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Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie

EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem Verkehrsschwerpunkt in Dresden

25. Verkehrsplanerisches u. Verkehrsökolog. Kol. 29.11.2006H. Gerwig

Abteilung 2 Integrativer Umweltschutz, Luft/Klima, StrahlenReferat 22 Luftqualität


Dr. H. GerwigUFIPOLNET LIFE04 ENV/D/000054

Folie 2

EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem Verkehrsschwerpunkt in Dresden 29.11.2006


1. Wozu UFIPOLNET?2. Von Feinstaub zu Ultrafeinstaub3. Woraus besteht Feinstaub in Dresden?4. Das Projekt

› Nutzen› Partner› Orte› Organisation› Ergebnisverbreitung

5. Partikelanzahlmessungen in Dresden

6. Zusammenfassung




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“Sichtbar“Stadtaerosol Saharastaub

Stadtrand Dresden 16-12-2004

52 µg/m³ PM10

Kufstein 21-02-2004

hohe Konz. PM10

Ultrafeinstaub bleibt unsichtbar




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6. Zusammenfassung




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Wozu UFIPOLNET?

EU-Kommission fordert mehr Forschung zu Ultrafeinstaub-Konzentrationen und negative Gesundheitseffekte

EU-Kommission (DIMAS):Feinstaub (PM10): 70.000 Menschen sterben daran pro Jahr in Deutschland (FAZ 24.10.06)

Ultrafeinstaub bislang selten gemessen: für kurze Zeit, an wenigen Orten

Margot Wallström, Vize-Präsidentin der Europäischen Kommission und

Stavros Dimas, (Kommissar Umwelt)messen die partikuläre

Luftverschmutzung September 2005




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Trend von Luftschadstoffen

„klassische“ Schadstoffe der Luftqualität wie Schwefeldioxid und Gesamtstaub (TSP) nahmen ab

ultrafeine Staubpartikel (< 0,1 µm) und Partikelanzahlauf Niveau von vor 15 Jahren.

Massevon Feinstaub (PM 2,5)

Partikelanzahlinsbesondere von Ultrafeinstaub

Winter in Erfurt,




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Spiegel 14/2005

Gesundheitsgefahr

Ultrafeinstaub dringt tief in die Lunge ein

Feinstaub steht laut US-EPA in Zusammenhang zu:

Atemwegs-Erkrankungen

Bronchitis

verminderte Lungenfunktion

Vorzeitige Todesfälle bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen




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EU-GesetzeHeute

CAFE Prozess (seit 2001) + Thematische Strategie zur Luftreinhaltung (Sep. 2005) –> Revision Luftqualität-Richtlinien

EU-Luftreinhalterahmenrichtlinieund 4 Tochterrichtlinien ->BImSchG

PM10TMW (Tagesmittelwert ) 35 mal 50 µg/m³JMW (Jahresmittelwert) 40 µg/m³

US-EPA (9-2006, ca. ab 2010): PM2,5 TMW 35 µg/m³ (98 Perz.); JMW 15 µg/m³; PM10 TMW 1 mal 150 µg/m³

Regelung ab vermutlich 2007Vorläufig Einigung Parlament/Rat (23.10.06)

Review in 2013 PM2.5 + ggf. andere Schadstoffe, z.B. Partikelanzahl?

Eine EU-Luftreinhalterichtlinie

PM10TMW 55 mal 50 µg/m³JMW 40 µg/m³

PM2,5 JMW 25 µg/m³(ab 2015 Grenzwert, davor Zielwert; im Hintergrund Messung u.a. Ruß, Nitrat)




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Partikelanzahl in NormenEU-Kommission

Research for the Thematic Strategy on air pollution(EU COM(2005)446, 21.9.2005):„In den kommenden Jahren sind weitere Forschungsarbeiten zu Emissionsquellen, Atmosphärenchemie und Schadstoffausbreitungsowie zu den Auswirkungen der Luftverschmutzung auf Gesundheit und die Umwelt einschließlich langfristiger epidemiologischer Studien auf europäischer Ebene erforderlich.“EÙ-Kommission Vorschlag: Euro 5-Emissionsgrenzwertfür Partikelanzahl (#/km) PKW zusätzlich zu Masse(EU COM(2005) 683 final 2005/0282 (COD):On type approval of motor vehicles with respect to emissions and on access to vehicle repair information, http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/site/en/com/2005/com2005_0683en01.pdf)

VDIRichtlinie 3867 Blatt 1 und 2: Messen von Partikeln in der Außenluft -Charakterisierung von Prüfaerosolen - Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung –Grundlagen bzw. Kondensationspartikelzähler (CPC)




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6. Zusammenfassung




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Was ist Feinstaub (PM10)?

