Person: Birmili, Wolfram
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1969
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Birmili
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Wolfram
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Veröffentlichung Vorkommen und Quellen ultrafeiner Partikel im Innenraum und in der Außenluft - aktueller Kenntnisstand(2020) Birmili, Wolfram; Daniels, Anja; Hoffmann, Stephan; Kura, Jürgen; Niemeyer, Thomas; Pietsch, AxelUltrafeine Partikel (UFP) sind als Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 100 Nanometer definiert. Aufgrund ihrer toxikologischen Eigenschaften stellen sie ein ungebrochen aktuelles Thema in der Luftreinhaltung dar. Diese Arbeit stellt die wichtigsten Grundlagen zu UFP in der Umwelt zusammen und schafft einen Überblick über Messtechniken und vorhandene Messdaten. Hierbei liegen die Schwerpunkte auf der Innenraumluft und der Außenluft. Inzwischen stehen eine Reihe standardisierter Messverfahren für UFP zur Verfügung. Zukünftige messtechnische Entwicklungen sind jedoch notwendig, um mehr personenbezogene bzw. flächenhafte Daten von UFP zu gewinnen. Mit dem German Ultrafine Aerosol Network (GUAN) besteht seit 2009 ein kooperatives Messnetz für die Außenluft, aus dem Mittelwerte, räumliche Schwankungen und zeitliche Trends für UFP abgeleitet werden konnten. Für den Innenraum werden Ergebnisse aus zwei neuen Studien vorgestellt: Die Innenraum-/Außenluftstudie des Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS), sowie die Deutsche Umweltstudie zur Gesundheit von Kindern und Jugendlichen (GerES V). Aus beiden Studien wird klar, dass auch die Partikelanzahlkonzentration im Innenraum großen Schwankungen unterliegen kann, und dass Innenraumquellen, wie Feuerquellen, Kerzenabbrand, Tabakrauch und Kochaktivitäten, zu erhöhten UFP-Konzentrationen beitragen. Aus zweijährigen Messungen in 40 Wohnungen konnten jedoch keine Anzeichen abgeleitet werden, dass die UFP-Belastung im Innenraum systematisch höher wäre als in der Außenluft. Generell fehlt es momentan an einer belastbaren Dosis-Wirkungs-Beziehung für UFP sowohl im Innenraum als auch in der Außenluft. Daraus ergibt sich für die kommenden Jahre der Auftrag an die Wissenschaft, gezielte Studien zur Erforschung der gesundheitlichen Wirkungen von UFP aus der Umwelt durchzuführen. Quelle: Vorkommen und Quellen ultrafeiner Partikel im Innenraum und in der Außenluft - aktueller Kenntnisstand / W. Birmili [und neun weitere]. - 1 Onlineressource (Seiten 33-43). In: Gefahrstoffe, Reinhaltung der Luft / Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitssicherheit. - 80 (2020), Heft 1-2, Seite 33Veröffentlichung Aerosol pollution maps and trends over Germany with hourly data at four rural background stations from 2009 to 2018(2020) Heintzenberg, Jost; Birmili, Wolfram; Hellack, BryanA total of 10 years of hourly aerosol and gas data at four rural German stations have been combined with hourly back trajectories to the stations and inventories of the European Emissions Database for Global Atmospheric Research (EDGAR), yielding pollution maps over Germany of PM10, particle number concentrations, and equivalent black carbon (eBC). The maps reflect aerosol emissions modified with atmospheric processes during transport between sources and receptor sites. Compared to emission maps, strong western European emission centers do not dominate the downwind concentrations because their emissions are reduced by atmospheric processes on the way to the receptor area. PM10, eBC, and to some extent also particle number concentrations are rather controlled by emissions from southeastern Europe from which pollution transport often occurs under drier conditions. Newly formed particles are found in air masses from a broad sector reaching from southern Germany to western Europe, which we explain with gaseous particle precursors coming with little wet scavenging from this region. Annual emissions for 2009 of PM10, BC, SO2, and NOx were accumulated along each trajectory and compared with the corresponding measured time series. The agreement of each pair of time series was optimized by varying monthly factors and annual factors on the 2009 emissions. This approach yielded broader summer emission minima than