Funktionen der Atmosphäre - HZDR · O-Aerosole) - Anlagerung der wenig aktiven Verbindungen HCl...

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Funktionen der Atmosphäre • Schutz vor Strahlung aus dem Weltall Absorption von energiereicher Partikelstrahlung (Kernreaktionen), Röntgen- und UV-Strahlung (Strahlung im Bereich von 400 - 40 nm Wellenlänge) UV-A λ = 400 - 320 nm UV-B λ = 320 - 280 nm UV-C λ = 280 - 40 nm Wärmepuffer (Durchlässigkeit für Sonnenlicht, Rückhaltung von Wärmestrahlung) - Ausgleich zwischen Tag und Nacht - “hebt” durchschnittliche Temperatur von -18°C auf +15°C • Wärmetransport (aus Äquatorgegenden in gemäßigtere Breiten) • Wassertransport • “Stickstoff-, CO 2 - und Sauerstoffspeicher“ • Schutz vor kleinen bis mittleren Meteoriten • “Atmosphärenchemie" (Photolyse, Radikalreaktionen, Oxidation) • Verteilung und Abbau von Schadstoffe

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Funktionen der Atmosphäre• Schutz vor Strahlung aus dem WeltallAbsorption von energiereicher Partikelstrahlung (Kernreaktionen),Röntgen- und UV-Strahlung (Strahlung im Bereich von 400 - 40 nmWellenlänge)

UV-A λ

= 400 - 320 nmUV-B λ

= 320 - 280 nm

UV-C λ

= 280 - 40 nm• Wärmepuffer (Durchlässigkeit für Sonnenlicht, Rückhaltung vonWärmestrahlung)

- Ausgleich zwischen Tag und Nacht- “hebt” durchschnittliche Temperatur von -18°C auf +15°C

• Wärmetransport (aus Äquatorgegenden in gemäßigtere Breiten) • Wassertransport• “Stickstoff-, CO2 - und Sauerstoffspeicher“• Schutz vor kleinen bis mittleren Meteoriten• “Atmosphärenchemie" (Photolyse, Radikalreaktionen, Oxidation)• Verteilung und Abbau von Schadstoffe

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Mittlere Zusammensetzung von trockener Luftin der Troposphäre

Bestandteil Volumenanteil / %

Stickstoff 78,08Sauerstoff 20,95Argon 0,934Neon 0,001 8Helium 0,000 5Krypton 0,000 1Xenon 0,000 009Kohlenstoffdioxid 0,035Methan 0,000 17Distickstoffmonooxid 0,000 03Kohlenstoffmonooxid 0,000 02Wasserstoff 0,000 05Ozon * 0,000 001

* zeigen starke zeitliche Fluktuationen

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Schwebstoffe

Seesalzkerne Wasser Sand (in Nebel, Wolken)Ruß (in Rauch)

feste flüssige

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Teilchendurchmesser einiger Partikel

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Klima

Als Klima wird der mittlere Zustand der Atmosphäre an einem Ortbezeichnet.

Das Klima ist charakterisiert durch Lufttemperatur, Windrichtungund -stärke, Niederschlag usw.

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Ursachen für Klimaschwankungen:- veränderte Strahlungsverhältnisse der Sonne- Änderung der Erdoberfläche- Änderung der Erdlaufbahn- Änderung der Erdachse- Zusammensetzung der Atmosphäre

Folge:- Warm- und Kaltzeiten

bodennahe Temperaturen zwischen 9oC und 16oC- Auswirkungen auf Ökosysteme

z.B. Meeresspiegel während der letzten Eiszeit vorca. 15.000 Jahren etwa 170 m unter dem heutigen Niveau

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Klimatrends

Probleme bei der Vorhersage:

- Messfehler bei Temperaturmessungen

- kaum Standardisierung für Messungen in verschiedenen Regionen

- kaum klimarelevante Daten aus der Vergangenheit(kein Bezug zu Bewölkung, Bodenbesetzung)

- fehlende Messpunkte in Meeresgebieten (auch Strömungen)

- fehlende Kenntnisse zu Wechselwirkungen zwischen Chemie

und Biologie

- Rückkopplungsmechanismen nicht vollständig erfassbar

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- Effekt des Ozons:* „positives“ Ozon* „negatives“ Ozon

