Die Aufgabe der vorgestellten Studie bestand darin, Konzentrationen von NO₂ und Partikeln (PM₁₀ und PM_2,5) entlang eines ausgewählten Abschnittes der stark befahrenen Bundesstraße B14, die durch das Stadtgebiet von Stuttgart verläuft und an der die Spotmessstelle 'Am Neckartor’ der LUBW (Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg) liegt, die aufgrund ihrer permanenten Grenzwertüberschreitungen für PM₁₀ und NO₂ zu zweifelhaftem Ruhm gekommen ist, zu untersuchen. Dafür wurden die Verteilung der Feinstaub- und Stickstoffdioxidkonzentrationen sowohl zeitlich als auch räumlich hochaufgelöst aufgenommen. Die Luftverunreinigungen wurden im April, Mai und Juni 2014 und in einer zweiten Messkampagne von Mitte März bis Ende April 2015 mit Hilfe von mobilen Messungen entlang einer festen, für Radfahrer zugänglichen Messroute, gemessen. Die Instrumentierung umfasste einen Grimm Partikelzähler (OPC) für PM₁₀ und PM_2,5, sowie ein Messgerät der Fa. Scintrex mit der Gerätebezeichnung LMA-3 (Flüssigchemilumineszenz) für NO₂. Ergänzt wurden die mobilen Messungen durch Passivsammlermessungen von NO₂ und während der zweiten Messkampagne von NO₂ und NO_x an ausgewählten Messstandorten. Am Standort der Spotmessstelle 'Am Neckartor' wurden die höchsten Konzentrationen verzeichnet. Zu Vergleichszwecken wurde auch im angrenzenden Schlosspark gemessen. Die Messungen zeigten, dass dort die Konzentrationen wesentlich geringer waren. Im Vergleich zu Feinstaub sank die NO₂-Konzentration mit einem deutlich stärkeren Gradienten, mit zunehmender Distanz von der viel befahrenen Straße. Auffällig war, dass sich die NO₂-Konzentrationen auf Kreuzungen verringerten, während sich die Feinstaubkonzentrationen erhöhten. Die NO₂-Konzentrationen werden drastisch und die Feinstaubkonzentrationen stark von den Emissionen des Straßenverkehrs beeinflusst. Die städtische Hintergrundbelastung hat einen deutlichen Einfluss auf die PM₁₀-Konzentration. Die Studie veranschaulicht den Nutzen der räumlichen Erfassung von Luftschadstoffen in städtischen Gebieten.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1. Einleitung

In Baden-Württemberg (BW) ist die Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) für das Betreiben und Warten des Immissionsmessnetzes zuständig. Im Jahre 2014 wurden in Baden-Württemberg an acht Verkehrsmessstationen, an 26 Stationen im städtischen Hintergrund und an zwei Stationen im ländlichen Hintergrund die relevanten Luftschadstoffe gemessen [5]. Zusätzlich zu den dauerhaft vorhandenen Messstationen gibt es für ausgesuchte Standorte sogenannte Spotmessstationen. "Zweck der Spotmessstation ist die Erfassung der verkehrsnahen Luftverunreinigungen an städtischen Belastungsschwerpunkten“. In Stuttgart gibt es derzeit drei Spotmessstation, wobei eine davon die Messstation Stuttgart 'Am Neckartor’, zentrumsnah an der stark befahrenen Bundesstraße B14 steht. Diese Messstation rückte schon des Öfteren in den Fokus sowohl der Fachwelt als auch der Öffentlichkeit, da sie innerhalb von Baden-Württemberg und auch innerhalb Deutschlands regelmäßig die höchsten NO₂- und Feinstaub-Immissionsbelastungen (PM₁₀) zu verzeichnen hat [6].

Die Aufgabe der Studie bestand darin, mittels mobilen Messungen die Strecke von ca. 5 km der B14, welche durch das Zentrum von Stuttgart verläuft, auf Luftverunreinigungen (NO₂, NO_x-, PM₁₀ und PM_2,5) zu untersuchen und mit den Messdaten der Spotmessstation 'Am Neckartor' zu vergleichen. Dabei soll herausgefunden werden, ob es entlang des Messgebietes Bereiche gibt, die an die Immissionsbelastung am Standort 'Am Neckartor’ heranreichen oder diese sogar überschreiten.

2. Aktueller Kenntnisstand

In der 39. BImSchV sind folgende Grenzwerte für NO₂ festgelegt: Der Stundenmittelwert von NO₂ darf den Grenzwert von 200 µg/m³ im Jahr nicht öfter als 18 Mal überschreiten. Der Jahresmittelwert von NO₂ darf nicht höher als 40 µg/m³ sein [2]. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, betrug der NO₂-Jahresmittelwert an der LUBW-Messstation Stuttgart 'Am Neckartor’ in den Jahren 2004 bis 2015 regelmäßig zwischen 87 und 121 µg/m³, also um den Faktor 2,5 bis 3 über dem erlaubten Grenzwert, wobei seit 2010 eine Tendenz zur Stabilisierung des Jahresmittelwerts bei ca. 90 µg/m³ festzustellen ist, wenngleich der Grenzwert immer noch stark überschritten ist [4]. Die erlaubte Anzahl der Überschreitungsstunden, die im Jahre 2010 von 175 auf 18 Stunden reduziert wurde, festgelegt in der 39. BImSchV, wird schon meist im März überschritten. Tendenziell ist aber eine deutliche Reduktion der Häufigkeit der Grenzwertüberschreitung zu verzeichnen. Noch im Jahre 2005 gab es beispielsweise 848 Überschreitungsstunden, die bis 2016 sukzessiv auf 35 Überschreitungsstunden zurückgingen, wobei auch diese Anzahl immer noch eine Grenzwertüberschreitung bedeutet [3].

