1988

Riehener Luft - belastete Luft

Hans-Rudolf Moser

Im Sommer 1988 ist die Belastung der Luft, insbesondere durch alarmierende Ozonkonzentrationen im Juli und August in der Region Basel, in breiten Bevölkerungskreisen intensiv diskutiert worden. Dies führte auch in der Riehener Bevölkerung zur Frage, wie hoch die Schadstoffkonzentrationen in unserer Gemeinde sei (eine entsprechende Interpellation wurde dem Einwohnerrat am 24. August unterbreitet). Der Meteorologe Hansruedi Moser vom Lufthygieneamt beider Basel erläutert im folgenden Aufsatz Zusammenhänge zwischen Luftbelastung und Klima und stellt die besonderen Riehener Verhältnisse dar. Dabei werden nicht nur die Werte der Meßstation Weil am Rhein herangezogen, welche für die tiefer gelegenen Wohnquartiere von Riehen relevant sein dürften, sondern auch die im Rahmen der Waldschadenuntersuchung der Nordschweizer Kantone durchgeführten Messungen im Maienbühl, welche Aussagen über die Luftbelastung in Hanglagen ermöglichen. 
Die Redaktion

Das Wachstum und die Verdichtung des Siedlungsraumes in den letzten Jahrzehnten, welche auch in der Agglomeration Basel erfolgt sind, haben zu einer Reihe von Umweltproblemen geführt. Davon ist besonders das Problem der Luftbelastung einer weiteren öffentlichkeit zunehmend ins Bewusstsein gedrungen. Mit eine Rolle gespielt hat dabei sicher auch das Inkrafttreten der Luftreinhai te-Verordnung (LRV) am 1. März 1986, welche anhand restriktiver Grenzwerte eine Zielqualität der Luft definiert, welche bis Mitte der 90er Jahre durch gezielte Massnahmen zu erreichen ist.

Am Beispiel von Luftmessungen, welche in der Gemeinde Riehen und ihrer Umgebung vorgenommen worden sind, werden im folgenden einzelne Aspekte des Zusammenhangs Meteorologie und Lufthygiene vorgestellt.

Allgemeine Zusammenhänge
Durch menschliche Tätigkeit produzierte Luftschadstoffe werden aus Kaminen oder Auspuffrohren an die Atmosphäre abgegeben. Dieser Vorgang wird als Emission bezeichnet. In der Atmosphäre werden die Luftschadstoffe dann einerseits durch die Luftbewegung transportiert und verdünnt, unterliegen andererseits aber auch einer chemischen Umwandlung. Aus Primärschadstoffen wie Schwefeldioxid (SO,), Stickoxiden (NOx), Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) entstehen Sekundärschadstoffe wie beispielsweise Ozon (03). Transport und Umwandlung werden zusammengefasst unter dem Begriff der Transmission. Die Luftschadstoffe wirken durch ihre Konzentration oder Déposition auf Mensch, Tier- und Pflanzenwelt und Bauten ein. Dies wird als Immission bezeichnet. Immissionskonzentrationen oder -depositionen sind das Mass zur Quantifizierung der Luftqualität, und ihr Zustandekommen ist ohne Berücksichtigung der lokalen Meteorologie nicht zu verstehen.

Die Austauschverhältnisse, welche die tagtägliche Luftqualität bestimmen, sind durch zwei Vorgänge geprägt. Das Windsystem steuert die Verteilung und Verdünnung der Luftschadstoffe in der Horizontalen, die atmosphärische Schichtung in der Vertikalen.

Typisch für die Region Basel ist eine überregional bedingte Hauptwindströmung, welche Luft aus dem Hochrheintal aus Osten über die Stadt und, verbunden mit einer Drehung, weiter nach Norden in die Oberrheinische Tiefebene verfrachtet, oder umgekehrt. Die Strömung aus Osten ist typisch für die Wintermonate oder die Nachtstunden, die umgekehrte Strömung für Sommer und Nachmittag. Diese überregionale Hauptströmung, welche dem Austausch der Luft zwischen dem schweizerischen Mittelland und der Oberrheinebene dient, wird ergänzt durch seitliche Berg-, Tal- und Hangwindsysteme.

