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Janis Dröge

• Ultrafeine Partikel sind Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm. Die Exposition gegenüber ultrafeinen Partikeln wird mit zahlreichen negativen Folgen für die menschliche Gesundheit in Verbindung gebracht. Ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften sind je nach Quelle sehr unterschiedlich. Sie werden entweder direkt emittiert oder sekundär aus emittierten Vorläufersubstanzen in der Umgebungsluft gebildet. Flughäfen stellen bedeutende Quellen von ultrafeinen Partikeln dar. Die Partikelemissionen werden hier hauptsächlich durch die Flugzeugtriebwerke und den Fahrzeugverkehr auf dem Flughafengelände verursacht. Von fliegenden Flugzeugen emittierte Partikel haben ebenfalls das Potenzial sich in Richtung Boden auszubreiten. Mit 513.912 Starts und Landungen im Jahr 2019, unmittelbar vor der COVID-19-Pandemie, gehört der Flughafen Frankfurt zu den Flughäfen mit den meisten Flugbewegungen in Europa. Frankfurt stellt somit einen idealen Untersuchungsstandort dar, um die Auswirkungen des Flugverkehrs auf die Partikelanzahlkonzentration in einem entfernten Wohngebiet in einer Langzeitstudie zu untersuchen und damit eine Grundlage für eine realistische Expositionsanalyse zu schaffen. Der Studienort befand sich auf dem Lerchesberg im Frankfurter Stadtteil Sachsenhausen. Die Entfernung zum Flughafen beträgt ca. 7 km. Landende Flugzeuge überfliegen das Gebiet der Studie in geringer Höhe. Die Partikelanzahlkonzentration wurde mit Hilfe eines Kondensationspartikelzählers im Zeitraum Juli 2020-Juni 2022 bestimmt. Zusätzlich wurde die Partikelgrößenverteilung punktuell mit Hilfe eines Fast Mobility Particle Sizers gemessen. Die in dieser Studie gemessenen monatlichen Durchschnittskonzentrationen variierten zwischen 4.707 cm-3 und 11.313 cm-3. Der höchste 24-Stunden-Mittelwert betrug 24.120 cm-3. Es zeigte sich eine starke Abhängigkeit von der Windrichtung. Die höchsten Partikelanzahlkonzentrationen wurden während der Betriebszeit des Flughafens gemessen, wenn der Wind aus dessen Richtung wehte. In der Nacht und somit außerhalb der Betriebszeit des Flughafens wurden wesentlich niedrigere Partikelanzahlkonzentrationen gemessen. Zudem konnten charakteristische Konzentrationstrends im Tagesverlauf beobachtet werden. Bei Wind aus Richtung des Flughafens stiegen parallel zum Betriebsbeginn des Flughafens die Partikelanzahlkonzentrationen an, um schließlich zu Betriebsende des Flughafens wieder deutlich abzufallen. In einer solchen Windsituation konnte eine für Flughafenabwinde typische Partikelgrößenverteilung mit Partikeln unterhalb von 30 nm mit einem Maximum bei 14 nm gemessen werden. In einem Zeitraum mit hohem Flugverkehrsaufkommen zeigten sich signifikant höhere Partikelanzahlkonzentrationen im Abwind des Flughafens als in einem Zeitraum mit niedrigem Flugverkehrsaufkommen. Weiter ergaben sich Hinweise, dass die südlich verlaufenden Autobahnen einen Einfluss auf die Partikelanzahlkonzentration am Studienort haben könnten. Konzentrationsanstiege zum Zeitpunkt des Betriebsbeginns deuteten in der Analyse darauf hin, dass auch Überflugereignisse zur Gesamtpartikelanzahlkonzentration beitragen. Bestimmte Bedingungen in der atmosphärischen Grenzschicht scheinen jedoch eine Bedingung für die Nachweisbarkeit zu sein. Aufgrund einer sehr begrenzten Anzahl an Daten über konzentrationsabhängige gesundheitliche Beeinträchtigen durch ultrafeine Partikel, die sich dann auch vor allem auf Straßenverkehrsemissionen beziehen, ist eine direkte medizinische Bewertung kompliziert. Mehrere Studien in städtischen Umgebungen deuten jedoch darauf hin, dass auch Partikelanzahlkonzentrationen, wie sie an der Messstelle quantifiziert wurden, unter bestimmten Bedingungen negative Auswirkungen auf das Herz-Kreislauf- und das Atmungssystem haben könnten. Insbesondere die bei Wind aus Richtung des Flughafens in hoher Konzentration gemessenen Partikel mit einem Durchmesser unter 30 nm werden in hohem Maße in den Alveolen abgelagert und können somit eine hohe gesundheitliche Relevanz haben. In dieser Studie konnte der Flughafen eindeutig als Partikelquelle am Untersuchungsort und damit in einem entfernten Wohngebiet identifiziert werden. Aufgrund der hohen Partikelanzahlkonzentrationen, der kritischen Partikelgröße und der starken Konzentrationsvariationen haben Langzeitmessungen für eine realistische Expositionsanalyse eine besonders hohe Relevanz
• Ultrafine particles are particles with a diameter of less than 100 nm1. Exposure to these particles is associated with numerous negative effects on human health. Their chemical and physical properties vary greatly depending on the source. They are either emitted directly or formed secondarily from emitted precursors in the ambient air. Airports are significant sources of ultrafine particles. Particulate emissions here are mainly caused by aircraft engines and vehicle traffic on the ground. Emitted particles from flying aircrafts also have the potential for vertical dispersion to the ground. With 513,912 take-offs and landings in 2019, immediately before the COVID-19 pandemic, Frankfurt Airport is one of the airports with the most aircraft movements in Europe. Frankfurt is therefore an ideal study site to investigate the effects of air traffic on the particle number concentration in a residential area in a long-term study and thus develop a basis for a realistic exposure analysis. The study site was located in the south of Frankfurt (Lerchesberg, district Sachsenhausen). The distance between the study site and the closest point of the airport is 7 km. Landing aircrafts fly over the study site with a low altitude. The particle number concentration was determined using a Condensation Particle Counter in the period July 2020-June 2022. In addition, the particle number size distribution was measured once using a Fast Mobility Particle Sizer. The monthly mean particle number concentrations measured in this study varied between 4,707 cm-3 and 11,313 cm-3. The highest 24-hour mean value was 24,120 cm-3. There was a strong dependence on the wind direction. The highest concentrations were measured during the operation time of the airport, when the wind came from its direction. Much lower concentrations were measured at night and therefore outside the airport's operation time. In addition, characteristic concentration trends were observed during the course of the day. When the wind came from the direction of the airport, the particle number concentrations increased parallel to the beginning of flight operation. From the beginning of the night flight restrictions, there was finally a clear drop. At very high particle number concentrations, which were quantified when the wind came from the direction of the airport, particles with a diameter below 30 nm dominated. Particles in this size range can be produced by combustion in jet engines. During a period with a high air traffic volume, significantly higher particle number concentrations were measured when the study site was downwind from the airport than during a period with low air traffic volume. There were also indications that the highways to the south could have an influence on the particle number concentration. Measured particle number concentration increases at the beginning of flight operations may also be associated with passing aircrafts. However, certain conditions in the atmospheric boundary layer appear to be a prerequisite for detectability. The current data availability of effects of ultrafine particles on human health is limited. However, isolated studies in urban environments have found evidence that negative effects may be observed at similar concentration levels under certain conditions. Besides the particle number concentration, the knowledge about the particle number size distribution is of high relevance to assess the medical impact. In the measurement, particles with a diameter below 30 nm dominated the particle number concentration when the study site was downwind from the airport. Especially these particles are deposited in the alveoli to a large extent and are therefore of high medical relevance. In this study, it could be demonstrated, that a large commercial airport has the potential to lead to a high particle number concentration even in a distant residential area. Due to the high particle number concentrations, the critical particle size, and strong concentration fluctuations, long-term measurements are essential for a realistic exposure analysis.