Luftqualitaets - Ueberwachung
Bericht zur Luftqualitaetsueberwachung in der Hoehlenforschung
Autor: Jens Keller
Datum: 29.09.2018
1.Motivation
Der vorliegende Bericht soll in kurzer Form das Thema der Luftqualitaetsueberwachung im Bereich der Speleologie umschreiben. Luftqualitaetsueberwachung ist immer dann erforderlich, wenn keine ausreichende Luftumwaelzung gewehrleistet ist und durch verschiedenste Prozesse eine Ansammlung bestimmter Gase in der Atemluft erfolgen kann, die schaedlich fuer den Organismus sind. Da diese Gase oftmals nicht durch den Geruchssinn erkannt werden koennen, muss eine Ueberwachung der Atemluft auf anderen Wegen erfolgen, um eine Gefaehrdung von Personen ausschliessen zu koennen. Zu hohe Konzentrationen bestimmter Gase in der Atemluft wie etwa Kohlenstoffdioxid koennen beispielsweise Schwindel, Ohnmacht und Tod verursachen.
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Ein CO2 Messgeraet Foto: Jens Keller |
2. Welche Gase muessen ueberwacht werden.
Im Bereich der Hoehlenforschung, sowie im Bereich des Bergbaus kann bei schlechter Bewetterung insbesondere in Stollen und Schaechten eine Ansammlung von Kohlenstoffdioxid in der Atemluft erfolgen. Regen kann, sobald es in den Waldboden eindringt, Kohlenstoffdioxid aus dem Waldboden herausloesen und in Hoehlen oder Stollen, in denen sich das Wasser ansammelt wieder freigesetzt werden, sodass eine Konzentrationserhoehung dieses Gases in der Atmosphaere der Hoehle erfolgen kann. Auch Kohlefloetze neigen dazu allmaehlich auszugasen, sodass insbesondere in Kohlebergwerken mit schlechter Bewetterung eine Konzentrationserhoehung von Kohlenstoffdioxid erwartet werden kann. Dieses Phaenomen war den Bergleuten in frueherer Zeit bereits bekannt, zu dieser Zeit gab es allerdings noch keine elektronischen Ueberwachungssysteme, hierbei wurde auf Alternativen zurueckgegriffen. Fuer einen Kanarienvogel ist die Gift-Wirkung von Kohlenstoffdioxid wesentlich staerker ausgepraegt als fuer den Menschen, sodass diese Voegel mit in die Stollen genommen wurden. Wurde ein Vogel Ohnmaechtig oder hat aufgehoert zu zwitschern durch eine zu hohe Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Atemluft oder durch Sauerstoffmangel, so besteht zu diesem Zeitpunkt noch keine unmittelbare Gefahr fuer den Bergmann, sodass dieser fruehzeitig gewarnt war. Auch Maeuse und andere Voegel wurden dafuer insbesondere im fruehen 20. Jahrhundert eingesetzt. Wird in zunehmenden Masse die Atemluft durch Fremdgase verdraengt, so kann auch ein Sauerstoffmangel in der Atemluft zu einem Risiko werden. Dieser Effekt tritt allerdings deutlich seltener auf.durch Faeulnis-Prozesse beispielsweise durch Holz oder durch Kohlefloetze koennen auch noch weitere Gase wie etwa Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffmonoxide oder Methan sich in der Atemluft anreichern. In diesem Fall ist Explosionsgefahr geboten, dieser Effekt sollte allerdings bei natuerlichen Hoehlen nicht zu finden sein und wenn ueberhaupt nur im Bereich des Bergbaus oder in Jauche-Gruben. In seltenen Faellen, sofern vulkanische Aktivitaet oder aus anderen Gruenden Gase in die Hoehle stroemen, kann es auch zu einer Anreicherung von Edelgasen wie Helium kommen, die ebenfalls in hoeheren Konzentration erstickend wirken koennen.
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Eine Karbidlampe Foto: Jens Keller |
3. Die Gefahr von Kohlenstoffdioxid.
Von Kohlenstoffdioxid geht aus mehreren Gruenden eine Gefahr aus. Zunaechst ist es geruchslos und kann daher nicht durch natuerliche Schutzmechanismen des Koerpers erkannt werden. Weiterhin besitzt dieses Gas eine weit hoehere spezifische Dichte als die Atmosphaerenluft und ist daher imstande, sich aus insbesondere bei schlechter Bewetterung in Gruben oder Senken anzusammeln. Hierbei kann die Bildung eines sogenannten 'Kohlenstoffdioxid-Sees' erfolgen. In Luftschichten oberhalb dieses Sees aus Kohlenstoffdioxid ist die Konzentration dieses Gases verhaeltnismaessig gering. Innerhalb dieses 'Sees', erreicht die Konzentration des Gases in der Atemluft jedoch extrem hohe Werte, die bereits nach wenigen Atemzuegen zu Ohnmacht und Ersticken fuehren koennen. Weiterhin werden durch das Betreten diese Gasschichten auch aufgewirbelt, dies birgt ein weiteres Gefahrenpotential. Ein bekanntes Beispiel einer Hoehle, in der sich ein Kohlendioxid-See befindet, ist die sogenannte Hunds-Grotte oder Hundehoehle. In Bodennaehe betraegt die Kohlenstoffdioxid-Konzentration bis zu 70 %. Die natuerliche Atemluft enthaelt etwa 0.04 \% Kohlenstoffdioxid (globaler Mittelwert), die ausgeatmete Luft enthaellt bis zu einem Prozent Kohlenstoffdioxid. In diesem Konzentrationsbereich geht von dem Gas keine Gefahr aus. Folgende Vergiftungserscheinungen treten bei folgenden ungefairen Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen auf:
- Volumenprozent % + Symptome-Vergiftungserscheinung
- 1-3 + Atemzeitvolumen kann um mehr als 40 \% zunehmen.
- 3-5 + Kopfschmerzen, Schwindel, beschleunigter Herzschlag, Atemnot, Narkose
- 5-8 + Tod in 30-60 Minuten
- 1.Rauchvergiftungen/Vergiftungen durch Gase.
- In: Techniker Krankenkasse. Archiviert vom Original am 4. Juni 2010; abgerufen am 21. Dezember 2013.
- 2.Erste Hilfe bei Vergiftung durch Kohlendioxid.
- In: Deutsches Rotes Kreuz. Abgerufen am 4.Juni 2018.
- 3.Carbon Dioxide
- Life and Death. In: Sensair. Archiviert vom Original am 22. Mai 2013;abgerufen am 21. Dezember 2013 (PDF)
- 4.Alfred Taylor:
- Ueber die Hundsgrotte im Neapolitanischen. In: Ludwig Friedrich von Froriep (Hrsg.): Notizen aus dem Gebiete der Natur- und Heilkunde. Band XXXVI, 774 vom Februar 1833. Lossius, Erfurth 1833 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen)am 12. Dezember 2011]).
- 5.Ester Majo:
- I fenomeni vulcanici della grotta del Cane (Campi Flegrei) in rapporto alle varia-zioni atmosferiche. In: Bulletin Volcanologique. 4, 1, 1927, S. 84–92, doi:10.1007 BF02719519.
- 6. https://www.ksi-meinsberg.de/kompetenzen/ElchemCO2pdf.
- Abgerufen am 12 Oktober 2018
- 7. M. Binnewies, M. Jaeckel, H. Willner, G. Rayner-Canham,
- Allgemeine und anorganische Chemie, 2. Auflage, 2011, S. 431-432
- 8. http://www.wag.caltech.edu/home/jang/genchem/infrared.htm
- Abgerufen am 12 Oktober 2018
- 9. https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7783064&Mask=80
- Abgerufen am 12 Oktober 2018
- 10. 1986: Coal mine canaries made redundant.
- BBC, abgerufen am 28. April 2015 (englisch)
Tabelle 1: Moegliche auftretende Symptome und Vergiftungserscheinungen in Abhaengigkeit von der Kohlenstoffdioxid-Konzentration.(1,2,3)
Zu beachten ist hierbei, dass die Giftwirkung sich von Person zu Person unterschiedlich auswirken kann und keinesfalls davon ausgegangen werden darf,
dass die genannten Symptome nicht auch bereits bei niedrigen Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen auftreten koennen, insbesondere unter koerperlicher Belastung.
Ein bekanntes Beispiel bietet auch der Nyos-See, ein See eines vulkanischen Kraters. Durch vulkanische Prozesse loesen sich dort betraechtliche Mengen des Gases
in den tiefen und kuehleren Wasserschichten, welche sich jedoch nicht mit den waermeren Schichten des Oberflaechenwassers mischen. Aus irgendeinem Grund kam es
im August 1986 dennoch zu einer Mischung des Oberflaechenwassers mit den Tiefenwasser, sodass durch die schlagartige Erwaermung des Tiefenwassers, das geloeste
Kohlenstoffdioxid explosionsartig freigesetzt wurde und 3000 Menschen sowie zahllose Tiere getoetet hat, da die grossen Mengen an Kohlenstoffdioxid sich in den Taelern konzentrierten.(7) 4. Messung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration Eine Messung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration kann auf zweierlei Wegen erfolgen. Zum einem kann eine Messung auf 4.2. physikalischem
Wege aber auch auf 4.1. chemischen Wege erfolgen. Beide Verfahren zeigen je nach Anwendungsbereich Vor- und Nachteile. 4.1 Chemisches Verfahren Chemische Sensoren beruhen beispielsweise auf einer Aenderung der Leitfaehigkeit eines Materials allein durch die Anwesenheit bestimmter Gase in der Umgebungsluft. Auch pH-Wert-Aenderungen
koennen Rueckschluesse auf Konzentrationen bestimmter Gase in der Luft liefern. Die Messverfahren variieren je nach Gas sehr stark. Im Falle des Kohlenstoffdioxids erfolgt eine Gasmessung
durch eine Aenderung des pH-Wertes. Das Kohlenstoffdioxid der Umgebungsluft steht dabei im Gleichgewicht mit der Konzentration des Gases in einem Elektrolyten. Mit anderen Worten kann
Kohlendioxid aus der Umgebungsluft durch eine Polymermembran in einen Elektrolyten diffundieren. Genauso kann die Membran das Kohlendioxid aus dem Elektrolyten austreten lassen.
Die Konzentration dieses Gases innerhalb des Elektrolyten bewirkt einen charakteristischen pH-Wert.
4.1.1 Vor- und Nachteile Dieses Verfahren eignet sich insbesondere auch bei der Pruefung von Gaskonzentrationen in anderen Medien ausser Luft. Chemische Sensoren zeichnen sich allerdings oft durch eine geringe Lebensdauer
und einen vergleichsweise hohen Strombedarf aus. Sie besizten aber eine hohe Sensibilitaet und eignen sich daher gut in der chemischen Industrie wo ein breites Spektrum an Gasen auftreten kann. 4.2 Physikalische Verfahren Das Grundprinzip der physikalischen Messmethode beruht darauf, das ein Teil der Infrarot-Strahlung imstande ist, durch Kohlenstoffdioxid absorbiert zu werden. Mit anderen Worten verliert die IR-
Strahlung an Intensitaet, sobald sie durch ein Gas strahlt, das Kohlendioxid enthaellt. IR-Strahlung bekannter Intensitaet wird durch die Atemluft geleitet und anschliessend die Intensitaet gemessen.
Die Intensitaetsdifferenz kann anschliessend Rueckschluessse auf die Konzentration des Kohlendioxid in der Atemluft liefern. Zu betonen ist, dass sich hierfuer nur IR-Strahlung im
Wellenlaengenbereich um 4250 nm eignet, da nur in diesem Wellenlaengenbereich eine charakteristische Absorption dieses Gases stattfindet. In anderen Wellenlaengenbereichen erfolgt Absorption der
IR-Strahlung durch Wasser oder auch Kohlenstoffmonoxid, sodass auf diesem Wege auch eine Konzentrationsbestimmung anderer Gase erfolgen kann.
Ein Luftqualitaetsueberwachung
Foto: Jens Keller
Literatur
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