Luftverschmutzung und Klimaänderung

Eine chemische Substanz am falschen Ort und in der falschen Konzentration nennt man einen Schadstoff. Schadstoffe sind definiert als Verunreinigungen, die für den Menschen oder die Biosphäre schädlich sind. Die Erforschung der Luftverschmutzung beschäftigt sich mit Schadstoffen, die (in der Regel vom Land) als Gase oder Stäube in die Atmosphäre emittiert werden und die dann direkt oder indirekt physikalische und biologische Systeme beeinträchtigen oder schädigen.

Sowohl natürliche als auch anthropogen bedingte Emissionen tragen zur Gesamtmenge an Schwefeldioxid (SO2) in der Atmosphäre bei. SO2 ist ein Gas, das unangenehm stechend riecht, sobald seine Konzentration 1 nl 1^-1übersteigt. Die weltweite Emission von Schwefeldioxid aus natürlichen Quellen wie z.B. mikrobieller Tätigkeit, Vulkanen, Schwefelquellen, Emission von verschiedensten Oberflächen inklusive Vegetation, Gischt und Verwitterungsprozessen (siehe nächsten Abschnitt) beträgt 128 Mt Schwefel (S) jährlich (a^-1). Sie ist lediglich um ca. 50% höher als die durch menschliche Tätigkeiten hervorgerufene Emission (momentan 70 Mt S a^-1), obwohl natürliche Emissionsquellen weiter über die Erdoberfläche verteilt sind und für natürliche Hintergrundwerte von ca. 1 nl SO2 1^-1sorgen. Die biogene Emission von Verbindungen, die reduzierten Schwefel enthalten, durch Vegetation, Feucht-gebiete und Meere ist jedoch höher und wird zusammen mit H₂S in Kapitel 4 näher betrachtet.

Stickstoffdioxid (NO₂) und Stickstoffmonoxid (NO) sind zwar nicht die Stickstofformen, die mengenmäßig in der Atmosphäre vorherrschen, wohl aber die, die die meisten Probleme in der Troposphäre verursachen. Chemiker verwenden für diese beiden Schadstoffe oft die Abkürzung NOx; diese Bezeichnung impliziert jedoch, daß die biologischen Auswirkungen von NO₂denen von NO ähneln, das anteilmäßig oft überwiegt. Noch schwerwiegender ist jedoch, daß bei der Verwendung dieser Abkürzung häufig unklar ist, ob sie das Treibhausgas Distickstoffoxid (N₂O, Stickoxydul) miteinschließt, das ebenfalls am Ozonabbau in der Stratosphäre beteiligt ist, in der Atmosphäre jedoch über 10mal so häufig vorkommt wie NO₂. Der Terminus „Stickoxide“ dagegen ist eindeutig. Er umfaßt NO₂ und NO ebenso wie N₂O, N₂O₃, N₂O₅ usw. — wobei diese Verbindungen völlig unterschiedliche Auswirkungen auf lebende Systeme haben. Im biologischen Kontext empfiehlt es sich daher, die Abkürzung NO_xnicht zu verwenden, da sie zu der irrigen Annahme verleitet, daß die verschiedenen Stickoxide ähnliche Wirkungen haben.

Stickoxide und SO₂ sind nicht die einzigen Gase in der Atmosphäre, die Stickstoff und Schwefel enthalten. Reduzierte Gase wie Ammoniak (NH₃), Schwefelwasserstoff (H₂S) und organische Sulfide (CH₃SH, CH₃SCH₃, CH₃SSCH₃etc.) sind ebenfalls häufig vorhanden. Sie sind, ebenso wie Stickoxide und SO₂, wichtige Bestandteile des Stickstoff-bzw. Schwefelkreislaufs. Der Großteil des NH₃und des H₂S in der Atmosphäre ist biogenen und nicht anthropogenen Ursprungs; eine problematische Konzentrationserhöhung von NH₃und H₂S über die üblichen Werte hinaus ist jedoch meist auf Einwirkung des Menschen zurü ckzuführen.

Der Begriff „pluie acide“ wurde erstmals 1854 von Ducros, einem französischen Chemiker, verwendet. Es war jedoch Robert Angus Smith, der den Begriff „acid rain“ 1872 bekannt machte, als er in einem seiner ersten Berichte als Chief Alkali Inspector des Vereinigten Königreiches die saure Beschaffenheit des Regens beschrieb, der in der Gegend um Manchester niederging. Daß das Phänomen saurer Regen nicht isoliert von anderen Formen von Luftverschmutzung betrachtet werden kann, wurde bereits in Kapitel 1 diskutiert; Kapitel 2 bis 4 haben gezeigt, daß auch in der Gasphase Reaktionen stattfinden, die zur Bildung saurer Verbindungen in der Atmosphäre beitragen. Sie sind Teil der sog. trockenen Deposition, während die in der Gas-Wasser-Phase ablaufenden Reaktionen, die in Niederschlägen (Nebel, Regen, Hagel, Schneeregen oder Schnee) die Erde erreichen, zur sog. nassen Deposition gehören. Diese Reaktionen bestehen sowohl aus säure-als auch aus nichtsäurebildenden Prozessen; saurer Regen ist also lediglich eine mögliche Form der nassen Deposition, wenn auch eine sehr wichtige. Vielleicht sollte man besser von „Niederschlägen“ als von „Deposition“ sprechen, da auf diese Weise deutlich wird, daß es sich um ein periodisch auftretendes Phänomen handelt, d.h. daß die Auswirkungen saurer Niederschläge nur unregelmäßig zu spüren sind. Ein Großteil der bei der nassen Deposition atmosphärischer Schadstoffe beteiligten Vorgänge ist in Abb. 5.1. dargestellt

Die wichtigste Ozonquelle in der Troposphäre, die unterhalb der Stratosphäre liegt und von Luftturbulenzen gekennzeichnet ist, ist die Photolyse von NO2 (Reaktion 6.1), bei der atomarer Sauerstoff (0) freigesetzt wird. Dieser reagiert dann mit molekularem Sauerstoff (Reaktion 6.2) zu03.Kohlenwasserstoffe, Aldehyde und CO beschleunigen diese ursprüngliche Photolyse (Reaktion 6.1), indem sie die Geschwindigkeit der Oxidation von NO mit Peroxyradikalen (RO2’) (z.B. Reaktion 6.3) erhöhen; gleichzeitig tragen sie zur Bildung der sehr reaktiven Hydroxylradikale (’OH) bei. Die vielfältigen Reaktionen und Wechselwirkungen zwischen den Stickoxiden und03sind in Abb. 3.5 im Detail und in Abb. 6.1. zusammenfassend dargestell

In Abhängigkeit von der Wellenlänge durchdringen bestimmte Frequenzen der Solarstrahlung die gesamte Atmosphäre und erreichen die Erdoberfläche (Abb. 7.1). Im Gegensatz zu den kürzerwelligen Radiowellen (1 cm bis 10 m) gelangen sehr langwellige Radiowellen nicht sehr viel tiefer als 50 km über Meeresniveau. Die meisten infraroten Strahlen sind bereits ca. 10 km über dem Meeresspiegel (d. h. ungefähr auf der Höhe des Mount Everest) vollständig absorbiert, geringe Mengen kurzwelliger Infrarotstrahlung, der gesamte sichtbare Bereich des Spektrums und längerwellige ultraviolette (UV) Strahlung erreichen jedoch das Meeresniveau. Kürzere Wellenlängen (Röntgenstrahlen, Gamma-Strahlen und die meisten kosmischen Strahlen) werden bereits zwischen 10 und 100 km über der Erdoberfläche ausgefiltert (Abb. 7.1).

Wenn Strahlung auf eine Oberfläche oder ein Gasmolekül trifft, verliert sie Energie, worauf sich die Wellenlänge der Strahlung verlängert. Dies bedeutet, daß wenn hoch energetische solare Strahlung (überwiegend sichtbares Licht und langwellige UV-Strahlung) in die Atmosphäre eintritt, ein Teil davon durch Wolken u.a. unmittelbar in den Weltraum reflektiert wird. Wenn jedoch etwa die Hälfte davon die Erdoberfläche erreicht, wird ein Großteil dieser Strahlung als energieärmere Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) reflektiert. Ein geringer Teil davon (10%) strahlt direkt zurück ins Weltall, ein Großteil wird jedoch von bestimmten Gasmolekülen in der Atmosphäre absorbiert. Diese Moleküle strahlen einen Teil der absorbierten IR-Energie in alle Richtungen ab, teils in den Weltraum hinaus, teils zur Erdoberfläche zurück. Darüber hinaus bewirkt die Erwärmung der Erdoberfläche, direkt durch solare Strahlung und indirekt durch die Rückstrahlung von IR-Strahlung, sowohl die Verdunstung von Wasser als auch den Auftrieb der Luft (Konvektion), wodurch Energie von der Erdoberfläche zurück in die Atmosphäre transferiert wird. Insgesamt entsteht so eine die Erdoberfläche wie eine warme Hülle umgebende Schutzschicht. Dieser als Treibhauseffekt bezeichnete Vorgang ist in Abb. 8.1 zusammengefaßt dargestellt.

In den letzten drei Jahrzehnten sind in weiten Teilen Europas und Nordamerikas erhebliche Schäden an Waldbäumen aufgetreten. Teilweise können die Symptome durch bereits bekannte baumschädigende Faktoren wie z.B. Schadinsekten, Pilzbefall, Magnesiummangel etc. erklärt werden. In vielen Regionen jedoch sind die Ursachen für vorzeitigen Blatt-oder Nadelverlust und das Absterben von Bäumen völlig offen. Diesem ungeklärten Phänomen wurden verschiedene Namen gegeben. Der vorsichtigste Begriff, „neuartige Waldschäden“, verweist darauf, daß es sich um eine neue Art von Schäden handelt. Der stärker emotional gefärbte Begriff „Waldsterben“ wird in letzter Zeit kaum noch verwendet.

In den vorhergehenden Kapiteln wurden einzelne Schadstoffe behandelt, die Schäden bei Pflanzen, Tieren oder an Sachgütern verursachen. Es wurde z.B. dargelegt, daß eine Beeinträchtigung der Wasserqualität durch saure Niederschläge indirekt für den starken Rückgang der Süßwasserfischvorkommen in einigen Gebieten verantwortlich ist. Es gibt jedoch eine ganze Reihe von Umweltproblemen wie etwa die neuartigen Waldschäden, die nicht auf ein einziges Schadgas, auf saure Niederschläge oder auf Luftverschmutzung allein zurückgeführt werden können. In vielen Fällen spielen mehrere Faktoren zusammen.