Luftdaten selber messen! - Teil 3: Was ist Feinstaub und die Auswertung des Sensors

Hardware Microcontroller

In den letzten Woche habe ich auf meinem Blog bereits über das Projekt luftdaten.info berichtet. Heute möchte ich zunächst noch ein wenig auf die Theorie hinter dem Feinstaub reden, und anschließend die Daten meines Sensores auswerten.

1 Was ist Feinstaub überhaupt?

Das Wort „Feinstaub“ ist wohl für jeden ein Begriff, zumal er sehr oft in den Medien im Zusammenhang mit Umweltverschmutzung benutzt wird. Aber was ist das eigentlich genau? Schauen wir uns hierzu zunächst eine Definition an:

Feinstaub besteht aus einem komplexen Gemisch fester und flüssiger Partikel und wird abhängig von deren Größe in unterschiedliche Fraktionen eingeteilt. Unterschieden werden PM10 (PM, particulate matter) mit einem maximalen Durchmesser von 10 Mikrometer (µm), PM2,5 und ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 µm. (1)

Unter Feinstaub versteht man also kleine Partikel, welche in unterschiedliche Fraktionen einteilbar sind. Feinstaub ist außerdem Teil des Schwebstaubs. (4) Aber aus was bestehen diese Partikel überhaupt und wie entstehen diese? Um die Bestandteile von Feinstaub zu betrachten, ist zunächst eine Aufteilung in zwei Kategorien möglich, so wird zwischen primärem und sekundärem Feinstaub unterschieden. (2) Bei primären Feinstaub handelt es sich um Feinstaub, welcher direkt bei einem Prozess entstehen, wie etwa bei einer Verbrennung. Sekundärer Feinstaub dagegen bezeichnet Feinstaub, welcher erst in der Atmosphäre entsteht. Dies geschieht durch chemische Reaktionen, bei denen „aus gasförmigen Substanzen, wie Schwefel- und Stickstoffoxiden, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen,“ (2) Partikel entstehen. Die größten Verursacher von anthropogenen (von Menschen verursachten) Feinstaub sind in Deutschland Industrieprozesse, die Landwirtschaft, Verkehr, Haushalte und Kleinverbraucher. Insgesamt wurden 2015 in Deutschland mehr als 221.000 Tonen Feinstaub (Fraktion PM10) erzeugt (3 ,6).

2 Gesundheitliche Auswirkungen

Aber warum messen wir den Feinstaub überhaupt? Ist Feinstaub etwa so gefährlich?

Kleinere Staubpartikel können bis in die Lungenbläschen vordringen, von dort in die Blutbahn gelangen und sich im gesamten Körper verteilen. Fest steht, dass hohe Feinstaub-Konzentrationen negative gesundheitliche Folgen für den menschlichen Organismus verursachen. So werden zum Beispiel Atemwegserkrankungen und Herz-Kreislauferkrankungen hervorgerufen. Besonders gefährdet sind Kleinkinder, Menschen mit geschwächtem Immunsystem, ältere Menschen, Asthmatiker und Menschen mit bestehenden Atemwegserkrankungen und Herz-Kreislaufproblemen. Die Weltgesundheitsorganisation hat im Juni 2012 solche Staubpartikel, die bei der Verbrennung von Diesel entstehen, als "sicher krebserregend" eingestuft. (5)

Eine dauerhaft hohe Konzentration an Feinstaub kann also gravierende Auswirkungen auf den Menschen haben.

3 Grenzwerte für Feinstaub

Um die Gesundheit der Menschen zu schützen, wurde von der EU eine Richtlinie mit Grenzwerten erstellt. Diese Grenzwerte lassen sich am besten in einer Tabelle darstellen (7):

3.1 Grenzwerte für den Schadstoff Feinstaub (PM10)

BezeichungMitteilungszeitraum (Messzeitraum)Grenzwert
Grenzwert für den Schutz der menschlichen Gesundheit24 Stunden50µg/m³ PM10 dürfen nicht öfter als 35mal im Jahr überschritten werden.
Grenzwert für den Schutz der menschlichen GesundheitKalenderjahr40 µg/m³ PM10

3.2 Grenzwerte für den Schadstoff Feinstaub (PM2,5)

BezeichungMitteilungszeitraum (Messzeitraum)Grenzwert
Grenzwert für den Schutz der menschlichen GesundheitKalenderjahr25 µg/m³ PM2,5

Auffällig ist hierbei, dass es für PM10 zwei einzuhaltende Grenzwerte gibt, für PM2,5 nur einen. Bei PM2,5 liegt der Wer für das Kalenderjahr außerdem mit 25 25 µg/m³ deutlich unter dem Wert Grenzwert von PM10 liegt. Dies liegt daran, dass PM2,5 allgemein weniger in der Atmosphäre vorhanden ist. Die geringere Menge ist allerdings nicht zu unterschätzen, da die kleineren Partikel die gesundheitsschädlicheren Teilchen sind.

