den HVS-Geräten, in Waldhof wurde zusätzlich PM 2.5 gesammelt. Eine vergleichbare Inhaltsstoffanalytik wie für die vorher genannten Standorte wurde an den UBA-Stationen nicht durchgeführt. WH NG Abbildung 2-8: Messstationen "Waldhof" WH und "Neuglobsow" NG 2.2 Meteorologische Stationen Zur Erfassung der meteorologischen Situation während des Messzeitraums konnten die Daten von Messstationen des Deutschen Wetterdienstes genutzt werden. Zur Verfügung standen Temperatur, Luftdruck, relative Feuchte, Windrichtung und Windgeschwindigkeit. Für die Messstationen MC 42 (Nansenstrasse, städt. Hintergrund), MC 174 (Frankfurter Allee, Verkehr) und MC 27 (Stadtrand) wurden die Daten der Wetterstation Tempelhof 7

12 herangezogen. Für die Messstationen MC 77 (Stadtrand), FT (Frohnauer Turm) und BS (Beusselstrasse, Verkehr) wurden die Werte der Wetterstation Tegel verwendet. Für die Messstation PA (Paulinenaue, regionaler Hintergrund) stand die Wetterstation Neuruppin zur Verfügung, und für die Messungen in Hasenholz (HH, regionaler Hintergrund) wurde die Wetterstation Lindenberg genutzt. Für die UBA-Stationen Waldhof und Neuglobsow wurden die an diesen Stationen direkt aufgezeichneten Wetterdaten verwendet. 2.3 eingesetzte Geräte Neben den im Berliner Luftgütemessnetz routinemäßig eingesetzten automatischen Geräten zur Messung der Schwebstaub- und Spurengaskonzentrationen wurden speziell für das vorliegende Projekt manuelle Filtriersammler an den oben genannten Stationen verwendet. Die im Luftgütemessnetz eingesetzten FH 62 IR-Geräte ("ß-Staubmeter", Fa. Eberline) arbeiten mit einem Volumenstrom durch den PM 1-Vorabscheider von 1 m³/h. Die Masse der auf dem Filterband abgeschiedenen Partikel wird kontinuierlich nach dem Prinzip der Absorption von ß-Strahlung bestimmt. Bei den manuellen Filtriersammlern handelte es sich um Geräte, die mit einem hohen Volumenstrom (3 m³/h) betrieben werden (HVS DHA 8 = "high volume sampler", Fa. Digitel), sowie um Kleinfiltergeräte mit einem relativ niedrigen Volumenstrom von 2,3 m³/h (LVS 3 = "low volume sampler", Fa. Derenda). Alle Gerätetypen wurden jeweils mit einem einstufigen Impaktor als PM 1-Vorabscheider betrieben. Dieser Vorabscheider entfernt Partikel > 1 µm aerodynamischen Durchmessers (d p5 ) aus dem Aerosolstrom, so dass nur Partikel < 1 µm auf dem Filter(band) abgeschieden werden. Bei den ß-Staubmetern und den HVS wird das Aerosol nach dem Vorabscheider durch ein Rohr zum Filter(band) geleitet, während sich bei den LVS der Filterhalter direkt unter dem Impaktor befindet. 2.4 Massenkonzentrationsbestimmung und Chemische Analytik Die Probenahme für die Bestimmung der PM 1-Massenkonzentationen mit den manuellen Filtriersammlern (HVS) und die chemische Analytik wurden von der BTU Cottbus (Arbeitsgruppe Luftchemie), Berlin, und der TU Berlin (Unterauftrag OC/-Analytik) durchgeführt. Die Projektleitung lag bei Prof. Dr. D. Möller und Dr. W. Wieprecht sowie Dr. W. Frenzel. Bearbeiter waren Dr. H.-J. Prümke, Dr. R. Auel, Dr. K. Acker, J. Hofmeister, D. Kalaß und B. Zinvirt. Über die genaue Durchführung der Massen- und 8

13 Inhaltsstoffbestimmung liegt ein eigener Bericht vor (Möller et al., 22), daher wird die Vorgehensweise hier nur kurz zusammengefasst. Zur Bestimmung der PM 1-Massenkonzentration mit den manuellen Geräten wurden Quarzfaserfiter QF 2 (Schleicher & Schüll) eingesetzt. Die Filter wurden vor und nach der Probenahme unter definierten Bedingungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit (entsprechend EN 12341) konditioniert und gewogen. Die Massenänderung auf dem Filter dividiert durch das durchgesetzte Volumen ergibt dann die Massenkonzentration. Nach der Wägung wurde von den Filtern die chemische Analytik durchgeführt. Die Ergebnisse der nachfolgend erläuterten Analysenmethoden sind jeweils blindwertkorrigiert. Nachweisgrenze ist die dreifache Standardabweichung der Blindwerte. Konzentrationen unterhalb der Nachweisgrenze sind in den Datentabellen, die allen weiteren Auswertungen zugrunde liegen, entsprechend markiert. Um für die weiteren Auswertungen einen kompletten Datensatz zur Verfügung zu haben, wurde in diesen Fällen die halbe Nachweisgrenze als Wert eingesetzt. Kohlenstoff-Analytik Die Analysen der Teilfilter auf die verschiedenen Kohlenstofffraktionen erfolgten an der TU Berlin auf der Grundlage der VDI 2564 Blatt 2. Der organische Kohlenstoff OC setzt sich hierbei zusammen aus den Kohlenstofffraktionen OC I 1 als dem Kohlenstoff, der bei dem thermischen Verfahren bis 35 C in Helium abgedampft wird und OC II 2 als dem Kohlenstoff im Temperaturbereich von 35-6 C in Helium als Trägergas. Der Kohlenstoff wird bei diesem Verfahren nach der katalytischen Verbrennung als CO 2 mit einem nicht-dispersiven Infrarotspektrometer quantifiziert. Der Russ () wird in einem dritten Schritt bei 65 C in reinem Sauerstoff als Trägergas verbrannt und ebenfalls als CO 2 detektiert und quantifiziert. ersetzt Ionen-Analytik Die Analyse der Ionen Cl -, SO 2-4, NO - 3, NH + 4, Na +, K +, Mg 2+ und Ca 2+ erfolgte durch die BTU Cottbus. Dazu wurde ein Teilfilter mit deionisiertem Wasser versetzt und für 6 Minuten geschüttelt. Die erhaltene Lösung wurde durch einen,2 µm-porenfilter filtriert und anschließend ionenchromatographisch analysiert. 1 OC I wurde erst ab dem 6/5/2 mitbestimmt. Für die in der weiteren Auswertung benötigten, aber nicht bestimmten Werte wurde der Mittelwert des analysierten Zeitraumes eingesetzt. 2 Umrechnung von OC I und OC II auf OM I und OM II ("organic matter") mit dem Faktor 1,4, um die nicht analysierten Anteile an Wasserstoff, Sauerstoff etc. zu berücksichtigen 9

