4. Immissionen werden mit unterschiedlichen Methoden erfasst
4.1. Immissionsmessung
Mit der Immissionsmessung kann man von Schadstoffkonzentrationen bzw. Schadstoffeinträgen auf mögliche Schädigungen oder Schäden oder auf ein Risiko schließen, wenn wirkungsbezogene Grenzwerte überschritten werden.
Immissionsmessungen dienen der Ermittlung
• der Luftqualität hinsichtlich forstlich relevanter wirkungsbezogener und normativer Grenzwerte bzw. der Einhaltung von Grenzwerten. Voraussetzung für eine Grenzwertüberprüfung sind entsprechend empfindliche Nachweismethoden im ppb-Bereich.
• von Immissionsmustern und zeitlichen Trends.
• der Ausbreitung von Schadstoffen.
• der Auswirkung von Luftreinhaltemaßnahmen.
• der Belastung bestimmter genutzter Flächen zur Abschätzung der möglichen Gefährdung.
• der Quellen von bestimmten Schadstoffen.
• der Auswirkung austauscharmer Wetterlagen auf Schadstoffkonzentrationen.
Man unterscheidet zwischen registrierenden (= aufzeichnenden) und integrierenden ("summierenden") Messmethoden. Die apparative Messung von Luftschadstoffkonzentrationen wird in der Regel mit dauerregistrierenden Messgeräten durchgeführt. Routinemäßig werden in Österreich zum Schutz der Vegetation SO2, NOx und Ozon gemessen (die Daten ab 1990 werden im Umweltbundesamt zentral gespeichert). Relativ billig ist die Messung mit Passivsammlern. Nasse Absetzdepositionen (Regen, Schnee) werden mit Bulk-Sammlern oder WADOS-Sammlern („Wet and Dry Only Sampler“) gewonnen.
4.1.1. Registrierende Routinemessmethoden
Die Immissionsmessung stellt hohe Anforderungen an die Messgeräte: Es müssen wenige Schadstoffmoleküle auf 1 Milliarde “Luftmoleküle” erfasst werden können. Die Messprinzipien für die wichtigsten Schadstoffe sind aus Tabelle 4-1 zu ersehen.
Registrierende Geräte mit Luftansaugung: Mit Luftschadstoffmessgeräten werden Konzentrationen kontinuierlich erfasst, die Werte über eine halbe Stunde mit einem Integrator gemittelt und
gespeichert. Ein Schreiber zeichnet die Momentanwerte auf. Das Gerät selbst ist mit einer Probeansaugung mit Staubfilter, einer Messzelle, einem Verstärker und einer meist digitalen Messwertanzeige ausgestattet. Die Geräte verfügen ferner über eine interne Kalibriereinheit. Ein Messcontainer ist ausgestattet mit: Luftschadstoffmessgeräten und Zubehör (Messwertintegrator zur Bildung von Halbstundenmittelwerten), meteorologischen Messgeräten, ggf. Datenfernübertragung, Stromversorgung, Blitzschutz, Erdung, Sicherung gegen Wind, Thermostat (Abbildung 4-2).
Abbildung 4-1: Schematische Darstellung eines registrierenden Messgerätes.
0: Null-Luft (= mit Aktivkohle gereinigte Luft)
Abbildung 4-2: Luftmess-Station.
Zur Gewährleistung der
Betriebssicherheit sind neben einem Thermostat Erdung, Blitzschutz und Abspannungen gegen Sturm erforderlich.
Gase Temperatur Luftfeuchte Strahlung
Abspannung
Erdung Windrichtung
Windgeschw. Strom
Ansaugung
Tabelle 4-1: Messprinzipien für Konzentrationsmessungen.
Komponente Messprinzip
SO2 UV-Fluorimetrie: SO2-Moleküle absorbieren UV-Strahlung, die nach der Bestrahlung als längerwelliges Licht wieder abgegeben wird (Fluoreszenz). Dieses Licht ist der SO2-Konzentration proportional und wird gemessen. Kalibrierung mit SO2 aus Permeationsröhrchen.
Ozon UV-Absorption: Die Schwächung von UV-Licht ist zum Ozongehalt proportional und wird gemessen.
Kalibrierung mit einer UV-Lampe.