Sehr deutlich kommt dieses Berg-/Talwindsystem in der Windrose der Station Weil für das Jahr 1987 zum Ausdruck, welche in Figur 1 eingezeichnet ist. Es dominieren Winde aus dem östlichen Sektor entsprechend den Talabwinden aus dem Wiesental, welche hauptsächlich nachts auftreten. Tagsüber wehen die Winde dagegen talaufwärts, was in der Windrose dem westlichen Sektor entspricht. Die Gegend am Ausgang des Wiesentals, zu der Weil und Riehen gehören, wird also wesentlich von einem tageszeitlich wechselnden lokalen Talwindsystem aus dem Wiesental bestimmt.

Typisch für die Situation von Basel mit ihrer Beckenlage sind Inversionen, vor allem im Winter und während der Nacht. Dabei überlagert eine warme Luftschicht die kältere Bodenluft und verhindert somit den vertikalen Austausch mit der Höhe. Damit akkumulieren sich die emittierten Schadstoffe in Bodennähe. Solche langdauernden Sperrschichten liegen in der Regel in der Höhe der Chrischona oder höher. Die Gemeinde Riehen liegt damit zumeist darunter und hat teil an dieser bodennahen schadstoffbefrachteten Luft.

Messnetz
In der Umgebung von Riehen befinden sich vier Meßstationen zur Bestimmung der Luftschadstoffe; ihre Lage ist in Figur 1 eingetragen. Die Einzelheiten können der untenstehenden Tabelle entnommen werden. Es bestehen zwei kontinuierlich messende Stationen, wovon eine in Weil als Multikomponentenmeßstation ausgerüstet ist. Die beiden übrigen Stationen wurden im Rahmen der Waldschaden Meßstationen zur Bestimmung der Luftschadstoffe in und um Riehen
Name Höhe Betreiber seit Art Luftschadstoffe
Lange Erlen 255 m LHA 1977 kont.
 
SO,
Lange Erlen 255 m IAP 1985 ztw.
 
S02, NOx, 03 (CO)
Weil (D) 279 m LU 1982 kont.
 
S02,N0x,03(C0)
Maienbühl 410 m IAP 1985 ztw.
 
S02,N0x, 03 (CO)
LHA = Lufthygieneamt beider Basel, Liestal
IAP = Institut für angewandte Pflanzenbiologie, Schönenbuch
LU = Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg, Karlsruhe
kont. = Dauermeßstation
ztw. = Stichprobenmeßstation
S02 = Schwefeldioxid
X = Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO,)
03 = Ozon
Cò = Kohlenmonoxid

Untersuchungen der Nordschweizer Kantone für Stichprobenmessungen verwendet (1985 bis 1988, jeweils vier zweiwöchige Messperioden pro Jahr).

Aufgrund ihrer Lage am Rande des Siedlungsgebietes können die Messwerte der Station Weil auf die tiefer gelegenen Wohnquartiere in Riehen übertragen werden, sofern diese nicht direkt an einer Hauptverkehrsachse liegen. Die Station Lange Erlen liefert Aussagen für die Belastung im Naherholungsgebiet der Langen Erlen und die erhöht gelegene Station Maienbühl für die Verhältnisse in Hanglage.

Jahreszeitliche Schwankungen
Die typischen jahreszeitlichen Unterschiede der Luftschadstoffbelastung lassen sich am besten an den Daten der kontinuierlichen Station in Weil erkennen. In Figur 2 und 3 sind der Jahresgang für Schwefeldioxid und Stickstoffdioxid sowie Ozon aufgetragen, gemittelt jeweils über die gesamte Messdauer dieser Station (von 1982-1987).

