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Fahrverbote, Stickstoffe, Grenzwerte: Woher kommen die Grenzwerte?

von Robert Basic am 30. August 2018

Die Zeiten und Zeitungen quellen vor lauter Berichten über: Fahrverbote hier, Gerichtsurteile da, Diesel raus, Filter rein. So wirkte sich das Dieselfahrverbot in Hamburg für nur bestimmte Straßen genauso aus, wie man es sich gedacht hatte: Die Ausweichstraßen wurden stärker belastet.

Gleiches Thema – nur ein weiteres Beispiel – in Frankfurt/Main:

In Hamburg wurden welche Abweichungen vom Grenzwert gemessen, worüber reden wir demnach?
„In Hamburg lag laut BUND demnach die Belastung mit giftigen Stickoxiden (NOx) an sechs gemessenen Straßen über dem seit 2010 geltenden EU-Grenzwert von 40 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft. Am höchsten war er an der Fruchtallee mit 59 Mikrogramm. Diese gelte als Ausweichstrecke für ältere Diesel-Lkw, die nicht mehr durch die Stresemannstraße fahren dürfen.“

Die Messungen werden vom Umweltbundesamt kritisiert, da sie nicht langjährig und wissenschaftlich ausgeführt wurden. Geschenkt, das Argument ist vollauf richtig, aber das soll uns jetzt nicht wirklich interessieren. Vielmehr stellen wir uns die Frage, woher die Grenzwerte kommen, um die stets bis auf die Kommastelle gestritten wird. Hier geht es speziell um das Stickoxid / Stickstoffdioxid („NOx“ als Kürzel für Stickstoff-Sauerstoff Verbindungen mit einem oder zwei Sauerstoff-Atomen). Ein Stoff, dessen Hauptverursacher faktisch Dieselmotoren sind, die bei sehr hohen Temperaturen während der chemischen Verbrennungsprozesse mehr NOx als Benzinmotoren erzeugen.

Grenzwerte NOx – Ableitung

Kommen wir kurz zurück zum Hamburger Beispiel. Auf den Ausweichstrecken wurde ein Anstieg der Stickoxid-Level über den EU-Grenzwert von 0,04 ppm bzw. 40 Mikrogramm Stickoxid (0,0004 g = 40 µg) je Kubikmeter Luft gemessen. 40 Mikrogramm? Ist das viel oder wenig? Vereinfacht gesagt: stellen wir uns eine 1x1x1 m große Box mit 1.000 Liter Inhalt vor. 1 m³ Luft darin wiegt bei trockenen Idealbedingungen rund 1,3 kg. Also 1.300 g oder 1,3e+9 µg. Setzen wir die 40 µg zu den 1.300 g ins Verhältnis = die 32,5 millionenfache Menge an NOx würde 1.000 Liter Luft entsprechen. Oder umgekehrt, 40 µg ergeben einen Anteil von 0,00000008 an 1.000 Liter Luft. Egal in welche Richtung wir die Zahlen in Bezug setzen, die Verhältnisse sind aberwitzig hoch und für den Mensch ergeben sie keine greifbaren Relationen. Ist das viel oder ist das wenig zu was?

Mutter Natur vs. Mensch: NOx-Entstehung

Im Verhältnis zur natürlichen Atmosphäre sind 40 µg relativ wenig „viel“. Was soll das denn schon wieder heißen? Ganz einfach, Blitze: Blitze erzeugen geschätzt 20 Millionen Tonnen NOx je Jahr. In den höheren Lagen macht das rund 90% aus. In den tieferen Lagen wird mit rund 20% kalkuliert, gegenüber den „80%-Mensch-NOx“. 20 Millionen? Die EU bewegt sich bei rund 7 Millionen Tonnen an menschgemachtem NOx aus Verbrennungsprozessen pro Jahr. Insofern dieses „wenig viel“ besser verstanden? Der natürliche NOx-Anteil der Atmosphäre schwankt auf bis zu 10 µ/m³, je nach Wetter- und Gewitterlagen. Unser menschlicher Grenzwert von 40 µg/m³ ist daher recht nah dran.

