Umweltmonitoring: Luft, Boden, Wasser

Umweltmonitoring – Luft, Boden, Wasser

• Die Vorlesung umfasst 2 Semesterwochenstunden (SWS).
• Die Prüfung erfolgt schriftlich am Ende des Semesters.
• Die Zugangsdaten für die Skripte sind "Student_UM".

Übersicht: Emission – Transport/Umwandlung – Immission – Wirkung

• Emissionen werden transportiert und umgewandelt, was zu Immissionen und letztendlich zu Wirkungen führt.
• Faktoren wie biotische Einflüsse, Witterung und Immissionen/Stoffeinträge beeinflussen die Prozesse in Ökosystemen.
• Direkte Schädigungen zeigen sich in Kronenzustand und Baumwachstum.
• Indirekte Schädigungen betreffen den Bodenzustand und die Grundwasserqualität.

Begriffe und Gliederung der Umwelt

• Die Erdoberfläche gliedert sich in Festland und Meer, umgeben von der Lufthülle.
• Eine naturwissenschaftliche Betrachtung unterteilt sich in Atmosphäre (Lufthülle), Lithosphäre (festes Gestein), Pedosphäre (Gesteine, Boden, Verwitterungsprodukte), Biosphäre (Gesamtheit aller Lebewesen), Hydrosphäre (Wasserhülle) und Kryosphäre (Kaltgebiete).
• Alle Bereiche der Erdoberfläche sind voneinander abhängig, beeinflussen und durchdringen sich gegenseitig.

Die Atmosphäre: Definitionen

• Luftverunreinigungen verändern die natürliche Zusammensetzung der Luft.
• Schadstoffe sind Luftverunreinigungen mit bekannter schädlicher Wirkung.
• Emissionen sind Luftverunreinigungen, die von Anlagen, Fahrzeugen oder Produkten abgegeben werden (Gase oder Stäube).
• Emissionsquellen sind Anlagen, Fahrzeuge u. a., die Luftverunreinigungen verursachen und an die Umwelt abgeben.
• Transmission ist die Ausbreitung von Luftverunreinigungen zwischen Emission und Immission durch physikalische Verdünnung und chemische Umwandlung.
• Immission ist der Übergang bzw. die Einwirkung von Luftverunreinigungen auf Mensch, Tier, Pflanzen und Sachgüter.
• Deposition ist die Ablagerung von festen, flüssigen und gasförmigen Luftverunreinigungen aller Art aus der Atmosphäre an Oberflächen.
• Smog ist die Kombination aus Rauch (Smoke) und Nebel (fog), ensteht bei hoher Emission von Schadstoffen in Verbindung mit Nebel.

Zusammensetzung von trockener Luft

• Luft ist ein farbloses und unsichtbares Gas.
• Die mittleren physikalischen Daten von trockener Luft sind: Molare Masse M = 28,96 g/mol, Dichte ρ = 1,29 kg/m³ (bei 0°C und 1013 hPa), Siedepunkt Kp = -194,3°C.
• Hauptgase sind Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%), Argon (0.9%)
• Spurengase sind Kohlendioxid (380 ppm), Wasserstoff (500 ppb), Lachgas (310 ppb), Kohlenmonoxid (100 ppb), Ozon (30 ppb), Neon, Helium, Methan.
• Weitere Stoffe sind NO, NO2, SO2, H2S, KW, CKW, Dioxine.

Ur-Atmosphäre und biologische Einflüsse

• Frühere Atmosphäre bestand aus Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2).
• Sauerstoff (O2) war nur ein Spurenelement.
• Durch die Bildung von Ozeanen entstand Kalkstein (CaCO3).
• Blaualgen (Cyanobakterien) betreiben Photosynthese: CO2 + Licht -> Kohlenhydrate + O2
• Eisen(II)-Salze wurden zu Eisen(III)-Oxid oxidiert.
• Anschließend reicherte sich Sauerstoff in der Atmosphäre an.
• Aus einem reduzierenden wurde ein oxidierendes Milieu.
• Gleichzeitig bildete sich eine Ozonschicht, die vor UV-Strahlung schützt.
• Pflanzliche Organismen entstanden vor ca. 500 Mio. Jahren.
• Die Photosyntheserate stieg, wodurch der O2-Gehalt anstieg.
• Biologisch produzierter Sauerstoff ist in Metalloxiden, Sulfaten, Silikaten und Carbonaten gebunden.
• Der Sauerstoffgehalt ist durch Stoffkreisläufe konstant.
• Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre war nie stabil und wird es in Zukunft auch nicht sein.