Die Grenzwertüberschreitungen der PM₁₀-Konzentrationen an zwei Stuttgarter Spotmessstationen, der Messstation ‘Am Neckartor’ und der Messstation ‘Hohenheimer Str.’ für die Jahre 2004 bis 2015 ist in Abbildung 2 dargestellt. Noch im Jahre 2005 wurde der Tagesgrenzwert von PM₁₀, der bei 50 µg/m³ liegt, an jedem zweiten Tag im Jahr (Anzahl 187) überschritten, wobei maximal 35 Überschreitungstage pro Jahr erlaubt sind. Es ist aber auch eine abnehmende Tendenz der Überschreitungen deutlich zu beobachten.

Untersuchungen der LUBW [1] über die verursachenden Emissionsquellen haben ergeben, dass 59 % der NO₂-Immissionsbelastung am Standort Stuttgart

Abbildung 1: Jahresmittelwerte der NO₂-Konzentration an den LUBW-Messstationen 'Am Neckartor' und 'Hohenheimer Straße' in Stuttgart von 2004 bis 2015 und Jahresgrenzwert von 40 µg/m³ [3]

Abbildung 2: Anzahl der Tage mit Überschreitung des PM₁₀-Tageswertes von 50 µg/m³ an den LUBW-Messstationen 'Am Neckartor' und 'Hohenheimer Straße' in Stuttgart von 2004 bis 2015 und Jahresgrenzwert 35 erlaubten Überschreitungen [3]

‘Am Neckartor’ dem lokalen Straßenverkehr zuzuordnen ist. Die gesamte lokale Belastung (Verkehr + kleine und mittlere Feuerungsanlagen) fällt im Vergleich zu anderen Standorten mit 64 % sehr hoch aus.

In der 39. BImSchV sind die Immissionsgrenzwerte für PM₁₀ und PM_2,5 festgesetzt. Der über ein Kalenderjahr gemittelte Immissionsgrenzwert von PM₁₀ liegt bei 40 µg/m, der für PM_2,5 beträgt 20 µg/m³, gültig seit 2015. Der über einen Tag gemittelte Immissionsgrenzwert von PM₁₀ beträgt 50 µg/m³ und darf maximal 35 Mal in einem Kalenderjahr überschritten werden. Nach Einführung der PM₁₀-Grenzwerte im Jahre 2005 kam es an der Messstation ‘Am Neckartor’ noch regelmäßig zu Überschreitungen des Jahresgrenzwertes. Dieser wurde in den letzten Jahren aber eingehalten. Allerdings wird der Tagesgrenzwert von 50 µg/m³ noch regelmäßig stark überschritten, im Jahre 2015 z.B. an 72 Tagen, wobei auch hier ein Rückgang der Grenzwertüberschreitungen zu verzeichnen ist. Im Jahre 2005 wurde der Grenzwert noch an 187 Tagen nicht eingehalten.

Abbildung 3: Quellzuordnung der Verursacher der PM₁₀-(links) und NO₂-Konzentrationen (rechts) an der LUBW-Messstation ‚Am Neckartor‘ [1]

Wie Abbildung 3 zu entnehmen ist, werden am Standort ‘Am Neckartor’ 37 % des PM₁₀-Anteils durch den lokalen Straßenverkehr (Abgase, Abrieb und Wiederaufwirbelung) verursacht und ca. 7 % durch kleine und mittlere Feuerungsanlagen und weniger als ein Prozent durch Industrie und Gewerbe. Die restlichen 49 % sind dem Gesamthintergrundniveau (Urbaner und großräumiger Hintergrund) zuzuordnen [1].

Die Bundesstraße B14, die direkt an der Spotmessstation ‘Am Neckartor’ vorbeiführt, ist eine wichtige Verkehrsader im Raum Stuttgart. Sie besteht aus zwei Fahrtrichtungen und besitzt drei Fahrspuren in jede Richtung. An manchen Abschnitten im weiteren Verlauf besitzt die Straße bis zu fünf Spuren in jede Fahrtrichtung. Täglich passieren laut einer Verkehrserhebung der LUBW von 2012 durchschnittlich mehr als 70.000 Kraftfahrzeuge die Messstation. Der LKW-Anteil beträgt dabei 3,0 %. Am Wochenende verringert sich die durchschnittliche tägliche Verkehrsstärke um bis zu 33 %. Der Anteil der schweren Nutzfahrzeuge geht sogar um 86 % zurück.

In Abbildung 4 ist die gesamte Messstrecke entlang der B14 abgebildet. Sie besitzt eine Länge von 3,8 km, vom im Nordosten gelegenen Heinrich-Baumann-Steg bis zum im Südwesten gelegenen Marienplatz. Die Messungen wurden bewusst mit einem Fahrrad als Messfahrzeug durchgeführt und nicht mit einem Kraftfahrzeug, da die Messungen mit gleichem Abstand zur Straße durchgeführt werden sollten, wie die Spotmessstation ‚Am Neckartor‘ sich vom Straßenrand entfernt befindet, in ca. 3 m Abstand. Je näher man sich an eine Quelle für Luftverunreinigungen begibt, desto stärker ist der Gradient, dem die Konzentrationen unterworfen sind.