14 Eisen-Analytik Ein Teil der Proben wurde von der BTU Cottbus zusätzlich auf den Inhaltsstoff Eisen analysiert. Dazu wurde das verwendete Filterteil mit 2 mm Salpetersäure versetzt und für 6 Minuten geschüttelt. Anschließend wurden die filtrierten Proben mit ICP-MS analysiert. 2.5 Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle Abbildung 2-9 zeigt die Korrelationen zwischen den an den vier Stationen MC 42 (Innenstadt), MC 174 (Verkehr), MC 27 (Stadtrand 1) und MC 77 (Stadtrand 2) jeweils parallel mit dem ß-Staubmeter FH 62 IR und dem High Volume Sampler HVS gemessenen PM 1-Konzentrationen. Alle Datensätze wurden mit einem Ausreißertest (SPSS: Abweichungen größer 3 Standardabweichungen) untersucht. FH 62 IR [µg/m³] MC 42 Vergleich Ausreisser Messzeitraum 15/9/1-15/9/2 Anzahl Wertepaare: 331 FH 62 IR [µg/m³] MC 174 Vergleich Ausreisser Messzeitraum 15/9/1-15/9/2 Anzahl Wertepaare: y = 1,13x - 1,21 R 2 =, HVS [µg/m³] 2 y = 1,1x - 1,29 R 2 =, HVS [µg/m³] FH 62 IR [µg/m³] MC 27 Vergleich Ausreisser Messzeitraum 15/9/1-15/9/2 Anzahl Wertepaare: 326 FH 62 IR [µg/m³] MC 77 Vergleich Ausreisser Messzeitraum 15/9/1-15/9/2 Anzahl Wertepaare: y = 1,8x +,68 R 2 =, HVS [µg/m³] 2 y = 1,2x -,47 R 2 =, HVS [µg/m³] Abbildung 2-9: Korrelation zwischen PM 1 online- (FH62IR) und manuellen (HVS) Geräten an 4 Stationen Mit Korrelationskoeffizienten R² von,91 bis,94 (ohne Ausreißer) sind für alle 4 Stationen gute Korrelationen zwischen den eingesetzten Geräten gegeben. Die Steigungen der 1

15 Ausgleichsgeraden liegen zwischen 1,2 und 1,13, die Achsenabschnitte zwischen +,68 und -1,29. Die mit den HVS bestimmten PM 1-Konzentrationen liegen somit im Durchschnitt etwas niedriger als die Werte der ß-Staubmeter. Dies ist neben dem Kalenderjahrübergreifenden Messzeitraum zu berücksichtigen, wenn die in diesem Projekt mit den HVS gemessenen Konzentrationen mit denjenigen verglichen werden, die über das BLUME- Messnetz veröffentlicht sind. Die Maßnahmen, die zur Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle durchgeführt wurden, sind detailliert in einem eigenen Bericht zusammengefasst (John und Kuhlbusch, 24). Die Ergebnisse dieser Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Mit den beteiligten Instituten wurden Ringversuche zur chemischen Analytik durchgeführt. Jeweils zwei Ringversuche zur Bestimmung der kohlenstoffhaltigen Inhalts-stoffe (organischer Kohlenstoff OC I und OC II und elementarer Kohlenstoff ) sowie der ionischen Inhaltsstoffe (Chlorid, Nitrat, Sulfat, Ammonium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium) wurden organisiert. Im Rahmen der analytischen Genauigkeit wurden dabei gute (Ionenanalytik) und sehr gute (Kohlenstoffanalytik) Ergebnisse erzielt. Zur PM 1-Massenkonzentrations- und Inhaltsstoffbestimmung wurden High Volume Sampler (HVS) eingesetzt. Weiterhin konnten für 5 Berliner Stationen die Ergebnisse der automatischen FH 62 IR-Geräte des BLUME-Messnetzes für das Projekt verwendet werden. Zusätzlich standen für 2 der Messstationen PM 1-Massen- und Inhaltsstoffkonzentrationen von Kleinfiltergeräten (LVS) zur Verfügung. Die Vergleiche zwischen den jeweils parallel betriebenen Geräten zeigten mit Bestimmtheitsmaßen zwischen,91 und,94 an allen betrachteten Standorten gute Übereinstimmungen. Die arithmetischen Verhältnisse sowie auch die Steigungen der Regressionsgeraden ergaben für die PM 1-Konzentrationen, die mit den HVS bestimmt wurden, jeweils etwas niedrigere Werte als für diejenigen der LVS oder der FH 62 IR. Der Vergleich FH 62 IR/LVS zeigte Werte um 1 (Regression) bzw. etwas niedriger als 1 (arithmetisch). Bezüglich der FH 62 IR-Werte ist zu berücksichtigen, dass diese mit einem (konstanten) Korrekturfaktor versehen sind, um die Unterschiede zu den mit manuellen Verfahren bestimmten Ergebnissen zu kompensieren. Da diese Unterschiede insbesondere auf den Verlust semivolatiler Inhaltsstoffe zurückzuführen sind, sind die Differenzen abhängig von der Aerosolzusammensetzung. Diese Effekte können bei Verwendung eines konstanten Korrekturfaktors allerdings nicht berücksichtigt werden. 1,15 bis Ende 21, anschließend aufgrund von Software-Umstellungen angepasst auf 1,2 11

16 Der Vergleich der Inhaltsstoffkonzentrationen, die von den Filtern der HVS bzw. LVS bestimmt wurden, zeigt im allgemeinen gute Ergebnisse (Bestimmtheitsmaß R²,9; Steigung a 1), lediglich bei einigen Komponenten wie Calcium oder Eisen (R²,3) traten Probleme bei der Vergleichbarkeit auf, deren Ursachen mit Hilfe des vorhandenen Datensatzes nicht geklärt werden konnten. In zusätzlichen Untersuchungen wurde überprüft, inwieweit Korrelationen zwischen den einzelnen Inhaltsstoffen an jeweils einer Messstation auftreten. Die stärksten Korrelationen finden sich dabei einerseits für die Seesalzkomponenten Natrium, Chlorid und Magnesium, andererseits für die überwiegend anthropogen verursachten Inhaltsstoffe Ammonium, Sulfat, Nitrat und die Kohlenstofffraktionen. Die stärksten anti-korrelationen ergeben sich für die genannten Seesalzkomponenten mit den anthropogenen Inhaltsstoffen. Dies weist auf die unterschiedlichen Luftmassen hin, die für die jeweiligen Immissionssituationen verantwortlich sind, und bestätigt die Plausibilität der Inhaltsstoffanalytik. Als weiteres Mittel zur Qualitätssicherung wurden die Ionenbilanzen bestimmt, wobei die Gegenüberstellung der analysierten Anionen und Kationen ein ausgeglichenes, plausibles Bild mit einem geringfügigen Anionenüberschuss zeigt. Abweichungen von diesem mittleren Zustand lassen sich unter besonderen Bedingungen wie beispielsweise meteorologischen Prozessen oder z.t. Episoden hoher PM 1-Massenkonzentrationen beobachten. Abschließend erfolgte die Untersuchung der Abhängigkeit der Inhaltsstoffkonzentrationen von der Außentemperatur. Dabei zeigte sich, dass Konzentrationen an Nitrat größer als 5 µg/m³ bei Temperaturen von mehr als 13 C (Tagesmittelwert) praktisch nicht mehr auftreten. Bei Temperaturen ab 2 C ist nur selten mit Nitratkonzentrationen größer als 1 µg/m³ zu rechnen, verglichen mit Maximalkonzentrationen während des Gesamtjahres bis zu 3 µg/m³. Diese Temperaturabhängigkeit findet sich sowohl bei Betrachtung der Nitrat- Konzentration als auch des Anteils von Nitrat an PM 1 oder des Verhältnisses Nitrat/Sulfat. Bei den übrigen Inhaltsstoffen zeigen sich eher steigende Konzentrationen für höhere Temperaturen, wobei diese Tendenzen nicht so stark ausgeprägt sind und auf sich überlagernde Effekte wie verstärkte Partikelbildung bei höherer Strahlung und Temperatur, höhere Aufwirbelungsraten aufgrund stärkerer Trockenheit und besondere meteorologische Bedingungen (Luftmassen) während der warmen Tage des betrachteten Messzeitraums zurückzuführen sind. Die Untersuchungen weisen somit nochmals darauf hin, dass bei Vergleichen von Messergebnissen immer Einflüsse aufgrund möglicher jahreszeitlicher Unterschiede zu berücksichtigen sind. 12

17 3 Messergebnisse 3.1 Spurengas-Messwerte aus dem BLUME-Messnetz Tabelle 3-1 fasst die Kennwerte der kontinuierlichen gasförmigen Luftinhaltsstoffe zusammen, die an den vier Messnetz-Stationen MC 42 (Innenstadt), MC 174 (Verkehr), MC 27 (Stadtrand 1) und MC 77 (Stadtrand 2) gemessen wurden. Tabelle 3-1: Messwerte (Datenbasis: Tagesmittelwerte) der Spurengase des Berliner Luftgütemessnetzes (BLUME), 15/9/1-15/9/2 NO [µg/m³] NO 2 [µg/m³] NOx [µg/m³] CO [mg/m³] SO 2 [µg/m³] O 3 [µg/m³] MC 42 Innenstadt Mittel 9,9 29, 44,2,3 6,2 4,7 Std.-Abw. 1,9 11,2 25,7,2 4,7 25,9 Min 1,2 9,4 12,4,3,3 1,4 Max 9,2 72,3 26,6 1,3 35,2 11, Median 5,8 27,6 37,3,3 5, 36,9 Percentil.25 3,8 2,7 27,4,2 3,3 2,8 Percentil.75 11,2 35,8 54,7,4 7,8 57,7 MC 174 Verkehr Mittel 4,1 48,3 19,1,8 5,5 Std.-Abw. 27,3 14,8 52,4,3 3,6 Min 1,1 8, 9,3,2,3 Max 135,5 92,8 281,6 2,4 25,5 Median 35,9 48,1 13,9,7 4,8 Percentil.25 17,7 38,3 71,6,6 3, Percentil.75 54,9 57,7 143,4,9 6,9 MC 27 Stadtrand 1 Mittel 3,1 17,3 21,6,3 3,5 5,4 Std.-Abw. 5,9 8,2 15,2,1 2,9 25,2 Min, 1,5 2,3,1, 1,3 Max 93,6 48,3 185,4,9 17,8 121,4 Median 1,6 15,6 17,9,2 2,5 51,8 Percentil.25 1, 11,4 12,8,2 1,5 3,2 Percentil.75 3,1 21,6 25,9,3 4,5 69,3 MC 77 Stadtrand 2 Mittel 3,3 14,5 19,6 46,5 Std 5,3 9,1 16,1 22,2 Min, 1, 1,7 2,2 Max 38,2 54,5 112,9 114,3 Median 1,6 12,2 15,2 44,8 Percentil.25 1, 8, 9,6 3, Percentil.75 2,8 19,3 23,8 62,5 13