published values that were partly displaced from the midsummer positions. The validity of connecting the ambient concentration and emission of particulate pollution was tested by calculating temporal changes in eBC for subsets of back trajectories passing over two separate prominent emission regions, region A to the northwest and B to the southeast of the measuring stations. Consistent with reported emission data the calculated emission decreases over region A are significantly stronger than over region B. © Author(s) 2020.Veröffentlichung Long-term trends of black carbon and particle number concentration in the lower free troposphere in Central Europe(2021) Sun, Jia; Birmili, Wolfram; Hermann, Markus; Yuan, YeBackground The implementation of emission mitigation policies in Europe over the last two decades has generally improved the air quality, which resulted in lower aerosol particle mass, particle number, and black carbon mass concentration. However, little is known whether the decreasing particle concentrations at a lower-altitude level can be observed in the free troposphere (FT), an important layer of the atmosphere, where aerosol particles have a longer lifetime and may affect climate dynamics. In this study, we used data from two high-Alpine observatories, Zugspitze-Schneefernerhaus (ZSF) and Jungfraujoch (JFJ), to assess the long-term trends on size-resolved particle number concentrations (PNCs) and equivalent black carbon (eBC) mass concentration separated for undisturbed lower FT conditions and under the influence of air from the planetary boundary layer (PBL) from 2009 to 2018. Results The FT and PBL-influenced conditions were segregated for both sites. We found that the FT conditions in cold months were more prevalent than in warm months, while the measured aerosol parameters showed different seasonal patterns for the FT and PBL-influenced conditions. The pollutants in the PBL-influenced condition have a higher chance to be transported to high-altitudes due to the mountainous topography, leading to a higher concentration and more distinct seasonal variation, and vice versa. The long-term trends of the measured aerosol parameters were evaluated and the decreased aerosol concentrations were observed for both FT and PBL-influenced conditions. The observed decreasing trends in eBC concentration in the PBL-influenced condition are well consistent with the reported trends in total BC emission in Germany and Switzerland. The decreased concentrations in the FT condition suggest that the background aerosol concentration in the lower FT over Central Europe has correspondingly decreased. The change of back trajectories in the FT condition at ZSF and JFJ was further evaluated to investigate the other possible drivers for the decreasing trends. Conclusions The background aerosol concentration in the lower FT over Central Europe has significantly decreased during 2009-2018. The implementation of emission mitigation policies is the most decisive factor and the decrease of the regional airmass occurrence over Central Europe also has contributed to the decreasing trends. © 2021, The Author(s)Veröffentlichung Diverging trends of plasticizers (phthalates and non-phthalates) in indoor and freshwater environments - why?(2022) Birmili, Wolfram; Koschorreck, Jan; Nagorka, Regine; Schulze, JonaBackground European chemicals management aims to protect human health and the environment from legacy and emerging contaminants. The plasticizer market changed in response to the restriction of low molecular weight (LMW) phthalate plasticizers such as Di (2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) due to their hazardous properties. We investigated patterns and trends of 19 regulated and emerging plasticizers in house dust from German homes and in suspended particulate matter (SPM) from major German rivers. The samples were used from the mid-2000s and late 2010s from two governmental long-term monitoring programs in Germany. Results While the sum of the respective plasticizer levels hardly changed over the study period, we observed a significant decrease of LMW phthalates in both house dust (2003/06, 80% of the (Sigma)plasticizer concentration; 2014/17, 31%) and SPM (2005, 48%; 2017, 28%). This was accompanied by their