Abbildung 4: Messstrecke entlang der B14, auf Geh- bzw. Radwegen vom im Nordosten gelegenen Heinrich-Baumann-Steg bis zum im Südwesten gelegenen Marienplatz. Einteilung der gesamten Messstrecke in Teilstrecken.

3. Angewandte Methodik

Die Messzeiträume der durchgeführten mobilen Immissionsmessungen erstreckten sich über zwei Monate vom 16. April bis16. Juni 2014 und über sechs Wochen vom 13. März bis Ende April 2015.

Tabelle 1: Auflistung der verwendeten Messgeräte für die mobilen Messungen

In Tabelle 1 werden die Messgeräte aufgelistet, die für die mobilen Messungen zum Einsatz kamen. Die verwendeten Messgeräte wurden speziell für den mobilen Einsatz konzipiert, weshalb diese verglichen mit stationären Messgeräten ein relativ kleines Gewicht besitzen und mit Akkus betrieben werden können. Das NO₂-Messgerät LMA-3 der Firma Scintrex wiegt ca. 4 kg und der optische Partikelzähler der Marke Grimm 2,5 kg. Zudem sind diese sehr unempfindlich gegenüber äußeren Einwirkungen wie Erschütterungen und größeren Temperaturänderungen. In der Tabelle sind neben der genauen Gerätebezeichnung noch jeweils das Messprinzip, der Messbereich, die zeitliche Auflösung und die verwendete Anzahl der Messgeräte für die Messung enthalten.

Im Rahmen der Qualitätssicherung der Messdaten wurden für die Grimm Streulichtfotometer Vergleichsmessungen in der Außenluft durchgeführt, da in der Studie insgesamt vier identische Geräte zum Einsatz kamen. Alle vier Geräte wurden mehrmals über mehrere Stunden Parallelmessungen unterzogen. Als Ergebnis wurde für jedes der vier Messgeräte zwei Korrekturformeln errechnet, die eine für den PM₁₀-Kanal, die zweite für den PM_2,5-Kanal, mit welcher die Messwerte aufeinander abgeglichen werden konnten. Die einzelnen Korrekturformeln wurden folgendermaßen erstellt:

Abbildung 5: Korrelation von Mittelwerten und unveränderten Werten des Streulichtfotometers I in einer stationären Vergleichsmessung, Messung von PM₁₀

Zuerst wurde je eine Mittelwertreihe für PM_2,5 und PM₁₀ aus allen Messwerten der vier Messgeräte erstellt. Diese Mittelwerte, welche die Referenzwerte darstellten, wurden den unveränderten Messwerten der einzelnen Messgeräte in einem Regressionsdiagramm gegenübergestellt. In der Abbildung 5 wird für ein Messgerät und für die Komponente PM₁₀ beispielhaft aufgezeigt, wie so eine Korrekturformel erstellt wurde. Das Bestimmtheitsmaß von R² = 0,9988 lässt darauf schließen, dass die unveränderten Messwerte tendenziell mit den Mittelwerten aller vier Messgeräte gut übereinstimmten.

Es ergab sich folgende Korrekturformel:

y = 0,97 * x -1,4

y = Unveränderte PM₁₀¬-Konzentration des Messgerätes I x = Mittelwert der PM₁₀-Konzentration aller Messgeräte

Tabelle 2: Auflistung der erstellten Korrekturformeln

Letztendlich wurden je Messgerät zwei Korrekturformeln erstellt, mit welchen jeweils PM_2,5 und PM₁₀ an die jeweiligen anderen Messgeräte angeglichen wurden. In der Tabelle 2 sind die erstellten Korrekturformeln aufgelistet.

Die Qualitätssicherung für das NO₂-Messgerät wurde mit NO₂-haltigen Prüfgasen durchgeführt.

3.1 Aufbau des mobilen Messfahrzeuges

Als mobiles Messfahrzeug wurde ein Fahrrad verwendet, welches in der Abbildung 6 dargestellt ist. Da das Feinstaubmessgerät der Marke Grimm mit seinen Maßen von 24 x 24 x 6 cm und einem Gewicht von 2,4 kg relativ klein und leicht ist und zudem einen auswechselbaren Akku und eine interne Datenerfassung enthält, konnte es ohne großen Aufwand in einem vor dem Lenkrad befindlichen Fahrradkorb montiert werden. Für die NO₂-Messung wurde dagegen mehr Platz benötigt, da zusätzlich zum Messgerät noch eine externe Energieversorgung und eine externe Datenerfassung benötig wurden. All diese Komponenten wurden mittels einer Messbox auf dem Gepäckträger des Fahrrades montiert.

