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Smog in der Neujahrsnacht zum 1. Januar 2008
Das Kunstwort Smog ist eine Zusammensetzung aus den englischen Begriffen smoke und fog und bezeichnet eine Mischung aus schadstoffhaltigem Rauch und Nebel. Dabei stammen die Schadstoffe vor allem aus Industrieschloten, Kohleöfen und Kraftfahrzeugen. Aufgrund der umfangreichen Maßnahmen zur Reinhaltung der Luft in den vergangenen Jahrzehnten ist echter Smog heute kaum noch ein Thema, erst recht nicht in einer gut durchlüfteten Stadt wie Hamburg.
Es gibt jedoch alljährlich ein Ereignis, das flächendeckend und innerhalb kürzester Zeit solche Unmengen an Luftschadstoffen freisetzt, dass bei geeigneten meteorologischen Bedingungen die ganze Stadt im Smog versinkt: Die Silvesterknallerei!
Neben unseren eigenen Messwerten zeigen wir Ihnen auf dieser Seite auch
die Aufzeichnungen der Schwebstaubkonzentrationen („Feinstaub“),
die uns freundlicherweise vom
Hamburger Luftmessnetz 
zur Verfügung gestellt wurden.
Zur Entstehung von Nebel
Kühlt man feuchte Luft ab, so steigt die relative Feuchte, die das Verhältnis von vorhandener Wasserdampfmenge zur maximal möglichen Menge angibt. Bei 100 % relativer Feuchte ist der Wasserdampf gesättigt, kühlt man ihn weiter ab, so tritt Kondensation ein und flüssige Wassertröpfchen bilden sich. Je nach Höhe über dem Erdboden entstehen Wolken oder Nebel.
Soweit die einfachste Theorie. In Wirklichkeit sind die Vorgänge komplexer, denn jede Tröpfchenbildung beginnt mit der Anlagerung einzelner Wassermoleküle und in der Welt der Moleküle müssen noch weitere Gesetze berücksichtigt werden, z. B. Effekte an stark gekrümmten Oberflächen (Oberflächenspannung). So wird in absolut sauberer Luft eine relative Feuchte von weit über 100 % benötigt (Übersättigung), damit sich überhaupt erst einmal die beiden ersten Wassermoleküle verbinden können.
Die Tröpfchenbildung wird jedoch wesentlich vereinfacht, wenn geeignete Kondensationskerne vorhanden sind. Dies können z. B. kleine Partikel sein, die die Rolle von „Anfangströpfchen“ übernehmen, an die sich die Wassermoleküle leichter anlagern können. In der Atmosphäre sind solche Kerne fast immer vorhanden, so dass wesentliche Übersättigungen von mehr als 1 % nicht beobachtet werden.
Zum Schwebstaub/Feinstaub
Staub besteht aus winzigen, festen Partikeln und ist teils natürlichen, teils menschlichen Ursprungs. Insbesondere die kleinen Staubpartikel bis zu einer Größe von 10 µm (0,01 mm) gelten als gesundheitsschädlich und werden unter der Bezeichnung PM10 zusammengefasst. Die PM10-Konzentrationen werden seit einigen Jahren an mehreren Stellen in Hamburg laufend gemessen. Typische Werte sind bis zu 50 µg/m³ (Mikrogramm pro Kubikmeter) Luft oder, vielleicht etwas anschaulicher, 1 kg Staub auf 1 km² Fläche in einer 20 m dicken Luftschicht. In extremen Fällen, z. B. während der Osterfeuer oder in der Neujahrsnacht, können auch Werte bis zu 1000 µg/m³ erreicht werden. In der EU gilt zurzeit ein Grenzwert von 50 µg/m³ im Tagesmittel, der allerdings an bis zu 35 Tagen im Jahr überschritten werden darf.
In neuerer Zeit werden auch vermehrt die Partikel bis zu einer Größe von 2,5 µm (PM2,5) gemessen, die bis in die Lungenbläschen vordringen und dort gesundheitlichen Schaden anrichten können.
Die Ausbreitung des Feinstaubs und anderer Luftschadstoffe hängt im Wesentlichen von den meteorologischen Parametern Windrichtung und Windgeschwindigkeit ab. Auch die Stabilität der Luftschichtung hat einen großen Einfluss, denn bei stabilen Wetterlagen und geringen Windgeschwindigkeiten erfolgt kaum Austausch mit höheren Luftschichten oder der Umgebung, so dass sich emittierte Schadstoffe immer weiter anreichern können. Zusammen mit feuchter Luft und Nebel führen hohe Schadstoffkonzentrationen dann zu Smog.
Zurück zum Wettermast
Am 31.12. und 1.1. weht ein leichter Wind mit etwa 2 m/s (etwa 7 km/h) aus nordwestlichen Richtungen. Der 31.12. ist weitgehend wolkenlos, so dass sich die bodennahen Luftschichten in der Sonne erwärmen, das Maximum wird um 14 Uhr mit etwa 5,5 °C in 2 m Höhe erreicht. Danach beginnt bereits die Abkühlung, zur Zeit des Sonnenuntergangs um etwa 16 Uhr dreht sich die Temperaturschichtung am Boden um. Kurz vor 19 Uhr ist die 2 m-Temperatur niedriger als alle anderen, die untere Atmosphäre ist stabil geschichtet (schwere (kühlere) Luft unten, leichte (wärmere) Luft in der Höhe).
Die folgende Grafik zeigt die Änderung des Temperaturprofils von 14 Uhr (gelb) bis 20 Uhr (dunkelrot) in 2-Stunden-Intervallen.