NOx Chemolumineszenz: Bei der Reaktion von NO mit Ozon entsteht Licht. Die Lichtintensität ist zur NOx -Konzentration proportional. Um auch NO2 messen zu können, muss es zuerst in NO umgewandelt werden. Kalibrierung mit NO2-Eichgas.
Staub β-Absorption nach Durchsaugen der Probeluft über ein Filterband.
H2S Konvertierung zu SO2 (keine Routinemethode).
NH3 Konvertierung von NH3 zu NO (keine Routinemethode).
NMHC Gaschromatographie.
4.1.2. Nicht registrierende Messmethoden
Einige integrierende Messmethoden sind aus Tabelle 4-2, die Vor- und Nachteile gegenüber registrierenden Methoden aus Tabelle 4-3 zu ersehen.
Tabelle 4-2: Nicht registrierende Messmethoden.
Die Expositionszeit beträgt bei den Methoden ohne Luftansaugung meist 1-4 Wochen. Bei den Methoden mit Luftansaugung u. U. auch nur wenige Stunden.
Methoden ohne Luftansaugung bestimmbar
Diffusionsröhrchen und Badge-Sammler Die Komponenten werden an einer Senke (in der Skizze rot gefärbt) absorbiert und nach der Exposition z. B.
ionenchromatographisch analysiert.
Messbar: SO2, NH3, NO2, O3–Konzentrationen
Diffusions- Badge-Sammler röhrchen
IRMA-Verfahren Vom VDI-genormtes Verfahren zur Messung der Immissionsrate, bei der verschiedene Gase an einer absrbierenden Oberfläche gebunden werden können.
Messbar: Cl-, SO2, NO2, F-Immissionsraten.
SAM-Verfahren (surface active monitoring) Verwendung eines absorbergetränkter Rundfilters oder eines Kunststoffnetzes.
Messbar: SOx, NO2, NH3, F, Cl-Immissionsraten.
Bleikerzen und Barytlappen (SO2), Ozon- und NOx -Kerzen, Ozon-Papiere
Veraltete Methoden, bei der Tonzylinder mit absorbierenden Gazestreifen oder Filtern umwickelt werden. Mit Indigo getränkte Ozonpapiere können auch ohne Tonzylinder exponiert werden.
Messbar: SO2, NOx, Ozon; Immissionsraten.
Methoden mit Luftansaugung bestimmbar
Filterstacks
Hintereinander geschaltete Filter, die bestimmte
Komponenten spezifisch absorbieren; nachfolgende Analyse z. B. mittels Gaschromatographie.
Messbar: Aerosole (HNO3, Anionen/SO2, Kationen/NH3).
Denuder (Thermodiffusionsabscheider)
Spezifische Trennung in einem Ringspalt-Rohrsystem aufgrund unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeiten von Partikeln bzw. Aerosolen; nachfolgende Analyse z. B. mittels Gaschromatographie.
Adsorptionsröhrchen Röhrchen, die mit spezifischen Adsorbentien gefüllt sind;
nachfolgende Analyse z. B. mittels Gaschromatographie.
Messbar: Flüchtige Kohlenwasserstoffe und Derivate.
Silberkugelabsorptionsverfahren Vom VDI genormtes Verfahren Messbar: Fluoride.
Tabelle 4-3: Vor- und Nachteile von registrierenden und integrierenden Luftschadstoffmessmethoden.
Vorteile Nachteile
Registrierende Methoden Hochauflösend.
Grenzwert-überprüfungen sowie eine Auswertung gemeinsam mit meteorologischen Daten sind möglich.
Kostspielig durch Messcontainer, Geräte, Datenübertragung, Auswertung der Daten und die laufende Betreuung.
Integrierende Methoden Geräte und Analysen sind relativ billig, netzunabhängig und einfach zu handhaben. Für einen "groben Überblick" (Belastungsschwerpunkte in einem Untersuchungsgebiet) ist ihre Genauigkeit ausreichend, ein
"flächendeckender" Einsatz ist möglich.
Sie liefern nur einen Mittelwert über einen relativ langen Zeitraum. Eine Zuordnung zur Windrichtung und eine Grenzwertüberprüfung (TMW, HMW) sind nicht möglich. Der Ausfall eines einzigen Messwertes ist der Ausfall über die gesamte Expositionszeit.
Gegen extreme Witterung sind diese Messeinrichtungen empfindlich.