Abbildung 6: Mobiles Messfahrzeug

3.2 Ergebnisse und Bewertung der mobilen Messungen

Im Folgenden werden beispielhaft Ergebnisse der Messfahrten, die am 22.05.2014 durchgeführt wurden, dargestellt. Die Vormittagsmessungen liefen fünf Stunden lang und dauerten von 7:17 Uhr bis 12:19 Uhr (vier Messfahrten). Die Nachmittagsmessungen betrugen zwei Stunden und dauerten von 16:28 bis 18:26 Uhr (zwei Messfahrten). In Abbildung 7 ist für den 22.05.2014 der NO₂-Immissionsverlauf der Einzelwerte der Vormittagsmessungen über vier Messfahrten abgebildet. Eine Messfahrt bestand grundsätzlich aus einer Hin- und einer Rückfahrt; d.h. die Messstrecke wurde zweimal durchfahren. In Abbildung 7 wurden zusätzlich zum Immissionsverlauf der mobilen Messungen, die Stundenmittelwerte der stationären LUBW-Messstation 'Bad Cannstatt' eingezeichnet, die die städtischen Hintergrundkonzentrationen repräsentieren. Um die einzelnen Messfahrten in den Diagrammen optisch sichtbar zu machen, wurden sie farblich hinterlegt. Anhand des Diagramms kann sehr gut beobachtet werden, dass der Konzentrationsverlauf einer sehr starken zeitlichen Variation unterworfen ist. Es wurden teilweise sehr starke Spitzenkonzentrationen von annähernd 250 µg/m³ NO₂ gemessen. Die Werte gingen aber auch auf das Niveau der städtischen Hintergrundkonzentration zurück. Die Differenz zwischen der roten und der schwarzen Linie kann als momentaner Beitrag der lokalen Quelle Straßenverkehr auf der B14 interpretiert werden. Anhand dieser Ergebnisse wird deutlich, was schon mit Hilfe der Abbildung 3 erklärt wurde, dass der Anteil des lokalen Verkehrs in unmittelbarer Nähe der stark befahrenen B14 einen großen Anteil an der gesamten NO₂-Belastung besitzt. Anhand der zeitlichen Verläufe ist eine räumliche Interpretation der Einzelwerte schwierig bzw. unmöglich. Deshalb werden im Folgenden bei der genaueren Analyse von Teilabschnitten Karten hinterlegt, um eine optimale räumliche Zuordnung zu erreichen. In diesen werden die einzelnen Messwerte als Punktedargestellt, welche je nach Höhe der Immissionskonzentration entsprechend gefärbt sind. Für jede Messfahrt wurde dabei eine Karte erstellt.

Abbildung 7: Zeitlicher Verlauf der NO₂-Messung über vier Messfahrten am Vormittag des 22.05.2014

Nachfolgend werden die Besonderheiten einzelner Punkte entlang der Messstrecke aufgezeigt. In Abbildung 8 ist die erste Messfahrt der Vormittagsmessung eines ersten Abschnittes zu sehen. Der gemittelte Messwert der Spotmessstelle ‘Am Neckartor’ stimmte mit einer NO₂-Konzentration von 132 µg/m³ gut mit den einzelnen Messwerten der mobilen Messung überein. Entlang der Cannstatter Straße wurden noch höhere Immissionen oberhalb von 150 µg/m³ gemessen. Im hinteren Teil dieser Straße (Richtung Nordosten) war eine sinkende Tendenz zu erkennen, welche im späteren Verlauf der Messung noch stärker auftrat, bedingt durch die zurücktretende Randbebauung. In dem Bereich, welcher auf der Karte mit einem schwarzen Kreis gekennzeichnet wurde, befindet sich eine Fußgänger/Fahrradbrücke, welche in den angrenzenden Schlosspark führt. Abseits der Straße war eine sofortige Konzentrationssenkung in einem Bereich von 50 bis 90 µg/m³ zu verzeichnen. Entlang der Brücke wurde eine kurze Konzentrationserhöhung auf bis zu 110 µg/m³ gemessen.

Abbildung 8: Abschnitt I der Einzelwertdarstellung der NO₂-Immissionen, 1. Messfahrt von 07:19 Uhr - 08:33 Uhr) am 22.05.2014

Im Parkbereich wurden überwiegend niedrige NO₂-Konzentrationen im Bereich von 11 bis 50 µg/m³ gemessen, welche nur vereinzelt höher waren. Es lässt sich festhalten, dass der Konzentrationsabfall abseits der Straße die ersten Meter sehr stark war, dann aber mit zunehmender Distanz auf einem niedrigen Niveau stagnierte. Auf der Brandt / Adenauer Straße (siehe Pfeil 1) wurden zunehmend hohe Konzentrationen zwischen 110 und über 150 µg/m³ gemessen.

In der Abbildung 9 ist der zweite Abschnitt der ersten Messfahrt am 22.05.2014 zu sehen. Die NO₂-Messwerte entlang der Straße bewegten sich generell auf einem recht hohen Konzentrationsniveau von ca. 90 bis 200 µg/m³. Der Pfeil 5 zeigt auf einen Bereich, welcher sich direkt neben der B14 befindet. Dort wurden NO₂-Immissionskonzentrationen zwischen 110 bis 150 µg/m³ gemessen. Auffällig ist der blau gefärbte Bereich darüber, welcher Konzentrationen von 25 bis 50 µg/m³ aufwies. Dieser große Unterschied könnte dadurch entstanden sein, da sich an dieser Stelle erstens eine Baulücke in der ansonsten dichten beidseitigen Randbebauung befindet, durch welche der Luftaustausch gefördert wird und zweitens ein Teilbereich einen Grünstreifen enthält. Dieses Phänomen konnte in mehr oder weniger ausgeprägter Form in allen anderen Messfahrten beobachtet werden.

