Technik im Luftgütemessnetz

Für die kontinuierliche Bestimmung der Feinstaubkonzentration in der Luft verwenden wir automatische Messsysteme, die nach dem Prinzip der Streulichtmessung arbeiten. Hierbei wird die Luft über ein Probenahmerohr durch eine Messkammer gesaugt. Dort bestrahlt ein Laser die vorbeiströmenden Partikel. Die Intensität des resultierenden Streulichts ist proportional zur Partikelgröße. Es wird über einen Spiegel zu einem optischen Detektor geleitet und die Partikel nach ihrer Größe klassiert und gezählt. Aus den Signalen berechnet der hinterlegte Algorithmus anschließend eine Massenkonzentration.

Als Referenzverfahren zur Bestimmung der Feinstaubkonzentration in der Luft ist das gravimetrische Verfahren gesetzlich festgelegt. Bei dieser diskontinuierlichen Methode wird Probenluft 24 Stunden über ein Filter geleitet und anschließend im Labor analysiert. Wir verwenden ein Probenahmesystem mit automatischem täglichen Filterwechsel. Die Luft wird mit einem definierten Volumenstrom durch einen größenselektiven Probeneinlass (Probenahmekopf) geführt. Je nach Einlass werden so zum Beispiel Partikel größer als 10 µm oder größer als 2,5 µm vor-abgeschieden, das heißt von der Messung ausgeschlossen. Ziel dessen ist es, allein die relevanten Feinstaubpartikel des PM₁₀ beziehungsweise PM2,5 auf dem Filter zu sammeln. Die bestaubten Filter werden in einem Magazin gelagert und später im Landeslabor ausgewogen. Aus der jeweils ermittelten Staubmasse und dem zugehörigen Luftvolumen wird die Feinstaubkonzentration als Tagesmittelwert berechnet.

Das Prinzip der Bestimmung von Ozon in der Luft beruht auf der Ultraviolett-Absorptionsmethode. Diese Methode nutzt die Eigenschaft von Ozon, UV-Licht bei einer Wellenlänge von 253,7 nm zu absorbieren. Diese Wellenlänge wird mit einer Quecksilberdampflampe erzeugt, welche die Messzelle mit der ozonhaltigen Probenluft bestrahlt. Die von außen zugeführte Luft wird zuvor aufgeteilt. Ein Teil der Luft wird mittels eines Deozonisator vom Ozon befreit und dient als Referenzgas. In die Messzelle wird mittels eines Magnetventils abwechselnd Referenzgas und ungereinigte Probenluft geleitet. Eine Photodiode bestimmt die jeweilige Lichtintensität, mit beziehungsweise ohne Abschwächung durch Absorption am Ozon. Aus der Differenz der Intensitäten wird mit Hilfe des Lambert-Beer`schen Gesetzes die Ozonkonzentration berechnet.

Um Stickstoffoxide in der Luft zu bestimmen wird das Chemilumineszenzverfahren verwendet. Bei diesem Verfahren wird die Intensität des freigesetzten Lichts gemessen, das bei der Reaktion von Stickstoffmonoxid mit Ozon entsteht. Vor der Messung wird die Probenluft durch einen Filter und einen Trockner gesaugt, um Verunreinigungen und störende Luftbestandteile zu entfernen. Im ersten Schritt der Messung wird die Probenluft in der Reaktionskammer mit einem Überschuss an Ozon angereichert. Dabei reagiert Stickstoffmonoxid mit dem Ozon und es entstehen angeregte Stickstoffdioxid-Moleküle. Das dabei entstandene Licht wird in einem optischen Filter selektiert und mittels eines Detektors in ein elektrisches Signal umgewandelt. In einem zweiten Schritt wird ein weiterer Teilstrom der Luft durch einen Konverter geleitet, der das vorhandene Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid reduziert. In der Messkammer wird diese – zusammen mit dem bereits vorhandenen Stickstoffmonoxid – der gesamte Stickstoffoxidanteil der Luft bestimmt. Der Stickstoffdioxidgehalt ergibt sich dann aus der Differenz der beiden Signale.

Bei der Bestimmung des Luftschadstoffs Kohlenmonoxid nutzen wir die Infrarotabsorption der Probenluft. In der Messkammer wird ein Detektor mit Infrarotlicht angestrahlt. Der Detektor ist mit einem optischen Filter versehen, sodass nur Licht mit einer Wellenlänge, welche die Kohlenmonoxid- Moleküle aufnehmen können, auf den Infrarot-Detektor trifft. Im ersten Schritt wird ein von Kohlenmonoxid befreites Referenzgas in die Messkammer geleitet und der Anteil der Infrarotstrahlung wird dabei elektrisch erfasst. Im Anschluss wird Probenluft durch die Messzelle geleitet und die dadurch reduzierte Infrarotstrahlung wird ebenfalls erfasst. Die Differenz der beiden Signale ist ein Maß für den Kohlenmonoxid-Gehalt der Luft, welcher unter Berücksichtigung der Temperatur und des Drucks in der Messzelle bestimmt wird.