substitution with high molecular weight (HMW) phthalates and non-phthalates. HMW phthalates increased from 19% of the (Sigma)plasticizer concentration to 46% between the mid-2000s and the late 2010s in house dust, and from 50% to 63% in SPM samples. Diisononyl phthalate (DINP) replaced DEHP as the dominant plasticizer in both compartments. A significant tenfold increase (p<0.05) was observed in SPM samples for Di (2-propylheptyl) phthalate (DPHP) (1-13%), compared to low levels in house dust (2014/17, 1%). Non-phthalates increased to 23% of the (Sigma)plasticizer concentration in house dust but only to 9% in SPM (mid-2000s: house dust,<1%; SPM, 1.5%). In recent house dust samples, Di (2-ethylhexyl) terephthalate (DEHT) had the third highest concentration of all plasticizers and contributed 18% to the total load, whereas Tris (2-ethylhexyl) trimellitate (TOTM) was one of the major non-phthalates in SPM samples. Conclusions Unlike in the indoor environment, the substitution of LMW phthalates in the aquatic environment was characterized by a significant shift towards plasticizers with potentially hazardous properties. DPHP and TOTM were identified by European chemical regulation as potentially endocrine disrupting compounds and persistent, bioaccumulative and toxic compounds. Our data document the need for integrated chemicals management to safeguard the transition to a non-toxic environment. © The Author(s) 2022Veröffentlichung A holistic modeling framework for estimating the influence of climate change on indoor air quality(2022) Salthammer, Tunga; Birmili, Wolfram; Zhao, Jiangyue; Schieweck, AlexandraThe IPCC 2021 report predicts rising global temperatures and more frequent extreme weather events in the future, which will have different effects on the regional climate and concentrations of ambient air pollutants. Consequently, changes in heat and mass transfer between the inside and outside of buildings will also have an increasing impact on indoor air quality. It is therefore surprising that indoor spaces and occupant well-being still play a subordinate role in the studies of climate change. To increase awareness for this topic, the Indoor Air Quality Climate Change (IAQCC) model system was developed, which allows short and long-term predictions of the indoor climate with respect to outdoor conditions. The IAQCC is a holistic model that combines different scenarios in the form of submodels: building physics, indoor emissions, chemical-physical reaction and transformation, mold growth, and indoor exposure. IAQCC allows simulation of indoor gas and particle concentrations with outdoor influences, indoor materials and activity emissions, particle deposition and coagulation, gas reactions, and SVOC partitioning. These key processes are fundamentally linked to temperature and relative humidity. With the aid of the building physics model, the indoor temperature and humidity, and pollutant transport in building zones can be simulated. The exposure model refers to the calculated concentrations and provides evaluations of indoor thermal comfort and exposure to gaseous, particulate, and microbial pollutants. © 2022 The AuthorsVeröffentlichung Außenluft(2021) Birmili, Wolfram; Kessinger, SusanLuftkontamination oder "Luftverschmutzung" liegt vor, wenn übermäßige Mengen oder auch für die Gesundheit schädliche Mengen an Spurengasen oder Staubpartikeln in die Atmosphäre gelangen. Neben den bekannten anthropogenen Quellen an Luftschadstoffen gibt es für viele Substanzen auch natürliche Quellen, die vom Menschen nur wenig beeinflussbar sind. Aufgrund von Schwankungen bei der Aktivität der Quellen sowie einer Vielfalt atmosphärischer Prozesse kann sich die Luftqualität im Einzelfall je nach Ort und Zeit stark unterscheiden. Luftverunreinigungen verursachen statistisch gesehen eine Bandbreite gesundheitlicher Auswirkungen in der Bevölkerung, die von Atemwegserkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, chronisch-obstruktiver Lungenkrankheit (COPD), Schlaganfällen bis zu Lungenkrebs reichen. Zum Schutz der menschlichen Gesundheit gibt es zahlreiche auf wissenschaftlicher Grundlage abgeleitete Grenzwerte bzw. Beurteilungswerte. In Deutschland wird die Luftqualität mit Hilfe eines umfangreichen Messnetzes aus ca. 600 Messstationen nach europaweit einheitlichen Vorgaben überwacht. Verstärkt muss vor allem dort gemessen werden, wo hohe Konzentrationen erwartet werden, denen viele Menschen ausgesetzt sind. Aktuell werden deutschland- und europaweit 11 Luftschadstoffe überwacht, von denen bei lang- und/oder kurzfristiger Exposition eine Gefahr für die menschliche Gesundheit ausgeht. Durch erfolgreiche Emissionsminderungsmaßnahmen, die in den 1960er Jahren begannen und bis in die Gegenwart reichen, gibt es mittlerweile in Deutschland keine Überschreitungen der geltenden Luftschadstoffgrenzwerte für Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Benzol und Blei mehr. Allerdings sind in Ballungsräumen und Städten die Konzentrationen von Feinstaub (PM10/PM2,5) und Stickstoffdioxid (NO2) an einigen Messstationen nach wie vor zu hoch, auch wenn sie seit 1990 deutlich abgenommen haben. Auch die Ozonbelastung stellt in den Sommermonaten deutschlandweit ein Problem dar. Nur sehr vereinzelt werden zu hohe Konzentrationen der Staubinhaltsstoffe (Arsen, Cadmium, Blei, Nickel, Benzo[a]pyren) gemessen. Inzwischen halten auch orientierende, d.h. gesetzlich nicht verpflichtende Messungen einiger "neuer" Luftschadstoffe wie ultrafeiner Partikel (UFP) Einzug in Messnetze. Durch Langzeitmessungen von UFP konnten z.B. die Wirksamkeit emissionsmindernder Maßnahmen im Kfz-Bereich gut belegt werden. Die Luftqualitätsdaten der Bundes- und Ländermessnetze werden der Öffentlichkeit automatisiert und zeitnah zur Verfügung gestellt, damit sich empfindliche Personengruppen jederzeit über die Belastungssituation informieren können. Quelle: https://www.ecomed-medizin.de/aussenluftVeröffentlichung Source apportionment and impact of long-range transport on carbonaceous aerosol particles in central Germany during HCCT-2010(2021) Poulain, Laurent; Birmili, Wolfram; Fahlbusch, Benjamin; Spindler, GeraldThe identification of different sources of the carbonaceous aerosol (organics and black carbon) was investigated at a mountain forest site located in central Germany from September to October 2010 to characterize incoming air masses during the Hill Cap Cloud Thuringia 2010 (HCCT-2010) experiment. The near-PM1 chemical composition, as measured by a high-resolution time-of-flight aerosol mass spectrometer (HR-ToF-AMS), was dominated by organic aerosol (OA; 41%) followed by sulfate (19%) and nitrate (18%). Source apportionment of the OA fraction was performed using the multilinear engine (ME-2) approach, resulting in the identification of the following five factors: hydrocarbon-like OA (HOA; 3% of OA mass), biomass burning OA (BBOA; 13%), semi-volatile-like OA (SV-OOA; 19%), and two oxygenated OA (OOA) factors. The more oxidized OOA (MO-OOA, 28%) was interpreted as being influenced by aged, polluted continental air masses, whereas the less oxidized OOA (LO-OOA, 37%) was found to be more linked to aged biogenic sources. Equivalent black carbon (eBC), measured by a multi-angle absorption photometer (MAAP) represented 10% of the total particulate matter (PM). The eBC was clearly associated with HOA, BBOA, and MO-OOA factors (all together R2=0.83). Therefore, eBC's contribution to each factor was achieved using a multi-linear regression model. More than half of the eBC (52%) was associated with long-range transport (i.e., MO-OOA), whereas liquid fuel eBC (35%) and biomass burning eBC (13%) were associated with local emissions, leading to a complete apportionment of the carbonaceous aerosol. The separation between local and transported eBC was well supported by the mass size distribution of elemental carbon (EC) from Berner impactor samples. Air masses with the strongest marine influence, based on back trajectory analysis, corresponded with a low particle mass concentration (6.4-7.5 (my)g m-3) and organic fraction (~30%). However, they also had the largest contribution of primary OA (HOA ~ 4% and BBOA 15%-20%), which was associated with local emissions. Continental air masses had the highest mass concentration (11.4-12.6 (my)g m-3), and a larger fraction of oxygenated OA (~45%) indicated highly processed OA. The present results emphasize the key role played by long-range transport processes not only in the OA fraction but also in the eBC mass concentration and the importance of improving our knowledge on the identification of eBC sources. © Author(s) 202Veröffentlichung Ultrafeine partikel in der Außenluft und in Innenräumen(2020) Frenzel, Wolfgang; Birmili, Wolfram; Held, Andreas; Moriske, Heinz-JörnVeröffentlichung Lüftungskonzepte in Schulen zur Prävention einer Übertragung hochinfektiöser Viren (SARS-CoV-2) über Aerosole in der Raumluft(2021) Birmili, Wolfram; Daniels, Anja; Moriske, Heinz-Jörn; Selinka, Hans-Christoph; Straff, WolfgangAller Kenntnis nach spielen die mit der Atmung ausgeschiedenen Aerosolpartikel eine wichtige Rolle bei der Verbreitung des 2019 erstmalig aufgetretenen Coronavirus SARS-CoV-2, insbesondere im Rahmen menschlicher Zusammenkünfte in Innenräumen. Diese Arbeit fasst die für den Schulbetrieb relevanten Sachverhalte und Maßnahmen zur Verminderung von Infektionen über den Aerosolpfad zusammen. Eine wichtige Maßnahme ist die Verstärkung der Raumlüftung, d. h. der Austausch möglicherweise kontaminierter Innenraumluft mit Außenluft. Neben der Verminderung der Konzentration infektiöser Aerosole ist Lüftung unabdingbar zur Abfuhr des in Klassenräumen erzeugten Kohlendioxids, der Luftfeuchte und anderer chemischer Stoffe in der Innenraumluft. Unabhängig von Lüftung erweist sich das Tragen von Mund-Nasen-Masken (medizinische Masken bzw. filtrierende Halbmasken) als wirksame Maßnahme. Eine für virushaltige Partikel wirksame Luftreinigung durch feste bzw. mobile Anlagen kann die genannten Maßnahmen unterstützen bzw. in Fällen aushelfen, wenn Räume trotz schlechter Lüftungsmöglichkeit genutzt werden müssen. Der Artikel gibt den Stand des Wissens im Oktober 2021 über verschiedene technische Schutzmaßnahmen wieder, die sich seit Beginn der Pandemie als sinnvoll erwiesen haben, wobei der Fokus auf der Reduzierung von indirekten Infektionen liegt. Neu hinzukommende Varianten von SARS-CoV-2, der Fortschritt der Impfkampagne bei Kindern und Jugendlichen sowie die Zunahme der allgemeinen Immunität werden möglicherweise eine Neubewertung der Maßnahmen erfordern. Neben kurzfristigen und schnell wirksamen Maßnahmen zum Infektionsschutz erscheint es auch geboten, die in Deutschland existierenden Defizite bei Raum- und Gebäudelüftung an Schulen durch eine langfristige Strategie zu beheben. Im Sinne einer dauerhaften Verbesserung der Innenraumluft und der Prävention gegen künftige luftübertragene Infektionskrankheiten erscheint die zunehmende Ausstattung von Schulen mit fest installierten Lüftungsanlagen bzw. raumlufttechnischen Anlagen - mit Option auf Wärme- und Feuchterückgewinnung - als nachhaltige gesellschaftliche Investition. © AutorenVeröffentlichung Particle number emission rates of aerosol sources in 40 German households and their contributions to ultrafine and fine particle exposure(2021) Zhao, Jiangyue; Birmili, Wolfram; Hussein, TareqMore representative data on source-specific particle number emission rates and associated exposure in European households are needed. In this study, indoor and outdoor particle number size distributions (10-800 nm) were measured in 40 German households under real-use conditions in over 500 days. Particle number emission rates were derived for around 800 reported indoor source events. The highest emission rate was caused by burning candles (5.3 * 1013 h-1). Data were analyzed by the single-parameter approach (SPA) and the indoor aerosol dynamics model approach (IAM). Due to the consideration of particle deposition, coagulation, and time-dependent ventilation rates, the emission rates of the IAM approach were about twice as high as those of the SPA. Correction factors are proposed to convert the emission rates obtained from the SPA approach into more realistic values. Overall, indoor sources contributed ~ 56% of the daily-integrated particle number exposure in households under study. Burning candles and opening the window leads to seasonal differences in the contributions of indoor sources to residential exposure (70% and 40% in the cold and warm season, respectively). Application of the IAM approach allowed to attribute the contributions of outdoor particles to the penetration through building shell and entry through open windows (26% and 15%, respectively). © 2020 Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e.V.