Bei dem nächsten Bereich handelt es sich um den Oberen Schlossgarten 'Park II' (siehe Pfeil 6). Es ist gut zu erkennen, dass sich die NO₂-Immissionen über die gesamte Strecke im Park unterhalb von 50 µg/m³ und teilweise sogar unterhalb von 25 µg/m³ bewegten. Im nächsten Bereich (siehe Pfeil 7) wurde in einem Abstand von ca. 2 bis 3 m zur Straße gemessen. Zudem ist an dieser Stelle ein Gebäude abgerissen worden, weshalb sich dort zum Zeitpunkt der Messung eine große freie Fläche befand. Diese beiden Gründe könnten erklären, wieso die NO₂-Konzentration an dieser Stelle über alle Messfahrten hinweg rapide sank. In dieser Messfahrt wurde dort eine Konzentration von ca. 55 µg/m³ gemessen, wobei kurz davor und danach eine Konzentration von knapp 100 µg/m³ gemessen wurde. Der nächste Pfeil, Nummer 8, beschreibt gleich mehrere Bereiche. Bei diesen handelt es sich um vier Seitenstraßen, die im rechten Winkel auf die Bundesstraße 14 stoßen, wo ein Absinken der NO₂-Konzentration beobachtet werden konnte. Da an diesen Stellen die ansonsten durchgängige Häuserfront durchbrochen war, kam es zu einer besseren Belüftung dieser Bereiche und somit zum Absinken der Konzentrationen. Im nächsten Bereich (Pfeil 9) wurde durchgehend mit sehr geringem Abstand zur Straße gemessen. Dies macht sich auch in der Höhe der Immissionen bemerkbar. Diese bewegten sich auf einem relativ hohen Niveau von 90 bis 130 µg/m³. Gleich anschließend auf der Straßenkreuzung (siehe Pfeil 10) wurde ein Absinken der Konzentration auf 25 bis 75 µg/m³ gemessen. Dies wiederholte sich über alle Messfahrten hinweg und kann wiederum durch die bessere Belüftung in diesem Bereich erklärt werden. Im nächsten Bereich (siehe schwarzer Kreis) werden beide Straßenseiten gleichzeitig betrachtet, da die Immissionskonzentrationen aufgrund der engen Häuserschlucht beidseitig sehr hoch zwischen 100 bis 200 µg/m³ lagen.

Abbildung 9: Abschnitt II der Einzelwertdarstellung der NO₂-Immissionen, 1. Messfahrt am 22.05.2014 von 07:19 Uhr - 08:33 Uhr

Erst am Wendepunkt der Strecke, wo die Häuserschlucht durch den Marienplatz, einen sehr weitläufigen, großen Platz, durchbrochen wird, sanken die Konzentrationen rapide auf 10 bis 50 µg/m³ NO₂ ab. Die im Bereich von Pfeil 12 sehr hohen NO₂-Konzentrationen von um die 150 µg/m³ dürften dadurch zu erklären sein, dass sich das Messfahrzeug aufgrund der Wartezeit an der Ampel für kurze Zeit zwischen zwei zweispurigen Straßen befand und es deshalb höheren Belastungen ausgesetzt war. Die nächsten beiden Pfeile heben zwei Bereiche entlang der Häuserschlucht hervor, in denen aufgrund einer Kreuzung (siehe Pfeil 11) und aufgrund eines temporären freien Platzes, nämlich dem Abriss eines Gebäudes (siehe Pfeil 13), und der damit einhergehenden besseren Durchlüftungsverhältnisse die Konzentrationen auf ca. 50 µg/m³ sanken. Die Gebäude entlang des nächsten Bereiches (Pfeil 14) besitzen einen drei bis vier Meter breiten Vorgarten und somit wurde in einigen Metern Abstand von der Straße gemessen. Dies könnte die Ursache dafür sein, dass sich die Konzentrationen über alle Messfahrten hinweg auf einem vergleichsweise niedrigen Level zwischen 50 bis 75 µg/m³ hielten, obwohl sich direkt daneben eine vierspurige Straße befindet. Der Pfeil 15 markiert einen Bereich, welcher sich aufgrund eines Grünstreifens mit einem Abstand von ca. 3 m zur Straße befindet. Die NO₂-Konzentration war dort mit 35 bis maximal 67 µg/m³ vergleichsweise niedrig. Auf der gegenüberliegenden Straßenseite wurden z.B. Konzentrationen zwischen 90 und 150 µg/m³ gemessen. Im Bereich von Pfeil 16 musste auf eine Seitenstraße ausgewichen werden, da sich direkt an der Straße ein Parkhaus befand, das nur auf der Rückseite mit dem Fahrrad umfahren werden konnte. Dies zog eine starke Konzentrationssenkung auf 25 bis 50 µg/m³ nach sich. Direkt gegenüber auf der anderen Straßenseite wurden Konzentrationen von 100 bis 150 µg/m³ gemessen. Der Pfeil 17 markiert einen kleinen von der Straße abgesetzten Parkbereich. In diesem wurden generell relativ niedrige Konzentrationen gemessen. 

Darstellung der gemittelten NO₂-Immissionenen

Für die nachfolgende Darstellung wurde die ungefähr 8km (3,9 km Hinfahrt + 3,9 km Rückfahrt) lange Messtrecke in sieben Streckenabschnitte unterteilt. Für die Unterteilung in Streckenabschnitte wurden Kriterien wie Straßennähe, Vorhandensein von Häuserschluchten oder Parkanlagen zugrunde gelegt. Wie sich herausstellte, sind die NO₂-Konzentrationen in Quell-/Straßennähe einem starken Gradienten unterworfen. Der Abstand zur Straße spielt eine große Rolle. In wenigen Metern Abstand zum Straßenrand, abhängig von der Windrichtung, der Windgeschwindigkeit, den Ausbreitungsbedingungen und den Emissionen, können schon wesentlich geringere Konzentrationen auftreten. Die Lokalisierung der Streckenabschnitte kann anhand der Abbildung 4 vorgenommen werden.