- Treibhauseffekt:* natürlicher Treibhauseffekt:* anthropogener Treibhauseffekt:

Einfluss des Treibhauseffektes und Ozons

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Temperatur-Treibhauseffekt der wichtigsten klimawirksamen Spurengase

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Natürlicher Treibhauseffekt:

- eine Bedingung für irdisches Leben

- durch den Eintrag von CO2 , Methan, Ozon, Stickoxiden, Wasserdampfwird die Abstrahlung langwelliger Strahlung verhindert

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Anthropogener Treibhauseffekt

- über das natürliche Maß hinausgehender Eintrag von Treibhausgasen

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Anthropogener Treibhauseffekt – IIKonsequenzen:

- Luftverschmutzung, Eintrag klimarelevanter Gase;entspricht einer zusätzlichen Energiezufuhr von ca. 2,5 W/m2

-> Folge: Erwärmung der Oberflächentemperatur in den letzten 100 Jahrenum 0,5-0,6o

-> Gegenmaßnahmen:- Reduktion der Luftverschmutzung durch Aerosole und Stäube(Energiereduktion auf ca. 2,0 W/m2)

- sofortige Verringerung des Eintrages klimarelevanter Treibhausgase

aber: - starke zeitliche Verzögerung der Wirkung macht sofortiges Handelnerforderlich (neues GGW bei N2 O, CO2 : mehrere hundert Jahre;CH4 : etwa 30 Jahre)

- Stabilisierung des Gehalts an klimarelevanten Spurengasen auf heutigem Niveau erfordert:* Senkung der CH4 -Emission um 10-15%* Senkung der N2 O-Emission um 85%* Senkung der anthropogenen CO2 -Emission um 55%

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Eigenschaften des Ozons (O3 )

- farbloses Gas- Siedepunkt - 1120C- Ozonmolekül: 3 Sauerstoffatome im Winkel von 116,70,

Bindungslänge 0.1278 nm, stark delokalisierte Π

- Bindung- starkes Oxidationsmittel- stark endotherme Verbindung- absorbiert Strahlung im UV und IR-Bereich(in großen Höhen Absorption der harten UV-Strahlung der Sonne242 –

310 nm)

-kann photolytisch gebildet und auch zersetzt werden(O + O2 O3 , <242 nm , M / O3 + O 2 O2 , < 360 nm)

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Eigenschaften des Ozons (O3 )

- farbloses Gas- Siedepunkt - 1120C- Ozonmolekül: 3 Sauerstoffatome im Winkel von 116,70,

Bindungslänge 0.1278 nm, stark delokalisierte Π

- Bindung- starkes Oxidationsmittel- stark endotherme Verbindung- absorbiert Strahlung im UV und IR-Bereich(in großen Höhen Absorption der harten UV-Strahlung der Sonne242 –

310 nm)

-kann photolytisch gebildet und auch zersetzt werden(O + O2 O3 , λ<242 nm , M / O3 + O 2 O2 , λ< 360 nm)

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- Effekt des Ozons:

Störung der Atmosphärenchemie, Ozonbildung und –zersetzungführt zu Absorption der UV-C-Strahlung, Störung dieses Gleichgewichtes durch anthropogene Emissionen (FCKW, N2 O),

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Eindringtiefe schädlicher Strahlung bei Absorption durch Gase in der Atmosphäre

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Ozonbildung

- 90% des atmosphärischen Ozons befinden sich in der Stratosphäre

- maximale O3 -Konzentration bei etwa 25 km Höhe

- maximale Konzentration: 1013 Moleküle/cm3

770 μg/m3

359 ppb

- zwischen Bildung und Zersetzung besteht ein sensibles Gleichgewicht,das durch anthropogene Emissionen (z.B. FCKW, NO2, u.a.) gestört wird

- Dobson-Einheit (Dobson-Unit, D.U.)

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Stratosphärenchemie - Ozonschicht

= Bereich oberhalb der Tropopause (8 - 17 km Höhe)

- charakteristisch: energiereiche UV-C-Strahlung

- wesentliche Reaktionen:- Ozonbildung und Ozonzersetzung- Bildung des sehr reaktionsfähigen „Singulettsauerstoffs“, O(1D)

- UV-Adsorption führt zur Erwärmung der Stratosphäre

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Photoreaktor Stratosphäre: Ozonabbau

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Ozonabbau

- natürlicher Ozonabbau infolge UV-Strahlung

- katalytische Zersetzung

- große Rolle spielen organische Halogenverbindungen

- HCl lagert sich an Eiskristalle (Stratosphärenwolken!!) anund wird langsam in die Troposphäre transportiert

- radikalischer Rest •R reagiert zu unterschiedlichenVerbindungen weiter

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Ozonloch

- extreme Kälte der Südpolarregionen, sehr geringer Luftaustausch,keine Sonneneinstrahlung im Polarwinter ⇒ Herausbildung„polarer stratosphärischer Wolken“ (HNO3 /H2 O-Aerosole)

- Anlagerung der wenig aktiven Verbindungen HCl und ClONO2und Umwandlung in Cl2 und HOCl (hypochlorige Säure)

- im Polarfrühling Spaltung in Chloratome

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Troposphärischer Kreislauf des OH-Radikals

O3

•O• (3P)

HO2 •

H•

•OH

•O• (1D)

•NO

NO2 •

O2 CO2

RH

H2 O

O2O2

Licht

+ H2 OOxidation vonKohlenstoff-verbindungen

= reaktive Zwischenstufe = stabile Verbindungen

Licht

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F|

Cl–C–Cl|

Cl

F|

Cl–C–F |

Cl

H|

Cl–C–F |F

F F| |

Cl–C–C–F| |

Cl Cl

F F| |

Cl–C–C–Cl| |F F

H H| |

F–C–C–Cl| |F H

CF3 –CF2 Cl

R 11 R 12 R 22

R 113 R 114

R 115 R 142b

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Nomenklatur FCKW

FCKW: R 113 C2 F3 Cl3

Anzahl der F-Atome im Molekül

Anzahl der H-Atome im Molekül + 1

Anzahl der C-Atome im Molekül - 1,

restliche Atome sind Cl

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Vergleich ZusammensetzungUratmosphäre / Atmosphäre heute

Uratmosphäre heutige Atmosphäre

ca. 80% Wasserdampf 5% Wasserdampfca. 10% Kohlendioxid 0,033% Kohlendioxid

0,026% vorindustriell

ca. 5-7% Schwefelwasserstoff - Schwefelwasserstoffca. 0,5-1% Stickstoff 78,1% Stickstoff*ca. 0,5-1% Kohlenmonoxid 2⋅10-5% Kohlenmonoxid

- Sauerstoff 20,9% Sauerstoff

* trockene Luft

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Vergleich:Gasfreisetzung und Änderung der Atmosphäre

natürlich:Zunahme O2 ca. 2,0 Mill. Jahre ca. 21%:200.000-300.000 Jahre 0.1% pro Jahr

anthropogen:Zunahme CO2 ca. 21%: 200-300 Jahre 0,1 % pro Jahr

rein quantitativ N>A, bei erdgeschichtlicher Betrachtung;bei menschheitsgeschichtlicher N<A

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Wasserressourcen I

• Wasserverbrauch in der Neuzeit stark gestiegenIndustrie, Hygiene

(pro Kopf-Verbrauch/Tag: vorindustriell: 10...30 L1950: 85 L2000: 325 L

• Gesamtwasservorräte der Erde sind konstant- 1,38 Mrd km3, davon 97,4 % Meerwasser- nur 2,6 % Süßwasser- nur 0,3 % zur Trinkwassergewinnung geeignet

• ca 1/7 der Gesamtwassermenge befindet sich im Wasserkreislaufaus Verdunstung und Niederschlag

- Wasserkreislauf wird durch Sonneneinstrahlung in Gang gehalten- Verdunstung auf Landgebieten wird durch Pflanzen bestimmt

durchschnittlicher Niederschlag (D): 800 L/m3 /a Regen, Schnee

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Wasserressourcen II• Wasserbilanz des Festlandes wird durch Klimazonen bestimmt

humid ⇒

Niederschlagsmengen sind größer als dieVerdunstung (z.B. Tropen)

arid ⇒

es verdunstet mehr Wasser als durch Niederschlägeabgeregnet wird (Wüsten)

niveal ⇒

Dauerfrostregion

• Niederschlagsmenge wird durch Luftströmungen und Temperaturgesteuert

Bundesrepublik: jährlich ca. 300 Mrd. m3 Niederschlag

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Funktionen des Wassers

• wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens

• Funktionen im ÖkosystemStofftransport, Wärmepuffer, Wärmetransport, „Gaswäsche“ etc.

