Transcript - mpg
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Projekt „Aschewolke“ 2010
des Max-Planck-Gymnasiums Trier
im Rahmen der
Island-Exkursion
Copyright by Lukas Wagner; eine Vervielfältigung jeglicher Art ist nicht gestattet
Slide 2
Einleitung
Im August/September 2010 machten sich 20
Schüler und 3 Lehrer des MPG-Trier auf den Weg
nach Island. Da knapp ein halbes Jahr zuvor der
Ausbruch des „Eyjafjallajökull“ für Aufsehen
gesorgt hatte, nahm eine Schülergruppe um
Jürgen Schön ein, freundlicherweise von der
Firma Grimm bereitgestelltes, „Aerosolmessgerät“
mit nach Island. Diese Präsentation soll die
wissenschaftlichen Hintergründe des
Messverfahrens und der Feinstaubproblematik
darstellen.
Slide 3
Feinstaub
Kleinste Schwebeteilchen
- s.g. „PM-Standard“ (Particular Matter):
- PM10 < 10 μm
- PM2.5 < 2,5 μm
Größe als Merkmal! Keine Aussagen über
- chemisch/physikalische Eigenschaften
- Form, etc.
Slide 4
Feinstaub als Aerosol
Feinstaub tritt als Aerosol auf
- Staub „schwebt“ in der Luft
Die Physik dahinter
Postulierte Kugelform (r = Radius)
→ aufgrund es Luftwiderstandes gilt:
v2Sink ~ r
Kleinste aufgewirbelte Teilchen verweilen lange in
der Luft
Weite Transportstrecken durch Luftbewegung
Slide 5
Medizinische Aspekte
- Atemwege filtern Außenluft
- obere Atemwege: > 10 μm (s.a. Messgeräteaufbau)
- Bronchien/Bronchiolen: 2-10 μm
- Alveolen: < 2 μm
–
Bronchien und Alveolen besitzen kein
Flimmepithel mehr
→ Ein Abtransport über Exspiration ist nicht
mehr möglich!
Slide 6
Gefahren
Mögliche Schäden hängen stark von der
Qualität des Staubes ab:
- Ätzend (NaOH-Staub, H2SO4-Tröpfchen, etc.)
- Reizend (z.B. Al2O3-, CaOH2-Stäube)
- Radioaktiv („Fallout“; 90Sr, 137Cs)
- Giftig (Pb-, As-, Hg-Stäube)
- Kanzerinogen (z.B. Asbest)
- Pathogen (Pneumokokken, Pilzsporen)
- Harmlos (Seesalz („Seeluft“), Wassertröpfchen)
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Grenzwerte der WHO
(Air quality guideline, 1996)
Jahresmittel PM10 = 20 µg/m³
Jahresmittel PM2,5 = 10 µg/m³
→ Aussagekraft gering, da gewichtsbezogen
- keine chemisch-physikalischen Eigenschaften
→ schlechtes Maß für Gesundheitsgefahren
Aber: Gewichts-Parameter schnell, exakt
bestimmbar!
Slide 8
Feinstaubplakette
•
Sind die Partikel einheitlich (z.B. Autoabgase)
ist ein partikelanzahlbezogener Wert ein gutes
Maß für die gesundheitliche Gefahr
•
Zur Bekämpfung der Feinstaubproblematik
gibt es seit 2007 in deutschen Städten s.g.
„Umweltzonen“ in den emissionsstarke PKW
(zu bestimmen Zeiten) nicht fahren dürfen
•
Da unsere „Staubqualität“ (Asche) bekannt
war, war für uns eine partikelanzahlbezogene
Messung völlig ausreichend
Slide 9
Vulkanische Asche
•
Material vulkanischen Ursprungs < 2mm
•
Hauptbestandteil: SiO2 und Spurenelemente
•
Formen sehr variabel (scharfkantig,
abgerundet)
Grundsätzlich keine Gesundheitsgefahr, aber:
- Ätzend durch H2SO4-Anhaftungen
- Reizend durch mineralischen Charakter
- Enthaltene Fluoride binden Calcium
→ Probleme bei Blutgerinnung
Slide 10
Gefahren durch Vulkanasche
•
Mögliche Gefahren durch Vulkanasche:
–
„Sandstrahleffekt“ auf Scheiben, Lack, etc
–
Verklebung der Triebwerke durch
Aufschmelz- und Ablagerungseffekte
–
Zusetzen von Sensoren
–
Kristallisationskeime für Wasser/Eis
→ Auswirkungen sind stark abhängig von Art
und Konzentration der Ascheteilchen!
