Die Luftverunreinigung des Stuttgarter Talkessels und ihre Abhängigkeit vom Relief und Klima der Stadt

Luftverunreinigung und Stadtklima

Als wesentliches Merkmal des Stadtklimas wurde die starke Überwärmung der Stadt gegenüber ihrer Umgebung erkannt. Die Temperaturen eines Ortes stehen in direkter Beziehung zu seinem Strahlungshaushalt. Dieser hängt nicht nur von der Beschaffenheit des Bodens der Stadt, sondern vor allem von der Zusammensetzung der Stadtluft ab. Die den Strahlungshaushalt modifizierende Dunstglocke über dem Stadtgebiet erhielt so innerhalb der Aufzählung des den Wärmeüberschuß bedingenden Ursachenkomplexes besondere Bedeutung.

Der als Dunstglocke bezeichnete Stadtdunst in den unteren Schichten der Atmosphäre ist auf eine Anreicherung der Stadtluft mit festen, gasförmigen und flüssigen Emissionen verschiedener Art und Herkunft zurückzuführen.

Den Zusammenhang zwischen Luftverunreinigung und Strahlungshaushalt beschreibt die bei Flohn (1963) u.a. zitierte Abhängigkeit der Strahlungsbilanz Q am Tag von Einstrahlung und Ausstrahlung:

Q = (S + H) (1 – a) – (E – G);

wobei S: die direkte Sonnenstrahlung H: die diffus gestreute Himmelsstrahlung a: die Albedo und E: die tatsächliche Ausstrahlung der Erdoberfläche

Feinverteilte Emissionen in der Stadtluft erhöhen die atmosphärische Gegenstrahlung in hohem Maße, woraus eine Verringerung der effektiven Ausstrahlung und letztlich eine Erhöhung der Strahlungsbilanz in Städten resultiert. Die kurzwellige Einstrahlung S hängt vom Transmissionskoeffizient der Luft ab. Dieser ist in stark verunreinigter Stadtluft wesentlich höher als in reiner Luft. Eine verringerte Einstrahlung S in den Städten und erhöhte diffuse Himmelsstrahlung H sind die Folge. Da jedoch die Zunahme der diffusen Himmelsstrahlung die verringerte Einstrahlung nicht aufwiegt, ergibt sich insgesamt eine Verminderung der Globalstrahlung (S+H) über Städten, die eine Abnahme der Himmelsbläue, Verringerung der Ortshelligkeit und Schwächung der Sicht in der Stadt bewirkt.

Zu den gasförmigen Emissionen zählen vor allem Schwefeldioxid und –trioxid, Kohlendioxid, Fluorwasserstoffe, Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Stickoxide. Schwefeldioxid ist jedoch die am häufigsten vorkommende und am meisten analysierte gasförmige Verunreinigung der Luft und dient allgemein als Indikator für den Grad der Luftverunreinigung in Stadt- und Industriegebieten. Dieses Gas entsteht bei der Oxidation des in jedem Brennstoff mehr oder weniger enthaltenen Schwefels und ist so Bestandteil der Rauchgase von Heizungsanlagen, Kraftwerken, sonstigen gewerblichen und häuslichen Feuerungsstätten sowie in geringem Maße der Abgase von Kraftfahrzeugen.

Allgemeine Kennzeichnung der lufthygienischen Verhältnisse Stuttgarts

Zur Kennzeichnung des Grades der Luftverunreinigung Stuttgarts und zu einem Vergleich der Werte mit anderen deutschen Städten werden die Schwefeldioxid-Pegelmessungen des Jahres 1965/66 und die Staubniederschlagsmessungen von 1959/60 herangezogen. An acht über das Stuttgarter Stadtgebiet verteilten Meßstellen wurde der SO₂- Gehalt der Luft bestimmt. Drei Meßpunkte befanden sich im Stuttgarter Stadtkessel. Die Wahl der Meßorte erfolgte unter Berücksichtigung der Besiedlungsdichte und der möglichen Belastung des Raumes durch die hier vorhandenen Emittenten. Jede Meßstelle sollte Werte liefern, die für ein Gebiet von rund 12 km² repräsentative Pegelaussagen zuließ.

Aus den kontinuierlichen Registrierungen wurden durch Integration Halbstundenmittelwerte gewonnen. Zur Beurteilung der SO₂- Immission werden Häufigkeitsverteilungen aller in einem bestimmten Zeitraum ermittelten Halbstundenwerte und die hieraus zur Überprüfung einer Überschreitung der gesetzlich festgelegten Immissionsgrenzwerte berechneten Immissionskenngrößen I₁ und I₂ herangezogen. Die Kenngröße I₁ charakterisiert die Dauerbelastung eines Gebietes. Zur Berechnung von Spitzenkonzentrationen wird die zweite Immissionskenngröße I₂ angeführt.