• Bedeutung für Lebewesen: Transportmittel, Energieerzeugung(Photosynthese !!)

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Wasser

Molekül Bindung

Dipolmoment Wasserstoffbrückenbindungen

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Anomalien des Wassers

starke Unterschiede in den chemisch-physikalischen Eigenschaften analog aufgebauter Verbindungen in gleicher PSE-GruppeH2 O / H2 S / H2 Se / H2 Te

* Wasser flüssig* aus Extrapolation Fp. – 100 0C, Sdp: - 80 0C

Siede/Schmelzpunkte Dichteanomalie

Dichteeigenschaften und thermische Eigenschaften werden auf Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zurückgeführt

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Physikalische Eigenschaften von Wasser und deren Bedeutung für die Umwelt

Eigenschaft Erläuterung Umweltrelevanz---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Dichte größte Dichte 4oC, Seen frieren von der Oberfläche zu,

Volumenausdehnung bei Gefrieren Sprengung von Gesteinen (Verwitterung)

Schmelz- und relativ hoch Existenz von flüssigem Wasser auf ErdeSiedepunkt

Wärmekapazität größte WK aller Flüssigkeiten Pufferung extremer Temperaturschwankungen,Speicherung großer Wärmemengen

Wärmeleitfähigkeit gering vergl. mit Metallen erschwert vollständiges Zufrieren von Gewässern

Verdampfungsenthalpie größte VE aller Flüssigkeiten kühlender Effekt der Transpiration bei Pflanzen, Tieren, Menschen

Schmelzenthalpie 6,01 kJ/mol geringe Gefrierpunktserniedrigung bei salzhaltigem Wasser

Oberflächenspannung größte OS aller Flüssigkeiten Tropfenbildung in Wolken und Regen ,außer Hg

Dipolmoment/ hohes Dipolmoment, Lösungsmittel, Adsorption, TransportDielektrizitätskonstante hohe Dielektrizitätskonstante

Lichtabsorption hoch in Bereichen des IR, Photosynthese, natürlicher Treibhauseffektgering im Sichtbaren 180-780 nm

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Gesamtwasserbedarf (D):

- 66% Elektrizitäts- und Wärmekraftwerke- 22% Industrie- 3% Landwirtschaft- 9% Kleingewerbe, Haushalt

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Abhängigkeit der Wasseraufbereitungstechnologie

- wozu soll Wasser genutzt werden (Trink-oder Brauchwasser)

- Anteil organischer und anorganischer Schadstoffe

- Salzkonzentration des Wassers

- Anteil an Schwebstoffen und Kolloiden

- bei Grund- und Quellwässern:* Abhängigkeit von durchströmten Formationen

(Zusammensetzung der Gesteine und Minerale)* von der Verweilzeit im Boden, Bodenarten, Korngröße, Acidität,

Gehalt an organischem Material (Huminstoffe, DOC)

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Methoden der TrinkwasseraufbereitungAufbereitung ist notwendig wegen- Stoffen, die gesundheitsschädigend sind- Stoffen, die geruchs- oder geschmacksverändernd sind- Stoffen, die zu technischen Störungen führen

Arbeitsschritte der Aufbereitung von Grundwässern:- Entfernung von Schweb- und Trübstoffen- Belüftung zum Sauerstoffeintrag- Enteisenung, Entmanganung- Einstellung des pH-Wertes- Entzug von Calciumionen- Entfernung gelöster organischer Stoffe- Desinfektion (Zugabe von Chlor, Chlordioxid u.a.)

