Stickstoffdioxid, Verkehr und das Risiko für Kopfschmerzen
Stickstoffdioxid (NO2) ist ein rotbraunes Reizgas, das fast ausschließlich bei Verbrennung entsteht, und in den meisten Städten ist der Straßenverkehr die wichtigste Quelle. Seine bestimmende Eigenschaft ist ein außerordentlich steiles räumliches Gefälle: Die Konzentrationen an einer viel befahrenen Straße können zwei- oder dreimal so hoch sein wie 300 Meter weiter. Ihre Belastung wird also von einer Geografie bestimmt, die in Straßenbreiten gemessen wird, und nicht von dem stadtweiten Wert, den Ihre Luftqualitäts-App zeigt. Die Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen kurzfristigen Anstiegen von Stickstoffdioxid und Vorstellungen wegen Kopfschmerzen und Migräne sind positiv, aber moderat, und sie werden von allem anderen überlagert, was in derselben Abgasfahne unterwegs ist.
Dieser letzte Punkt gehört früh gesagt. Stickstoffdioxid ist selten allein. Es kommt vermischt mit ultrafeinen Partikeln, Kohlenmonoxid, Benzol und teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffen, dazu der Lärm und die Erschütterung des Verkehrs, der es erzeugt. Studien, die einen Zusammenhang mit Stickstoffdioxid berichten, berichten meist einen Zusammenhang mit dem ganzen Verkehrspaket und benutzen ein Gas als dessen Etikett.
Was trotzdem nützlich ist. Wenn das Etikett dem Paket verlässlich folgt, und das tut es weitgehend, sagt Ihnen die Zahl etwas Handlungsrelevantes, auch wenn der Kausalpfeil auf ein Dutzend Stoffe gleichzeitig zeigt.
Ein Schadstoff, der in Straßenbreiten gemessen wird
Fast jede andere Umweltbelastung, über die im Migränekontext gesprochen wird, ist regional. Eine Hitzeglocke bedeckt mehrere Länder, eine Rauchfahne einen Kontinent, und der Luftdruck (barometrischer Druck) ist an einem gegebenen Nachmittag über eine ganze Stadt hinweg praktisch gleich.
Verkehrsbedingte Luftverschmutzung ist anders. Sie ist die räumlich am stärksten konzentrierte verbreitete Belastung überhaupt.
Die Konzentrationen nahe der Straße fallen schnell ab. Messungen zeigen durchgehend, dass Stickstoffdioxid und die Zahl ultrafeiner Partikel mit dem Abstand von einer Hauptstraße steil abnehmen und sich je nach Wind, Gelände und Bebauung irgendwo zwischen 150 und 500 Meter dem städtischen Hintergrund annähern. Eine Wohnung im dritten Stock über einer sechsspurigen Ausfallstraße befindet sich in einer wirklich anderen Belastungsumgebung als eine identische Wohnung zwei Straßen weiter, obwohl beide dieselbe Zahl melden würden, wenn Sie den städtischen Durchschnitt nachschlagen.
Straßenschluchten halten es fest. Eine enge Straße mit durchgehender hoher Bebauung auf beiden Seiten verhält sich wie eine Kiste. Die Luft zirkuliert in einem Wirbel, statt durchgespült zu werden, und die Konzentrationen auf dem windabgewandten Gehweg können ein Mehrfaches der Werte auf dem windzugewandten betragen.
Die Konzentrationen nehmen außerdem mit der Höhe über der Straße ab, Erdgeschoss und erster Stock sind also schlechter dran als der fünfte.
Die praktische Folgerung ist unbequem, aber ehrlich: Bei verkehrsbedingter Luftverschmutzung ist der größte einzelne Bestimmungsfaktor Ihrer persönlichen Belastung nicht das Wetter, nicht die Jahreszeit und nicht der Tag. Es ist, wo Sie wohnen, wo Sie arbeiten und welchen Weg Sie dazwischen nehmen.
