Die Emissionen von Flugzeugen könnten die Zahl der durch Luftverschmutzung verursachten Todesfälle bis 2040 verdoppeln

Eine globale Modellierungsstudie warnt davor, dass steigende NOx-Emissionen von Flugzeugen die Gesundheitsbelastung der Luftfahrt stark erhöhen könnten, auch wenn die Branche auf CO2-neutrales Fliegen setzt.

Die Forscher quantifizierten die aktuellen und zukünftigen globalen Gesundheitsauswirkungen der luftfahrtbedingten Luftverschmutzung, indem sie Flugzeugemissionen in mehreren Szenarien modellierten und ihre Auswirkungen auf die Sterblichkeit abschätzten.

Die Studie wurde als „Article in Press“ in der Zeitschrift veröffentlicht Kommunikation Erde und Umwelt und verfasst von Flávio DA Quadros, Rick Nelen, Mirjam Snellen und Irene C. Dedoussi, Forschern der Technischen Universität Delft und der University of Cambridge.

Luftfahrtemissionen: Trends, Auswirkungen und Bewertungsherausforderungen

Flugzeugemissionen tragen zum Klimawandel, zur Stickstoffablagerung und zur Verschlechterung der Luftqualität bei, vor allem durch die Erhöhung der Konzentrationen von Feinstaub (PM2,5) und Ozon. Diese Schadstoffe sind mit erheblichen Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit verbunden, wobei die geschätzte jährliche Sterblichkeit zwischen Hunderten und Zehntausenden liegt.

In den letzten Jahrzehnten ist der weltweite Kerosinverbrauch jährlich um 3–4 % gestiegen, was die Umweltbelastung erhöht. Während sich der Luftfahrtsektor ehrgeizige Ziele für die CO2-Neutralität bis 2050 gesetzt hat, hängt das Erreichen dieser Ziele weitgehend von nachhaltigen Flugkraftstoffen ab, die den Ausstoß von Stickoxiden (NOx) nicht wesentlich reduzieren. Angesichts der Tatsache, dass NOx der Hauptverursacher der weltweiten Auswirkungen auf die Luftqualität im Zusammenhang mit der Luftfahrt ist, werden sich diese Auswirkungen voraussichtlich verschlimmern, wenn keine wirksameren Abhilfemaßnahmen umgesetzt werden.

Der Flugbetrieb ist typischerweise in Lande- und Startphasen (LTO) und Nicht-LTO-Phasen unterteilt. Der Großteil der Emissionen wird in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre freigesetzt und breitet sich dort durch die Bildung sekundärer Schadstoffe über interkontinentale Distanzen aus. Die daraus resultierenden Auswirkungen auf Luftqualität und Gesundheit sind sehr unterschiedlich und werden durch Hintergrundverschmutzung, Wetterbedingungen, Schwankungen im Flugverkehr, Bevölkerungsdichte, Wechselwirkungen mit anderen Emissionen und klimatische Faktoren beeinflusst. Diese Komplexität stellt erhebliche Herausforderungen für die Beurteilung der tatsächlichen Auswirkungen des Luftverkehrs dar.

In zahlreichen Studien wurden die Auswirkungen der Luftfahrt auf die Luftqualität auf lokaler, regionaler und globaler Ebene untersucht. Die Ergebnisse weichen jedoch aufgrund von Unterschieden in der Atmosphärenmodellierung, bei chemischen Prozessen und mikrophysikalischen Annahmen stark voneinander ab. Auch die Schätzungen der gesundheitlichen Auswirkungen unterscheiden sich je nach untersuchtem Schadstoff, den gewählten Mortalitätsendpunkten und den verwendeten Konzentrations-Wirkungs-Beziehungen.

Bewertung der globalen Auswirkungen von Flugzeugemissionen auf die Luftqualität und die menschliche Gesundheit

Die aktuelle Studie quantifizierte den Beitrag von Starrflügel-Zivilflugzeugen zur bodennahen Luftverschmutzung durch den Vergleich von Atmosphärensimulationen mit und ohne Flugemissionen. Außerdem wurden die Auswirkungen von Emissionen aus LTO-Zyklen unterschieden und abgeschätzt, inwieweit die Auswirkungen auf den gesamten Flug speziell auf NOx zurückzuführen sind, indem Nicht-NOx-Flugzeugemissionen in separaten Simulationen ausgeschlossen wurden.