Schwefeldioxid entsteht zur Hauptsache bei der Verbrennung von Heizöl, Stickstoffdioxid durch den Automobilverkehr. Ozon hingegen ist ein Sekundärschadstoff, welcher unter Einwirkung von Sonnenlicht durch chemische Umwandlung aus Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen gebildet wird.

In Figur 2 zeigen sowohl Schwefeldioxid wie auch Stickstoffdioxid einen deutlichen Jahresgang mit einem Minimum in den Sommermonaten und dem Maximum im Winter. Die Amplitude ist allerdings beim Schwefeldioxid weitaus ausgeprägter als beim Stickstoffdioxid. Dies ist auf die enge Verknüpfung zwischen hoher Schwefeldioxidbelastung und kalten Temperaturen zurückzuführen und zeigt deutlich die Rolle von Schwefeldioxid als Indikator für die Belastung durch Heizungen.

In Figur 3 wird der Jahresgang der Ozonkonzentration aufgetragen, in Form der Monatsmittelwerte und der monatlichen 98% Perzentile. Das 98% Perzentil sagt aus, dass 98% aller Messwerte tiefer, oder umgekehrt 2% aller Messwerte höher als dieser Wert liegen. Er ist damit ein Mass für die Spitzenbelastung, welche beim Ozon wegen seiner Wirkung besonders kritisch ist. Dieser Kurvenverlauf ist nun genau entgegengesetzt zu den in Figur 2 gezeig ten. Das Maximum findet sich beim Ozon in den Sommermonaten, wo auch die Grenzwertüberschreitungen auftreten. Grund dafür ist die Verknüpfung von intensiver Ozonbildung mit maximaler Sonneneinstrahlung, welche im Sommer am grössten ist.

Zwei ausgewählte Beispiele
Die Luftschadstoffkonzentration ist als Folge der wechselhaften Witterung und der unterschiedlichen Emissionen zeitlich sehr variabel. Als Ergänzung der bisher gezeigten mittleren Belastung werden im folgenden noch zwei ausgewählte Spezialperioden im Detail erklärt, ein Beispiel für winterliche Verhältnisse, ein anderes für den Sommer.

Gang der Schwefeldioxidbelastung im Winter (Beispiel Januar 1987)
Ein Einbruch arktischer Kaltluft und stagnierende Luftbewegung führte grossräumig in ganz Mitteleuropa vom 11. Januar 1987 an zu massiv überhöhten Schwefeldioxidkonzentrationen. In Figur 4 werden einerseits der Verlauf der Tagesmittelwerte der Schwefeldioxidkonzentration für die Stationen Weil, Lange Erlen und Maienbühl aufgetragen, andererseits die täglichen Maximaltemperaturen der meteorologischen Stationen Basel-Binningen und Feldberg. Es lassen sich in Figur 4 folgende Punkte hervorheben:

- Der Kaltlufteinbruch erfolgte schubweise mit Tiefstwerten am 12. Januar um -18°C. Danach stiegen die Temperaturen wieder kontinuierlich und überschritten am 23. Januar die Nullgradgrenze. Vom 13. bis 17. Januar liegen die Maximaltemperaturen auf dem Feldberg höher als in Basel-Binningen, es herrscht also eine Inversion, welche den vertikalen Austausch unterbindet.

- Der Verlauf der Schwefeldioxidkonzentrationen an allen drei Stationen verläuft parallel, sie gehören also alle zur gleichen Luftmasse. Weil und Lange Erlen weisen etwa die gleichen Schadstoffkonzentrationen auf. Die 200 Meter über Talboden in Hanglage gelegene Station Maienbühl weist hingegen tiefere Werte auf. Dieser Unterschied zeigt die starke Konzentration der Luftschadstoffe in Bodennähe.

- Der erstmalige Anstieg der Schwefeldioxidkonzentration ist verknüpft mit dem Absinken der Temperatur. Hingegen sind dann die Maximalkonzentrationen und deren tagtägliche Variabilität verknüpft mit der ausgeprägten Inversionsschichtung, teilweise auch mit der Windstärke.