PM10 = 10 Mikrometer

ist 5 - 10 mal kleiner als Durchmesser menschlichen Haares:




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Was ist Ultrafeinstaub?

1 000 mal kleiner als Durchmesser menschlichen Haares:< 0,1 Mikrometer bzw. < 100 Nanometer

Ultrafeinstaub Feinstaub Haar

0,01 0,1 1 10 100 µm




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EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem Verkehrsschwerpunkt in Dresden 29.11.2006n. CHOW und WATSON 1998

Partikeldurchmesser in µm

Zus.PM10-Anteil

PM2,5rela

tive

Kon

zent

ratio

nrelative Massenkonzentration von

Gesamtstaub, PM10, PM2,5 und Ultrafeinstaub

Zusätzlicher Gesamtstaub-Anteil

TSPPM2,5 PM10

Kondensation Akkumulation Depositions-ModeAitken-Mode Condensation, Droplet(Entstehungsnah, (Ferntransport, (Sedimentation)Koagulation) Regenauswaschung)

Ultrafein




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6. Zusammenfassung




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Aerosol unter dem (Elektronen)mikroskop:

Ammoniumsulfat:

Dieselruß, 7000fach

Aerosolbilder: Martin Ebert; U Darmstadt; Saharastaub: aus Reller et al.:„Staub Geschichten“; Dieselruß: U. Heinzmann (GSF)

Hochtemperatur-verbrennung

Seesalz

Pflanzenpollen

Sandstaub

anthropogen bio/geogen




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Sekundäres Aerosol• Ammonium Ammoniak: Landwirtschaft, Abwässer, Kfz• Sulfat Schwefeldioxid: Kohleverbrennung• Nitrat Stickoxide: Verkehrabgase, Industrie• Org. Stoffe Sekundäres Organisches Aerosol SOA

(anthopogen:Kfz, Lösemittel; biogen: Pflanzenterpene)

Primäres Aerosol/Partikel• Org. Stoffe primäre Partikel: Gummiabrieb, Zellulose• Ruß Elementarer Kohlenstoff: aus Diesel-Kfz,

Kamine, Verbrennung• Spurenelem. Hochtemperaturverbrennung,

Bremsen, Eisenoxid aus Korrosion• Seesalz Na, Cl, Mg (Sulfat) aus Seaspray• Erdkruste Silizium, Aluminium, Eisen-Oxide,

Calcium-, Titanverb. aus AufwirbelungVerkehr, Boden,

Aerosolbestandteile / -quellen




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PM10

in µ

g/m

³

Abb. modifiziert nach LENSCHOW et. al. (2001) Atmospheric Env. 35, S23-33

städtischer Ursprung

Stadtgebiet Dresden 0

50

Horizontaler Schnitt der PM10 Luftkonzentration in Dresden

Δ Ort 1 - 2 = lokale Straße

Δ Ort 2 - 4= Städtischer Ursprung

Ort 4= Stadtrand + reg. Hintergr.

Orte: 1 verkehrsreiche Straße2 städt. Hintergrund 3 regionaler Hintergrund4 Stadtrand

Anteile:




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PM10

10,7%

11,4%

6,0%

4,2%

13,2%

19,7%

14,0%0,7%

20,2%

EC

Organ. Stoffe

Kruste

Sulfat

Nitrat

Ammonium

Seesalz (Na, Cl,

Spurenelemente(Oxide)Wasser+unbek.

PM10

13,3%

13,6%

7,7%

3,2%

15,1%

23,4%

9,4%

0,5%

13,7%

PM10

15,8%

11,4%

7,9%

2,4%

21,9%

20,0%

7,5%

0,5%

12,7%

Verkehr städt. Hintergrund StadtrandOrt 1 Ort 2 Ort 4

27 µg/m³ 21 µg/m³ 17 µg/m³

Dresden: Mittelwert Feb-2004 + Jul-Aug-2004

(Gerwig, 2005)




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PM10-Quellen am Schlesischen Platz in DresdenEmissionsinventare verknüpft mit PM10 Konzentrationen der Hauptkomponenten

an 3 Stationen (n. Lenschow-Ansatz)