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Flugverbot-Kontroverse
•
Vor Ausbruch keine Grenzwerte
•
Keine Referenzwerte
•
Seit Beginn der modernen Luftfahrt sind ca.
30 Zwischenfälle bekannt
–
Auswirkungen sehr unterschiedlich
–
Spätere Aussagen über Aschekonzentration bei
Durchflug nicht möglich
Slide 12
Die Messflüge
•
Flugzeuge mit Aerosolmessgeräten
(maßgeblich von der Firma Grimm)
bestimmten die tatsächliche
Feinstaubkonzentration während der
Ausbruchsphase
•
Im Dezember 2010 werden wir unsere
Messergebnisse Herrn Prof. Dr. Weber von
der FH Düsseldorf vorstellen, der u.a.
Messflüge durchgeführt hat
Slide 13
Konsequenzen des Flugverbotes
•
Größte Störung des Luftverkehrs seit
11.09.2001
•
Geschätzter wirt. Schaden: 1 Milliarde €
weltweit!
•
Festlegung von Grenzwerten (EU):
–
Zone 1: < 0,2mg/m³: keine Einschränkungen
–
Zone 2: 0,2-2 mg/m³: kürze Wartungsintervalle
–
Zone 3: > 2 mg/m³: Flugverbot in 110 kmUmkreis
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Eyjafjallajökull
•
Kleiner, subglacialer Vulkan im Süden Islands
•
Vor 2010 nur ein Ausbruch im Jahre 1834
–
Dauer: 13 Monate mit Unterbrechungen
–
Keine gesicherten Daten verfügbar
•
Ausbruch 2010
–
Dauer: 20.03.- 24.05.2010
–
Wechsel zwischen starken und schwachen
Erruptionsphasen
–
Asche wurde durch verdampfendes
Gletscherwasser bis in 8000m geschossen
Slide 15
Eyafjallajökull
→ Transport bis zum europäischen Festland
durch starke Winde
• Während der Exkursion konnten wir am
Nordrand des Gletschervulkanes eine erhöhte
Staubkonzentration durch aufgewirbelte Asche
messen
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ICAO und VAAC
•
9 „Volcanic Ash Advisory Center“ (VAAC) der
„International Civil Aviation Organisation“ (ICAO)
→ Überwachung von Vulkanaschegefahren für
den weltweiten Luftraum
•
Bis 2010 keine Grenzwerte für
Aschekonzentration!
- Lediglich „Sichtbarkeit“ der Asche durch
Infrarotabsorption im Satellitenbild
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Das Spektrometer
•
„Grimm Aerosolspektrometer # 1.109“
•
Kleinste und leichteste Gerät zur
Echtzeitmessung von Feinstaub weltweit
•
2,5 kg
•
Tagelange Messreihen dank aufladbarer
Batterie und Speicherkarte ohne
Strom/Computer möglich
→ Ideales Gerät für Exkursions-Messungen
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„Trägheitsfilter“
Slide 19
Erläuterung zum „Trägheitsfilter“
•
Luftstrom im Messgerät: 72l/h
→ Geringe Sogkraft
•
Teilchen > 10µm werden aufgrund ihrer
Trägheit nicht eingezogen, sondern sinken zu
Boden
•
Gleiches System findet sich beim
Nasenhöcker
Slide 20
Das Messprinzip
•
„90°-Streulichtdetektion“
•
Laserstrahl fällt senkrecht auf Probenstrom
•
Feinstaubpartikel reflektieren/streuen das
Licht
•
In Abhängigkeit der Lichtintensität/Streuwinkel
im Detektor Aussage über Größe und Menge
der Partikel möglich
•
Messung nahezu unabhängig von
Beschaffenheit und stofflicher Qualität des
Staubes
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Der Strahlengang
Slide 22
Quellen
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Ausbruch_des_Eyjafjallaj%C3%B6kull_2010
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Vulkanasche
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Feinstaub
•
http://de.wikipedia.org/wiki/International_Civil_Aviation_Organization
•
http://www.lfg.uni-erlangen.de/lehre/pchar/Praktikum_PA/Praktikum_%20Produktanalyse.pdf
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Pneumokoniose
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktiver_Niederschlag
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Volcanic_Ash_Advisory_Center
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Aerosol
•
Bedienungsanleitung des „Grimm Aerosolspektrometers #1.109“
•
Copyright by Lukas Wagner; eine Vervielfältigung jeglicher Art ist nicht gestattet
Projekt „Aschewolke“ 2010
des Max-Planck-Gymnasiums Trier
im Rahmen der
Island-Exkursion
Copyright by Lukas Wagner; eine Vervielfältigung jeglicher Art ist nicht gestattet
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Einleitung
Im August/September 2010 machten sich 20
Schüler und 3 Lehrer des MPG-Trier auf den Weg
nach Island. Da knapp ein halbes Jahr zuvor der
Ausbruch des „Eyjafjallajökull“ für Aufsehen
gesorgt hatte, nahm eine Schülergruppe um
Jürgen Schön ein, freundlicherweise von der
Firma Grimm bereitgestelltes, „Aerosolmessgerät“
mit nach Island. Diese Präsentation soll die
wissenschaftlichen Hintergründe des
Messverfahrens und der Feinstaubproblematik
darstellen.
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Feinstaub
Kleinste Schwebeteilchen
- s.g. „PM-Standard“ (Particular Matter):
- PM10 < 10 μm
- PM2.5 < 2,5 μm
Größe als Merkmal! Keine Aussagen über
- chemisch/physikalische Eigenschaften
- Form, etc.
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Feinstaub als Aerosol
Feinstaub tritt als Aerosol auf
- Staub „schwebt“ in der Luft
Die Physik dahinter
Postulierte Kugelform (r = Radius)
→ aufgrund es Luftwiderstandes gilt:
v2Sink ~ r
Kleinste aufgewirbelte Teilchen verweilen lange in
der Luft
Weite Transportstrecken durch Luftbewegung
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Medizinische Aspekte
- Atemwege filtern Außenluft
- obere Atemwege: > 10 μm (s.a. Messgeräteaufbau)
- Bronchien/Bronchiolen: 2-10 μm
- Alveolen: < 2 μm
–
Bronchien und Alveolen besitzen kein
Flimmepithel mehr
→ Ein Abtransport über Exspiration ist nicht
mehr möglich!
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Gefahren
Mögliche Schäden hängen stark von der
Qualität des Staubes ab:
- Ätzend (NaOH-Staub, H2SO4-Tröpfchen, etc.)
- Reizend (z.B. Al2O3-, CaOH2-Stäube)
- Radioaktiv („Fallout“; 90Sr, 137Cs)
- Giftig (Pb-, As-, Hg-Stäube)
- Kanzerinogen (z.B. Asbest)
- Pathogen (Pneumokokken, Pilzsporen)
- Harmlos (Seesalz („Seeluft“), Wassertröpfchen)
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Grenzwerte der WHO
(Air quality guideline, 1996)
Jahresmittel PM10 = 20 µg/m³
Jahresmittel PM2,5 = 10 µg/m³
→ Aussagekraft gering, da gewichtsbezogen
- keine chemisch-physikalischen Eigenschaften
→ schlechtes Maß für Gesundheitsgefahren
Aber: Gewichts-Parameter schnell, exakt
bestimmbar!
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Feinstaubplakette
•
Sind die Partikel einheitlich (z.B. Autoabgase)
ist ein partikelanzahlbezogener Wert ein gutes
Maß für die gesundheitliche Gefahr
•
Zur Bekämpfung der Feinstaubproblematik
gibt es seit 2007 in deutschen Städten s.g.
„Umweltzonen“ in den emissionsstarke PKW
(zu bestimmen Zeiten) nicht fahren dürfen
•
Da unsere „Staubqualität“ (Asche) bekannt
war, war für uns eine partikelanzahlbezogene
Messung völlig ausreichend
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Vulkanische Asche
•
Material vulkanischen Ursprungs < 2mm
•
Hauptbestandteil: SiO2 und Spurenelemente
•
Formen sehr variabel (scharfkantig,
abgerundet)
Grundsätzlich keine Gesundheitsgefahr, aber:
- Ätzend durch H2SO4-Anhaftungen
- Reizend durch mineralischen Charakter
- Enthaltene Fluoride binden Calcium
→ Probleme bei Blutgerinnung
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Gefahren durch Vulkanasche
•
Mögliche Gefahren durch Vulkanasche:
–
„Sandstrahleffekt“ auf Scheiben, Lack, etc
–
Verklebung der Triebwerke durch
Aufschmelz- und Ablagerungseffekte
–
Zusetzen von Sensoren
–
Kristallisationskeime für Wasser/Eis
→ Auswirkungen sind stark abhängig von Art
und Konzentration der Ascheteilchen!