4.1.3. Remote Sensing Methoden zur Messung von Spurenstoffen in der Luft
Remote Sensing ist Fernerkundung aus der Luft bzw. die Übermittlung von Informationen über entfernte Objekte z. B. zur Erforschung der Erdoberfläche und der Atmosphäre, d. h.
spektroskopische Messungen in der freien Natur. Die Messanordnung entspricht im Prinzip der photometrischen Messung im Labor: Lichtquelle - definierte Wegstrecke mit Außenluft gefüllt - Detektor. Bei Lichtdurchtritt durch die Probe erfolgt Absorption (Transmissionsmessung) oder Streuung (Rückstreuungs- bzw. Reflektionsmessung). Gemessen wird die mittlere Konzentration in einer Wegstrecke. Typisch für Remote Sensing Methoden ist, dass es keine "Blindwertküvette" gibt.
Basis ist das Lambert - Beersche Gesetz bzw. die Konzentrationsbestimmung aus der Änderung der Lichtintensität am Detektor und der Weglänge des Lichtstrahls. Die Messanordnungen sind sehr teuer und nicht für den Routinebetrieb in einem Messnetz gedacht. Sie sind für spezielle Fragestellungen geeignet. Die in Tabelle 4-4 angeführten Remote-Sensing Methoden kommen zur Spurenstoffanalyse in Betracht.
Tabelle 4-4: Remote-Sensing Methoden zur Spurenstoffanalyse.
DOAS (Differential optical absorption spectroscopy)
Prinzip. Messung der Absorption einer Wegstrecke bei komponentenspezifischen Wellenlängen. Von der
Lichtquelle (Xenon-Lampe; 200-700 nm) wird der Lichtstrahl über einen Reflektor zum Detektor geführt.
Messbar: SO2, NOx, H2O, O3, HNO2 und CH2O.
LIDAR (Light detecting and ranging)
Prinzip: Messung der Rückstreuung einer gepulsten Laserstrahlung (die z. B. von einem Flugzeug ausgesandt wird) mit Hilfe eines Detektors.
Messbar: z. B. Ozon, NOx und Aerosole.
Korrelationsspektrometrie
Prinzip: Messung der Transmission vom Boden aus - z. B.
von einem KFZ aus - und Detektion der „Vertikalsumme“.
Prinzip: Schwächung der Sonnenstrahlung z. B. durch SO2, Messung bei zwei Wellenlängen: bei einer Wellenlänge absorbiert SO2, bei der anderen nicht. Man kann diese Methode zum Verfolgen von Rauchfahnen anwenden.
4.1.4. Depositionsanalysen
Untersuchungen der nassen und trockenen Absetzdeposition dienen dazu, Schadstoffeinträge zu bestimmen und in Waldökosystemen Stoffkreisläufe verschiedener Spurenstoffe zu erforschen.
Auffanggefäße für Eintragsmessungen (Staub und nasse Absetzdepositionen)
Integrierende Luftschadstoffmessungen von nassen Depositionen sind Bestandteil des Immissionsmonitorings der meisten österreichischen Bundesländer. Probenahmefrequenz:
Ereignisweise, wöchentlich oder 14-tägig.
• Bulksammler (Abbildung 4-3 oben) sind stets offen gehaltene Auffangbehälter, in denen nasse und trockene Absetzdepositionen, also Regen und Schnee, aufgefangen werden.
• Absetzstaub wird mit Bergerhoff-Bechern (= Weck-Gläsern) gesammelt.
• WADOS-Sammler (Wet and dry only Sammler; Abbildung 4-3, unten) sind sensorgesteuerte Sammler mit je einem Gefäß für nasse und trockene Absetzdeposition. Je nach Niederschlagssituation wird eines der beiden Gefäße offen gehalten.
• Die Werbung der „okkulten Deposition“ erfolgt mit Nebelsammlern. Neben passiven Sammelvorrichtungen (Teflonschnüre, an denen sich Nebel abscheiden kann, mit einer Sammelvorrichtung) gibt es die aufwändigeren aktiven Nebelsammler, bei denen Nebel durch einen Kanal gesaugt und ebenfalls an Teflonschnüren abgeschieden wird (Abbildung 4-4).
Abbildung 4-3: Bulk- und WADOS-Sammler. Abbildung 4-4: Automatischer Nebelsamler.