Was Stickstoffdioxid ist und woher es kommt
Verbrennung bei hoher Temperatur zwingt Stickstoff und Sauerstoff der Luft zur Verbindung. Das unmittelbare Produkt ist überwiegend Stickstoffmonoxid, das in der Luft innerhalb von Minuten bis Stunden zu Stickstoffdioxid oxidiert. Zusammen werden die beiden als Stickoxide bezeichnet.
Dieselmotoren tragen überproportional bei, wo Diesel im Fahrzeugbestand verbreitet ist, denn die Verbrennungsbedingungen, die Diesel effizient machen, machen ihn auch zu einem starken Erzeuger von Stickoxiden. Bei älteren Dieselfahrzeugen wurden die Emissionen im realen Betrieb wiederholt über den Prüfstandswerten gefunden, und das ist einer der Gründe, warum Stickstoffdioxid in den Städten in den 2010er-Jahren langsamer sank, als die Behörden erwartet hatten.
Andere Quellen existieren und sind nicht belanglos. Gasheizungen, Kochen mit Gas, Industrieöfen und Stromerzeugung erzeugen alle Stickoxide. Drinnen kann ein Gasherd ohne Abzug das Stickstoffdioxid in der Küche über alles heben, was Ihnen auf der Straße davor begegnet, und das ist ein Punkt, den man festhalten sollte.
Stickstoffdioxid hat außerdem ein Nachleben in der Atmosphäre. Es ist die Vorläufersubstanz, die Sonnenlicht spaltet, um bodennahes Ozon herzustellen, und es oxidiert weiter zu Nitrat, das zu Feinstaub kondensiert. Dasselbe Gas, das Sie an einem Wintermorgen am Straßenrand reizt, trägt also 40 Kilometer in Windrichtung zu einer sommerlichen Ozonepisode bei und regionsweit zur sekundären Feinstaublast.
Der Tages- und Wochenrhythmus
Anders als Ozon, das der Sonne folgt, folgt Stickstoffdioxid dem Verkehr und der Bereitschaft der Atmosphäre, es zu verteilen.
Zwei Maxima an einem Werktag. Ein scharfes Maximum im morgendlichen Berufsverkehr, typischerweise das höhere der beiden, weil die nächtliche Grenzschicht noch flach ist und sich die Luft noch nicht zu durchmischen begonnen hat. Danach ein breiteres Abendmaximum, meist etwas niedriger, weil die Durchmischungshöhe am Nachmittag größer ist, obwohl das Verkehrsaufkommen ähnlich ist.
Ein Mittagstief, wenn die Grenzschicht mächtiger wird und alles verdünnt.
Ein Wochenendsignal. Die Konzentrationen fallen am Wochenende merklich, besonders dort, wo das Werktagsmaximum von gewerblichem Dieselverkehr bestimmt wird. Wenn sich Ihre Kopfschmerzen unter der Woche häufen und sonntags verschwinden, lohnt es sich, die Verkehrsbelastung neben den naheliegenderen Erklärungen Arbeitsstress und Schlafzeiten zu bedenken.
Ein ausgeprägtes Wintermaximum. Nicht weil es mehr Verkehr gibt, sondern weil die Atmosphäre weniger verteilt. Kalte, stille Hochdruckbedingungen mit einer bodennahen Inversion deckeln die Emissionen in einer flachen Schicht über dem Boden. Die schlimmsten Stickstoffdioxid-Episoden in gemäßigten Städten treten bei stillem Winterwetter mit flachem, hohem Barometer auf.
Wie Verkehrsabgase zu einem Kopfschmerz führen könnten
Es gibt keinen sauberen einzelnen Mechanismus, und wer einen anbietet, vereinfacht.
Direkte Reizung der Atemwege. Stickstoffdioxid ist ein oxidierendes Gas, das das Epithel der Atemwege reizt und deren Reagibilität erhöht. Kontrollierte Expositionsstudien finden messbare entzündliche Veränderungen in den Atemwegen bei Konzentrationen, wie sie an viel befahrenen Straßen vorkommen. An der Reizung der Atemwege sind trigeminale Nervenendigungen beteiligt, und das trigeminale System erzeugt den Migräneschmerz, es gibt also einen kurzen und plausiblen Weg.
Das Problem der ultrafeinen Partikel. Frisches Abgas enthält enorme Mengen an Partikeln unter 100 Nanometer. Diese tragen fast nichts zum massebezogenen PM2,5-Wert bei, eine Umgebung nahe der Straße kann auf einem Partikelmessgerät also unauffällig aussehen und trotzdem eine sehr hohe Partikelzahl liefern. Ultrafeine Partikel sind die Fraktion, die am ehesten von den Alveolen in den Kreislauf übertreten kann, und dieser Übertritt ins Blut ist der Schritt, der aus einer Belastung der Lunge eine des ganzen Körpers macht.
Systemische Entzündung und Gefäßwirkungen. Kurzfristige Verkehrsbelastung wurde in kontrollierten Studien mit Veränderungen der Gefäßreaktivität, des Blutdrucks und von Entzündungsmarkern in Verbindung gebracht. Migräne ist eine Störung einer gesenkten Schwelle, und Entzündungssignale sind eines der Dinge, die diese Schwelle bekanntermaßen senken.
Die nicht chemischen Störfaktoren. Der Verkehr liefert außerdem dauerhaften tieffrequenten Lärm, gestörten Schlaf für Menschen an der Straße und Erschütterung. Für Lärmbelastung allein sind Zusammenhänge mit Kopfschmerzen und schlechter Schlafqualität dokumentiert. Das Gas in einer Beobachtungsstudie vom Lärm zu trennen, ist nahezu unmöglich, denn beide haben dieselbe Geografie.
Ehrlich zur Datenlage
Die Literatur zu Stickstoffdioxid und Kopfschmerz ist dünner und unordentlicher als die zu Feinstaub.
Mehrere Zeitreihenstudien zu Notfallvorstellungen berichten einen positiven Zusammenhang zwischen kurzfristigem Stickstoffdioxid und Vorstellungen wegen Kopfschmerzen oder Migräne. Mehrere andere finden nichts, sobald andere Schadstoffe im Modell stehen. Die Effektschätzungen sind, wenn sie positiv ausfallen, auf Bevölkerungsebene klein.
Drei bestimmte Probleme tauchen immer wieder auf. Erstens Kollinearität: Stickstoffdioxid, Kohlenmonoxid und ultrafeine Partikel steigen und fallen gemeinsam, statistische Modelle können den Anteil also nicht leicht zuordnen. Zweitens falsch zugeordnete Belastung: Studien weisen Menschen den Wert der nächstgelegenen Messstelle zu, aber bei einem so steilen Gefälle können zwei Personen mit demselben Wert eine um den Faktor drei unterschiedliche Belastung haben. Ein solcher Fehler verzerrt die Ergebnisse systematisch in Richtung „kein Befund“. Drittens meteorologische Überlagerung: Tage mit hohem Stickstoffdioxid sind stehende, kalte Inversionstage, und die Stagnation bringt ihr eigenes körperliches Gepäck mit.
Die vernünftige Position lautet: Verkehrsabgase sind ein plausibler Beitrag zur Kopfschmerzlast bei Menschen, die in stark belasteten Mikroumgebungen wohnen und unterwegs sind, das Signal auf Bevölkerungsebene ist schwach, und das Signal für eine einzelne empfindliche Person kann deutlich stärker sein, als der Bevölkerungsdurchschnitt vermuten lässt.
Die Überlagerung mit Luftdruck und Wetter
Hier verdient sich ein Luftdruckprotokoll seinen Platz, denn die Meteorologie eines schlechten Verkehrstages ist sehr spezifisch.