Abbildung 10: NO₂-Immissionsmittelwerte im Messgebiet Stuttgart vom 22.05.2014 (Datengrundlage: 6 Messfahrten)

Der erste relativ kurze Streckenabschnitt 1 ‘Am Neckartor’ wurde ausgewählt, da sich der Gehweg hinter Büschen und Bäumen befindet, wo wesentlich geringere Konzentrationen gemessen wurden. Entlang des zweiten Abschnittes befindet sich die Messstation 'Am Neckartor’ der LUBW. Dieser Abschnitt liegt direkt neben der Bundesstraße und wird durch keine Vegetation verdeckt. Der dritte Abschnitt 'Park I' befindet sich im unteren Schlossgarten von Stuttgart, wo untersucht werden soll, wie stark sich die Verkehrsemissionen auf den Park auswirken. Der vierte Abschnitt 'Brandt / Adenauer Str.' verläuft weitestgehend entlang der Straße. Lediglich ein kurzes Stück setzt sich leicht von der Straße ab. Der fünfte Abschnitt 'Park II' befindet sich im oberen Schlossgarten. In Abschnitt sechs und sieben 'Hauptstätter Str. I' und 'Hauptstätter Str. II' wurde die Messung bis auf eine kleine Ausnahme durchgehend an der Straße durchgeführt. Die Messstrecke entlang der 'Hauptstätter Str. I' führt teilweise unter Häuservorsprüngen durch. Die 'Hauptstätter Str. II' wird von einer beidseitigen Häuserschlucht dominiert, die sich erst am Wendepunkt in Höhe des Marienplatzes auflöst. In Abbildung 10 sind die gemittelten NO₂-Immissionen der Vor- und Nachmittagsmessungen zu sehen. Am auffälligsten ist der große Konzentrationsunterschied zwischen den beiden Parkabschnitten Park I und Park II im Vergleich zu den restlichen fünf Teilabschnitten entlang der Straße. Für die beiden Streckenabschnitte Neckartor / Cannstatter Str. und Park I ergab sich beispielsweise eine beträchtliche Differenz der NO₂-Immissionen von 74 µg/m³. Der städtische Hintergrund 'Bad Cannstatt' deckte sich mit den Parkwerten sehr gut und lag ca. 10 µg/m³ unterhalb des Wertes von Park I und ca. 6 µg/m³ unterhalb des Wertes von Park II. Dies lässt darauf schließen, dass die NO₂-Immissionsbelastungen mit der Entfernung von der Straße einer starken Abnahme durch Verdünnung mit unbelasteten Luftmassen unterworfen ist. Das kann daran liegen, dass eine stabile Wetterlage vorlag und dadurch die Durchmischung der Luftmassen sehr gering war. Besonders deutlich trat dieser Effekt auf, wenn die NO₂-Konzentrationen allgemein sehr hoch waren.

Des Weiteren fällt auf, dass die Messwerte im Teilabschnitt Neckartor / Cannstatter Str. mit 105 µg/m³ von den mobilen Messwerten am höchsten war. Die Teilabschnitte Neckartor, Brandt / Adenauer Str., Hauptstätter Str. I und II lagen im Bereich zwischen 73 bis 91 µg/m³ und haben damit durchweg geringere NO₂-Konzentrationen. Die Besonderheit, dass im Streckenabschnitt der Messstation 'Am Neckartor' die höchsten Werte auftraten, war durchgängig bei allen Messungen zu sehen. Die Verhältnisse der einzelnen Abschnitte zueinander, wie in Abbildung 10 dargestellt, kann als charakteristischer Verlauf der lokalen NO₂-Immissionskonzentrationen bezeichnet werden, da er für alle Messfahrten mit vereinzelten kleineren Abweichungen beobachtet werden konnte. Die gemessene NO₂-Konzentration von 114 µg/m³ der Spotmessstelle 'Am Neckartor’ stimmte in diesem Fall recht gut mit der über die Teilstrecke gemessenen Konzentration von 105 µg/m³ überein.

In Abbildung 11 können die gemittelten PM₁₀-Immissionen der Vor- und der Nachmittagsmessungen betrachtet werden. In beiden Fällen war die Immissionskonzentration der Teilstrecke Neckartor / Cannstatter Straße sowohl von der mobilen, als auch von der stationären Messung im Vergleich zu den anderen Teilstrecken am höchsten. Vormittags wurde mittels der mobilen Messung eine PM₁₀-Konzentration von 33 µg/m³ und eine geringfügig höhere Konzentration von 35 µg/m³ für die stationäre Messung ermittelt. In der Nachmittagsmessung wurde mittels der mobilen Messung eine PM₁₀-Konzentration von 38 µg/m³ und eine geringfügig niedrigere Konzentration von 36 µg/m³ für die stationäre Messung ermittelt. Im Allgemeinen stiegen die Konzentrationen nachmittags deutlich an. Die durchschnittliche gemessene PM₁₀-Konzentration der mobilen Messung betrug  vormittags 20,8 µg/m³ und nachmittags 28,5 µg/m³. Dieser Anstieg wird auch anhand der städtischen Hintergrundbelastung deutlich. Vormittags wurde an der Messstation 'Bad Cannstatt' eine durchschnittliche PM₁₀-Konzentration von 11,2 µg/m³ und nachmittags von 25,8 µg/m³ gemessen.