Der Einfluss der Schichtung auf den vertikalen Luftaustausch ist besonders gut an der Windgeschwindigkeit zu erkennen. Am 31.12. sorgt tagsüber die Erwärmung des Bodens für einen turbulenten, vertikalen Austausch, so dass sich die Windgeschwindigkeiten in unseren Messhöhen von 10 bis 250 m Höhe einander angleichen (2,5 bis 5 m/s). Abends dagegen, bei stabiler Schichtung, entkoppeln sich die einzelnen Luftschichten. Der Wind am rauen Boden wird aufgrund des nun fehlenden Antriebs von oben geringer, mit der Höhe nimmt die Windgeschwindigkeit rasch zu, um sich in noch größerer Höhe dem Wind in der freien Atmosphäre anzunähern. Ab 20 Uhr wird in 10 m Höhe nur noch 1 m/s gemessen, in 250 m jedoch bis über 10 m/s.
Mit abnehmender Temperatur steigt die relative Feuchte und erreicht am späten Abend Werte bei 100 %. Die (kapazitiven) Feuchtesensoren messen unter diesen Bedingungen die Feuchte allerdings nur auf einige Prozent genau. Als Ergänzung zeigen wir deshalb für die 110 m-Höhe auch die Messwerte eines Taupunktspiegels.
Die folgende Grafik zeigt die PM10-Feinstaubmessungen an vier in der Umgebung des Wettermastes liegenden Messstationen des Hamburger Luftmessnetzes: Billwerder (1 km in östlicher Richtung entfernt), Billbrook (1,8 km NW), Billstedt (2,3 km N) und Tatenberg (3,8 km S). Um etwa 18 Uhr beginnen die Werte aufgrund der zunehmenden Knallerei langsam zu steigen. Bereits um 21 Uhr wird die Schwelle von 50 µg/m³ überschritten. Zwischen 0 und 2 Uhr gibt es dann kein Halten mehr: Raketen und Böller pusten soviel Feinstaub in die Luft, dass im bewohnten Billstedt die Werte auf 900 µg/m³ steigen und sogar im weitgehend unbewohnten Billbrook und im ländlichen Billwerder über 500 µg/m³ gemessen werden. Billbrook und Billwerder liegen nur wenig südlich der Siedlungsachse Innenstadt – Hamm – Horn – Billstedt. Im ebenfalls dünn besiedelten, aber weiter entfernten Tatenberg tritt das Maximum der Feinstaubbelastung erst eine Stunde später ein, leicht zu erklären anhand der herrschenden Windbedingungen (7 km/h aus NW) und der Entfernung zum nächsten Ballungsraum (oder besser: Ballerraum) in Rothenburgsort (6 km nordwestlich) und der Innenstadt (9 km nordwestlich). Die dicke Luft wird also kilometerweit über das Land transportiert, ohne sich nennenswert zu verdünnen.
Die Tagesmittelwerte der vier Stationen für den 1.1.2008 liegen bei 75 bis 103 µg/m³, also deutlich über dem EU-Grenzwert von 50 µg/m³. Der erste von 35 erlaubten Tagen pro Jahr ist also bereits verbraucht (ohne dass Rußfilter, Feinstaubplaketten oder Fahrverbote dies hätten verhindern können…).
Und wozu führt der Eintrag immenser Mengen an feinen Staubteilchen in feuchte Luft nahe der Sättigung? Zum dichtesten Nebel des ganzen Jahres, der definitionsgemäß auch als Smog bezeichnet werden kann! Laut Augenzeugen soll die Sichtweite in Teilen der Stadt nur 10 bis 20 Meter betragen haben. Mancher berichtet, dass bereits die andere Straßenseite nicht mehr zu erkennen war. Bestätigt werden diese Beobachtungen von unserem Ceilometer, das eigentlich zur Messung der Wolkenhöhe dient, aber auch Nebel registrieren kann, der ja nur eine am Boden aufliegende Wolke darstellt.
Wir zeigen zunächst nur die unteren 500 der insgesamt 7500 durchleuchteten Höhenmeter. Je dunkler die Darstellung, desto dichter ist der Nebel. Gemessen wird dabei die Intensität von an Wassertröpfchen zurückgestreutem infraroten Laserlicht. Dies funktioniert jedoch nur bis zu einer gewissen optischen Dicke des Nebels: Ab einer bestimmten Höhe kommt nicht mehr genügend Laserlicht oben an, das nach einer Reflexion auch noch wieder bis zum Gerät herunter gelangen und registriert werden könnte. Aus diesem Grunde darf in der Grafik die Delle am Oberrand des Nebelsignals um 1 Uhr nicht etwa als eine Nebelschicht geringer Mächtigkeit interpretiert werden, sondern es ist lediglich der Nebel am Boden extrem dicht.
Ein Blick auf die gesamte durchleuchtete Höhe zeigt aufkommende Bewölkung in 500 bis 1000 m Höhe ab etwa 1.30 Uhr. Aufgrund der damit einhergehenden leichten Erwärmung sinkt die relative Feuchte unter 100 %, der Nebel löst sich langsam auf und ist ab 4 Uhr gänzlich verschwunden.
Der Vollständigkeit halber folgen noch die weiteren Messgrößen, insbesondere die langwellige Eintrahlung, in der der Unterschied zwischen wolkenlosem und bedeckten Himmel sehr gut zu erkennen ist, und der Luftdruck, der nahezu unverändert auf hohem Niveau verharrt.
