Einführung in das Umweltmonitoring

Umweltmonitoring – Luft, Boden, Wasser

• Vorlesungsumfang: 2 Semesterwochenstunden (SWS)
• Die Prüfung erfolgt schriftlich am Ende des Semesters
• Skripte sind unter Student_UM erhältlich

Überblick über Umweltprozesse

• Emissionen durchlaufen Transport und Umwandlung, was zu Immissionen und Wirkungen führt

Definitionen wichtiger Begriffe

• Luftverunreinigungen: Stoffe, die die natürliche Zusammensetzung der Luft verändern
• Schadstoffe: Luftverunreinigungen mit bekannter schädlicher Wirkung
• Emissionen: Luftverunreinigungen, die von Anlagen, Fahrzeugen oder Produkten abgegeben werden (Gase, Stäube)
• Emissionsquellen: Anlagen, Fahrzeuge, die Luftverunreinigungen freisetzen
• Transmission beschreibt die Ausbreitung von Emissionen zur Immission durch physikalische Verdünnung und chemische Umwandlung
• Immission: Übergang oder Einwirkung von Luftverunreinigungen auf Mensch, Tier, Pflanzen, Sachgüter
• Deposition: Ablagerung von Luftverunreinigungen aus der Atmosphäre auf Oberflächen
• Smog: Kombination aus Rauch (Smoke) und Nebel (Fog), entsteht bei hoher Schadstoffemission

Naturwissenschaftliche Gliederung der Umwelt

• Die Erdoberfläche gliedert sich in Festland und Meer, umgeben von der Lufthülle
• Unterteilung in Atmosphäre (Lufthülle), Lithosphäre (festes Gestein), Pedosphäre (Böden), Hydrosphäre (Wasserhülle) und Kryosphäre (Kaltgebiete)
• Wechselwirkungen: Alle Bereiche beeinflussen und durchdringen sich gegenseitig

Zusammensetzung trockener Luft

• Luft ist farblos und unsichtbar
• Molare Masse (M): 28,96 g/mol
• Dichte (ρ): 1,29 kg/m³ (bei 0°C und 1013 hPa)
• Siedepunkt (Kp): -194,3°C
• Weitere Bestandteile: Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%), Argon (0,9%), Kohlendioxid und Spurengase
• Andere Stoffe: NO, NO2, SO2, H2S, KW, CKW, Dioxine

Ur-Atmosphäre und biologische Einflüsse

• Frühere Atmosphäre: Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2), Stickstoff (N2); wenig Sauerstoff (O2)
• Ozeane und Kalkstein bildeten sich
• Blaualgen (Cyanobakterien): Photosynthese (CO2 + Licht -> Kohlenhydrate + O2)
• Eisen(II)-Salze wurden oxidiert und reicherten den Sauerstoff in der Atmosphäre an
• Entstehung einer sauerstoffhaltigen Umwelt und Ozonschicht (Schutz vor UV-Strahlung)
• Pflanzliche Organismen entstanden vor ca. 500 Mio. Jahren
• Die Photosyntheserate steigerte sich und erhöhte den O2-Gehalt
• Der Sauerstoffgehalt ist heute im Wesentlichen konstant aufgrund von Stoffkreisläufen
• Die Zusammensetzung der Atmosphäre verändert sich ständig

Wasserkreislauf

• Wasserdampf dient als Transportform des Wassers
• Äußerer Kreislauf: Verdunstung über dem Meer, Niederschlag an Land
• Innerer Kreislauf: Verdunstung und Niederschlag über Meer oder Land
• Wasserbilanzen sind abhängig von den Klimazonen (humid, arid)

Kohlenstoffkreislauf

• Kohlendioxid (CO2) gelangt aufgrund seiner Wasserlöslichkeit in Ozeane
• Ablagerung von Kohlenstoff und langsamer Übergang in heiße Zonen des Erdmantels -> CO2⁻Bildung -> CO2 Emission über Vulkane
• 1 Mrd. t Kohlenstoff pro Jahr wird in Sedimente eingelagert
• 5000-7000 Mrd. t Kohlenstoff lagern in der Lithosphäre als fossile Brennstoffe, die energetisch genutzt werden
• Photosynthese durch Pflanzen als treibende Kraft(benötigt hierfür Sonnenlicht)
• Veratmung setzt wieder CO2 frei und setzt Energie frei
• Der CO2 Gehalt unterliegt Schwankungen

Stickstoffkreislauf

• Molekularer Stickstoff (N2) macht ca. 78% der Atmosphäre aus
• Übergänge zw. Oxidationsstufen des Stickstoffs verlaufen unter Energiegewinn oder -verlust
• Ammonifikation: Stickstoff-Fixierung (Reduktion von atmosphärischem N2 zu Ammonium (NH4+) durch Nitrogenasen -> Aminosäuren -> Eiweiße); Stickstoff aus Nahrung (z.B. Pflanzen) -> körpereigene Eiweiße -> Kot, Harnstoff; Eiweißabbau durch Bakterien
• Nitrifikation: Umwandlung von Ammonium zu Nitraten/Nitriten durch Mikroorganismen
• Denitrifikation: denitrifizierende Mikroorganismen reduzieren Nitrat stufenweise zu N2

Schwefelkreislauf

• Schwefelverbindungen in der Atmosphäre sind vor allem Schwefeldioxid (SO2) und Schwefelwasserstoff (H2S)
• H2S wird durch Luftsauerstoff oder Bakterien zu S oxidiert
• Aufbau von Schwefelverbindungen, die von Lebewesen genutzt werden durch Mikroorganismen im Boden
• Mineralisierung organischer Substanz -> Endprodukt Sulfat -> Nährstoffvorrat
• Bakterien wandeln Sulfat in Sulfid um; Dies läuft parallel zur Denitrifikation ab
• Anthropogene Aktivitäten verstärken Reduktionsprozesse durch die Herstellung von Schwefelsäure und Gewinnung von Metallen aus Erzen

Phosphorkreislauf

• Kein Kreislauf in der Gasphase, da Phosphate schwerlöslich sind
• Vorkommen: 0,7% der Erdrinde
• Phosphatgestein (Oxidationsstufe +5) wie Apatit [Ca5[X(PO4)3] (X=F,OH)] ist Grundsubstanz für Knochen und Zähne
• Es gibt auch Guanoablagerungen als Exkremente von Seevögeln
• Boden: 60% anorganisches Phosphat, 40% organische Substanz
• 5% der Bodenphosphate sind löslich -> Nahrungskette Pflanze, Tiere, Mensch -> Exkremente zurück in Kreislauf
• Verwitterung: In alkalischen Böden bildet sich Calziumphosphat und in sauren Böden Eisen- oder Alluminiumphosphat

Aufbau der Atmosphäre

• Die gasförmige Lufthülle existiert durch das Gleichgewicht zwischen Gravitation und Eigenbewegungen der Moleküle/Atome
• Gliederung nach Temperatur in Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre, Exosphäre
• Einteilung auch nach Zusammensetzung und Ionisierungsgrad möglich

Reaktionsräume der Atmosphäre

• Sonnenlicht bildet reaktive Spezies durch Photolyse (Oxidation)
• Photolyse: Spaltung chemischer Bindungen durch Lichtabsorption
• Bildung toxischer Zwischenprodukte, z.B. Ozon
• Unterscheidung nach Energie: Troposphäre (energiearm), Stratosphäre (energiereich)

Reaktionsraum Troposphäre (0-17 km)

• Wellenlänge der Lichteinstrahlung ist größer als 300 nm (energiearm)
• Photochemische Primärreaktionen: Bildung von Radikalen
• Geschwindigkeit der Photolyse ist abhängig von Intensität, Wellenlänge des Lichts und Quantenausbeute
• Ozonbildung durch Photolyse von NO2
• Kreislauf des •OH-Radikals, Reinigung der Atmosphäre von Luftschadstoffen, kann aber zu saurem Regen oder Smog führen und Stickstoff-Eutrophierung fördern.

Ozonverlauf in Neuwied und Pfälzerwald

• In Neuwied (Stadt) gibt es einen ausgeprägten Tagesgang mit nächtlichem Ozonabbau (durch Stickoxide)
• Im Pfälzerwald folgt Ozon keinem ausgeprägten Tagesgang, sondern steigt während Ozonepisoden an
• Im Wald sind die Stickstoffoxid Werte niedriger
• Ozon wird in ländlichen Gebieten langsamer abgebaut und reichert sich bei Schönwetterperioden an

Reaktionsraum Stratosphäre

• Energiereiche kurzwellige UV-Strahlung
• Spaltung des Luftsauerstoffes
• Ozonbildung ist erforderlich, da Ozonschicht vor UV Strahlung schützt. Die Stratosphäre enhält 90% des atmosphärischen Ozons
• Stoffe wie Stickstoffoxide Methan und organische Halogenverbindungen tragen zum Ozonabbau und Vergrößerung des Ozonlochs bei

Das Ozonloch in der Stratosphäre

• Das Ozonloch ist starken Schwankungen hinsichtlich Ausmaß, Ausbreitung und Dauer unterworfen
• Während der Dunkelreaktion kommt es zur Anreicherung von ClONO2, HCl, Cl2 und HOCl durch fehlendem Luftmassenaustausch
• Bei Sonneneinstrahlung (Frühjahr): rasche Bildung von Chloratomen und Ozonabbau
• Anthropogene Einflüsse wirken sich auf das Ozonloch aus. Zeitweise Verstärkung des O3-Abbaus in der oberen Stratosphäre sorgt für Abkühlung der unteren Stratosphäre