Die Menge an Schwefeldioxid in der Luft bestimmen wir mit Hilfe von UV-Fluoreszenz. Zu Beginn wird die Probenluft durch einen Filter und einen Reiniger geleitet, um störende Partikel zu entfernen und Querempfindlichkeiten zu begegnen. Das Schwefeldioxid der Probenluft wird in der Messzelle mit Hilfe einer UV-Lampe in einen angeregten Zustand versetzt. Die dadurch emittierte Strahlung wird durch einen optischen Filter geleitet und in einem UV-Detektor in ein elektrisches Signal umgewandelt.  Mit Hilfe des elektrischen Signals, der Temperatur und des Drucks in der Messzelle wird die Menge der Schwefeldioxid-Moleküle bestimmt.

Neben den eigentlichen Luftqualitätsmessungen betreiben wir diverse meteorologische Messgeräte. Verschiedene Sensoren sind Bestandteil von Messgeräten und deren Daten gehen in die Messwerte ein. Mit separater professioneller Technik messen wir aber auch explizit die Witterungsverhältnisse im Land. Die Qualität der Messungen ist hochwertig, wenn sie auch nicht vollumfänglich den Standards des Deutschen Wetterdienstes (DWD) entspricht. Die Geräte stellen wir nachfolgend vor.

Die Windrichtung und Windgeschwindigkeit werden mit Hilfe eines 2D-Ultraschall-Anemometers erfasst, welches an einem 10 Meter hohen Mast angebracht ist. Das Gerät besteht aus 4 Ultraschallwandlern, von denen sich jeweils 2 in einem festen Abstand voneinander gegenüberstehen. Aus dieser Anordnung ergeben sich 2 Messtrecken die horizontal, mit gleichem Abstand, zueinanderstehen. Jeder Wandler fungiert sowohl als Sender als auch als Empfänger. Wind beeinflusst die gesendeten Schallwellen durch seine definierte Richtung. Es ergeben sich unterschiedlichen Laufzeiten der Schallwellen auf den beiden Messstrecken, wodurch wiederum Windrichtung und Windgeschwindigkeit bestimmt werden können.

Zur Bestimmung der Globalstrahlung verwenden wir ein Pyranometer. Es erfasst die Strahlung des sichtbaren Wellenlängenbereichs des Sonnenlichts mittels einer geschwärzte Thermosäule unter zwei Glaskuppeln. Letztere schützen die Säule vor äußeren Einflüssen und filtern die Strahlung, sodass nur die festgelegten Wellenlängen der direkten Sonneneinstrahlung und der diffusen Himmelsstrahlung auf die Thermosäule treffen und erfasst werden. Damit das Licht im selben Winkel auf das Pyranometer auftrifft, wie auf die Erde, muss das Pyranometer mittels Nivellierlibelle und Nivellierschrauben ausgerichtet werden.

Die Temperatur und die Luftfeuchte bestimmen wir mit Hilfe eines Thermo-Hygrogebers. Hierfür wird zur Temperaturbestimmung ein PT100 Halbleitersensor verwendet, welcher einen festgelegten Wiederstand bei einer bestimmten Temperatur hat hier 100 Ohm bei 0°C. Ändert sich die Temperatur, ändert sich proportional dazu der Wiederstand. Zur Bestimmung der relativen Luftfeuchte wird ein kapazitiver Sensor verwendet. Hierbei wird die Leitfähigkeit eines Kondensators bestimmt. Der Kondensator ist mit einem speziellen Polymer ausgestattet, welches temperaturunabhängig ist. Ändert sich hingegen die relative Luftfeuchte, ändert sich auch die Leitfähigkeit des Polymers.

Die Niederschlagsmenge bestimmen wir mit Hilfe einer Kippwaage. Der Niederschlag fließt über einen Auffangbehälter mit definierter Fläche in eine Wippe. Ist eine Seite der Waage voll, kippt diese nach unten, leert sich und die andere Seite der Kippwaage kann befüllt werden. Durch das Kippen der Waage wird ein Zählimpuls ausgelöst, welcher unter Berücksichtigung des Volumens der Kippwaage und dem Durchmesser des Auffangbehälters ein Maß für die Niederschlagsmenge bildet.