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Flugverbot-Kontroverse
•
Vor Ausbruch keine Grenzwerte
•
Keine Referenzwerte
•
Seit Beginn der modernen Luftfahrt sind ca.
30 Zwischenfälle bekannt
–
Auswirkungen sehr unterschiedlich
–
Spätere Aussagen über Aschekonzentration bei
Durchflug nicht möglich
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Die Messflüge
•
Flugzeuge mit Aerosolmessgeräten
(maßgeblich von der Firma Grimm)
bestimmten die tatsächliche
Feinstaubkonzentration während der
Ausbruchsphase
•
Im Dezember 2010 werden wir unsere
Messergebnisse Herrn Prof. Dr. Weber von
der FH Düsseldorf vorstellen, der u.a.
Messflüge durchgeführt hat
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Konsequenzen des Flugverbotes
•
Größte Störung des Luftverkehrs seit
11.09.2001
•
Geschätzter wirt. Schaden: 1 Milliarde €
weltweit!
•
Festlegung von Grenzwerten (EU):
–
Zone 1: < 0,2mg/m³: keine Einschränkungen
–
Zone 2: 0,2-2 mg/m³: kürze Wartungsintervalle
–
Zone 3: > 2 mg/m³: Flugverbot in 110 kmUmkreis
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Eyjafjallajökull
•
Kleiner, subglacialer Vulkan im Süden Islands
•
Vor 2010 nur ein Ausbruch im Jahre 1834
–
Dauer: 13 Monate mit Unterbrechungen
–
Keine gesicherten Daten verfügbar
•
Ausbruch 2010
–
Dauer: 20.03.- 24.05.2010
–
Wechsel zwischen starken und schwachen
Erruptionsphasen
–
Asche wurde durch verdampfendes
Gletscherwasser bis in 8000m geschossen
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Eyafjallajökull
→ Transport bis zum europäischen Festland
durch starke Winde
• Während der Exkursion konnten wir am
Nordrand des Gletschervulkanes eine erhöhte
Staubkonzentration durch aufgewirbelte Asche
messen
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ICAO und VAAC
•
9 „Volcanic Ash Advisory Center“ (VAAC) der
„International Civil Aviation Organisation“ (ICAO)
→ Überwachung von Vulkanaschegefahren für
den weltweiten Luftraum
•
Bis 2010 keine Grenzwerte für
Aschekonzentration!
- Lediglich „Sichtbarkeit“ der Asche durch
Infrarotabsorption im Satellitenbild
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Das Spektrometer
•
„Grimm Aerosolspektrometer # 1.109“
•
Kleinste und leichteste Gerät zur
Echtzeitmessung von Feinstaub weltweit
•
2,5 kg
•
Tagelange Messreihen dank aufladbarer
Batterie und Speicherkarte ohne
Strom/Computer möglich
→ Ideales Gerät für Exkursions-Messungen
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„Trägheitsfilter“
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Erläuterung zum „Trägheitsfilter“
•
Luftstrom im Messgerät: 72l/h
→ Geringe Sogkraft
•
Teilchen > 10µm werden aufgrund ihrer
Trägheit nicht eingezogen, sondern sinken zu
Boden
•
Gleiches System findet sich beim
Nasenhöcker
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Das Messprinzip
•
„90°-Streulichtdetektion“
•
Laserstrahl fällt senkrecht auf Probenstrom
•
Feinstaubpartikel reflektieren/streuen das
Licht
•
In Abhängigkeit der Lichtintensität/Streuwinkel
im Detektor Aussage über Größe und Menge
der Partikel möglich
•
Messung nahezu unabhängig von
Beschaffenheit und stofflicher Qualität des
Staubes
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Der Strahlengang
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Quellen
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Ausbruch_des_Eyjafjallaj%C3%B6kull_2010
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Vulkanasche
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Feinstaub
•
http://de.wikipedia.org/wiki/International_Civil_Aviation_Organization
•
http://www.lfg.uni-erlangen.de/lehre/pchar/Praktikum_PA/Praktikum_%20Produktanalyse.pdf
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Pneumokoniose
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktiver_Niederschlag
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Volcanic_Ash_Advisory_Center
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Aerosol
•
Bedienungsanleitung des „Grimm Aerosolspektrometers #1.109“
•
Copyright by Lukas Wagner; eine Vervielfältigung jeglicher Art ist nicht gestattet