18 3.2 PM 1-Messwerte aus dem BLUME-Messnetz Tabelle 3-2 fasst die Kennwerte der an den vier Messnetz-Stationen MC 42 (Innenstadt), MC 174 (Verkehr), MC 27 (Stadtrand 1) und MC 77 (Stadtrand 2) über den Projektzeitraum 15/9/1-15/9/2 kontinuierlich bestimmten PM 1-Konzentrationen zusammen. Tabelle 3-2: PM 1-Massenkonzentration (Datenbasis: Tagesmittelwerte aus 3-min-Werten) des Berliner Luftgütemessnetzes (BLUME), 15/9/1-15/9/2 MC 42 MC 174 MC 27 MC 77 Online µg/m³ µg/m³ µg/m³ µg/m³ Mittelwert 27,4 36,9 23,8 22,5 Std.-Abw. 14,7 18,9 13,9 13,8 Min 8, 8, 3,1 1,9 Max 88, 162,9 79,4 81,4 Median 23,2 33,1 19,8 18,5.25 Percentil 16,7 23,1 13,7 12,8.75 Percentil 34,7 44,6 31,4 28, Anzahl Anzahl > 5 µg/m³ Überschr./Jahr In Tabelle 3-3 sind die Kennwerte für die Messungen mit den manuellen Filtriersammlern HVS dargestellt. Neben den Daten von MC 42, MC 174, MC 27 und MC 77 sind die Stationen Beusselstrasse (BS, Verkehr), Frohnauer Turm (FT, Hintergrund), Paulinenae (PA, regionaler Hintergrund), Hasenholz (HH, regionaler Hintergrund), Waldhof (WH, ländlicher Hintergrund) und Neuglobsow (NG, ländlicher Hintergrund) aufgeführt. Die Werte der BLUME- und der UBA-Stationen beziehen sich auf den Zeitraum 15/9/1-15/9/2, den übrigen Stationen liegen spätere Anfangstermine zugrunde, die jeweils angegeben sind. An keiner der Stationen wird, weder von den online- noch den manuellen Geräten, der Jahresgrenzwert von 4 µg/m³ überschritten. Der Tagesgrenzwert von 5 µg/m³ wird an den beiden Verkehrsstationen MC 174 und BS häufiger als die erlaubten 35 mal pro Jahr überschritten, wobei an MC 174 ein Jahr lang gemessen wurde, die Werte der Beusselstrasse dagegen von 68 Messtagen auf ein Jahr hochgerechnet sind 3. An der Innenstadtstation MC 42 zeigt das online-gerät die maximal erlaubten 35 Überschreitungen /Jahr. Da sich die in der 1. Tochterrichtlinie (99/3/EG) bzw. der 22. BImSchV (11/9/22) festgelegten Grenzwerte jedoch auf Messungen mit manuellen Filtriersammlern beziehen, sind in diesem Fall die mit dem HVS gemessenen 21 3 Zum Vergleich zu BS (Tabelle 3-3): Kennwerte von MC174 (Zeitraum 1/7/2-15/9/2, 68 Messtage): Mittelwert 32,9 µg/m³, 11 Tage > 5 µg/m³, Hochrechnung: 59 Überschreitungen /Jahr 14

19 Überschreitungen von 5 µg/m³ heranzuziehen 4. Zu berücksichtigen ist hierbei jedoch, dass sich die genannten Werte nicht auf ein Kalenderjahr, sondern den Messzeitraum 15/9/1-15/9/2 beziehen. Tabelle 3-3: PM 1-Massenkonzentration, bestimmt mit den Filtriersammlern HVS, 15/9/1-15/9/2 MC 42 MC 174 MC 27 MC 77 BS 5 Filter µg/m³ µg/m³ µg/m³ µg/m³ µg/m³ Mittelwert 25,2 34,3 21,9 22,6 33,7 Std.-Abw. 12,9 16,1 12,8 13,4 12,8 Min 7,4 6,9 2,1 3,1 11,9 Max 85,5 18,5 79,6 91,2 65,7 Median 21,6 31,2 17,8 18, 3,7.25 Percentil 15,4 22,3 12,2 12,6 22,8.75 Percentil 32,6 42,4 29,6 3,2 42,4 Anzahl Anzahl > 5 µg/m³ Überschr./Jahr FT 6,7 PA 8 HH 9 WH NG Filter µg/m³ µg/m³ µg/m³ µg/m³ µg/m³ Mittelwert 15,7 19,8 2, Std.-Abw. 11, 12,1 12, Min 1,3 3,7 4,4 3 2 Max 64,2 66,3 62, Median 12, 15,9 16, Percentil 8,2 1,7 11, Percentil 2,7 27,2 27, Anzahl Anzahl > 5 µg/m³ Überschr./Jahr Abbildung 3-1 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Jahresmittelwert und der Anzahl an Überschreitungen des Tagesmittelwertes von 5 µg/m³ für die 1 untersuchten Messstandorte. Die Korrelation dieser beiden Größen ist mit einem R² von,96 sehr gut. Die Auftragung ergibt eine Steigung von 2,6 und einen Achsenabschnitt von -4,9. Daraus berechnet sich, dass bei einer durchschnittlichen PM 1-Konzentration von 29 µg/m³ 35 Überschreitungen des Tagesgrenzwertes erreicht werden. 4 zum Vergleich FH62IR/HVS siehe Kapitel 2.5 und Bericht zur Qualitätssicherung (John und Kuhlbusch, 24) 5 Messzeitraum 1/7/2-15/9/2 6 Messzeitraum 18/1/1-15/9/2 7 Konzentrationen bezogen auf Betriebsbedingungen (324 m Turmhöhe), bezogen auf p,t-bedingungen am Boden ergeben sich um 3, % höhere Konzentrationen 8 Messzeitraum 4/1/2-15/9/2 9 Messzeitraum 8/2/2-15/9/2 15

20 6 5 Anzahl Überschreitungen TMW y = 2,59x - 4,92 R 2 =, Jahresmittelwert PM1 [µg/m³] Abbildung 3-1: Zusammenhang zwischen Jahresmittelwert und Anzahl an Tagesgenzwertüberschreitungen für 1 Messstationen 3.3 Zeitreihen und Korrelationen der PM 1-Massenkonzentrationen Abbildung 3-2 und Abbildung 3-4 zeigen die Zeitreihen der PM 1-Massenkonzentrationen für die einzelnen Stationen, jeweils mit MC 42 (Innenstadt) als Vergleich MC 174 BS MC 42 8 PM 1 [µg/m³] Abbildung 3-2: Zeitreihen der PM 1-Massenkonzentrationen 16

21 1 9 8 MC 42 MC 77 MC 27 7 PM 1 [µg/m³] MC 42 FT 7 6 PM 1 [µg/m³] MC 42 HH PA 7 6 PM 1 [µg/m³] Abbildung 3-3: Zeitreihen der PM 1-Massenkonzentrationen (Forts.) 17

22 9 8 MC 42 WH NG 7 6 PM 1 [µg/m³] Abbildung 3-4: Zeitreihen der PM 1-Massenkonzentrationen (Forts.2) Erwartungsgemäß zeigen die beiden Verkehrsstationen die höchsten Konzentrationen, die beiden Stadtrandstationen liegen etwas unterhalb der Innenstadt-Station. Geringfügig niedrigere Konzentrationen als am Stadtrand wurden an den Brandenburger Stationen Paulinenaue und Hasenholz gemessen. Die geringsten Werte finden sich am Frohnauer Turm sowie den UBA-Messstellen Waldhof und Neuglobsow, die jeweils den Hintergrund repräsentieren. In Abbildung 3-5 und Abbildung 3-6 sind die Korrelationen zwischen den PM 1- Massenkonzentrationen an der Innenstadt-Station MC 42 und den übrigen Stationen dargestellt. Die höchsten Korrelationskoeffizienten finden sich mit R² von,86 und,9 zwischen MC 42 und den beiden Stadtrandstationen MC 27 und MC 77, gefolgt von der Verkehrsstation MC 174 (,85). Ähnlich hoch liegen auch die Korrelationskoeffizienten der beiden Brandenburger Stationen PA (,85) und HH (,8). Die geringste Korrelation zur PM 1-Konzentration in der Innenstadt zeigen die Hintergrundstationen Waldhof, Neuglobsow und Frohnauer Turm (R²,69;,68 und,54). Diese Abnahme der Werte des Korrelationskoeffizienten erklärt sich mit der zunehmenden Distanz der Messstandorte von der Bezugstation MC 42. Dabei sind die Korrelationskoeffizienten der beiden Stationen eines Standorttyps untereinander (Stadtrand: MC 27 und MC 77; regionaler Hintergrund: PA und HH; Hintergrund: WH und NG) jeweils vergleichbar mit bzw. etwas niedriger als die Korrelationskoeffizienten dieser Standorte zur Station MC 42 (vgl. Tabelle 3-4). 18

23 Tabelle 3-4: Bestimmtheitsmaß R² für unterschiedliche Standorttypen Stadtrand MC27/MC42 R²=,86 MC77/MC42 R²=,9 MC27/MC77 R²=,89 regionaler Hintergrund PA/MC42 R²=,85 HH/MC42 R²=,8 PA/HH R²=,74 Hintergrund WH/MC42 R²=,68 NG/MC42 R²=,69 WH/NG R²=,65 Die Steigungen der Ausgleichsgeraden (siehe Abbildung 3-5 und Abbildung 3-6) liegen an der Verkehrsstation mit 1,17 größer als 1, an allen übrigen Stationen dagegen niedriger als an der Bezugsstation MC 42, wobei die Werte von den Stadtrandstationen MC 27 und MC 77 (,92 und,99) über die regionalen Hintergrundstationen PA und HH (,82 und,82) hin zu den Hintergrundstationen WH, NG und FT (,66,,77 und,61) abnehmen. Die Achsenabschnitte reichen von +5, µg/m³ (MC 174) bis 3,4 µg/m³ (NG) bei in den meisten Fällen leicht negativen Werten an den Stadtrand- und Hintergrundstationen y = 1,17x + 5,2 R 2 =,85 MC 174 BS PM 1 [µg/m³] 6 4 y =,85x + 11,11 R 2 =, MC 42 PM 1 [µg/m³] 1 9 MC 27 MC y =,99x - 2,42 R 2 =,9 PM 1 [µg/m³] y =,92x - 1,4 R 2 =, MC 42 PM 1 [µg/m³] Abbildung 3-5: Korrelationen der PM 1-Massenkonzentrationen 19

24 7 6 FT 5 PM 1 [µg/m³] 4 3 y =,61x +,18 R 2 =, MC 42 PM 1 [µg/m³] y =,82x - 1,25 R 2 =,85 PA HH PM 1 [µg/m³] y =,82x -,38 R 2 =, MC 42 PM 1 [µg/m³] WH NG PM 1 [µg/m³] y =,77x - 3,36 R 2 =,69 y =,66x +,21 R 2 =, MC 42 PM 1 [µg/m³] Abbildung 3-6: Korrelationen der PM 1-Massenkonzentrationen (Forts.) 2

25 Interessant ist der Vergleich der Korrelationskoeffizienten der Stationen Frohnauer Turm und MC 42 im Winter und im Sommer. Hier zeigen sich deutlich andere Werte (vgl. Abbildung 3-7), während an den übrigen Stationen keine jahreszeitlichen Unterschiede zu bemerken sind. Auffällig sind in diesem Zusammenhang bereits die Zeitreihen (Abbildung 3-4), die in der kalten Jahreszeit deutlich größere Konzentrationsunterschiede zwischen Frohnauer Turm und MC 42 zeigen als während des restlichen Jahres. Erklären lässt sich diese Tatsache mit der Mischungsschichthöhe, da während der warmen Jahreszeit die Turmstation deutlich häufiger innerhalb der Mischungsschicht liegt und ein Austausch der Luftmassen erfolgt. An kälteren Tagen dagegen liegt der Messstandort häufiger oberhalb der Mischungsschicht, d.h. es findet kein Austausch der von der Stadt beeinflussten Luftmassen mit den "Hintergrund- Luftmassen" statt, die am Frohnauer Turm bestimmt werden. Daher liegt im Winter der Korrelationskoeffizient deutlich niedriger als im Sommer, im Gegensatz zu den übrigen Messstandorten, an denen dieser Effekt der Mischungsschichthöhe nicht auftritt. Weiterhin werden im Winter am Frohnauer Turm im Verhältnis zu MC 42 niedrigere Massenkonzentrationen gemessen als im Sommer, was ebenfalls auf die größere Bedeutung des Hintergrundaerosols und den geringeren städtischen Einfluss hinweist. 7 FT 7 FT y =,86x - 3,1 R 2 =,83 PM 1 [µg/m³] y =,21x + 5,42 R 2 =,14 PM 1 [µg/m³] Winter (Nov 1-Feb 2) MC 42 PM 1 [µg/m³] Sommer (Mai 2-Sept 2) MC 42 PM 1 [µg/m³] Abbildung 3-7: Korrelationen der PM 1-Massenkonzentrationen FT/MC 42 Winter und Sommer 3.4 Chemische Zusammensetzung Abbildung 3-8 bis Abbildung 3-1 zeigt die mittlere chemische Zusammensetzung der PM 1-Fraktion an den unterschiedlichen Standorten. In der linken Abbildung ist jeweils die Zusammensetzung über den gesamten Messzeitraum der einzelnen Stationen dargestellt. Da die Messungen an den Stationen Frohnauer Turm, Paulinenaue und Hasenholz erst später begonnen haben, ist zum Vergleich in der rechten Abbildung jeweils die chemische Zusammensetzung des gemeinsamen Messzeitraumes aller Stationen dargestellt, d.h. vom 21

