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Mobile measurements of particulate matter in a car cabin: Local variations, contrasting data from mobile versus stationary measurements and the effect of an opened versus a closed window

  • Es ist wissenschaftlich belegt, dass hohe Feinstaubbelastungen direkt mit gesundheitlichen Schäden vergesellschaftet sind. Insbesondere in Städten, in denen die Konzentrationen besonders hoch sind, stellt dies ein ernstzunehmendes Problem dar . Ein wesentlicher Beitrag der Feinstaubbelastung ist auf anthropogene Prozesse und insbesondere auf verkehrsbedingte Emissionen zurückzuführen. Hierbei sind Abgase aus Verbrennungsmotoren sowie Brems- und Reifenabrieb zu nennen. Für die gesundheitliche Risikobewertung einzelner Verkehrsteilnehmer werden mehrheitlich Daten stationärer Messnetzwerke herangezogen. Die Aussagekraft dieser Daten für diesen Zweck wird jedoch mitunter kritisch bewertet. Um die Feinstaubexposition gegenüber einem Fahrzeuginsassen realistischer beurteilen zu können, erfolgt die Messung der Feinstaubkonzentration im Innenraum eines PKW mit einem mobilen Aerosolspektrometer und GPS-gestützter Standortbestimmung in Frankfurt am Main. Hierbei werden die Konzentrationen für die Partikelfraktionen PM10, PM2,5, PM1 und PMcoarse unter unterschiedlichen Bedingungen kontinuierlich gemessen. Neben einem Vergleich der mobil gemessenen Feinstaubkonzentrationen mit Daten des stationären Messnetzwerks, werden auch lokale Konzentrationsvariationen sowie Expositionsdifferenzen zwischen Fahrten mit geöffnetem und geschlossenem Fenster analysiert. Um einzelne Feinstaubquellen identifizieren zu können, wird die Fahrzeugumgebung mit einer Videokamera überwacht. Im Fahrzeuginnenraum wurden Spitzenkonzentrationen von 508 µg m-3 für PM10, 133,9 µg m-3 für PM2,5, 122,9 µg m-3 für PM1 und 109,8 µg m-3 für PMcoarse (2,5-10 µm) erreicht. Die Konzentration und die Partikelgrößenverteilung im Fahrzeuginnenraum waren stark von der Umgebungsluft abhängig. Die Konzentration feinerer Partikel (PM2,5, PM1) zeigte nur geringe Schwankungen innerhalb der Stadt mit einigen signifikanten Spitzen in der Innenstadt und auf stark befahrenen Straßen. Im Gegensatz dazu wies die PMcoarse-Konzentration starke Schwankungen auf. Die höchsten Werte wurden ebenfalls in der Innenstadt und auf stark befahrenen Straßen gemessen. Durch Analyse des Videomaterials war es möglich, einige Konzentrationsspitzen mit ihren charakteristischen Partikelgrößenspektren den jeweiligen Quellen zu zuordnen. Die absoluten Partikelkonzentrationen unterschieden sich signifikant zwischen den mobilen und den stationären Messungen, obwohl für feinere Partikel gute Korrelationen beobachtet werden konnten. Insbesondere die bei geöffnetem Fenster gemessenen Fahrzeuginnenraumkonzentrationen waren für alle Partikelgrößen deutlich höher als die entsprechenden Werte der Messstation. Schließlich erfolgte ein direkter Vergleich der Feinstaubkonzentrationen im Fahrzeug zwischen Fahrten mit geöffnetem und geschlossenem Fenster. An jedem Tag wurde nach dem Schließen des Fensters eine Konzentrationsreduktion bei allen Größenfraktionen beobachtet. Grobe Partikel (2,5-10 µm) wurden um 87,9 bis 97,4 %, feinere Partikel (1-2,5 µm) um 77,9 bis 88,2 % und die feinsten Partikel (<1 µm) um 13 bis 52 % reduziert. Nach Interpretation der vorliegenden Daten sind mobile Messungen für eine Risikoanalyse der Feinstaubexposition auf einen Fahrzeuginsassen unerlässlich. Die Partikelkonzentration im PKW war über alle Fahrten hinweg mäßig bis hoch, wobei die Konzentration von groben Partikeln leicht durch Schließen des Fensters und Nutzung der Klimaanlage reduziert werden konnte. Die Konzentration der feineren Partikel konnte durch diese Maßnahmen nur geringfügig herabgesetzt werden. Basierend auf den vorliegenden Ergebnissen sollte in zukünftigen Studien auf die Quantifizierung ultrafeiner Partikel eingegangen werden sowie eine ergänzende chemische Analyse der Partikel erfolgen.
  • Air pollution caused by particulate matter (PM) has a significant impact on human health. Especially in urban areas where the concentrations are high, PM is a serious problem. In cities, a main source are traffic related emissions like abrasion processes from tires and brakes or combustion processes. Risk assessments for different traffic participants are often performed on the basis of data from local air quality monitoring stations. However, numerous studies demonstrated the limitation of this approach. To assess the risk of PM exposure to a car driver more realistically, the concentration of PM was measured in a car cabin with a mobile aerosol spectrometer in Frankfurt am Main. The particle size categories PM10, PM2.5, PM1 and PMcoarse were constantly recorded and linked to the corresponding location by using GPS data. The mobile measured in-cabin concentrations were compared to data from a local air quality monitoring station. Furthermore, local concentration differences as well as differences between driving with an opened and closed window were analyzed. A video camera monitored the surroundings for potential PM source detection. Peak concentrations of 508 µg m-3 for PM10, 133.9 µg m-3 for PM2.5, 122,9 µg m-3 for PM1 and 109.8 µg m-3 for PMcoarse (2.5-10 µm) were reached in the cabin. The in-cabin PM concentration and particle size distribution strongly depended on outside PM concentration. However, the concentration of smaller particles (PM2.5, PM1) showed low fluctuations with a few significant peaks in the city center and on busy roads. In contrary, the PMcoarse concentration showed high fluctuations throughout the circular drive with the highest values in the city center and on busy roads as well. Several short-term concentration peaks were assigned to the corresponding sources with characteristic particle size distribution profiles by analyzing video material. The absolute PM values differed significantly between mobile and stationary air measurements, although good correlations were computed for finer particles (PM2.5). Especially the in-cabin concentrations measured with an opened window were much higher than the corresponding values from the air quality monitoring station for all particle sizes. Eventually a direct comparison of in-cabin PM concentrations between rides with an opened and closed window was made. On each day, a PM concentration reduction of all particle sizes was observed after closing the window. Coarse particles (2.5-10 µm) were reduced by 87.9-97.4%, finer particles (1-2.5 µm) by 77.9-88.2% and the finest particles (<1 µm) were reduced by 13-52%. According to the present data, mobile measurements are essential to assess the risk of PM exposure for car drivers and co-drivers. The concentration of particulate matter in cabins of cars is moderate to high. The exposure of coarse particles can easily be reduced by closing the window, although the concentration of finer particles remains high in the cabin. Basing on the present results, future studies should focus on the quantification of ultrafine particles as well as on a chemical analysis of the particles.

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Metadaten
Author:Janis DrögeORCiDGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-548181
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Ruth MüllerORCiD, Jörn LötschORCiDGND
Advisor:Ruth Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2020/05/15
Year of first Publication:2019
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2020/03/16
Release Date:2020/07/03
Tag:in-cabin exposure; mobile air quality study; particle size distribution; particulate matter; traffic emissions
Page Number:54
HeBIS-PPN:466296851
Institutes:Medizin
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht