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 das Skript sind Student_UM.

Begriffe und Gliederung der Umwelt

• Die Themen umfassen Begriffe und die Gliederung der Umwelt, die Atmosphäre, Immissionen, Auswirkungen auf Mensch und Tier, Depositionen, Auswirkungen auf den Boden, die ICP-Programme sowie Auswirkungen auf Pflanzen.

Übersicht: Emission – Transport/Umwandlung – Immission – Wirkung

• Emissionen werden transportiert und umgewandelt, was zu Immissionen und schließlich zu Wirkungen führt.
• Biotische Einflüsse wie Insekten und Pilze beeinflussen den Kreislauf.
• Die Witterung, einschließlich Temperaturextreme und Niederschlagsdefizite, spielt eine Rolle.
• Immissionen und Stoffeinträge wie SO2, NO3, NH, O3 beeinflussen das System. Es kommt zu direkten Schädigungen und indirekten Schädigungen.
• Direkte Schädigungen beeinflussen den Kronenzustand(Kronenverlichtung, Verzweigungsanomalien, Nadel-/Blattvergilbungen, Absterbeerscheinungen) und Baumwachstum (Erhöhung durch N-Einträge, Verringerung).
• Indirekte Schädigungen wirken sich auf Baumernährung (Ernährungsdisharmonien) und Bodenzustand (Bodenverarmung/Bodenversauerung, Auswaschung von Nährstoffen, Freisetzung von Metallionen und Nitrat, Schädigung der Feinwurzeln) aus.
• Die Grundwasserqualität wird beeinflusst durch Anreicherung von Metallionen und Nitrat sowie Azidität.

Begriffe im Umweltmonitoring

• Luftverunreinigungen sind Stoffe, die die natürliche Zusammensetzung der Luft verändern.
• Schadstoffe sind Luftverunreinigungen, deren schädliche Wirkung bekannt ist.
• Emissionen sind Luftverunreinigungen, die von Anlagen, Fahrzeugen oder Produkten abgegeben werden, entweder als Gase oder Stäube.
• Emissionsquellen sind Anlagen, Fahrzeuge und andere Quellen, 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 Menschen, Tiere, Pflanzen und Sachgüter.
• Deposition ist die Ablagerung von festen, flüssigen und gasförmigen Luftverunreinigungen aller Art aus der Atmosphäre auf Oberflächen.
• Smog ist eine Kombination aus Rauch (Smoke) und Nebel (Fog), typischerweise bei hoher Emission von Schadstoffen in Verbindung mit Nebel.

Naturwissenschaftliche Gliederung der Umwelt

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

Zusammensetzung von trockener Luft

• Luft ist ein farbloses und unsichtbares Gas.
• Die molare Masse beträgt 28,96 g·mol-1.
• Die Dichte beträgt 1,29 kg·m3 (bei 0°C und 1013 hPa).
• Der Siedepunkt liegt bei -194,3°C.
• Trockene Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Argon (0,9%).
• Spurengase wie Kohlendioxid (380 ppm), Wasserstoff (500 ppb), Lachgas (310 ppb), Kohlenmonoxid (100 ppb) und Ozon (30 ppb) sind ebenfalls enthalten.
• Andere Stoffe wie NO, NO2, SO2, H2S, KW, CKW und Dioxine können vorkommen.

Ur-Atmosphäre und biologische Einflüsse

• Die frühere Atmosphäre bestand aus Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2).
• Sauerstoff (O2) war nur ein Spurenelement.
• Die Bildung von Ozeanen und darin Kalkstein (CaCO3) spielte eine Rolle.
• Blaualgen (Cyanobakterien) betrieben Photosynthese: CO2 wurde als Nährstoff genutzt, zusammen mit Licht, um Kohlenhydrate und O2 zu produzieren.
• Fe2+-Salze wurden im Meer zu schwer löslichem Eisen(III)-Oxid oxidiert, was zu eisenhaltigem Schlamm führte.
• Anschließend reicherte sich Sauerstoff in der Atmosphäre an.
• Aus einem reduzierenden Milieu entstand eine oxidierende, sauerstoffhaltige Umwelt.
• Gleichzeitig bildete sich eine schützende Ozonschicht, die Schutz vor UV-Strahlung bot und die Grundlage für das Leben schuf.
• Pflanzliche Organismen entstanden vor etwa 500 Millionen Jahren.
• Die Photosyntheserate wurde gesteigert, was zu einem Anstieg des O2-Gehalts führte.
• Heute ist der Sauerstoffgehalt durch Stoffkreisläufe im Wesentlichen konstant.
• Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre war nie stabil und wird es auch in Zukunft nicht sein.

Stoffkreisläufe: Wasserkreislauf

• Wasserdampf ist die "Transportform" des Wassers.
• Der äußere Wasserkreislauf beschreibt die Verdunstung von Meerwasser, die als Niederschlag auf Land fällt.
• Innere Wasserkreisläufe umfassen Verdunstung und Niederschlag über dem Meer bzw. über dem Land.
• Wasserbilanzen sind abhängig von den Klimazonen, z.B. humides (feuchtes) Klima oder arides (trockenes) Klima.

Kohlenstoffkreislauf (C)

• Kohlendioxid (CO2) gelangt aufgrund seiner Wasserlöslichkeit in die Ozeane.
• Abgelagerter Kohlenstoff gelangt sehr langsam (100 Mio. Jahre) in heiße Zonen des Erdmantels und wird zu CO2-Bildung und CO2-Emission über Vulkane.
• 1 Mrd. Tonnen Kohlenstoff pro Jahr werden in Sedimente eingelagert.
• In der Lithosphäre lagern 5000-7000 Mrd. Tonnen Kohlenstoff als fossile Brennstoffe, die vor allem energetisch genutzt werden.
• Die Photosynthese in grünen Pflanzen (benötigt Energie - Sonnenlicht) ist die treibende Kraft im biosphärischen Kreislauf.
• Die Veratmung liefert wieder CO2 und einen entsprechenden Energiegewinn.
• Es gibt Schwankungen im CO2-Gehalt.

Stickstoffkreislauf (N)

• Molekularer Stickstoff macht etwa 78% der Atmosphäre aus.
• Übergänge zwischen Oxidationszuständen des Stickstoffs verlaufen unter Energieaufnahme oder -abgabe.
• Ammonifikation umfasst die Stickstoff-Fixierung, bei der atmosphärischer Stickstoff zu Ammonium-Ionen (NH4+) durch Nitrogenasen reduziert wird, was zu Aminosäuren und Eiweißen führt.
• Tiere nehmen Stickstoff aus der Nahrung (z.B. Pflanzen) auf, wandeln ihn in körpereigene Eiweiße um, und bauen ihn zu Abbauprodukten wie Kot und Harnstoff ab.
• Abgestorbene Materie wird durch Bakterien zu Ammoniak und Ammonium abgebaut.
• Nitrifikation ist die Umwandlung von Ammonium zu Nitraten/Nitriten durch Mikroorganismen (Nitrosomonas/Nitrobacter).
• 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.
• Schwefelverbindungen werden durch Mikroorganismen im Boden aufgebaut und von Lebewesen genutzt (Oxidationsprozesse).
• Mineralisierung von abgestorbener organischer Substanz führt zu Sulfat als Endprodukt und Nährstoffvorrat.
• Unter anaeroben Bedingungen können Bakterien Sulfat wieder in Sulfid (S2- bzw. H2S) überführen; dieser Prozess läuft parallel zur Denitrifikation in Tiefgewässern und Faulschlämmen ab (Reduktionsprozesse).
• Reduktionsprozesse können durch anthropogene Aktivitäten verstärkt werden, z.B. Herstellung von Schwefelsäure und ihrer Salze, Gewinnung von Metallen aus sulfidischen Erzen.

Phosphorkreislauf (P)

• Es gibt keinen Kreislauf in der Gasphase.
• Schwerlöslichkeit zahlreicher Phosphate (Ca, Fe, Al) führt zum Entzug aus dem Kreislauf durch Sedimentation (13 Mio. t/a).
• Phosphor kommt zu 0,7% in der Erdrinde vor.
• Phosphat befindet sich im Phosphat-Gestein (Oxidationsstufe +5) z.B. Apatit Ca5[X(PO4)3] (X=F, OH) = Grundsubstanz für Knochen und Zähne.
• Gunaoablagerungen sind Exkremente von Seevögeln.
• Der Boden besteht zu 60% aus anorganischem Phosphat und zu 40% aus organischer Substanz.
• Nur 5% der Bodenphosphate sind löslich und gelangen in die Nahrungskette (Pflanze, Tiere, Mensch) und über Exkremente zurück in den Kreislauf.
• Verwitterung kann in alkalischen Böden Calciumphosphat bilden sowie in sauren Böden Eisen- oder Aluminiumphosphat.

Aufbau der Atmosphäre

• Die gasförmige Lufthülle um die Erde existiert aufgrund des Gleichgewichts zwischen der Gravitation (Schwerkraft) und den Eigenbewegungen der Moleküle bzw. Atome.
• Leichte Gase reichern sich mit zunehmender Höhe an.
• Die Gliederung erfolgt nach Temperatur, Zusammensetzung und Ionisierungsgrad.
• Die Atmosphäre wird in Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre und Exosphäre unterteilt.

Reaktionsräume der Atmosphäre

• Die Triebkraft für alle Reaktionsräume ist das Sonnenlicht, das durch Photolyse reaktive Spezies bildet und somit Oxidation verursacht.
• Photolyse ist die Spaltung einer chemischen Bindung durch Absorption von Licht.
• Dabei können toxische Zwischenprodukte, z.B. Ozon, entstehen.
• Endprodukte sind u.a. CO2, H2O, anorganische Säuren und Salze.
• Die Unterscheidung der Reaktionsräume erfolgt nach der Energie: Troposphäre (energiearm), Stratosphäre (energiereich).

Reaktionsraum Troposphäre

• Die Troposphäre ist der Teil der Erdatmosphäre vom Boden bis zur Tropopause (8-17 km).
• Die Lichteinstrahlung hat eine Wellenlänge λ größer 300 nm (energiearm).
• Photochemische Primärreaktionen bilden ein oder mehrere Radikale (sehr reaktive Verbindungen z.B. *OH).
• Die Geschwindigkeit der Photolyse hängt von der Intensität und Wellenlänge des Lichts sowie von der Quantenausbeute ab.
• In der Troposphäre finden Primärreaktionen von NO2 und Ozon statt, die zu Folgereaktionen führen.
• Die Ozonbildung durch Photolyse von NO2 erfolgt durch einen Prozess mit Licht und molekularem Sauerstoff.
• Die Photolyse von Ozon (O3) führt zu O2 und Sauerstoff.
• Der Kreislauf des •OH-Radikals (Folgereaktion) beinhaltet die Reaktion von Sauerstoff mit OH2, wodurch 2 OH entstehen.

Troposphäre: Photochemie des OH-Radikals

• Ozonbildung ist ungünstig und führt zu Photosmog.
• Die Reinigung der Atmosphäre von Luftschadstoffen ist günstig, kann aber auch Folgen wie sauren Regen, sauren Smog und Stickstoff-Eutrophierung (Überangebot) haben.

Ozonverlauf in Neuwied und Pfälzerwald

• In der Stadtstation Neuwied gibt es einen ausgeprägten Tagesgang mit nahezu vollständigem Ozonabbau in der Nacht; Hauptgrund sind Stickoxide.
• Waldstationen, z.B. Pfälzerwald, zeigen keinen ausgeprägten Tagesgang; das Ozon steigt mit Unterbrechungen über die Ozonepisode an.
• Im Wald und in ländlichen Regionen sind die Stickstoffoxid-Werte ganztägig niedrig.
• Ozon wird in ländlichen Gebieten langsamer abgebaut und kann sich im Verlauf von Schönwetterperioden anreichern.

Reaktionsraum Stratosphäre

• In der Stratosphäre gibt es energiereiche kurzwellige UV-Strahlung, die zur Spaltung des Luftsauerstoffes führt.
• Ozonbildung ist erwünscht, da die Ozonschicht vor UV-Strahlung schützt; die Stratosphäre enthält 90% des atmosphärischen Ozons.
• Substanzen, die den Ozonabbau fördern, vergrößern das Ozonloch, z.B. Stickstoffoxide (N2O), Methan und organische Halogenverbindungen (FCKW).

Das Ozonloch in der Stratosphäre

• Es unterliegt starken Schwankungen hinsichtlich Ausmaß, Ausbreitung und Dauer.
• In der Dunkelreaktion kommt es zur Anreicherung von ClONO2, HCl, Cl2 und HOCl durch fehlenden horizontalen Luftmassenaustausch.
• Bei Sonneneinstrahlung (Frühjahr) erfolgt eine rasche Bildung von Chloratomen und Ozonabbau.
• Anthropogene Einflüsse wirken sich auf das Ozonloch aus.
• Zeitweise Verstärkung des O3-Abbaus in der oberen Stratosphäre führt zur Abkühlung der unteren Stratosphäre.