Die schlimmsten Episoden brauchen eine bodennahe Temperaturinversion: kalte Luft, die sich am Boden unter wärmerer Luft in der Höhe sammelt, meist entstanden in einer klaren, windstillen Nacht unter einem Hochdruckrücken und über einen kurzen Wintertag hinweg bestehen bleibend. Die vertikale Durchmischung hört praktisch auf. Die Emissionen des morgendlichen Berufsverkehrs sammeln sich in einer vielleicht 100 bis 300 Meter mächtigen Schicht, statt sich über einen Kilometer oder mehr zu verteilen. Städte in Becken und Tälern trifft es am stärksten, weil das Gelände abfließende Kaltluft hinzufügt. Eine Winterinversion in Salt Lake City oder Denver ist das Lehrbuchbeispiel dafür, und dieselbe Physik wirkt im kleineren Maßstab in jedem Flusstal.
Die Signatur auf dem Barometer ist ein hoher, flacher Druckverlauf über Tage. Nichts bewegt sich. Wenn Ihre einzige verfolgte Größe die Luftdruckänderung ist, liest sich eine Inversionswoche als ereignislos, während sich Ihre Belastung still verdreifacht. Genau dieses Auseinanderfallen bringt eine Migräne-Tracker-App ans Licht: Pressure Pal protokolliert den Luftdruck und seinen Trend neben Ihren Symptomen, und eine Phase mit flachem hohem Luftdruck direkt neben einer Phase schlechter Tage ist selbst ein Signal, das Sie zur Luft führt und nicht zum Barometer.
Der umgekehrte Fall ist ebenso lehrreich. Ein kräftiger Frontdurchgang verschärft das Druckgefälle, bringt Wind und lässt die Durchmischungsschicht anwachsen. Stickstoffdioxid fällt deutlich. Der Tag, an dem sich das Barometer bewegt, ist also meist der Tag, an dem sich die Verkehrsbelastung auflöst, und wenn Sie an diesem Tag Kopfschmerzen bekommen, ist das Abgas kein plausibler Verursacher.
Ihre Dosis senken, ohne umzuziehen
Ändern Sie die Strecke, bevor Sie die Stunde ändern. Anders als bei Ozon, wo der Zeitpunkt dominiert, leistet hier die Streckenwahl die meiste Arbeit. Eine parallele Wohnstraße einen Block neben der Ausfallstraße kann Ihre Belastung beim Gehen oder Radfahren erheblich senken, für ein oder zwei Minuten mehr Weg. Radfahrende profitieren am meisten, weil Anstrengung das eingeatmete Volumen vervielfacht.
Stehen Sie nicht mit offener Lüftung in der Schlange. Die Konzentrationen im Fahrzeug im zähen Verkehr sind häufig höher als auf dem Gehweg daneben, weil Sie direkt in der Abgasfahne des Autos davor sitzen. Im Stau auf Umluft zu schalten und in der Fahrt wieder auf Frischluft senkt die Belastung im Innenraum spürbar. Tunnel und Parkhäuser sind der Extremfall.
Legen Sie das Schlafzimmer auf die ruhige Seite. Wenn Ihre Wohnung zu einer viel befahrenen Straße zeigt und Sie die Wahl zwischen Räumen haben, kümmert sich Schlafen nach hinten gleichzeitig um Gaskonzentration, Partikelzahl und Verkehrslärm. Das ist ein größerer Hebel als jeder Filter.
Lüften Sie gegen den Berufsverkehr, nicht mit ihm. Fenster während des Morgenmaximums an einem stillen Wintertag zu öffnen, holt die schlechteste Luft des Tages herein. Mittag und später Abend sind besser.
Kümmern Sie sich um Ihre eigene Verbrennung. Nutzen Sie die Abzugshaube jedes Mal, wenn Sie mit Gas kochen. Ein Kochfeld in einer nicht belüfteten Küche ist eine Stickstoffdioxid-Quelle, die Sie vollständig steuern, und für viele Menschen ist sie der größte einzelne Beitrag zu ihrer persönlichen Belastung. Filterung hilft hier nicht: HEPA entfernt Partikel, aber Stickstoffdioxid ist ein Gas und geht glatt hindurch.
Häufige Fragen
Wie weit muss ich von einer Straße entfernt sein, damit es zählt?
Der größte Teil der zusätzlichen Konzentration ist nach etwa 150 bis 300 Meter in Windrichtung verschwunden, auch wenn der genaue Abstand vom Verkehrsaufkommen, der Windrichtung und davon abhängt, ob Bebauung die Luft festhält. Auf der windzugewandten Seite einer Straße zu sein ist besser als auf der windabgewandten Seite im selben Abstand.
Ist Stickstoffdioxid bei Kopfschmerzen schlimmer als Feinstaub?
Die Datenlage zu Feinstaub ist stärker und einheitlicher. Stickstoffdioxid versteht man am besten als Marker für die Mischung nahe der Straße und nicht als den allein wirksamen Stoff, und genau deshalb ist es für sich genommen schwer zu untersuchen.
Löst eine elektrische Fahrzeugflotte das Problem?
Sie beseitigt den Abgasanteil, und der macht den größten Teil des Stickstoffdioxids aus. Sie beseitigt nicht die Partikel aus Bremsen, Reifen und Fahrbahn, die einen erheblichen Anteil der Partikelmasse nahe der Straße ausmachen, und auch nicht den Lärm. Die Elektrifizierung verbessert das Bild deutlich, ohne den Effekt nahe der Straße zu beseitigen.
Warum ist mein Messwert drinnen hoch, obwohl ich ruhig wohne?
Fast immer wegen des Kochens mit Gas, gelegentlich wegen eines Ofens ohne Abzug oder einer angebauten Garage. Ein Gasherd, der zwanzig Minuten ohne Abzug läuft, kann in der Küche Konzentrationen deutlich über den Werten am Straßenrand erzeugen.
Hilft ein Stoff- oder OP-Mundschutz beim Radfahren?
Gegen Stickstoffdioxid nicht, denn es ist ein Gas und geht unberührt durch Stoff. Eine gut sitzende Atemschutzmaske verringert die Partikelaufnahme, richtet gegen Gase ohne Kohleschicht aber nichts Nennenswertes aus. Die Streckenwahl wirkt besser als jede Maske.
Soll ich in der Stadt mit dem Radfahren aufhören?
Die veröffentlichten Abwägungen von Risiko und Nutzen sprechen durchgehend dafür, weiter Rad zu fahren, denn der Gewinn für Herz-Kreislauf und allgemeine Gesundheit überwiegt den Nachteil durch die Luftverschmutzung in fast allen städtischen Situationen. Ruhigere Strecken zu wählen holt den größten Teil des Nutzens des Aufhörens, ohne dessen Kosten.
Was das für Sie bedeutet
Verkehrsbedingte Luftverschmutzung ist die örtlichste der verbreiteten Belastungen der Luft. Stickstoffdioxid ist dafür ein verlässlicher Wegweiser und nicht die ganze Geschichte, und die ehrliche Datenlage zum Zusammenhang mit Kopfschmerzen ist andeutend, nicht abschließend. Außer Frage steht, dass die Belastung über wenige Hundert Meter enorm schwankt, dass sie an stillen Wintermorgen unter flachem hohem Barometer ihr Maximum erreicht und dass die meisten Menschen ihre persönliche Dosis mit Entscheidungen zu Strecke, Lüftung und Kochen erheblich verschieben können, die fast nichts kosten.
Wenn sich Ihre schlechten Tage an kalten, windstillen, unauffällig wirkenden Werktagen häufen, an denen im Luftdruckverlauf überhaupt nichts passiert, ist die Verkehrsachse, die Sie zweimal täglich durchqueren, ein vernünftiger Ausgangspunkt für die Suche. Eine stadtweite Zahl zur Luftqualität wird Ihnen das nicht sagen. Ihre eigene Straße schon.
Pressure Pal erfasst den Luftdruck und seinen Trend für Ihren Ort neben Ihren protokollierten Symptomen. So hört eine Woche mit flachem hohem Luftdruck und schlechten Tagen auf, ein Rätsel zu sein, und beginnt, wie eine Stagnationsphase auszusehen.