4 Eigene Messungen

4.1 24-Stunden-Messung

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Auf dem Bild sieht man meinen fertig zusammengestellten Feinstaubsensor. Wer sehen will, wie ich den Sensor zusammengebaut habe, kann sich hier(D.tube) oder hier(youtube) ein Video dazu anschauen. Dieser ist bei mir zwar erst zwei Tage in Betrieb, aber dennoch kann man über die bereits gemessenen Werte reden.

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Werte des Sensors bei einer PM10-Messung.Werte des Sensors bei einer PM2.5-Messung. Auffällig bei der PM2.5-Messung ist dabei, dass die Skala deutlich unter der Skala der PM10-Messung liegt. Die Diagramme überschneiden sich aber dennoch sichtlich in Minima und Maxima.

Die oben gezeigten Grafiken zeigen Messungen der letzten 24h. Auffällig ist hierbei auf jeden Fall, die Spitze, die zwischen 22 Uhr und 24 Uhr aufgetreten ist. Die Werte liegen hier im Maximum bei über 110 µg /m³ (PM10). Diese Messung ist besonders auffällig, da sie damit weit über dem Grenzwert liegt (siehe 3). Doch an was kann so ein auffällig hoher Messwert liegen? Eine Möglichkeit hierzu wäre ein äußerer Faktor, welcher besonders viele Schadstoffe verursacht. Eine Vermutung wäre, dass in meiner Nachbarschaft gegrillt wurde. Neben dem großen Peak sind die Werte allerdings vollständig in einem normalen Bereich.

4.2 Zusammenhang zwischen Luftfeuchtigkeit und Feinstaub

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Aufgefallen ist vielleicht bereits die erhöhte Feinstaubdichte in der Nacht. Alleine betrachtet wirkt diese erstmal verwunderlich, betrachtet man allerdings im gleichen Zuge die rel. Luftfeuchte, so sieht man, dass zumindest ein scheinbarer Zusammenhang bestehen könnte. Es könnte zum Beispiel sein, dass die Luftfeuchtigkeit als Partikel im Feinstaubsensor gewertet wird. Ob diese Theorie allerdings wirklich stimmt, werde ich die nächsten Tage recherchieren und ebenfalls berichten.

5 Bewertung der Ergebnisse

Durch den bisher niedrigen Stand an vorhandenen Daten ist es schwer, viel zu analysieren. Ich würde die bisher sichtbaren Daten trotzdem als wertvoll betrachten, vorallem, weil sie mir eine gute Funktionsweise in den Sensor geben.

6 Ausblick

Sobald ich verschiedene Meilensteine (eine Woche, ein Monat, etc) erreicht habe, werde ich die weiteren Auswertungen hier auf dem Blog posten, damit jeder die Entwicklung meines Sensors beobachten und mir bei der Auswertung helfen kann. In näherer Zukunft werden außerdem Beitrage zu den Daten anderer Feinstaub-Sensoren, vorallem allerdings Vergleiche verschiedener Sensoren an verschiedenen Standorten folgen.

Abschließend bleibt mir nur noch, Danke an alle zu sagen, die dieses Projekt verfolgt haben. Danke an alle, die bisher gelesen haben. Danke an alle, die fleißig voten, die fleißig kommentieren! Danke!

Literatur-Quellen: (1) Umwelt Bundesamt, Feinstaub, 2018, Zugriff: 5.02.2018 (2) Umwelt Bundesamt, Feinstaub-Belastung, Herkunft, 2017, Zugriff: 5.02.2018 (3) Umwelt Bundesamt, Diagramm, Nationale Trendtabellen für die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen seit 1990, Emissionsentwicklung 1990 bis 2015 (Stand 02/2017),Zugriff: 5.02.2018 (4) Seite „Feinstaub“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 4. Februar 2018, 13:06 UTC. (Abgerufen: 5. Februar 2018, 18:35 UTC) (5) Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, Feinstaub, Zugriff: 5.02.2018 (6) Umweltbundesamt, Nationale Trendtabellen für die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen seit 1990, Emissionsentwicklung 1990 bis 2015 (Stand 02/2017),Zugriff: 5.02.2018 (7) Umwelt Bundesamt, Grenzwerte für den Schadstoff Feinstaub, 2018, Zugriff 15.02.2018