26 8/2/2 bis 15/9/2. Für die Beusselstrasse ist aufgrund der zeitlichen Lage dieses Projektes kein direkter Vergleich möglich, für die weitere Auswertung sei auf den Bericht "Analyse der Verursacher der PM 1-Konzentrationen in der Beusselstrasse" verwiesen. Die mittlere chemische Zusammensetzung wurde nur mit den Messwerten derjenigen Filter berechnet, von denen die komplette Analytik vorlag. Insbesondere an den Stadtrandstationen MC 27 und MC 77 wurden nicht alle Filter chemisch analysiert, da nur die jeweilige Luv- Situation (d.h. ohne Stadteinfluss) erfasst werden sollte. Die den Auswertungen zugrunde liegende Anzahl an Messtagen ist jeweils angegeben. Eine Übersicht über die PM 1- Mittelwerte sowie die Überschreitungshäufigkeiten des Tagesgrenzwertes der jeweils vorhandenen Daten ist im Anhang in Tabelle 7-1 zusammengefasst. Verglichen sind dabei die Werte für den gesamten Messzeitraum der einzelnen Stationen und den gemeinsamen Zeitraum 8/2-15/9/2, jeweils für alle PM 1-Messtage und die Messtage mit kompletter 1,11 chemischer Analytik der Filter. Für alle Stationen wurde OC I erst ab dem 6/5/2 mitbestimmt, die Eisenkonzentrationen wurden für die Stationen MC 42, MC 174, MC 27, MC 77 und FT für ausgewählte Zeiträume analysiert. Die organischen Kohlenstofffraktionen OC I und OC II wurden jeweils mit dem Faktor 1,4 in OM I und OM II ("organic matter") umgerechnet, um die nicht analysierten Anteile an Wasserstoff, Sauerstoff etc. zu berücksichtigen. An den UBA-Stationen wurde keine vergleichbare Analytik durchgeführt, so dass die chemische Zusammensetzung der Standorte Waldhof und Neuglobsow nicht angegeben werden kann. Den an den meisten der untersuchten Standorte größten Anteil an der PM 1-Masse haben die sekundären Inhaltsstoffe Nitrat, Sulfat und Ammonium mit %, wobei die niedrigen Anteile an den Verkehrsstationen zu finden sind. Dort liegen dafür die Anteile an elementarem Kohlenstoff mit 13 % (MC 174) bzw. 14 % (BS) höher als an den übrigen Standorten (5-9 %). Die Alkali- und Erdalkalimetalle Natrium, Kalium, Magnesium und Calcium liefern zusammen mit Chlorid zwischen 3 % und 6 %, und Eisen (als Fe 2 O 3 ) trägt weitere,4-1,4 % zur PM 1 Massenkonzentration bei. Durchschnittlich % entfallen schließlich auf den "", d.h. nicht analysierte Inhaltsstoffe wie Wasser, Aluminium und Silizium sowie Sauerstoff. 1 Ausnahme: OC I, hier wurde der Mittelwert des Zeitraums 6/5/2-15/9/2 verwendet 11 Ausnahme: Eisen, hier wurde der Mittelwert der jeweils verfügbaren Messtage verwendet 22

27 MC 42 (Innenstadt) 15/9/21-15/9/22 (357 Meßtage) OM I (13 Messtage) 9,3% MC 42 (Innenstadt) 8/2/22-15/9/22 (217 Meßtage) OM I (13 Messtage) 9,3% 33,2% OM II 1,4% 36,% OM II 1,6% Fe 2 O 3 (87 Messtage),5% Ca 2+,8% Mg 2+,2% K +,5% Na + 1,6% NH 4 + 6,8% SO ,% 8,9% Cl - 1,5% NO 3-11,2% Fe 2 O 3 (27 Messtage),7% Ca 2+ 1,1% Mg 2+,2% + K,4% Na + 1,4% NH 4 + 6,5% SO ,8% 8,% Cl - 1,% NO 3-8,9% PM 1 = 25,±12,8 µg/m³ PM 1 = 25,±13,2 µg/m³ MC 174 (Verkehr) 15/9/21-15/9/22 (353 Meßtage) MC 174 (Verkehr) 8/2/22-15/9/22 (211 Meßtage) OM I (131 Messtage) 9,6% OM I (131 Messtage) 9,6% 35,1% OM II 9,6% 35,8% OM II 1,2% Fe 2 O 3 (85 Messtage) 1,2% Mg 2+,2% Ca 2+ 1,2% K +,4% Na + 1,3% NH4 + 5,4% SO ,9% PM 1 = 34,4±16,1 µg/m³ NO 3-9,7% 12,8% Cl - 1,6% Fe 2 O 3 (29 Messtage) 1,4% Ca 2+ 1,5% Mg 2+,2% + K,3% Na + 1,1% NH 4 + 5,3% SO ,% PM 1 = 32,9±15,7 µg/m³ 12,6% Cl - 1,% - NO 3 8,% BS (Verkehr) 1/7/22-15/9/22 (68 Meßtage) OM I 13,1% 34,7% OM II 12,6% Ca 2+,9% Mg 2+,2% K +,4% Na + 1,2% NH 4 + 4,8% SO ,3% Cl - 1,% - NO 3 6,5% 14,4% PM 1 = 33,7±12,8 µg/m³ Abbildung 3-8: Mittlere chemische Zusammensetzung von PM 1 an den unterschiedlichen Stationen 23

28 MC 27 (Stadtrand 1) 15/9/21-15/9/22 (197 Meßtage) OM I (14 Messtage) 11,2% MC 27 (Stadtrand 1) 8/2/22-15/9/22 (133 Meßtage) OM I (14 Messtage) 11,2% Fe 2 O 3 (52 Messtage),4% Ca 2+,7% Mg 2+,2% K +,5% Na + 1,5% 28,% NH 4 + 8,1% OM II 11,6% 7,9% Cl -,7% - NO 3 9,7% Fe 2 O 3 (14 Messtage),4% Ca 2+,8% Mg 2+,3% K +,5% Na + 1,7% 29,3% NH 4 + 7,5% OM II 12,5% 7,5% Cl -,9% - NO 3 7,3% SO ,4% SO 4 2-2,1% PM 1 = 22,6±12,3 µg/m³ PM 1 = 21,7±12,5 µg/m³ MC 77 (Stadtrand 2) 15/9/21-15/9/22 (194 Meßtage) OM I (25 Messtage) 1,9% MC 77 (Stadtrand 2) 8/2/22-15/9/22 (73 Meßtage) OM I (25 Messtage) 1,9% Fe 2 O 3 (49 Messtage),4% Ca 2+ Mg 2+,6%,3% + K,6% Na + 2,7% 29,2% NH 4 + 7,3% SO ,5% OM II 9,3% NO 3-13,7% 7,4% Cl - 2,2% 33,3% Ca 2+,9% Mg 2+,3% K +,5% Na + 2,1% NH 4 + 7,% SO ,8% OM II 9,7% 7,% Cl - 1,3% NO 3-11,2% PM 1 = 23,1±15, µg/m³ FT (Hintergrund) 18/1/21-15/9/22 (289 Meßtage) PM 1 = 25,8±17,5 µg/m³ FT (Hintergrund) 8/2/22-15/9/22 (211 Meßtage) OM I (13 Messtage) 9,7% OM I (13 Messtage) 9,7% Fe 2 O 3 (66 Messtage),5% Mg 2+ Ca 2+,7%,3% K +,5% Na + 2,9% 26,9% NH 4 + 8,4% SO ,3% OM II 9,7% 5,4% NO 3-11,% Cl - 1,6% Fe 2 O 3 (29 Messtage),4% Ca 2+ Mg 2+,8%,3% + K,4% Na + 2,6% 29,7% NH 4 + 8,2% SO ,1% OM II 9,7% NO 3-9,6% 5,% Cl - 1,4% PM 1 = 16,3±11,3 µg/m³ PM 1 = 17,7±11,4 µg/m³ Abbildung 3-9: Mittlere chemische Zusammensetzung von PM 1 an den unterschiedlichen Stationen (Forts.) 24