Die lufthygienisch günstige Situation Stuttgarts wird besonders deutlich bei einer Betrachtung von Tabelle 1, in der die Immissionskenngrößen Stuttgarte mit denen anderer Industriestädte aus dem Bundesgebiet verglichen werden.

Jahres- und Tagesgang der Luftverunreinigung im Stuttgarter Talkessel

Relativ niedrigen SO₂- Konzentrationen der Luft im Sommer stehen hohe Werte im Winter gegenüber. Das gesteigerte Heizungsbedürfnis ist nur ein Grund für die erhöhten Werte im Winter. Das Verunreinigungsmaximum geht vor allem auf die starke Abnahme der natürlichen Zerstreuungsfähigkeit der Atmosphäre zurück. Die hierfür maßgeblichen Wetterbedingungen, kurz als "austauscharme Wetterlage" bezeichnet, werden im Winter besonders wirksam. Topographisch bedingte, niedrige Windgeschwindigkeiten sowie die verminderte Turbulenz im Stuttgarter Talkessel lassen den Einfluß der austauscharmen Wetterlage auf die Anreicherung der Stuttgarter Luft mit Verunreinigungen stärker zum Ausdruck kommen. So zeigt sich auch im Jahresgang der Luftverunreinigungen der Einfluß lokalklimatischer Eigenheiten.

Tagesgang der SO2- Konzentration Meßstelle Marktplatz, 1965 - 66

Betrachtet man den Tagesgang der Luftverunreinigung im Jahresdurchschnitt, so läßt sich nach einem raschen Anstieg der SO₂- Konzentrationen am frühen Vormittag das deutliche Tagesmaximum zwischen 8 und 9 Uhr erkennen. In einem langsameren Abfall gehen die Konzentrationen um die Mittagsstunden zurück, erreichen in der Zeit zwischen 14 und 17 Uhr ein Minimum und steigen dann am späten Nachmittag und Abend erneut an. Ein zweites Maximum wird zwischen 20 und 21 Uhr erreicht. Danach sinken die Werte wieder langsam ab und bleiben von Mitternacht bis zum morgendlichen Anstieg auf einem ungefähr konstanten Minimalwert. Ein ähnlicher Tagesgang der Luftverunreinigung läßt sich auch in anderen Städten beobachten (vgl. Höschele, K., 1965, S.108).

Gründe für den morgendlichen raschen Anstieg der SO₂- Belastung liegen einerseits im Beginn der Fabrik- und Hausfeuerung sowie im Einsetzen eines verstärkten Kraftfahrzeugverkehrs und andererseits im Vorhandensein einer infolge nächtlicher Ausstrahlung entstandenen Bodeninversion.

Die Abhängigkeit der Luftverunreinigung von klimatischen Faktoren

Der Ausbreitungsprozeß der Luftverunreinigung hängt ausschließlich von meteorologischen und topographischen Faktoren ab. Für Stuttgart ergeben sich aufgrund der besonderen klimatischen und topographischen Situation der Stadt gewisse lokale Besonderheiten.

Abhängigkeit der mittleren täglichen SO2- Belastung in Stuttgart von Windgeschwindigkeit, Temperatur und relativer Feuchtigkeit. Jan. und Feb.1965

Zwischen der Windgeschwindigkeit und der SO₂- Konzentration ist eine enge Korrelation festzustellen. Hohen Windgeschwindigkeiten entsprechen geringe SO₂- Belastungen, die jedoch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten stark ansteigen. Bei Windgeschwindigkeiten von rund 1 m/sec sind die SO₂- Konzentrationen bis um das Dreifache höher als bei Windgeschwindigkeiten um 5 m/sec. Es ist zu erwarten, daß sich der bei geringer Turbulenz festgestellte Anstieg der Luftverunreinigungskonzentration noch erhöht, wenn aufgrund besonderer atmosphärischer Luftschichtungen Austauschsperren den Abgasstrom in vertikaler Richtung aufhalten. Solche Situationen sind bei Inversionen gegeben, die in den Übergangsjahreszeiten und im Winter bevorzugt auftreten.