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Technologische Trinkwasseraufbreitung

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Wasserbelastung• 3/4 des Abwassers ist Kühlwasser ⇒ „thermische Verschmutzung“• Salzfrachten in Gewässern

⇒ Sulfate, Chloride, Nitrate, Phosphate⇒ Quellen: Salzbergbau

Weser: 27 g Salz pro Liter Flußwasser ⇒ salziger als dieOstsee, entspricht 5,5 Mio. t Salz im Jahr ⇒ Kalibergbau

⇒ Phosphat-, Nitrateintrag ⇒ Nährstoffüberangebot⇒ „Algenblüte“ - „Eutropierung der Gewässer“

• Schwermetallbelastungen⇒ Quecksilber, Cadmium, Blei⇒ Rückgang in den letzten Jahren durch strenge Gesetzgebung⇒ relativ schnelle Anreicherung in Klärschlämmen

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Belastung des Wassers durch Chemikalien in Waschmitteln

- Phosphate, Phosphatersatzstoffe (Bindung der Kalziumionen)

- Natriumperborat (Bleichmittel)

- Magnesiumsilicat, EDTA (Bleichmittelstabilisatoren)

- Tenside: anionische, kationische, (Reinigungsmittel)

- Silikone, Trialkylmelamin-Derivate (Schaumregulatoren)

- Carboxymethylcellulose (Vergrauungsinhibitoren)

- Cumarin, Furan-, Stilben- oder Triazofarbstoffe (Optische Aufheller)

- Enzyme (Beseitigung z.B. von Blutflecken)

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Zusammenwirken einiger für die Bodenentwicklung bedeutsamer Faktoren

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Bodenbestandteile

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Boden

Oberste, belebte Schicht der Erdoberfläche, die durch Gesteins-verwitterung entsteht.

feste Bestandteile: SiO2 (gemittelter Anteil: 58 %), Al2 O3 (16 %),Eisenoxide (7 %), CaO (5,2 %), MgO (3,8 %),Na2 O (3,9 %), K2 O (3,1 %),Spurenelemente (3,0 %), Organika

Eigenschaften von Böden werden bestimmt durch:

- das Ausgangsgestein, - die Art der Verwitterungsvorgänge, - ablaufende biologische Prozesse (Mikrobiologie, Pflanzenanbau),- Klima (Temperatur, Niederschlag)- eingetragene Kontaminationen

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Gesteine und Minerale

Minerale: Festkörper mit definierter chemischer Zusammensetzung2500 bekannte Minerale, davon 150 für Gesteinsbildungwichtig, davon 40 Hauptbestandteile

Gesteine: MineralgemengeMagmatische Gesteine: erstarrte Magma

Basalt, Granit

Sedimentgesteine: Resultat der phys.-chem. EinwirkungSchiefer, Sandstein, Kalkstein u.a.

Metamorphe Gesteine: Bildung durch hohen Druck und hoheTemperatur auf magmatische undSedimentgesteineMuskovit KAl2 (AlSi3 O10 ), Gneis,Marmor u.a.

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Verwitterungsprozesse

Verwitterung:Umwandlung von Gesteinen in der Erdkruste durch Wechselwirkung mit Atmosphäre, Hydrosphäre und Biosystemen

- Physikalische VerwitterungRasche, große Temperaturunterschiede- unterschiedliche thermischeAusdehnungskoeffizienten, Druckzunahme durch Kristallisation von Eis

- Biologische VerwitterungAusscheidungs- und Zersetzungsprodukte biologischer Systeme(Mensch, Pflanzen, Tiere, Mikroorganismen)

- Chemische VerwitterungHydrolyse, Carbonisierung, Reduktion, Oxidation, Auflösung, Kristallisation

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Boden als Puffer

Carbonatpuffer:

CO32- + H+ →

HCO3

-

HCO3- + H+ → CO2 + H2 O

Austauscherpuffer:

Tonmineral - O- Me+ + H+ → Tonmineral- O- H+ + Me+

[Al6 (OH)15 ]3+ + 15 H+ + 21 H2 O → 6 [Al(H2 O)6 ]3+

Eisenpuffer:

FeOOH + 3 H+ + 4 H2 O → [Fe(H2 O)6 ]3+

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Tongestein I

Bezeichnung für Sedimente (oft auch für Bodenarten), die sowohl plastisch verformbare Tone, als auch harte Tonsteine enthalten, in einem Korngrößenbereich von Ø < 2 μm

Summenformel für TonmineraleAl1,55 Fe0,20 Mg0,25 (OH)2 Si3,5 Al0,5 O10 x K0,8 x Me0,17 (H2 O)n

Prozesse der Tonbildung:- Zerkleinerung der primären Gesteine und Minerale

- Transport und Sedimentation

- Selektions- und Differenzierungsprozesse

- Neu- und Umbildungen im wässrigen Verwitterungs-und Sedimentationsmilieu

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Tongesteine II

Eigenschaften:

- Aufnahme von mehr als 80 Vol.% Wasser, nach Wasseraufnahme sinktPermeabilität faktisch auf 0Wasser wird immobilisiert, effektive Barrieren zur Schadstoffeingrenzung

- bei Wasseraufnahme Volumenzunahme, - bei Wasserentzug Bildung von Trockenrissen,

- Plastizität der Tone, - Härte und Festigkeit ausgetrockneter Tone

- Sorbent: Ionenadsorption / Ionenaustausch

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Huminsäuren• Postmortale Substanzen (Humine; Fulvin- und Huminsäuren)• ubiquitäres Auftreten (Aquifer, Oberflächenwässer, Böden)• unterschiedliche Strukturen und Funktionalitäten• Polyelektrolyte• Komplexierung von Schwermetallen

Strukturvorschlag nach H.R. Schulten, M. Schnitzer, Naturwissenschaften 80 (1993), 29.

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Huminstoffe

HumineMM: > 50.000Löslichkeit: unlöslich

Fulvinsäuren Huminsäuren(Fulvosäuren)MM: MM:800 – 9.000 9.000 – 50.000Löslichkeit Löslichkeit: im sauren und basischen Bereich im basischen Bereich

- finger- print:* Ladung/Masse Verhältnis* Gehalt an Aromaten/Aliphaten* Art und Gehalt an Anorganika, insbesondere Eisen* Art und Gehalt an funktionellen Gruppen* Einbau und Gehalt an Heteroatomen N, S* Protonenaustauschkapazität* Strukturänderung bei pH-Änderung

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Düngung- Organischer Dünger:Stallmist, Stroh- und Ernterückstände, Jauche, Gülle,Knochenmehl, Guano, Klärschlamm

- Anorganischer Dünger, Mineraldünger:Superphosphat

Ca3 (PO4 )2 + 2H2 SO4 + 4H2 O Ca(H2 PO4 )2 + 2CaSO4 • 2H2 OPhosphorit

Thomasmehl Ca5 (PO4 )2 • SiO4entsteht bei der Stahlproduktion aus P und CaO

Chilesalpeter NaNO3

Ammoniumnitrat NH4 NO3 Vorsicht Explosiv!!Harnstoff (NH2 )2 CO

(NH2 )2 CO + 2H2 O (NH4 )2 CO3

Kaliumnitrat KNO3

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Biozide

Stoffe, die Pflanzen während ihres Wachstums vor Krankheitenund tierischem Schädlingsbefall schützen, die Konkurrenz andererPflanzen um Licht und Nährstoffe unterbinden und die eingebrachtenErntemengen vor Verlusten schützen sollen.

- oft wird verallgemeinernd die Bezeichnung Pestizide verwendet

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Biozide / Pestizide

- Herbizide- Insektizide- Sterilantien- Fungizide- Akarizide- Molluskizide- Rodentizide- Ovizide- Repellents

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Ablagerung von Anorganika und Organika in Böden und Sedimenten- Böden und Sedimente sind temporäre Senken für Schwermetalle und Organika, aber keine Endlager

- Löslichkeit bestimmt wesentlich den Transport oder die Abscheidung- Kolloidbildung beachten

Prozesse der Ausscheidung aus Wasser- Fällung- Mitfällung- Sorption (Absorption, Adsorption, Chemisorption)- Ionenaustausch (siehe Tonminerale z.B.)- Komplexbildung durch am Sediment sorbierte Organika- Abbau von Organika nach Sorption durch anaerobe Mikroorganismen

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Beziehung zwischen dem Mobilitätsstatus von Schwer-metallen und gebräuchlichen Extraktionslösungen

Gesamtgehalte

langfristig verfügbarTotalaufschluss

mittelfristig verfügbar KönigswasserHCl

kurzfristig verfügbar HNO3(hochmolar)

EDTADTPA

NH4 OAcNH4 NO3MgCl2CaCl2

Bodensättigungsextrakt