Tagesgang der Ozonkonzentration im Sommer (Beispiel 6. Juli 1987)
Figur 5 zeigt einen Vergleich der Stickoxid- und Ozonkonzentration sowie der Globalstrahlung für die beiden Stationen St. Johann (städtische Verhältnisse) und Maienbühl (ländliche Verhältnisse auf Anhöhe in Stadtnähe). Es sind folgende Punkte hervorzuheben:

- In der Stadt ist die Konzentration an Stickoxiden erheblich, mit einem deutlichen Anstieg der Stickstoffmonoxidkonzentration am Morgen, zur Zeit der morgendlichen Verkehrsspitze. In der Station Maienbühl hingegen fehlt das Stickstoffmonoxid, und auch die Stickstoffdioxidkonzentration ist auf einem tieferen Niveau konstant.

- Entsprechend ist auch die Ozonkonzentration an beiden Stationen unterschiedlich. In der Stadt sinkt die Ozonkonzentration morgens infolge des Abbaus durch Stickstoffmonoxid auf Null ab. Bei der Station Maienbühl hingegen bleibt sie auch während der Nacht auf einem beachtlichen Niveau. Mit zunehmender Einstrahlung steigt die Ozonkonzentration dann bis am Nachmittag. Grundsätzlich ist dieser Ozonverlauf an der Station Maienbühl gleich, liegt aber gesamthaft wesentlich hö her als in der Stadt. Da Ozon ein Sekundärschadstoff ist, erreicht er seine Maximalkonzentration eben erst nach einer gewissen Transport- und Umwandlungszeit im Umland der Stadt.

Dieser Einfluss der Transportdistanz und der Standortcharakteristik wird ebenfalls deutlich, wenn man die maximalen Halbstundenmittelwerte betrachtet, welche am 6.Juli 1987 gemessen worden sind. Sie betrugen: St. Johann 109 |ig/m3, Weil 120 Hg/m3, Lange Erlen 158 pg/ m3, Riehen-Maienbühl 194 |ag/m3 und Schönenbuch 197 \ig/m3. Die Belastung durch Ozon nimmt um die Stadt konzentrisch zu.

Zusammenfassung
Entscheidend für die Luftschadstoffbelastung der Gemeinde Riehen ist ihre Lage als Vorortsgemeinde der Stadt Basel. Sie weist damit in bezug auf die Primärschadstoffe (beispielsweise Schwefeldioxid, Stickoxide) geringere Belastung auf als die Stadt als Agglomerationszentrum. Hingegen liegt die Belastung durch Sekundärschadstoffe (Beispiel: Ozon) deutlich höher als im Agglomerationszentrum.

Wärme aus der Tiefe
Am 30. Juli 1988 erreichten die Bohrer am Bachtelenweg, die im Rahmen der Geothermiebohrung seit dem 17. März eingesetzt worden waren, die Endtiefe von 1547 Metern. Damit hatten sie durch viele geologische Schichten hindurch - Spuren des Werdens unserer Erde - die obere Muschelkalkschicht (die aus dem erdgeschichtlichen Zeitalter der Trias stammt) erreicht. Bis zu sieben Liter 67 Grad Celsius warmes Wasser pro Sekunde sprudelten aus der Tiefe empor. Damit scheint die Hoffnung berechtigt zu sein, dass Riehen einmal geothermische Energie, die im Unterschied zu fossilem Brennstoff umweltfreundlich ist, nutzen kann. Die erfolgreich verlaufene Bohrung gilt gesamtschweizerisch als Pioniertat. Ob und wie weit Erdwärme, respektive das durch die Bohrung angezapfte heisse Wasser, für die Beheizung von Liegenschaften in Riehen eingesetzt werden kann, wird sich zeigen, sobald ein Langzeitpumpversuch und eine zweite Bohrung im Stettenfeld ausgeführt worden sind. 
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