Durch nächtliche Ausstrahlung tritt eine starke Abkühlung der Bodenoberfläche ein, die sich über die Luft und Bodennebel den unteren Schichten der Atmosphäre mitteilt, so daß sich am Morgen eine Bodeninversion eingestellt. Mit zunehmender Einstrahlung am Vormittag kann es zur Auflösung oder Abhebung der Bodeninversion kommen. In einzelnen Fällen führen starke nächtliche Auskühlung, verbunden mit geringer Aufheizung am Tage dazu, daß sich so gebildete Inversionen über einige Tage halten können. Dies zeichnet ausgesprochene Smoglagen aus.

Die Bedeutung der Inversion für die Luftverunreinigung liegt in ihrer stabilen Luftschichtung. Da sich der aufsteigende Abgasstrom aufgrund der damit verbundenen Druckabnahme abkühlt, ist er im Inversionsbereich immer schwerer als die Umgebungsluft und so zum Absinken gezwungen. Die Luftverunreinigungen bleiben zwischen der Inversionssperrschicht und dem Boden eingeschlossen, was zu stärkeren Anreicherungen führt. Diese Tatsachen konnten im Stuttgarter Raum mit besonderer Deutlichkeit erkannt werden, da das Relief des Kessels die Effekte verstärkt. Liegt die Inversionsuntergrenze zwischen 300 und 500 m Höhe, so bleiben die Luftverunreinigungen im Talkessel eingeschlossen, auf dessen Höhenränder sich die Inversionssperrschicht wie ein abschließender "Deckel" legt.

Klar erkannt wurde ein Zusammenhang zwischen relativer Feuchte und festen Luftverunreinigungen. Mit zunehmender relativer Feuchte ergibt sich ein Anstieg der Staubkonzentration, während mit abnehmender relativer Feuchte auch die Staubkonzentrationen sinken. Unterhalb 70% relativer Luftfeuchtigkeit sind die festen Substanzteile nur von einer verhältnismäßig dünnen Lösungshaut umgeben, erst oberhalb dieser Feuchte beginnt dann das Wachstum infolge von Wasseraufnahme und Koagulation. Das spezifische Gewicht des Staubes erhöht sich, ein Absinken und damit eine Zunahme der bodennahen Staubkonzentration sind die Folge.

Bei der Beurteilung der Immissionsverhältnisse eines Ortes ist eine Berücksichtigung der Windrichtung unerläßlich. Den Ausschlag bei einer Zuordnung der Luftverunreinigungskonzentrationen zu den Windrichtungen geben die örtlichen Besonderheiten, die lokale Hauptwindrichtung und die Lage der Hauptemittenten zur Stadt.

In Stuttgart befinden sich die Hauptemittenten in den nördlich und nordöstlich vom Talkessel gelegenen Vororten. Die in südlicher, südwestlicher und westlicher Richtung vor dem Talkessel gelegenen Stadtgebiete werden von diesem durch einen mehr oder weniger breiten Waldgürtel getrennt. Sie selbst zeichnen sich durch lockere Bauweise mit dazwischen gestreuten Grünanlagen und wenig Industrieemittenten aus. Dies bedeutet, daß die für den Grad der Luftverunreinigung einer Stadt so wichtigen Vorbelastungen der Luft in Stuttgart bei Winden aus dieser Richtung sehr niedrig ist. Durch das Relief des Stadtkessels bedingt handelt es sich dabei um die Hauptwindrichtung.

Relief und Luftverunreinigung

Bei geringer Windgeschwindigkeit setzen Austauschvorgänge an den Hängen des Talkessels in Form von Hangabwinden ein, die eine starke Abhängigkeit von der Reliefgestaltung zeigen. Sie setzten bevorzugt an Schneisenhängen ein. Durch die Auswirkungen der reliefbedingten Hangauf- und Hangabwinde auf die Luftverschmutzung am Hang und in der Stadt kommt es zu unterschiedlichen SO₂- Konzentrationen.

Bei beginnender Einstrahlung erwärmen sich zuerst die dem Boden aufliegenden Luftschichten. Die im Talkessel zuvor parallel und waagrecht verlaufenden isobaren Flächen werden angehoben. Am Hang selbst behalten sie aber ihre Lage bei, da sich unterhalb des Schnittpunktes der Isobarenflächen mit der Hangfläche keine Luft befindet, in der sich infolge von Erwärmung und Auflockerung die isobaren Flächen heben können. Damit entsteht ein zum Hang gerichtetes Druckgefälle. Dieses sucht sich durch eine in die gleiche Richtung gehende Luftströmung auszugleichen, die jedoch am Hang nach oben abgelenkt wird und als Hangaufwind in Erscheinung tritt.