Abbildung 11: Vor- und Nachmittagsmessung von PM₁₀ am 22.05.2014 (6 Messfahrten)

Insgesamt wurden im Zeitraum vom 16.04. bis 16.06.2014 48 Messfahrten an ausgewählten Tagen entlang der B14 durchgeführt. Trotz der großen Anzahl der Messfahrten wurde noch ein zusätzliches Messprogramm aufgesetzt, um die mobilen Messungen über einen längeren Zeitraum mit Messergebnissen zu untermauern. Hierfür wurden über einen Zeitraum von drei Monaten, vom 10.04. bis 21.07.2014, an insgesamt 16 Standorten entlang der B14 und an einigen Hintergrundmessstandorten die NO₂-Konzentration mit Hilfe von NO₂-Passivsammlern bestimmt. Hierfür wurden NO₂-Röhrchen der Fa. Passam verwendet, welche für den Zeitraum von zwei Wochen exponiert und anschließend im Labor analysiert und ausgewertet wurden [7]. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Abbildung 12 dargestellt.

Abbildung 12: Ergebnisse von NO₂-Passivsammlermessungen, die vom 10.04. bis 21.07.2014 an ausgewählten Punkten entlang der B14 durchgeführt wurden

Die  höchsten NO₂-Konzentrationen wurden wiederum an der LUBW-Messstation 'Am Neckartor’ mit einem Mittelwert von 100 µg/m³ gemessen. An den Messpunkten, die direkt an der B14 lagen, wurden Konzentrationen zwischen 57 und 89 µg/m³ gemessen. Je nachdem wie die lokale Ausbreitungssituation am Messpunkt war, waren die Konzentrationen etwas höher oder niedriger. Lag der Messort an einer Straßenkreuzung die besser belüftet wurde oder an einem Ort an dem die nächsten Gebäude in einiger Entfernung lagen und der Messort somit auch besser belüftet war, lagen die Konzentrationen niedriger. Die beiden Messpunkte in der engen Straßenschlucht der Hauptstätter Str. wiesen Konzentrationen von 86 und 89 µg/m³ auf. Sie liegen somit auch auf einem sehr hohen Niveau, aber doch niedriger als an der LUBW-Messstation 'Am Neckartor’. An Messorten in einiger Entfernung von der stark befahrenen Bundesstraße B14 lagen die Konzentrationen zwischen 28 und 40 µg/m³, also um den Faktor 2 bis 4 niedriger als direkt an der Bundesstraße. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch die Passivsammlermessungen, die durch die mobilen Messungen gewonnenen Erkenntnisse, bestätigt wurden.

Abbildung 13: Ergebnisse von NO_x-, NO- und NO₂-Passivsammlermessungen, die vom 13.03. bis 24.04.2015 an ausgewählten Punkten im Umfeld der Bundesstraße B14 durchgeführt wurden

Sowohl die mobilen als auch die Passivsammlermessungen (NO_x, NO und NO₂) wurden im Jahre 2015 fortgesetzt. Teilergebnisse der Passivsammlermessungen sind in den Abbildungen 13 und 14 widergegeben. Die Messungen wurden über den Zeitraum von sechs Wochen, vom 13.03. bis 24.04.2015 durchgeführt.

Der Expositionszeitraum der einzelnen Sammler betrug zwei Wochen. U.a. wurden mehrere Passivsammler auf einem Transekt vom Rande der Bundesstraße B14 bis in den sich anschließenden Schlossgarten positioniert (Nr. 2 bis 7 in Abbildung 13). Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Abbildung 13 dargestellt, zusammen mit den Konzentrationen, die auf der gegenüberliegenden Straßenseite an der ca. 180 m entfernt liegenden LUBW-Messstation 'Am Neckartor' gemessen wurden (Nr. 1a). Zu sehen sind die NO_x-, die NO- und die NO₂-Konzentrationen. Vom Messpunkt 1a bis zum Messpunkt 7 ist eine starke Abnahme der Konzentrationen zu verzeichnen. Der Messpunkt 1a (LUBW-Messstation 'Am Neckartor') liegt direkt an einer Häuserfront von fünfstöckigen Gebäuden. Messpunkt 2 liegt direkt am Rande der Bundesstraße B14, die weiteren Punkte 3 bis 7 im angrenzenden Schlossgarten mit zunehmender Entfernung von der Bundesstraße. Obwohl Punkt 1a und Punkt 2 in etwa den gleichen Abstand zum Straßenrand besitzen, wurden an Punkt 2 viel geringere Konzentrationen gemessen. Die Belüftungssituation an Punkt 2 ist sehr viel besser als an Punkt 1a. Mit zunehmendem Abstand von der Straße nahmen die Konzentrationen sehr stark ab. In weniger als 40 m vom Straßenrand nahmen die Konzentrationen auf ca. 30 % bei NO, 40 % bei NO_x und 60 % bei NO₂ ab, im Vergleich zu den Konzentrationen am Straßenrand, die an Punkt 2 gemessen wurden.

