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1. Atmosphäre
Die die Erde umgebende Atmosphäre untergliedert sich in mehrere Schichten.
2.1. Schwefelverbindungen (SO2) Schwefelverbindungen können natürlichen und antropogenen Ursprungs sein. Zu den natürlichen Quellen zählen unter anderem Brände und Vulkanismus. Ein Großteil der Schwefelverbindungen stammt allerdings aus den vom Menschen genutzten fossilen Brennstoffen. Die Industrieländer (Energiegewinnung, Metallurgie, chem. Industrie) setzen 20-30 mal so viel SO2 frei wie natürliche Prozesse. Normalgehalt an SO2 in der
Luft: 0,5 Mikrogramm pro m3 Verhalten und Wirkung in der Atmosphäre
An den aufgezeigten Umwandlungsmöglichkeiten wird deutlich, das Schwefeldioxid mehr oder weniger schnell zu Schwefelsäure umgesetzt wird. Diese wird durch nasse Deposition (saurer Regen) abgeschieden. Dazwischen können Transportwege von mehr als 1000km liegen. Zwei Drittel des emittierten SO2 werden durch trockene Deposition in der Nähe der Emissionsquelle abgeschieden. Schwefeldioxid wirkt keimtötend und bleichend.
Verhalten und Wirkung in der Atmosphäre NO und NO2 treten in der Luft im Gemisch auf. Man bezeichnet dieses als NOx. a) 2NO + O2 -> 2NO2
(sehr langsam) In der Nähe von Emissionsquellen für NO (z.B. Verkehr) existiert wenig Ozon (Gleichung b). NO wird schnell zu NO2 umgesetzt (Gleichung a). Dies erfolgt auch beim Transport von der Emissionsquelle in Reinluftgebiete. Höhere NO2-Konzentrationen führen im Sommer zu hohen Ozongehalten, hauptsächlich in Reinluftgebieten, da Stickoxid während des Transportes in Stickstoffdioxid umgewandelt wurde, was sich mit Sauerstoff dort zu Ozon verbindet (Gleichung c). Senke für NOx:
Auf Grund der Wirkung der Stickoxide, war und ist eine Emissionsminderung dringend nötig. Einen großen Beitrag dazu erbrachte die Katalysatortechnik und die Abgaswäsche mit NH3 in der Industrie.
2.3. Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid (CO) Hierbei handelt es sich um organische Dämpfe und Gase wie z.B. Benzin, Diesel, Methan und Benzen (Benzol). Jährlich werden global 2,7 Milliarden Tonnen dieser Gase emittiert. Dabei sind mindestens 90 Millionen Tonnen antropogenen Ursprungs. Sie stammen aus der Erdöl- und Erdgasförderung und deren Verarbeitung, werden von Kraftfahrzeugen als Abgas ausgestoßen und gelangen beim Tanken oder als Lösemittel in die Luft. Als natürliche Quellen für CO gelten Brände und Abbauprozesse im Boden. Methan gelangt unter anderem als Sumpfgas, als Erdgas, oder von Wiederkäuern produziert in die Atmosphäre. Auch Pflanzen geben Kohlenwasserstoffe als Gas ab. Verhalten und Wirkung in der Atmosphäre In der Atmosphäre werden Kohlenwasserstoffe und CO allmählich zu CO2 und Wasser umgesetzt. Dabei entstehen Aldehyde, Peroxide und organische Säuren Zwischenprodukte.
Ozon ist ein bläuliches Gas mit charakteristischem Geruch. Es besteht aus drei Atomen Sauerstoff - O3. Dieses instabile Molekül zerfällt sehr schnell, ist sehr giftig, wirkt als starkes Oxidationsmittel und ist in größeren Konzentrationen explosibel. 3.1. Ozon in der Troposphäre (bodennahes Ozon) Der normale Gehalt an Ozon beträgt im Sommer 80-90 µg/m3, im Winter dagegen 40-50µ/m3. Die Ozongehalte unterliegen einem typischen Tages- und Jahresverlauf, und sie sind von der Verkehrsdichte und Lichtintensität abhängig.
Bildung und Abbau von Ozon in der Troposphäre
·
Ozonbildung durch
Photodissoziation von NO2 (siehe 3.2.). Die Anregungsenergie
für die Reaktion stammt vom UV-Licht aus der Sonnenstrahlung. · Ozonabbau: NO + O3 -> NO2 + O2 3.2. Ozon in der Stratosphäre - die Ozonschicht Ein Großteil
des Ozon befindet sich in der Stratosphäre, in der so genannten
Ozonschicht. Dabei handelt es sich um eine mehrere Kilometer dicke
Schicht, in der man überdurchschnittlich hohe Ozongehalte findet. Sie
liegen etwa bei 600µg/m3. Auch hier schwanken die Ozongehalte
tageszeit- und jahreszeitabhängig. Die Höhenbereiche der Ozonschicht
schwanken zwischen 25-50 km, je nach Breitengrad. Die Ozonschicht
übernimmt für das Leben auf der Erde eine Schutzfunktion. Ozon absorbiert
schädliche langwellige UV-Strahlung (260-300nm) und zerfällt dabei.
Allerdings ist UV-Strahlung anderer Wellenlänge (230nm) auch für die
Ozonbildung zuständig. Bildung von Ozon in der Stratosphäre
O2 + UV-Licht -> O + O Die größte Menge Ozon bildet sich, wenn die Sauerstoffkonzentration hoch ist, und der energiereiche Photonenfluß von der Sonne stark ist. Die UV-Strahlung wird chemisch gebunden. Natürlicher Abbau von Ozon in der Stratosphäre Für das Ozongleichgewicht in unserer Atmosphäre sorgt ein natürlicher Ozonabbau (Photolyse).
Licht + O3 -> O + O2 3.3. Abbau von Ozon durch Spurengase Ozon kann auch katalytisch durch Spurengase zerstört werden. Deren Transport in die Stratosphäre kann bis zu 10 Jahre dauern. Zu diesen flüchtigen (Gase), chemisch stabilen und wasserunlöslichen Verbindungen gehören NO-, H+, OH-, Cl- und Br-. Sie stammen z.B. aus chlorierten Kohlenwasserstoffen, bromierten Verbindungen, Methan und anderen Kohlenwasserstoffen und sind die Katalysatoren (X) für den Ozonabbau. Das Problem dabei ist, dass ein Katalysator tausende Ozonmoleküle zerstört, bevor er selbst unwirksam wird. Der derzeitige fortschreitende Spurengaseintrag durch den Menschen verstärkt den katalytischen Ozonabbau. Das bedeutet, dass weniger UV-Strahlung absorbiert wird. Somit gelangt mehr Strahlung in die tiefere Atmosphäre und bis auf die Erde.
X + O3 -> Ox
+ O2 1. Spaltung durch UV-Strahlung: Fluortrichlormethan ---> Radikal +
Chloratom 2. Reaktion des Ozons mit dem Katalysator: Chloratom + Ozon --->
Chlormonooxidradikal + Sauerstoff 3. Folgereaktionen: Chloratom + Chloratom --->
Chlor + Sauerstoff Chlor ---> Chloratom +
Chloratom 4. Resultat: Das Ozon wurde zerstört, ohne das der Katalysator verbraucht wurde. Die Reaktion beginnt von vorn (siehe 2. Reaktion des Ozons mit dem Katalysator). Die Chloratome wirken also als Katalysator für den Ozonabbau. Chloratom + Ozon --->
Chlormonooxidradikal + Sauerstoff 2O3 --- Cl ---> 3O2 3.4. Folgen des unnatürlichen Ozonabbaus in der Stratosphäre - OZONLOCH Von Natur aus stehen Ozonbildung und Ozonabbau im Gleichgewicht. Beide werden durch UV-Strahlung bestimmt. Durch den Eintrag von Schadstoffen (Spurengasen) in die Luft verschiebt sich dieses Gleichgewicht zu Gunsten des Ozonabbaus. Es entsteht ein Ozondefizit in der Stratosphäre, das Ozonloch ist da! Der Ozonabbau führt zur Erhöhung der UV-Strahlungsintensität auf der Erdoberfläche. Beim Menschen fördert dies die Entstehung von Hautkrebs, von Augenkrankheiten und schädigt die DNS (mutagene Wirkung). Pflanzen und Algen (Phytoplankton), unsere wichtigsten Sauerstofflieferanten, werden geschädigt. Es kommt zu stärkerer photochemischer Aktivität in der Troposphäre. Die Konzentration von bodennahem Ozon nimmt so ebenfalls zu. Das sich das Ozonloch besonders über dem Südpol und nur sehr gering über dem Nordpol bildete, hat seine Gründe. Im antarktischen Winter (Polarnacht) fehlt die Sonnenstrahlung, was bedeutet, dass kein Ozon gebildet wird. Weiterhin sinken die Temperaturen so stark, dass der Energiekontrast zu den noch von der Sonne beschienenen Gebieten extrem zunimmt. Dies bewirkt ein zunehmendes Luftdruckgefälle in der Höhe. Der Ostwindstrom um die Antarktis wird verstärkt. Es bildet sich eine Wirbelwindwetterlage heraus, der so genannte "circumpolar vortex". Diese wiederum schirmt die antarktische Atmosphäre von den Außenbereichen (z.B. äquatorialer Bereich) so gut ab, dass keine ozonhaltige Luft einströmen kann und das Ozonloch nicht ausgeglichen wird. Dazu kommt noch ein Anstieg der Säurenkonzentration in den polaren Stratosphärenwolken, die großteils aus Salzsäure bestehen. Aber auch mit Sommerbeginn weitet sich das Ozonloch oft erst noch weiter aus. Die Sonne regt nicht nur die Ozonproduktion wieder an, sondern erweckt auch die ozonzerstörenden Radikalen (Katalysatoren) wieder zum Leben. Die eben gegebene Erklärung dieses Vorganges wird durch das "Arnold-Crutzen-Modell" vertieft.
Die während des Tages einfallende Sonnenstrahlung (Globalstrahlung) wird von der Atmosphäre und vom Erdboden in Form von Wärme gespeichert und nachts als Infrarotstrahlung in den Weltraum abgegeben (Energieabstrahlung – Albedo). Die sog. klimarelevanten Spurengase (CO2, FCKW, Methan, Wasserdampf u.a.) in der Troposphäre sind zwar durchlässig für sichtbares Licht, aber schwer durchlässig für Wärmestrahlung. Sie absorbieren und reflektieren einen Teil dieser Abstrahlung, wodurch die nächtliche Abkühlung reduziert wird. Die Schicht der klimarelevanten Spurengase fängt also, wie die Glasscheiben eines Treibhauses, Sonnenenergie ein, indem sie Sonnenlicht durchläßt und Infrarotstrahlung zurückhält. Aufgrund dieser Analogie wird der Effekt Treibhauseffekt genannt. Der natürliche Treibhauseffekt stellt eine gigantische, lebensnotwendige "Klimaanlage" dar. Ohne Ihn läge die bodennahe Durchschnittstemperatur auf der Erde nicht bei +15 Grad C, sondern bei -18 Grad C.
Werden die natürlich vorhandenen Treibhausgase (z.B. CO2) durch anthropogenen Einfluss vermehrt oder durch neue Stoffe (z.B. FCKW) ergänzt, so übertrifft die dadurch verursachte zusätzliche Wärmestrahlung aus der Atmosphäre ebenfalls die verstärkte Reduktion von Sonnenstrahlung am Erdboden. Daher erhöht sich infolge dieses verstärkten anthropogenen Treibhauseffektes die Temperatur des Bodens und der unteren Atmosphäre. Um wieviel die wichtigen Treibhausgase die Oberflächentemperatur der Erde anheben, ist nicht einfach zu bestimmen. Jetzt mögliche Messungen der Wärmeabstrahlung in den Weltraum durch Satelliten lassen auf eine Temperaturerhöhung des Bodens durch den natürlichen Treibhauseffekt um etwa 33°C schließen. Ohne diesen läge die Bodentemperatur im globalen Mittel bei etwa -18°C. Zu dieser lebenserhaltenden Erwärmung trägt Wasserdampf den weitaus größten Teil, etwa zwei Drittel, bei; es folgen Kohlendioxid (CO2) mit einem Anteil von ca. 15%, Ozon mit etwa 10% und schließlich Distickstoffoxid (N2O) und Methan (CH4) mit je etwa 3%. Zur genauen Berechnung der Anteile müsste neben der Höhen- und Breitenabhängigkeit aller Gase auch die Wirkung der Bewölkung und der Schwebeteilchen (Aerosole) auf die Sonnen- und Wärmestrahlung bekannt sein.
Die Konzentration der langlebigen Treibhausgase nimmt systematisch zu: seit Beginn der Industrialisierung bis heute bei Kohlendioxid (CO2) um ca. 30%, bei Methan (CH4) um 120% und bei Distickstoffoxid (N2O) um ca. 10%. Hierdurch wird eine langfristige Erwärmung der unteren Atmosphäre und der Erdoberfläche angestoßen, deren Ausmaß mit der Konzentrationsänderung ansteigt, aber auch stark von der Reaktion des Wasserkreislaufs (Wasserdampf, Bewölkung, Niederschlag, Verdunstung, Schneebedeckung, Meereisausdehnung) bestimmt wird. Der Wasserkreislauf kann sowohl verstärkend wie dämpfend eingreifen, weil viele seiner Zweige stark temperaturabhängig sind. Da die Erwärmung regional und innerhalb eines Jahres unterschiedlich ist und weil die Strahlungsbilanzstörung bei einer Konzentrationsänderung von der Struktur der Atmosphäre, der Jahreszeit und vom Oberflächentyp abhängt, führt ein erhöhter Treibhauseffekt auch zu veränderten Werten des Niederschlags, der Bewölkung, der Meereisausdehnung, der Schneebedeckung und des Meeresspiegels sowie zu anderen Wetterextremen, d.h. im Letzten zu einer globalen Klimaveränderung. Der Begriff
„Smog“ setzt sich aus „smoke“ für Rauch und „fog“ für Nebel zusammen. Smog
bezeichnet eine starke Anreicherung von Luftschadstoffen, die eine
Gesundheitsgefährdung darstellen und bis zum Tod führen können. Von
Atembeeinträchtigungen, Kreislaufproblemen und Reizungen der Schleimhäute
sind besonders Alte, Kranke, Kinder und Asthmatiker betroffen.
Die Maßnahmen bei Sommersmog werden über die Ozonverordnungen der Bundesländer geregelt. Das Ausrufen der Vorwarnstufe beinhaltet die Information der Bevölkerung, sowie vorbereitende Maßnahmen bei Behörden und Industrie. Während der 1./2. Warnstufe werden in Betrieben effektive Maßnahmen zur Senkung des Schadstoffausstoßes durchgeführt, welche durch die Umweltbehörden kontrolliert werden. |