29 PA (ländl. Hintergrund) 4/1/22-15/9/22 (195 Meßtage) PA (Hintergrund) 8/2/22-15/9/22 (171 Meßtage) 24,% OM I (85 Messtage) 12,3% 24,7% OM I (85 Messtage) 12,3% Mg 2+,3% K +,5% Na + 2,8% Ca 2+,8% NH 4 + 8,% SO ,4% NO 3-12,9% OM II 11,2% 6,% Cl - 1,7% Mg 2+,3% K +,5% Na + 2,7% Ca 2+,9% NH 4 + 7,9% SO ,7% NO 3-11,3% OM II 11,8% 6,2% Cl - 1,6% PM 1 = 19,3±12, µg/m³ PM 1 = 18,5±11,5 µg/m³ HH (ländl. Hintergrund) 8/2/22-15/9/22 (137 Meßtage) 22,6% OM I (67 Messtage) 13,7% Mg 2+,3% K +,6% Ca 2+ 1,2% OM II 12,4% Na + 2,5% NH 4 + 7,7% 7,5% Cl - 1,% SO ,9% NO 3-7,5% PM 1 = 19,±11,7 µg/m³ Abbildung 3-1: Mittlere chemische Zusammensetzung von PM 1 an den unterschiedlichen Stationen (Forts.2) Abbildung 3-11 und Abbildung 3-12 zeigen den zeitlichen Verlauf der PM 1- Inhaltsstoffkonzentrationen für die einzelnen Stationen. Die Kohlenstoffe OM I, OM II und sind in grau und schwarz dargestellt. Die sekundären Inhaltsstoffe Nitrat, Sulfat und Ammonium sind in blau zusammengefasst, die übrigen Ionen Natrium, Chlorid, Kalium, Magnesium, Calcium sowie Eisenoxid in rot dargestellt. Gelb ist der nicht analysierte, u.a. mit weiteren Metallen, Aluminium, Silizium, Sauerstoff und Wasser. Da OM I zu Beginn des Messprogramms nicht mitbestimmt wurde, ist für diesen Zeitraum der Mittelwert der Konzentrationen des an der jeweiligen Station analysierten Zeitraums eingetragen. Höhere Werte der sekundären Inhaltsstoffe finden sich dabei eher in der kalten Jahreszeit, wobei dieser Effekt insbesondere auf die Semivolatilität von Nitrat zurückzuführen ist. 25

30 Tendenziell höhere Werte im Winter zeigt auch, wohingegen die Konzentrationen an organischem Kohlenstoff (hier dargestellt als organische Masse OM) eher im Sommer erhöht ist. Aufgrund des unvollständigen Datensatzes (OM I nicht über den gesamten Messzeitraum analysiert) ist eine Aussage hier jedoch nur bedingt möglich. Alternativ zur hier gezeigten Darstellung finden sich im Anhang (Abbildung 7-1 und Abbildung 7-2) die Zeitreihen der chemischen Inhaltsstoffe, dargestellt als Anteil an der PM 1-Massenkonzentration. Zur Temperaturabhängigkeit der Inhaltsstoffe siehe auch den Bericht zur Qualitätssicherung (John und Kuhlbusch, 24). 26

31 1 9 MC Abbildung 3-11: Zeitlicher Verlauf der chemischen Zusammensetzung von PM 1 an den einzelnen Stationen MC 77 Fe2O3 Ca Mg K Na Chlorid Ammonium Sulfat Nitrat OM II OM I MC MC 174 Fe2O3 Ca Mg K Na Chlorid Ammonium Sulfat Nitrat OM II OM I PM 1 [µg/m³] PM 1 [µg/m³]

32 8 BS Abbildung 3-12: Zeitlicher Verlauf der chemischen Zusammensetzung von PM 1 an den einzelnen Stationen (Forts.) FT Fe2O3 Ca Mg K Na Chlorid Ammonium Sulfat Nitrat OM II OM I PA HH Fe2O3 Ca Mg K Na Chlorid Ammonium Sulfat Nitrat OM II OM I PM 1 [µg/m³] PM 1 [µg/m³]

33 4 Datenauswertungen 4.1 Windrichtungsabhängigkeiten der PM 1-Massenkonzentrationen und chemischen Inhaltsstoffe Vergleich der 3h- und 24h-Wind- und PM 1-Daten (MC 42) Zur Bestimmung der Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten standen die Daten der Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes zur Verfügung (Zeitauflösung 3h). Für die Messstationen MC 42, MC 174 und MC 27 wurde die DWD-Station Tempelhof herangezogen, für die Stadtrandstation MC 77 und den Frohnauer Turm (FT) die Wetterstation Tegel. Für die Brandenburger Station Paulinenaue wurden die Wetterdaten aus Neuruppin verwendet, und für Hasenholz die Werte aus Lindenberg. Abbildung 4-1 zeigt einen Vergleich der Windrosen der 4 Wetterstationen. An allen Stationen liegt die Hauptwindrichtung im Westen bzw. Südwesten. Weitere bevorzugte Windrichtung ist Osten, mit geringen Beiträgen anderer Windrichtungen, wobei sich die betrachteten Wetterstationen nur geringfügig unterscheiden Berlin 15/9/1-15/9/2 8,% 7,% 3 6,% 5,% 4,% 3,% 2,% 1,%,% Tempelhof Tegel Neuruppin Lindenberg Abbildung 4-1 Windrosen der 4 Wetterstationen (Tagesmittelwerte) Die folgenden 3 Abbildungen (Abbildung 4-2 bis Abbildung 4-4) zeigen 3 Arten von Windrosen am Beispiel der Station MC 42: die Windrichtungsverteilung, die Windrose der Massenkonzentration (ungewichtet) und die Windrose der Massenkonzentration, gewichtet mit der Windrichtungsverteilung. Diese Windrosen dienen der Zuordnung von Quellregionen der PM 1 Massen- und Inhaltsstoffkonzentrationen an den einzelnen Messstationen. 29