28,1% 23,4%

3,5%

24,8% 12,3%

7,9%

lokaler Verkehrsanteil

Verkehr im Stadtgebiet

Verkehr am Stadtrandund FerntransportHaushalte

Industrie

Landwirtschaft + Natur

(5 % Ammonium)= 43,6% Verkehr

(Gerwig, 2005)




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lokaler Verkehr = Verkehrsstation - Stadthintergrund

13 %

2 %2 %2 %

5 %

PM10-Anteil aus lokalem Verkehr

24 %

Ruß aus MotoremissionenRuß aus ReifenabriebOrganische MaterieSulfat, Nitrat, AmmoniumBodenstaub, Salz, Wasser

PM10-Quellen am Schlesischen Platz in Dresden aus lokalem Verkehr

(Gerwig, 2005)




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Woraus besteht Ultrafeinstaub?

• Massenanteil Ruß nimmt mit sinkendem Partikeldurchmesser zu.• Ultrafeinstaub (56 bis 100 nm)Über die Hälfte kohlenstoffhaltige StoffeRuß Hauptbestandteil des Ultrafeinstaubs• Akkumulationsmodus Kondensation(100 bis 560 nm AeD) 40 - 60 % kohlenstoffhaltig

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

56 100

180

320

560

1.000

1.800

3.200

5.600

10.00

0

Stufen der Partikeldurchmesser in nm

Mas

sena

ntei

l in

% Ruß Organische MaterieSulfat, Nitrat, Ammonium Bodenstaub, Salz, Wasser

•Akkumulationsmodus Tröpfchen(560 bis 1800 nm AeD) 1/3 sekundäres Aerosol (Ammonium, Sulfat und Nitrat)• Grobstaub (1.000 bis 10.000 nm AeD)Bodenstaub, Wasser, See- bzw. Streusalz

(Gerwig, 2005)

Kohlenstoff im Ultrafeinstaub

Sekundäres Aerosol im

Akkumulationsmodus

Erdkruste im

Grobstaub




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Primäre Rußpartikel ca. 50 nm aus Verkehrsemission [Franck, 2004]

Ruß aus Straßenverkehr: Ruß im Ultrafeinstaub (56 - 100 nm / 50 - 140 nm) ist unabhängig von Tagestemperaturentspricht damit Dieselruß

Ruß-Konzentration: bei mittlerer Tagestemperatur >7 °C bzw. < 7°C

Partikelagglomerat ca. 400 nm aus Holzverbrennung [Gwaze et al. 2004]

Ruß

in µ

g/m

³

AeD in nm

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0 > 7°C< 7°C

MOUDI

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

10 100 1000 10000

Berner

Ruß aus häuslicher Feuerung (Holz oder Kohle): - niedrige Temperaturen -> mehr Rußk im Akkumulationsmodus - Rußpartikel aus Holz- und Kohleofenverbrennung sind gleich groß




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6. Zusammenfassung




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Projekt: Was bedeutet UFIPOLNET?

Ultrafine Particle Size Distributions in Air Pollution Monitoring NetworksKorngrößenverteilung von Nanopartikeln in Messnetzen zur Luftüberwachung

Ziel: Bau und Erprobung von bezahlbarem Messgerätfür Ultrafeine Staubpartikel in Immissionsmessnetzen über 1 Jahr

Projektlaufzeit: 12/2004 – 11/2007

EU-Fördermittel: 400 TEUR sächsische Partner: 270 TEUR




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Nutzen

Erkenntnisgewinn zum Wohle der sächsischen Bürger: Einschätzung Gesamtpartikelanzahl und –Zusammensetzung in Fläche fehlt bislang

Datensammlung zu kleineren Partikeln (0,1 µm)

Planung für Überwachung der Luftqualität Analog zu vorausplanenden Messungen von u.a. BaP und Schwermetalle vor 4ter Tochterrichtlinie in Sachsen




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Partner: Wer macht mit?

LeadpartnerSächs. Landesamt f. Umwelt und Geologie LfUG (mit UBG)und 6 Partner aus

CR, D, S

Unternehmen, wissenschaftliche Institute Luftqualitätsmessnetze




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Orte: Wo wird gemessen?

PragueSmichov tunnel

Stockholm Hornsgatan

DresdenSchlesischer Platz

AugsburgFriedberger Str.

Prototyp „TOPAS UFP 330“




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Wie organisiert?

Technicalimplementation

User requirements

Steering committeeChair: LfUG; Members: One

representative of each partner

Coordination and Management

LfUG

User group

CHMU, ITM, GSF, LfUG

Assembly Team

TOPAS, IfT

TSI

sponsoring device parts

Technicalimplementation

User requirements

Steering committeeChair: LfUG; Members: One

representative of each partner

Coordination and Management

LfUG

User group

CHMU, ITM, GSF, LfUG

Assembly Team

TOPAS, IfT

TSI

sponsoring device parts

LfUG Saxon State Agency for Environmentand Geology, Dresden (Leadpartner)IfT Leibniz Institute for tropospheric research, LeipzigCHMU Chzech HydrometeorologicalInstitute, PragueITM Department of Applied Environmental Science (ITM) University StockholmGSF National Research Center forEnvironment and Health, MunichTOPAS GmbH DresdenTSI GmbH, Aachen (Cofinancer)




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Informationsmanagement

Innen

Projektbegutachtung/Besuche

E-Mails: „UFIPOLNET: …“

wichtigste Informationen an alle z.B. durch Protokolle

Grundlagen: Projektantrag, EU-Vorschriften, eigene Financial Guidelines, Exceldateien, Verträge.

Protokolle zu Meetings!

Adressen zentral + up to date halten

Wunsch: internes Internet für wichtige Dokumentation von Protokollen, Absprachen Skizzen, Berichten, Bildern




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Transnationale Aufgabenbewältigung

Treffen

Kick-Off-Meeting vor Beginn erster Arbeiten

Regelmäßig mit allen Partnern (jährlich)

Meetings zwischen Partnern mit gemeinsamen Aufgaben (alle 1-2 Monate)

Kommunikation

Schriftverkehr in Englisch

E-Mail, Telefonkonferenzen, persönliche Treffen, Telefonate, selten Briefverkehr




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T5Evaluation

T1M

anag

emen

t

T6D

isseminationT4

Measuringactivities

T3 Implementation

T2Designing

UFIPOLNET PROJEKT Aufgaben




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Aufgaben / Zwischenziele

4 Prototypen fertig trotz Verzögerung (10 Monate)Vergleichsmessungen zu herkömmlichen Geräten positiv

Timetable UFIPOLNET LIFE 04 ENV/DE/000054 3-7-200630.11.200701.12.2004

01.2005

12.2004

1.1.04 1.1.05 1.1.06 1.1.07 1.1.08

Managment 1

Designing 2

Implementation3

Measuring 4

Evaluation 5

Dissemination 6

2005 2006 20072004

old plannig

progress 107.3.06 progress 2

30.09.06final 30.11.07

intermediate28.02.06

final congresssep / oct 07




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Wie werden Ergebnisse verbreitet?Realisiert

www.ufipolnet.eu

UFIPOLNET-Newsletter

Vorträge

Flyer in DE, EN, CZ, SV

Info-Tafeln (Messcontainer)

Pressemitteilungen

Berichte

Geplant:Jedermann-Bericht (2007)

Konferenz Sep/Oct 07: Ultrafine Particles in Urban Air

Zeitschriftenartikel




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Abschluss-Konferenz« Ultrafine Particles in Urban Air »

ca. 100 Teilnehmer hauptsächlichaus deutschsprachigen Ländern

2 Tage in Dresden

Verm. 23.-24. Oktober 2007

Inhalt: Ultrafeinstaubmessungen u.a. in Dresden, anderen OrtenUFIPOLNET und darüberhinaussowie rechtliche und gesundheitlicheAspekte

In SAB, Sächsischer Aufbaubank

Infos ab Januar 2007 unter:

www.ufipolnet.eu




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Informationstafel +Flyer am Messcontainer in Dresden

Schlesischer Platz: ca. 55.000 Kfz pro Tag




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6. Zusammenfassung




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DMPS = Differential MobilityParticle Sizer

Institut für Troposphärenforschung: IfT-Leipzig

3 - 800 nm (20 – 800 nm und 3 – 20 nm)

Reduktion für Datenbank UBG:

Halbstundenmittelwerte

8 Korngrößenklassen

Messung in Dresden bisher: Twin DMPS (IfT)

100

1.000

10.000

100.000

1 10 100 1.000

100

1.000

10.000

100.000

1 10 100 1.000

(Löschau, 2005)




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Par

tikel

anza

hl p

ro K

ubik

zent

imet

er Bsp. Korngrößenverteilungverkehrsreiche KreuzungDresden, Schlesischer Platz

Durchschnittlicher Werktag:Minimum 3:00 hMaximum 8:00 h

mehr als 90% Partikel zwischen 10 - 200 nm

Konzentration variiert mit Ort: ländlich niedriger als in Stadt

Ultrafeinstaub: Wie hoch ist die Konzentration?

(Löschau, 2004)

Durchschnittlicher Werktag (1 Jahresmittel)




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PM10 Tagesgang

0

10

20

30

40

50

60

00:00 06:00 12:00 18:00 00:00

µg/m³ Straßenschlucht

In Stadt an Straße

städtischer Hintergrund

ländlicher Hintergrund

(Löschau, 2006)




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KfZ-Tagesgänge4 Messstationen* in Dresdens Zentrum

Summe 4 stationen 2003 Tagesganglinien Kfz

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 00

Uhrzeit

Anz

ahl F

ahrz

euge

Fr Sa So Di - Do

(Gerwig, 2005)

* Ammonstr., Carolabrücke, Königsbrücker Str. und Radeburger Str.




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Summe 4 Zählstellen 2003 Tagesganglinien SV

0

100

200

300

400

500

600

700

800

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 00

Uhrzeit

Anz

ahl F

ahrz

euge

Fr Sa So Di - Do

Schwerverkehr-Tagesgänge 4 Messstationen in Dresdens Zentrum

(Gerwig, 2005)




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• 20 – 200 (500) nm• Halbstundenmittelwerte, • 6 Korngrößenklassen:

>20 | >30 | >50 | >70 | >100 | >200nm

• 19“Rack 710mm hoch, 410mm tief

Vorteile• kein Butanol• keine radioaktive Quelle• kostengünstig

UFI 330




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PartikelanzahlJahresmittelwerte verschiedener Jahre 2003 – 2005, bisherige Messsysteme

an UFIPOLNET Mess-Orten

0

10 000

20 000

30 000

40 000

50 000

60 000

Dresden Augsburg Stockholm Prague

NC

cm

-3

> 3 or 7nm 2)50-100nmNC 10-30 nm

Gesamtpartikelanzahl: Augsburg = 1/2x Dresden; Stockholm = 2xDresden

Part

ikel

anza

hl p

ro K

ubik

zent

imet

er Gesamt50 – 100 nm10 – 30 nm




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NOx und PM10Jahresmittelwerte verschiedener Jahre 2003 – 2005,

bisherige Messsysteme an den UFIPOLNET Mess-Orten

0

20

40

60

80

100

120

140

Dresden Augsburg Stockholm Prague

µg/m

³

NOx

NO2

NO

PM10

• NOx korreliert gut mit der Partikelanzahl (laut Literatur)• Erwartung: Prag = Dresden; Stockholm > Dresden




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6. Zusammenfassung




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ZusammenfassungGrundlage:• Ultrafeinstaub-Messungen sind notwendig um

Gesundheitsgefahren besser einzuschätzen, Konzentrationsmessungen zu selten, zu kurz

• Ultrafeinstaub in Stadt: hauptsächlich Ruß + Organische StoffeProjekt:• 4 Prototypen fertig trotz Verzögerung; • günstiger und einfacher als Vergleichbare Geräte• Vergleichsmessungen positiv• Sachsen erhält 270 TEUR Fördermittel• Publikation: Webseite, Newsletter, Flyer• Abschlußkonferenz Sep oder Okt. 2007• Messungen zum Vergleich der 4 Standorte bis mind. Ende 2007

geplant




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Dokumentation

• www.ufipolnet.eu• Report Inhaltsstoffe

www.umwelt.sachsen.de/lfug/luft-laerm-klima_5356.html

• Quellgruppenquantifizierung von PM10 an einer Verkehrsmessstation in Dresden; Gerwig, H.; Bittner, H.; Brüggemann, E.; Gnauk, T.; Herrmann, H.; Löschau, G.; Müller, K. Gef. Reinhalt. Luft, 2006, 66, 175 – 180.




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„Denn Staub bist du, zu Staub musst du zurück.“Genesis 3, 19

„Jedes Materiepartikel kann als ein Garten voller Pflanzen und ein Teich voller Fische aufgefasst werden.“ Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 – 1716)

Entnommen aus: Hg: Armin Reller und Jens Soentgen: Staub - Spiegel der Umwelt; Soffgeschichten - Buchreihe des Wissenschaftszentrums Umwelt der Universität Augsburg in Kooperation mit dem oekom e.V.; Band 1; 2005; oekom-Verlag, München.




Folie 49


wird mit Unterstützung des Finanzierungsinstruments

der Europäischen Gemeinschaft und der Finanzierung des Freistaats Sachsen durchgeführt

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