Der so entstehende Hangaufwind führt die bodennahen Luftverunreinigungen mit sich und bedingt eine abnehmende SO₂- Konzentration im Kessel bzw. die zunehmende Belastung am Hang vor dem Erreichen des jeweiligen Maximums (Kessel: 10 Uhr; Hang: 11 Uhr). Durch die Zufuhr der Immissionen des Stadtkessels an die Hänge kommt es zur einzigen negativen Abweichung der Differenz der SO₂- Konzentration zwischen 10 und 12 Uhr und zum verspäteten Erreichen des Maximums in Hanglage.

Aus den Wäldern und Grünanlagen der oberen Hangpartien führt der am Abend einsetzende Hangabwind frische und saubere Luft dem Stadtkern zu. Zunächst werden jedoch die Immissionen an den Hängen mittransportiert, was eine Anreicherung der Luft an Verunreinigungen im Talkessel zur Folge hat und in dem auffällig niedrigen Abendmaximum an der Stafflenbergstraße (Hanglage) sowie der relativ hohen Konzentration am Rathaus (Kessel) (große positive Abweichung der Differenz) zwischen 19 und 23 Uhr in Erscheinung tritt. Weitere Zufuhr frischer Luft reinigt dann auch das Innere des Talkessels und verursacht mit den steten Abfall der SO₂- Konzentration bis in die frühen Morgenstunden.

Grünanlagen und Luftverunreinigung

Hinsichtlich des Gehaltes der Luft an festen Immissionen kommt den Grünflächen eine große Bedeutung zu, da sie zu einer Abnahme der Staubkonzentration führen. Für den beobachteten Rückgang der Staubimmissionen in Grünanlagen lassen sich mehrere Ursachen anführen. Einmal erzeugen Grünanlagen selber keinen Staub, zum anderen werden zumindest grobe Staube durch die Vegetation festgelegt. Grashalme, Blätter und Zweige wirken wie Gitter oder Filter. In ihrem Bereich verlangsamt sich die Geschwindigkeit der mit der Luftströmung transportierten Staubpartikel so sehr, daß es zu einer Sedimentation und Ausfilterung des Staubes kommt. Weiterhin wirkt jede Freifläche staubmindernd, da sich auf ihr die Winde mehr verteilen.

Staubkonzentration in den Theateranlagen

Hohe Staubgehalte der Luft auf dem Gelände des Stuttgarter Hauptbahnhofes weisen diesen als eine der Hauptemissionsquellen Stuttgarts aus. Die Grünflächen des Schloßgartens und die Theateranlagen schirmen die östlich und südlich vom Bahnhof gelegenen Stadtteile von diesem ab. Diese mit Bäumen und Büschen locker bestandenen Rasenflächen haben eine staubmindernde Wirkung.

Staubkonzentration im Rosensteinpark(am Löwentor)

Andere Verhältnisse ergeben sich an dichten Pflanzungen. Die dichte Hecke am Löwentor z.B. stellt für die Staubmassen eher ein Strömungshindernis dar. Infolge des Luftstaus bildet sich ein Luftkissen, in dessen Bereich die Windgeschwindigkeit herabgemindert wird. Die vor dem Hindernis horizontal verlaufende Luftströmung wird am Luftkissen nach oben abgelenkt. Allmählich steigt die Obergrenze des Luftkissens bis zur Spitze der Pflanzung an und senkt sich im Lee langsam wieder zum Erdboden ab. Bedingt durch eine Verdichtung der Strömungslinien sind die Grenzflächen dieser windschwachen Zone Gebiet erhöhter Windgeschwindigkeit. Über der Hecke und in einem mehr oder weniger breiten Streifen im Lee vermindert sich die Staubkonzentration, weil hier die Staubpartikel durch die gesteigerte Windgeschwindigkeit mitgerissen werden. Nach dem Überstömen der Pflanzung normalisiert sich das Windfeld und die Windgeschwindigkeit, die Transportkraft der Luftströmung läßt nach, die Staubteilchen fallen aus. Da die ansteigende Staubkonzentration jedoch nicht mehr ganz die Höhe der luvseitigen Werte erreichen, muß also trotzdem eine gewisse Filterung stattgefunden haben.

Web-Autor: Ulrike Beck und MÜLLER Geoinformatik Copyright © 1998. Alle Rechte vorbehalten. Stand: 11.11.99	Seitenanfang	zurück