NOx im Menschen: Die Atmung

Nähern wir uns daher der Sache weiter an, denn wir wollen schließlich wissen, was das mit uns macht? Stickstoff als Element macht 78% unserer Atmosphäre aus. Wir als Mensch können jedoch damit nichts anfangen. Unsere Lungen atmen zwar die Luft als gesamtes Gasgemisch (21% Sauerstoff, 78% Stickstoff, + Restgase) ein. Der Gasaustausch zwischen dem Blut und dem eingeatmeten Gasgemisch erfolgt im Alveolarraum, den Alveolen oder volksdeutsch Lungenbläschen genannt. Schätzung: 300 Millionen Alveolen. Fläche: mehrere Tennisfelder groß.

Der Trick ist dabei sehr simpel und unterliegt weitestgehend einem passiven „Sortiervorgang“ (Gasbewegung stets von höheren zu geringeren Druckverhältnissen): Gasdruckunterschiede zwischen dem Blut und dem Gasgemisch in den Alveolen lassen unseren Körper mit frischem Sauerstoff versorgen (Gasdruck des Sauerstoffs im sauerstoffarmen Blut < Gasdruck des Sauerstoffs in den Alveolen = Sauerstoff diffundiert ins Blut, so super simpel ist das). Kohlendioxid wiederum wird aus dem Blut in die Alveolen abgegeben (da der CO2-Partialdruck im Blut > Alveolen). Und Stickstoff? Bingo, der Partialdruck des Stickstoffs entspricht dem des Blutes, hier erfolgt aufgrund des Gleichgewichts nahezu (!) kein Gasaustausch.

Auf dem Himalaya? Wird der Gasdruck des Sauerstoffs so niedrig, dass er ungefähr dem im Blut des Menschen entspricht. Das heißt, der Gasaustausch erfolgt nicht mehr, weil ein Gleichgewicht der Partialdrücke zwischen Blut und Alveolen herrscht? Fragt Reinhold Messner, der konnte ohne Atemmaske raufkraxeln. Es ist eine unfassbare Leistung seines Körpers und Willens! Normalsterbliche sind genau das: sie sterben normalerweise relativ schnell da oben, weil ihr Körper egal wie keinen frischen Sauerstoff mehr bekommt.

Und im Meer? Da ist es wiederum der Stickstoff, der größte Probleme bereitet. Jetzt wird der Stickstoffpartialdruck so hoch, dass Stickstoffatome in das „stickstoffärmere“ Blut übergehen und sich mangels chemischer Reaktion – ein extrem wichtiger Unterschied zu NOx! – im Fettgewebe ansammeln. An sich kein Problem beim Abtauchen, gäbe es da nicht auf einmal doch Reaktionen mit dem zentralen Nervensystem. Tiefenrausch genannt. Und beim zu schnellen Aufsteigen kann sich der Stickstoff nicht schnell genug vom Fettgewebe über die Blutbahnen zu den Alveolen begeben. Dann wirkt Stickstoff wie eine kleine Gasflaschenexplosion. Es zerstört die Zellen und kann zudem die Blutzirkulation stoppen (Stickstoff-Bläschen = Stauverursacher).

Soweit erstmal zur Atmung, wie sie eigentlich und normalerweise funktionieren sollte. Abgesehen von exzessiv vielen Krankheitsbildern im Bereich der Atmung (mit die schwersten Schäden verursachen Zigaretten: wer demnach welche zischt und sich dennoch über NOx beschwert, hat intellektuell eine falsche Abzweigung genommen).

Ganz wichtig bis hierhin: Üblicherweise reagiert eingeatmetete Luft nicht chemisch, bis es zum Gasaustausch kommt. Erst im Blut gibt es chemische Reaktionen, wie etwa die Bindung des Sauerstoffs mit sauerstofftransportierenden Strukturen und dem alles entscheidenden, chemischen Verbrennen des Sauerstoffs in den Zellen, um die lebensnotwendige Energie zu erzeugen, wobei CO2 ein Abfallprodukt ist. Wir sind also auch ein Diesel? So grob stimmt das. Dennoch nicht ganz, da wir auch Strom erzeugen können. Hybrid passt mehr als Begriff. Nur festhalten: natürliche Luft = keine chemische Reaktion in den Atemwegen. Luft mit NOx durchsetzt = unerwünschte Reaktionen. Immer? Immer, egal in welcher Menge.

NOx ist leider kein freundlicher Stoff. Der bereits chemisch – was entscheidend ist – vor Eintritt in die Blutbahn mit den einzelnen Zellbereichen reagiert. Es kommt auf die Menge und Dauer an, ob der Körper mit NOx erfolgreich (!) umgehen kann.

Lethal Concentration 50

NOx ist bei bestimmten, sagen wir üblichen Raumtemperaturen ein Gasgemisch. Das ebenfalls in den Alveolarraum mit inhaliert wird. Und jetzt wird es sehr haarsträubend. Wenn Forscher wissen wollen, was ein Fremdgas im Körper anstellt, versuchen sie „die Maschine kaputtzumachen“. Das läuft dann unter dem Begriff „toxikologische/klinische Tests“. Um daraus abzuleiten, ab welchen Gas-Konzentrationen und Expositionsdauern 50% der Organismen sterben (LC50 genannt, letale Konzentration). Um letztlich daraus abzuleiten, wann welche Schäden überhaupt auftreten und wie schwer sowie reversibel diese sind.

Das liest sich dann wissenschaftlich wie folgt (Assessment of Exposure-Response Functions for Rocket-Emission Toxicants, National Research Council (US) Subcommittee on Rocket-Emission Toxicants. Washington (DC): National Academies Press (US); 1998.):

Exposure above 150 ppm for 30 min to an hour results in fatal pulmonary edema or asphyxia and can result in rapid death (Lowry and Schuman 1956; NRC 1977; Mayorga 1994)…

The LC50 (the lethal concentration for 50% of those exposed) for a 1-hr exposure for humans has been estimated to be 174 ppm (Book 1982). Four farmers who entered a freshly filled silo were exposed to high concentrations of NO2, estimated to range from 200 to 4,000 ppm. Two of the individuals died, and the others experienced immediate cough, dyspnea, and fever,…

LC50 NOx

Kurz anhalten für einen sehr wichtigen Grenzwert: Unser Grenzwert ist bekanntlich langjährig im Mittel 40 µg/m³. Oder 0,04 ppm auf 1.000 Liter Luft. Oben wird von tödlichen Unfällen gesprochen, bei denen bspw. eine Gruppe Farmer weit über dem 50.000fachen der Grenzkonzentration für lediglich eine kurze Zeit ausgesetzt waren. Entscheidend wird ein letales Schätz-Limit von 174 ppm = 330.000 Mikrogramm/m³. Wir kennen jetzt schon einmal ungefähr die Dosis, die sehr schnell zu tödlichen Effekten führen kann.

Wahrnehmungsgrenze

So arbeiten sich Forscher über Studien von Unfällen, in Krankenhäusern, in Tests an Mensch und Tier bis hin zu Langzeitstudien in Bergwerken durch. In einem Falle lernte die Wissenschaft, dass der Mensch NOx ab 0,04 – 0,08  ppm/m³ wahrnehmen könnte, andere Studien sprechen vom 25fachen der Dosis. Weitere, leichte Steigerungen werden kaum oder gar nicht mehr als intensiver bemerkt.

Gesundheitsgrenze?

Geht man alle Studien durch (und natürlich gibt es Metastudien dazu), selbst die besten, die je angefertigt wurden, wird immer wieder ein gesundheitsschädliches, langfristiges Expositionsrisiko ab 1 ppm über längere Zeiträume genannt. Das sind ungefähr 1.900 Mikrogramm auf 1 m³ Luft. Siehe EU-Bericht aus 2014 (.pdf): Recommendation from the Scientific Committee on Occupational Exposure Limits for Nitrogen Dioxide. Spürbare, größere Auswirkungen scheinen sich im Bereich 5-10 ppm zu bewegen (> 10.000 Mikrogramm).

Die Umweltbehörde der USA – EPA – hat sich daher – auf Basis zahlreicher Studien – auf einen langfristigen Grenzwert von 100 µg/m³ NOX im Straßenverkehr festgelegt und die EU ist eben der WHO-Empfehlung folgend (die anders auswertet, auf rein statistischer Beobachtungsbasis mit bewusst hohen Unschärfen zugunsten einer Risikovermeidung) auf einen Grenzwert von 40 µg/m³ NOx übereingekommen.

Sprich, wir haben in der EU ungefähr einen Sicherheitspuffer um den Faktor 50 gewählt,was die gesundheitliche Schwelle angeht, ab der an Testtieren (sehr unangenehme Experimente übrigens, die ich wissenschaftlich im letalen Bereich komplett ablehne) und Probanden erste, leichte gesundheitliche Schäden festgestellt werden konnten. Was in medizinischen Bereichen völlig üblich ist, große Sicherheitspuffer festzulegen, da an sensibleren Personen wie etwa Kindern keine Tests gemacht werden. Wen es interessiert, wie Toxikologen arbeiten, googelt bitte nach „ADI: Acceptable Daily Intake“, „ARfD = Acute Reference Dose“ und „AOEL = Acceptable Operator Exposure Level“. Auch hier wird immer wieder auf die Expositionsdauer und Konzentration eines Stoffes abgehoben.

Grenzwertüberschreitung Hamburg: 59 µg/m³ Kindergarten?

Wie einleitend festgestellt, schlagen manche Organisationen mit einem hohem PR-Interesse Alarm. Grenzwert ist Grenzwert. Über 12 Monate gemessen und nicht so kurz wie in HH erfolgt? Stimmt beides. Überschreitung ist Überschreitung, Messung ist Messung.

Gesundheitliche Folgen höchstwahrscheinlich? Keine. Also egal?

Gar, gar nicht? Keine Folgen? Da ich kein Mediziner bin, kein Aluhutträger, kein Ökoritter, auch noch schlimmer kein panikschiebender AfDler (immer das Dümmste, wenn man einem solchen Menschtypus zuhört), sondern einfach nur ein pragmatisch denkender Mensch, kann ich mit Sicherheit nicht Sicherheitsaussagen treffen.

Oben gab es jedoch genug Lesefutter mit Grenzbereichen, damit ihr euch ohne Hokuspokus selbst ein Bild und vor allen Dingen ein Gefühl bilden könnt, wie diese Grenzwerte einzuordnen sind. Grenzwerte wie 40 irgendwas auf irgendwo sind Langzeitwerte, da selbstverständlich Schwankungen in der Atmosphäre, am Boden und in Höhenlagen auftreten. Je nach Wetter, Temperatur und Verkehr, wenn wir hier von NOx sprechen. Kurzfristige Überschreitungen schwankend um 0,04 ppm können mit hoher Gesundheitswahrscheinlichkeit ignoriert werden. Demnach auch die 59 µg/m³. Selbst 0,05 ppm aka 100 µg/m³ wären laut der sehr gestrengen US-EPA wohl auch in Ordnung.

Ein Rechenbeispiel

Copyright: b k, Flickr, World Class Traffic Jam Dhaka (Bangladesh)
b k, World Class Traffic Jam / Dhaka (Bangladesh), Flickr, CC BY-SA 2.0

Zum Abschluss mehr eine atomare Betrachtung. Wenn wir Luft atmen, wie wir oben wohl kaum überraschend festgestellt haben, nehmen wir ein Gasgemisch in uns auf, das aus diversen Gasarten besteht. Wir könne ohne Weiteres die Menge an Molekülen ausrechnen, damit auch die Molekülmenge an NOx bei 59 µg/m³. Um ein Gefühl für eine weitere Dimension auf Molekülebene zu bekommen. Denn unser Körper ist ein genial-faszinierendes Chemiekraftwerk mit enormen Verarbeitungskapazitäten.

Lets go:

♦ 523.676.734.351.884.581/ m³ = Fünfhundertdreiundzwanzigbilliardensechshundertsechsundsiebzigbillionensiebenhundertvierunddreißigmilliardendreihunderteinundfünfzigmillionenachthundertvierundachtzigtausendfünfhunderteinundachtzig.

Das ist die die Anzahl der Moleküle für den Grenzwert von 40 Mikrogramm (je Kubikmeter Luft) an Stickstoffdioxid. Oder eben 0,00004 g/m³.

♦ 772.423.183.169.029.757 / m³

Das ist der Wert, der in der Ausweichstraße Fruchtallee/Hamburg nach dem Einfahrtverbot für alle Diesel unter der Euronorm X gemessen wurde. So viele Moleküle an NOx wurden gemessen. Oder besser gesagt: 59 Mikrogramm = 0,000059 g/m³. Anstatt 0,000040 g/m³.

Anders gesagt: 523 Billiarden Moleküle machen keine Probleme und 772 Billiarden auf einmal doch? Wieso wird das jetzt alarmierend? Wo ist die Logik? Abwarten, die Logik kommt gleich.

♦ Ok, und nun? Wie viele Luftmoleküle atmen wir eigentlich mit der Menge von 1.000 Litern aka 1 m³ ein? Nehmen wir zur Vereinfachung 21% Sauerstoff und 78% Stickstoff? Oder noch besser die Luftdichte unter Normalbedingungen, was 1,293 kg/m³ bzw. dem 44,6647fachen von 28,949 g/mol entspricht (Mol bezeichnet eine feste Menge an Atomen / = 6,022 · 1023). Es ist völlig egal, ob ihr das nun versteht. Weiter:

♦ Simple Antwort: 26.897.082.340.000.000.000.000.000
Kurz: wir atmen 26,9 Quadrillionen Moleküle (das Ding nach Billiarde ist Trillion, dann Trilliarde, dann endlich Quadrillion) mit 1.000 Litern Luft ein. Übrigens: Nur 5%-Punkte des eingeatmeten Sauerstoffs (21% Sauerstoffgehalt in der Luft) geht in das Blut über. Der Rest wird wieder ausgeatmet.

♦ Und wie viel % der Moleküle wären davon grob diese 59 Mikrogramm an NO2? Dividieren wir das eine Ergebnis (was mit Billiarden durch Quadrillionen): 0,00000287% auf 1 m³ Luft. Ist das jetzt schädlichst?

♦ Wir wissen mittlerweile, dass wir ab 1 ppm = 1.900 Mikrogramm NOx/m³ gesundheitliche Schäden feststellen können. Was an Molekülen weit mehr als den 772 Billiarden Molekülen auf 1.000 Litern eingeatmeter Luft entspricht. Dennoch muss unser Atmungssystem mit 772 Billiarden Molekülen auf 1.000 Liter eingeatmeter Luft „klarkommen“. Da der eigentliche Schädigungsgrenzwert toxikologisch getestet weit höher liegt.

♦ Jetzt verstanden, wozu wir hier die Dimension Molekülmasse auftun? Chemisch verarbeiten wir NOx oder atmen es eben wieder aus. Dass hierbei chemische Reaktionen im Körper und Zellveränderungen auftreten, ist schon das ganze Geheimnis, das Forscher händeringend verstehen wollen. Und nein, sie zerdeppern dabei nicht immer die Maschinen, um die „kaputten Teile“ zu erforschen. Unser Körper kann hierbei Unglaubliches leisten: Ab einem gewissen Maß an Menge X reagiert der Körper mit etwas, das wir als Krankheit bezeichnen (chronisch oder temporär). Bis zu einem gewissen Maß ist der Körper ohne Weiteres widerstandsfähig und flexibel genug, um Schädigungen jeglicher Art zu reparieren. Da er sowieso ständig seine eigenen 100 Billionen (!) von Zellen überwacht. Und defekte Zellen nonstop abbaut, recycelt und neue Zellen generiert (je nach Zelltypus).

♦ Diese Zellregenerierung ist das Geheimnis unseres Alterns, das Geheimnis von Veränderungen, die auch in Krebs entarten können, da eine Zelle ihr Selbstzerstörungsprogramm nicht aktivieren konnte, sondern zu wuchern begann. Das Gewebe kann hierbei auch nekrotisch werden, je nach unkontrollierter Zerstörungsart. Den gleichen Mechanismus machen sich übrigens Viren zu Nutze, die auf extrem intelligente Art ihr Programm reinhacken: Den Kill-Switch der Zelle und das Kontrollsystem aussetzen und sich in Ruhe herrlich verbreiten.

♦ Diese Grenze oder „Maß“ zwischen Gesund und Ungesund kann daher kein Mediziner der Welt egal wie exakt festlegen. Bis zu einem Grad Y kann der Körper demnach eine per se egal wie kleine aber faktisch stets schädigende Menge X an Molekülen und deren Zellschädigungen reparieren. Also reversibel machen. Regeneration ist dabei kein Prozess, der in Millisekunden sofort erledigt ist. Die Menge an resultierender Gewebeschädigung wirkt sich auf die „Reparaturzeit“ aus. Bis dahin kann der Körper melden „ich bin krank“. Temporär oder leider chronisch. Oder wir merken es in den allermeisten Fällen überhaupt nicht, da diese Reparaturarbeit eine Art Alltagsgeschäft darstellt. Der seltenere Zustand ist daher „krank“. Wenn der Körper jedoch so wie der der unglückseligen Farmer unbedarft ein Silo betritt, wird die zellschädigende Menge an NOx schlagartig (Expositionsdauer und Menge) derart groß, dass unser superbes Reparatursystem keine Chance mehr hat. Es ist völlig überlastet und wird zudem vom Notprogramm des Körpers stillgelegt, das nur noch versucht, die inneren Organe wie Lunge, Herz und Gehirn zu retten. Der Farmer kollabiert und es kommt zum Exitus, wenn niemand rettend eingreift.

♦ Eine Zellschädigungsrate gibt es immer. Es kommt eben darauf an, wie groß die Menge der chemischen Reaktionsstoffe (hier: NOx) ist und wie schnell diese nachgeführt werden (Atmung schlechter Luft mit NOx durchsetzt). Daher wird kein seriöser Mediziner oder Forscher jemals sagen, dass es genau unter einem Grenzwert Z keine Reaktionen im Körper gibt. Es ist Unsinn, einen simplifizierten Wert herauszupressen. Es ist ein Konjunktiv von „ja, es könnte zu schnellen Schädigungen kommen“ bis hin zu „ja, es gibt Schädigungen, aber die sind recht schnell regeneriert, ohne Dauerschäden zu hinterlassen“. Nur, was will ein BILD-Redakteur nicht so vermitteln. Die Wert-Geilheit ist ein Unfug per se.

♦ Btw, wir Mensch atmen sagen wir mal unter normaler Belastung 30 m³ aka 30.000 Liter Luft am Tag ein. Kinder 10 m³. Normale Härte. Hey, wir nehmen damit als Erwachsene rund 39 Kilogramm Luft in uns auf (wenn es furztrockene Luft wäre). Und wiegen dennoch kein Gramm mehr, wenn es gut läuft, irre, was? Werden wir dann leichter, wenn die Luft feuchter und damit pro m³ leichter wird? Hm, komischerweise auch nicht.

Kontrolle des Lernerfolgs

Auf jeden Fall könnt ihr nun sehr einfach Folgendes ausrechnen: Wenn ihr mit einer Geschwindigkeit von 10 Litern / Atmungsminute (zur Orientierung: mindestens 12-15 Atemzüge die Minute mit >0,5 Liter je Atemzug bei Ruhephasen, unter leichter Belastung locker auch das Doppelte) über die Hamburger Straßen läuft, wie viel NOx nehmt ihr bei 20 µg/m³ in 5 Minuten, 40 µg/m³ in 10 Minuten und 100 µg/m³ in 15 Minuten auf?

Und wem das alle völlig wumpe-pumpe ist, dem empfehle ich den Nasenzyklus. Warum die Nase stets durch ein Loch atmet, während das andere faulenzt. Falls ihr immer noch die Nase nicht voll habt? Sehr cooler Linktipp: Periodensystem-Online.de (war mir sehr nützlich) / und Umweltbundesamt mit einem Wieso Wir Alle Sterben Werden. Pubertierende anwesend? Wieso Stickstoffxoid so wichtig für den Schwellkörper des Mannes ist? Interesse?

In einem Interview umschreibt der Leiter der Forschergruppe die ermittelten Ergebnisse durchaus anschaulich: “Die Physiologie der Erektion ähnelt dem Autofahren“, so Burnett. “Man kann nicht einfach nur den Schlüssel einstecken und dann erwarten, dass man irgendwo ankommt. Man muss auch auf das Gaspedal treten.”

Habe leider derart viele hochspannende Linkquellen links liegen lassen müssen. Aber so ist es immer beim Reinfräsen in komplexe Themen.

Sicher, ich habe einige Komplexitätsgrade bewusst ausgelassen. Namentlich Ozon, Feinstaub und weitere Wirkfaktoren, die mit NOx einhergehen. Das als abschließender Hinweis.

Titelbild Copyright: b k, Times Square traffic jam in New York City, Flickr.com, CC BY-SA 2.0