Stoffkreisläufe: Wasserkreislauf

• Wasserdampf ist die „Transportform“ des Wassers.
• Äußerer Wasserkreislauf: Verdunstung Meer – Niederschlag Land
• Innere Wasserkreisläufe: Verdunstung und Niederschlag - Meer bzw. Land
• Wasserbilanzen hängen von den Klimazonen ab, z.B. humides (feuchtes) oder arides (trockenes) Klima.

Kohlenstoffkreislauf (C)

• Kohlendioxid (CO2) gelangt aufgrund seiner Wasserlöslichkeit in Ozeane.
• Abgelagerter Kohlenstoff gelangt sehr langsam (100 Mio. Jahre) durch heiße Zonen des Erdmantels zu CO2-Bildung und CO2-Emission über Vulkane.
• Jährlich werden 1 Mrd. t Kohlenstoff in Sedimente eingelagert.
• Lithosphäre: 5000-7000 Mrd. t Kohlenstoff als fossile Brennstoffe für energetische Nutzung.
• Triebkraft des biosphärischen Kreislaufs ist die Photosynthese in grünen Pflanzen, die Energie (Sonnenlicht) benötigt.
• Die Veratmung liefert wieder CO2 und einen entsprechenden Energiegewinn.

Stickstoffkreislauf (N)

• Molekularer Stickstoff in der Atmosphäre beträgt ca. 78%.
• Übergänge zwischen den Oxidationszuständen des Stickstoffs verlaufen unter Energiegewinn oder -verlust
• Ammonifikation: Stickstoff-Fixierung: Reduktion von atmosphärischem Stickstoff zu Ammonium-Ionen (NH4+) durch Nitrogenasen.
• Tiere nehmen Stickstoff aus der Nahrung (z.B. Pflanzen) auf, wandeln ihn in körpereigene Eiweiße um und scheiden ihn als Kot oder Harnstoff aus.
• Abgestorbene Materie wird durch Bakterien zu Ammoniak und Ammonium abgebaut.
• Nitrifikation: Umwandlung von Ammonium zu Nitraten/Nitriten durch Mikroorganismen (Nitrosomonas/Nitrobacter).
• Denitrifikation: denitrifizierende Mikroorganismen reduzieren Nitrat stufenweise zu N2.

Schwefelkreislauf (S)

• Schwefelverbindungen in der Atmosphäre sind vor allem Schwefeldioxid (SO2) und Schwefelwasserstoff (H2S).
• H2S wird durch Luftsauerstoff oder Bakterien zu S oxidiert: 2 H2S + O2 -> 2 H2O + 2 S
• Gebildeter Schwefel wird in Schwefelbakterien eingelagert.
• Aufbau von Schwefelverbindungen, wie sie von Lebewesen nutzbar sind, durch Mikroorganismen im Boden (Oxidationsprozesse).
• Mineralisierung von abgestorbener organischer Substanz -> Endprodukt Sulfat (Nährstoffvorrat).
• Anaerober Bereich: Bakterien können Sulfat wieder in Sulfid (S2- bzw. H2S) überführen
• Reduktionsprozesse, die parallel zur Denitifikation in Tiefgewässern und Faulschlämmen ablaufen.
• Reduktions- können die Oxidationsprozesse nicht kompensieren – verstärkt durch antropogene Aktivitaten (Herstellung von Schwefelsäure, Gewinnung von Metallen aus sulfidischen Erzen).

Phosphorkreislauf (P)

• Kreislauf in der Gasphase fehlt (Grund: Schwerlöslichkeit zahlreicher Phosphate (Ca, Fe, Al)).
• Dies führt zu Entzug aus dem Kreislauf durch Sedimentation (13 Mio. t/a).
• Vorkommen: 0,7% der Erdrinde
• Phosphat-Gestein (Oxidationsstufe +5 (Mineral z.B. Apatit Ca5 [X(PO4)3] (X=F, OH) = Grundsubstanz für Knochen und Zähne)).
• Guanoablagerungen – Exkremente von Seevögeln
• Boden: 60% als anorganisches Phosphat, 40% in organischer Substanz.
• Nur 5% der Bodenphosphate sind löslich > gelangen in Nahrungskette > Pflanze, Tiere, Mensch – über Exkremente zurück in Kreislauf
• Verwitterung: in alkalischen Böden > Calciumphosphat, in sauren Böden>Eisen- oder Aluminiumphosphat.

Aufbau der Atmosphäre

• Die gasförmige Lufthülle um die Erde existiert durch das Gleichgewicht zwischen Gravitation (Schwerkraft) und Eigenbewegungen der Moleküle/Atome.
• Anreicherung von leichteren Gasen mit zunehmender Höhe.
• Gliederung nach: Temperatur, Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre, Exosphäre, Zusammensetzung, Ionisierungsgrad.

Reaktionsräume der Atmosphäre

• Triebkraft für alle Reaktionsräume: Sonnenlicht bildet durch Photolyse reaktive Spezies > Oxidation.
• Photolyse ist die Spaltung einer chemischen Bindung durch Absorption von Licht.
• Bildung toxischer Zwischenprodukte z.B. Ozon möglich.
• Endprodukte: CO2, H2O, anorg. Säuren und Salze.
• Unterscheidung der Reaktionsräume nach der Energie: Troposphäre (energiearm) und Stratosphäre (energiereich).

Reaktionsraum Troposphäre

• Teil der Erdatmosphäre vom Boden bis zur Tropopause (8 km – 17 km).
• Lichteinstrahlung: Wellenlänge > 300 nm (energiearm).
• Photochemische Primärreaktionen: Bildung von Radikalen (z.B. *OH).
• Geschwindigkeit der Photolyse hängt ab von: Intensität/Wellenlänge des Lichts und von der Quantenausbeute.
• Troposphäre: Primärreaktionen von NO2 und Ozon > Folgereaktionen.

Troposphäre: Photochemie des OH-Radikals

• Ozonbildung – ungünstig, führt zu Photosmog.
• Reinigung der Atmosphäre von Luftschadstoffen > günstig, aber auch Folgen wie Saurer Regen, Saurer Smog und Stickstoff-Eutrophierung (Überangebot).

Ozonverlauf der Stadtstation Neuwied und Waldstation Pfälzerwald

• Stadtstation Neuwied: ausgeprägter Tagesgang mit fast vollständigem Ozonabbau in der Nacht (Grund sind Stickoxide).
• Waldstationen (z.B. Pfälzerwald): Ozon folgt keinem ausgeprägten Tagesgang, sondern steigt mit Unterbrechungen während der Ozonepisode an.
• Im Wald und ländlichen Regionen sind die Stickstoffoxid-Werte Tag und Nacht niedrig.
• Ozon wird in ländlichen Gebieten langsamer abgebaut und kann sich bei Schönwetterperioden anreichern.

Reaktionsraum Stratosphäre

• Energiereiche kurzwellige UV-Strahlung spaltet den Luftsauerstoff.
• Ozonbildung ist erwünscht (Ozonschicht schützt vor UV-Strahlung); die Stratosphäre enthält 90% des atmosphärischen. Ozons.
• Substanzen, die den Ozonabbau fördern verstärken die Vergrößerung des Ozonlochs.
• Stickstoffoxide (z.B. N2O), Methan und organische Halogenverb. u.a. FCKW tragen dazu bei.

Das Ozonloch in der Stratosphäre

• Ist starken Schwankungen in Ausdehnung, Ausbreitung und Dauer unterworfen.
• Dunkelreaktion: Anreicherung von ClONO2, HCl, Cl2 und HOCl durch fehlenden horizontalen Luftmassenaustausch.
• Bei Sonneneinstrahlung (Frühjahr): Rasche Bildung von Chloratomen und Ozonabbau.
• Antropogene Einflüsse wirken sich auf das Ozonloch aus.
• Zeitweise Verstärkung des O3-Abbaus in der oberen Stratosphäre führt zur Abkühlung der unteren Stratosphäre.