Abbildung 14: Ergebnisse von NO_x-, NO- und NO₂-Passivsammlermessungen, die vom 13.03. bis 24.04.2015 an der Häuserfront eines Gebäudes in unmittelbarer Nähe zur LUBW-Messstation 'Am Neckartor' durchgeführt wurden

Die starke Abnahme mit dem Abstand zur Straße, wie sie in Abbildung 13 zu sehen ist, wurde auch in vertikaler Richtung festgestellt. An einem Gebäude an der Häuserfront, an der sich auch die LUBW-Messstation 'Am Neckartor' befindet, wurden Passivsammler an jedem Stockwerk des fünfstöckigen Gebäudes (Punkt 1c bis 1g), auf dem Dach des Gebäudes (Punkt 1h) und auch am Straßenrand in ca. 3 m Höhe (Punkt 1b) ausgebracht. Es wurden auch Passivsammler an der Messstation in unmittelbarer Nähe der Gasansaugung des kontinuierlich betriebenen Messgerätes der LUBW exponiert (Punkt 1a). Die Ergebnisse der sechswöchigen Messungen sind in Abbildung 14 zusammengefasst. Wie zu sehen ist, traten die höchsten Konzentrationen an der Messstation 'Am Neckartor' (Punkt 1a) auf. Vom Punkt 1a zum Punkt 1b konnte eine sehr deutliche Abnahme verzeichnet werden, obwohl sowohl die Höhe beider Messpunkte als auch der Abstand zum Straßenrand nahezu identisch waren. Punkt 1b befand sich an der Kreuzung der Cannstatter Str./Heilmannstr. wodurch der Standort sehr viel besser belüftet ist als der Standort 1a der Messstation, die sich unmittelbar vor der Häuserfront befindet, so dass es zu der deutlichen Abnahme der Konzentrationen von Punkt 1a zu Punkt 1b kam. Mit zunehmender Höhe nahmen die Konzentrationen aller gemessenen Stickstoffoxid-Verbindungen ab. Vergleicht man die Konzentrationen an der LUBW-Messstation 'Am Neckartor' (Punkt 1a) mit den Ergebnissen, die über Dach gemessen wurden (Punkt 1h), nahmen die NO_x-Konzentrationen um 70 % ab, die NO-Konzentrationen um 80 % und die NO₂-Konzentrationen um 50 %.

4. Schlussfolgerung und Ausblick

Die Auswertung der mobilen Messungen hat ergeben, dass die Luftverunreinigungen in Quellnähe sehr starken zeitlichen und räumlichen Schwankungen unterworfen sind. An Orten mit guter Belüftung konnte eine deutliche Abnahme der Konzentrationen festgestellt werden. Auch der Abstand zur Hauptquelle für die lokalen Luftverunreinigungen, die stark befahrene Bundesstraße B14, spielt eine große Rolle bei der Bewertung der Ergebnisse. Der Vergleich der Mittelwerte der einzelnen Teilstrecken zeigt, dass im Mittel die Immissionen von Feinstaub und NO₂ entlang der Teilstrecke Neckartor / Cannstatter Straße, in welcher sich auch die LUBW-Messstation 'Am Neckartor' befindet, in allen Messungen am höchsten waren. Andere Teilstrecken wie die Brandt / Adenauer Straße oder Hauptstätter Straße I und II wiesen ebenfalls hohe Immissionskonzentrationen auf, erreichten aber nie das Konzentrationsniveau der Teilstrecke Neckartor / Cannstatter Straße. Dies ist umso beachtlicher, da im Bereich der Hauptstätter Straße eine beidseitige Randbebauung vorhanden ist, wogegen im Bereich der Messstation ‘Am Neckartor’ nur eine einseitige Randbebauung vorherrscht. Die Frage, warum dies der Fall war, konnte nicht endgültig geklärt werden. Eventuell herrschen in diesem Bereich ganz besondere Strömungsverhältnisse, die zu dieser Situation führen. Weiterführende Messungen, die im Jahre 2015 durchgeführt wurden und sich auf den unmittelbaren Bereich des Neckartors konzentrierten, konnten ebenfalls keinen Aufschluss über diese sehr interessante Frage geben. Allerdings konnte mit Hilfe dieser Messungen festgestellt werden, dass die Stickstoffoxidkonzentrationen sehr stark mit dem Abstand zur vielbefahrenen Bundesstraße B14 abnehmen und auch ein starker vertikaler Gradient konnte festgestellt werden.

Abschließend lässt sich festhalten, dass mobile Messungen sehr gut geeignet sind, um ein größeres Untersuchungsgebiet zu beschreiben und dabei innerstädtische Hotspots von Luftschadstoffen messtechnisch aufzudecken. Die aufgenommen Messdaten können darüber hinaus noch als wichtige Zusatzparameter für Modellierungen an komplexen Strukturen dienen.

Literatur

[1] LUBW: Luftreinhalte-/Aktionspläne für Baden-Württemberg. Grundlagen, 2013

[2] Neununddreißigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes Verordnung über Luftqualitätsstandards und Emissionshöchstmengen vom 2. August 2010 (BGBl. I S.1065)

[3] http://www.stadtklima-stuttgart.de/index.php?luft_messdaten_ueberschreitungen (Stand:07.01.2017)

[4] LUBW: Messdaten (NO2, PM10, PM2,5, Verkehrsstärke) der Spotmessstelle 'Am Neckartor '. Messdaten vom Daten- und Kartendienst der LUBW und Persönliche Mitteilung (2014).  http://udo.lubw.baden-wuerttemberg.de/public/

[5] LUBW: https://www.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/18876/ (2014)

[6] LUBW: Kenngrößen der Luftqualität. (2013)

[7] Passivsammler für Stickstoffdioxid. www.passam.ch, 2012.