34 Die Abbildungen zeigen jeweils eine Grafik mit den 3h-Werten 12 und eine Grafik mit den 24h-Werten 13 als Vergleich. Abbildung 4-2 zeigt zunächst die Windrichtungsverteilung (1 -Intervalle), ermittelt aus den 3h-Werten der Windrichtung (Abbildung a) sowie dem vektoriellen Tagesmittelwert der Windrichtung (24h-Werte, Abbildung b). Die Unterschiede zwischen den beiden Windrosen der Windrichtungsverteilung sind relativ gering, beide zeigen das Vorherrschen von Westbzw. Südwestwinden. a) MC42 (Tempelhof), 3h-Werte 7% 33 6% 3 b) MC42 (Tempelhof), 24h-Werte 7% 33 6% 3 5% 5% 3 4% 3% 6 3 4% 3% 6 2% 2% 1% 1% 27 % 9 27 % Abbildung 4-2 Windrichtungsverteilung (3h-Werte und Tagesmittelwerte) In Abbildung 4-3 sind die mittleren PM 1-Konzentrationen aufgetragen. In Abbildung a) sind wieder die 3h-Werte dargestellt, ermittelt aus den Daten der online-geräte. Diese Zeitauflösung steht daher nur für die PM 1-Massenkonzentrationen, nicht aber die Inhaltsstoffe zur Verfügung. Abbildung b) zeigt die PM 1-Mittelwerte, die mit den manuellen Filtriersammlern (Zeitauflösung 24h) bestimmt wurden (zur Vergleichbarkeit zwischen online- und manuellen Daten siehe Kapitel 2.5). Generell sind die beiden Windrosen auch hier gut vergleichbar, wobei die 3h-Werte ein homogeneres Bild mit weniger stark ausgeprägten lokalen Maxima zeigen als die 24-Werte. Diese speziellen Maxima, die für die Tagesmittelwerte bei spezifischen Windrichtungen auftreten, sollten daher nicht überbewertet werden. 12 Zeitauflösung der Wetterdaten und 3h-Mittelwerte der PM1 online-konzentrationen 13 Zeitauflösung der PM 1 Massen- und Inhaltsstoffkonzentrationen der manuellen Filtriersammler 3

35 In der in Abbildung 4-3 gezeigten Art der Darstellung ist nur die mittlere Massenkonzentration in Abhängigkeit von der Windrichtung, nicht aber die Windrichtungshäufigkeit berücksichtigt, so dass auch Messungen mit hohen Massenkonzentrationen aus nicht bevorzugten Windrichtungen zu erkennen sind. Hier treten die höchsten Konzentrationen bei Ost- und Südostwind auf. Diese Wetterlagen können bedeutsam sein bezüglich der Überschreitungen des Tagesgrenzwertes (vgl. Kapitel 4.7). Für den Jahresgrenzwert sind solche vereinzelten hohen Konzentrationen dagegen geringer zu bewerten. MC42 PM1 [µg/m³], 3h-Werte MC42 PM1 [µg/m³], 24h-Werte 27 3 a) b) Abbildung 4-3 Windrosen PM1 MC42 (ungewichtet) MC42 PM 1 (gewichtet), 3h-Werte MC42 PM 1 (gewichtet), 24h-Werte a) 33 7% 6% 3 b) 33 7% 6% 3 5% 5% 3 4% 3% 6 3 4% 3% 6 2% 2% 1% 1% 27 % 9 27 % Abbildung 4-4: Windrosen PM1 MC42 (gewichtet) 18 31

36 Daher ist in Abbildung 4-4 der PM 1-Mittelwert mit der Windrichtungshäufigkeit gewichtet und normiert aufgetragen. Diese Art der Darstellung verdeutlicht, welche Windrichtung welchen Beitrag zur mittleren PM 1-Konzentration während des gesamten Messzeitraums liefert. Die gewichtete Windrose zeigt, dass im Jahresdurchschnitt Südwestwind- und Ostwind-Wetterlagen einen etwa gleichgewichteten Beitrag zur PM 1-Immissionssituation am Standort MC 42 liefern, mit geringeren Beiträgen bei Südostwind-Wetterlagen. Damit ergibt sich im Vergleich zur Windrichtungsverteilung eine stärkere Gewichtung der Ostwindwetterlagen hinsichtlich der PM 1-Immissionsbelastung. Wie bereits erwähnt, zeigen die Windrosen in Abbildung 4-2 bis Abbildung 4-4, denen die 3h-Mittelwerte von Windrichtung und PM 1-Massenkonzentration zugrunde liegen, aufgrund der höheren Werteanzahl ein homogeneres Bild als diejenigen, die auf den 24h- Mittelwerten beruhen. Grundsätzlich besteht jedoch eine sehr gute Vergleichbarkeit zwischen den beiden Datensätzen, auch für die Messstandorte MC 174, MC 27 und MC 77. Für die weitere Auswertung werden daher nur die Tagesmittelwerte betrachtet, da die chemischen Inhaltsstoffe von den Filtern mit einer Zeitauflösung von 24h bestimmt wurden Vergleich der Konzentrations-Windrosen der PM 1-Inhaltsstoffe (MC 42) Betrachtet man die Windrichtungsverteilung der Inhaltsstoffkonzentrationen, so finden sich Unterschiede für die einzelnen Komponenten. Zur Verdeutlichung sind im Folgenden die ungewichteten Windrosen dargestellt. Für die Messstation MC 42 (Innenstadt) ergeben sich beispielsweise für den elementaren Kohlenstoff (siehe Abbildung 4-5 a) vergleichbare Verteilungen wie für PM 1 mit den höchsten Konzentrationen bei Südostwind a) MC42 [µg/m³] MC42 Chlorid [µg/m³] b) 4, 1, 33 3,5 3 33,9 3,,8,7 2,5,6 2, 1,5 6 3,5,4 1,,3,2,5,1, 9 27, Abbildung 4-5: Windrose PM 1-Inhaltsstoffe und Chlorid, Messstandort MC 42 32