Flugzeugemissionen wurden als monatlich gemittelte, dreidimensionale Felder für Schadstoffe wie NOx, Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe und nichtflüchtige Partikel dargestellt. Die Emissionen für 2019 basierten auf detaillierten Inventaren und motorspezifischen Daten, während die Prognosen für 2040 „niedrige“, „Basis“- und „hohe“ Szenarien abdeckten, um Unsicherheiten in Bezug auf Verkehrswachstum, Flottenumsatz und technologische Fortschritte zu erfassen. Beiträge von Geschäftsflugzeugen und Kolbenflugzeugen wurden aufgrund begrenzter Daten ausgeschlossen.

Die Szenarien für 2040 berücksichtigten Verkehrswachstum, Flottenumschlag, Stilllegungsquoten, Verbesserungen der Kraftstoffeffizienz, betriebliche Verbesserungen, Annahmen zum Motordruckverhältnis und NOx-Reduktionsziele, die auf ICAO-Analysen basieren. In der Studie wurden mögliche mildernde Auswirkungen einer erweiterten Nutzung von Biokraftstoffen oder von Flugzeugen, die nicht mit Kohlenwasserstoffkraftstoff betrieben werden, einschließlich Elektro- oder Wasserstoffflugzeugen, nicht berücksichtigt.

Die Emissionen wurden nach Region, Flugzeugtyp und Betriebsfaktoren berechnet und die atmosphärischen Auswirkungen mithilfe des GEOS-Chem-Modells in verschiedenen meteorologischen und Emissionsszenarien bewertet. Die Exposition der Bevölkerung und die gesundheitlichen Auswirkungen wurden weltweit geschätzt, wobei die Sterblichkeit auf Veränderungen der PM2,5-, Ozon- und NO2-Konzentrationen in verschiedenen Altersgruppen und Regionen zurückzuführen ist. Unsicherheiten in diesen Schätzungen wurden mithilfe etablierter Konzentrations-Wirkungs-Funktionen, Konfidenzintervalle und Szenarioanalysen behoben.

Luftfahrtemissionen haben erhebliche Auswirkungen auf die globale Gesundheit

Im Jahr 2019 erhöhten die Emissionen von Flugzeugen während des gesamten Fluges die bodennahen PM2,5- und Ozonwerte, wobei die PM2,5-Auswirkungen in besiedelten Regionen am stärksten waren und die Ozoneffekte räumlich weiter verbreitet waren. Während die NO2-Werte in der Nähe von Flughäfen aufgrund der Emissionen in geringer Höhe anstiegen, sanken sie in anderen Regionen, weil NOx in großer Höhe die Ozonbildung verstärkte, was dann dazu führte, dass NO2 weiter von den Quellen entfernt sank.

Die meisten Auswirkungen auf die Luftqualität in der Luftfahrt ereigneten sich in der nördlichen Hemisphäre, wo der größte Treibstoffverbrauch herrscht und sich dort viele Menschen aufhalten. Der weltweite Beitrag der Luftfahrt zur Umweltverschmutzung war bescheiden, aber regional gesehen waren Flugzeuge in Teilen Europas und Nordamerikas für über 2 % der PM2,5-Emissionen verantwortlich.

Die Auswirkungen der Luftfahrt auf die Luftqualität waren unterschiedlich: Ozon stieg ziemlich gleichmäßig an, während der PM2,5-Anstieg in dicht besiedelten Gebieten wie Asien am größten war und über 1,5 Milliarden Menschen betraf. Obwohl der globale NO2-Ausstoß allgemein zurückging, kam es in Gebieten in der Nähe von Flughäfen, insbesondere in Nordamerika, wo die LTO-Emissionen höher sind, zu deutlichen Anstiegen.

Im Jahr 2019 verursachten die Luftverkehrsemissionen schätzungsweise 33.900 zusätzliche Todesfälle durch PM2,5 (95 %-KI: 23.500 bis 45.600), 24.600 durch Ozon (15.500 bis 34.200) und 6.700 durch NO2 (4.100 bis 9.400), wobei Asien die größte Belastung trägt. Nicht-LTO-Emissionen dominierten die weltweite PM2,5- und Ozonsterblichkeit, während LTO-Emissionen in der Nähe von Flughäfen und für NO2-bedingte Auswirkungen wichtiger waren. Großraum- und Schmalrumpfflugzeuge waren die Hauptverursacher der luftfahrtbedingten Sterblichkeit. Auch die Wahl der Konzentrations-Reaktions-Funktion beeinflusst diese Gesundheitseinschätzungen maßgeblich.

Es wird erwartet, dass Flugzeugemissionen weiterhin Auswirkungen auf die Luftqualität haben werden, wobei globale Veränderungen bei PM2,5 und Ozon im Allgemeinen den NOx-Emissionstrends folgen, obwohl die Empfindlichkeit in Szenarien mit höheren Emissionen abnimmt. Abhängig von den sozioökonomischen Bedingungen könnten die durch Flugzeuge verursachten mittleren Konzentrationsänderungen im Vergleich zur SSP2-4,5-Basislinie bei PM2,5 um 4 % sinken oder um 13 % ansteigen und bei Ozon um 9 % sinken oder um 3 % ansteigen. NO2 wird den Prognosen zufolge insgesamt weiter sinken, allerdings mit regionalen Schwankungen.

Es wird erwartet, dass die Exposition der Bevölkerung mit zunehmenden NOx-Emissionen von Flugzeugen zunimmt, wobei die Empfindlichkeit je nach Schadstoff und Szenario unterschiedlich ist. Bis 2040 könnte die Zahl der durch Flugemissionen verursachten zusätzlichen Todesfälle im Basisszenario 68.000 für PM2,5 (47.100 bis 91.900) und 54.100 für Ozon (34.100 bis 75.100) erreichen, was mehr als dem Doppelten des Niveaus von 2019 entspricht, was auf höhere Emissionen, Bevölkerungswachstum und Basissterblichkeit zurückzuführen ist. Im Szenario mit hohen Flugzeugemissionen wurde ein weiterer Anstieg der Todesfälle auf 83.800 durch PM2,5 und 66.300 durch Ozon prognostiziert. Sozioökonomische und nicht-luftfahrtbedingte Emissionstrends können diese gesundheitlichen Auswirkungen weiter verstärken oder verringern.

Meteorologische Bedingungen werden auch künftige Auswirkungen beeinflussen. Die Verwendung der Klimamodell-Meteorologie für 2040 anstelle der Neuanalyse-Meteorologie für 2019 ergab in einigen Simulationen eine wesentlich geringere, auf Flugzeuge zurückzuführende PM2,5-Exposition, während die Ozonexposition viel weniger beeinflusst wurde. Im Rahmen des Klimamodells 2040 hatte die Umstellung der nicht-luftfahrtbezogenen Emissionen jedoch einen größeren Effekt als die alleinige Umstellung meteorologischer Szenarien. Daher müssen bei der Abschätzung der gesundheitlichen Auswirkungen sowohl Emissionstrends als auch meteorologische Annahmen berücksichtigt werden.

Schlussfolgerungen

Flugzeugemissionen haben messbare modellierte Auswirkungen auf die Luftqualität und die öffentliche Gesundheit, wobei die größten Auswirkungen in dicht besiedelten Regionen und in der Nähe großer Flughäfen zu beobachten sind. Da die Luftfahrtaktivität und die Weltbevölkerung wachsen, werden diese Gesundheitsrisiken voraussichtlich zunehmen, sofern keine wirksamen Minderungsstrategien umgesetzt werden, insbesondere Maßnahmen, die die NOx-Emissionen der Luftfahrt reduzieren und gleichzeitig die lokale Partikelverschmutzung in der Nähe von Flughäfen angehen.

Allerdings weisen die Autoren darauf hin, dass die absoluten Mortalitätsschätzungen von den verwendeten Konzentrations-Wirkungs-Funktionen abhängen, so dass die genaue Höhe der Belastung ungewiss bleibt.

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Quellen: