Transcript SO 2

http://www.sediment.uni-goettingen.de/staff/ruppert/skript/ug06.ppt
Versauerung
http://commons.wikimedia.org/wiki/Ima
ge:-_Acid_rain_damaged_gargoyle_-.jpg
Säure in der
Atmosphäre
Brady & Weil (2002): The Nature and Properties of Soils. S. 382
Beispiel: 4 FeS2 + 11 O2  2 Fe2O3 + 8 SO2
SO2 + OH + M  HSO3- + M
HSO3- + O2  SO3 + HO2
SO3 + H2O + M  H2SO4 + M
H2SO4  2H++ SO42-
Aus F.T. Mackenzie (1998): Our Changing Planet. S. 316
rechts: Vereinfachte
Reaktionsmuster zur
Entstehung saurer
Niederschläge
Reichl (Hrsg., 2000): Taschenatlas der Umweltmedizin. S.
90-91.
Versauerung
Definition: Unter Versauerung wird die Erhöhung der Wasserstoffionen-Konzentration in den
Umweltmedien Luft, Wasser und Boden verstanden.
Verursachung: anthropogen bedingte Schwefel- (SOx) und Stickstoffemissionen (NOx + NH3).
Schwefelemissionen durch Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe sind (Verkehrsbereich,
Kohle etc.).
Stickstoffemissionen durch Ammoniakemissionen aus der Landwirtschaft (Tierhaltung) und
durch verbrennungsbedingte Entstehung von Stickoxiden (hauptsächlich Verkehr und
Energiegewinnung).
Versauerungspotential (acidification potential - AP): eine grobe stöchiometrische Ermittlung der Freisetzung von Wasserstoff-Ionen durch unterschiedliche Substanzen  Menge der
Säureäquivalente pro Masseneinheit verglichen mit der Zahl der Säureäquivalente der Vergleichssubstanz SO2. 32 kg emittiertes SO2 entsprechen einem AP von 1 kg:
SO2: AP 1 (32 kg SO2)
NO2: AP 0,696 (46 kg NO2)
NO: AP 1,07 (30 kg NO)
potentielle H+-ÄquivaNH3: AP 1,88 (17 kg NH3) νi = lente
je Masseneinheit der
H2S: AP 1,88 (17 kg H2S)
Substanz i
Gesamtbeitrag zur Versauerung: Mi = Molmasse der Substanz i
Zur Versauerung beitragende Schadstoffe in Säureäquivalenten
pro Jahr (EU) Anfang 1990
Corinair (1994)
Die Schwefel- und Stickstoffverbindungen gelangen als trockene Ablagerung
(trockene Deposition) z.B. auf der Vegetation und sonstigen Oberflächen oder als
feuchte Ablagerung (nasse Deposition) zusammen mit Niederschlägen auf direktem
Weg auf die Erdoberfläche zurück, häufig nach chemischer Umwandlung.
SO2 und NOx (~NO + NO2) können durch OH-Radikale in der Atmosphäre oder
nach der Ablagerung zu Schwefel- bzw. Salpetersäure umgesetzt werden ("Saurer
Regen") und Gewässer, Boden und Organismen schädigen.
Aus NH3 können durch Reaktion mit Schwefel- und Salpetersäure Ammoniumsulfat
und Ammoniumnitrat in Form feinster Partikel entstehen. Diese Wechselwirkungen
sind von besonderer Bedeutung für die weiträumige Verbreitung von Schwefel- und
Stickstoffverbindungen, die über Entfernungen von mehreren tausend Kilometern
erfolgen kann. Gasförmiges Ammoniak alleine wird ansonsten sehr schnell aus der
Atmosphäre entfernt und nahe der Emissionsquelle deponiert.
Wirkungen von Säureeinträgen (Beispiele):
• Korrosion an Bauwerken
• Beitrag zur Smog-Entstehung
• Physiologische Reaktionen an Lebewesen
• Versauerung von Böden (Waldsterben, Absterben des Bodenlebens,
Strukturveränderungen)
• Gewässerversauerung (Fischsterben bis hin zu „toten“ Gewässern)
• Eutrophierungswirkung (insbesondere Nitrat düngt Böden und Gewässer)
links: Inhaliertes SO2 löst sich schnell
in den Schleimhautoberflächen und
wirkt lokal im Nasenrachenraum und in
der Lunge. Empfindliche Personen wie
z.B. Asthmatiker zeigen ab 2 mg/m3
Luft Bronchokonstriktion (Krampfzustand der Muskulatur des Bronchialbaums erzeugt 'Enge‘ in den Bronchien
mit Atemwider-stand) und ab 5 mg/m3
Reizungen der Augen und Atemwege.
rechts: NO2 wird zu 80-90% im Atemtrakt
absorbiert. Es wirkt dort als starkes Reizgas für Atemwege und Schleimhäute, so
dass akut Husten, Schlund- und Atembeschwerden auftreten. Nach 6-30 h kann
ein toxisches Lungenödem (krankhafte
Ansammlung von Flüssigkeit im Lungengewebe) eintreten. Eine chronische Exposition gegenüber NOx führt zu funktioneller Störung der Lungenfunktion.
Reichl (Hrsg., 2000):
Taschenatlas der Umweltmedizin. S. 90-91.
Ergebnisse der deutschen
Waldzustandserhebung
2014
Rechts: Anteil deutlicher
Kronenverlichtungen (mehr
als 25 % Laub- bzw. Nadelverlust) im Jahr 2014
Unten: Entwicklung der
Schadstufen seit 1984 (10228
Bäume)
Anmerkung:
Neben Säureeinträgen gibt es
weitere Parameter
die den Waldzustand beeinflussen: Ozon,
Klima, Bodenbeschaffenheit,
Organismen etc.
BMEL (2015)
http://www.wald.de/waldschaeden/ (12.3.2015)
Neben Säureeinträgen gibt es
weitere Parameter die den
Waldzustand beeinflussen:
Ozon, Klima, Bodenbeschaffenheit, Organismen
etc.
in Deutschland
https://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/luftschadst
off-emissionen-in-deutschland/schwefeldioxid-emissionen
(12.3.2015)
Ziel 2010:
520 000 t
in Deutschland
http://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/luftschadstoffemissionen-in-deutschland/stickstoffoxid-emissionen (12.3.2015)
Ziel 2010:
1051
in Deutschland
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/384/bilder/dateien
/2_abb_ammoniak-emi_2014-08-12.pdf (12.3.2015)
https://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/nasse-deposition-saurersaeurebildender (12.3.2015)
Änderung
Jahresmittel des
pH-Wertes
pH-changeder
in precipitation
in rural
stationsim
of
Niederschlag
von 1982 -Germany
2011 (ländliche
the Umweltbundesamt,
Messstationen des Umweltbundesamtes)
1982-1999 daily bulk sampler
since 2000 weekly wet only sampler
Natürliche pH-Werte in Niederschlägen im Gleichgewicht mit dem
CO2-Gehalt der Luft liegen bei 5.7, unter Einbezug sonstiger natürlicher Säuren bei 5.2-5.6. Die typischen pH-Werte in den 70er-80er
Jahren lagen bei 4.2 (in Industriegebieten tiefer). Durch Emissionsminderungen stiegen sie auf ~5,1 an (= Faktor 8 weniger Säure).
(Umweltbundesamt, 2010)
https://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/nasse-deposition-saurer-saeurebildender (12.3.2015)
Contributions by sector for emissions of acidifying pollutants in the 32
European Environmental Agency (EEA) member countries for 2013
http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/emissions-of-acidifying-substances-version-2/assessment-4 (12.3.2015)
Acid input (based on
SO2 and NOx into the
soils of former WGermany (between
1850-1989)
Ulrich (1989)
Roderich von Detten (2013, Hrsg.): Das Waldsterben - Rückblick auf einen
Ausnahmezustand. 160 Seiten, oekom verlag, München; ISBN 978-3-86581-448-7
Rekonstruktion des Trendverlaufs 1880-2008 der mittleren GesamtsäureEinträge in Baden-Württemberg in Fichtenbeständen und im Freiland
Global sulfur dioxide emissions by region
(North America = USA + Canada; East Asia = Japan + China+ South Korea)
(Former Soviet Union)
http://www.atmos-chem-phys.net/11/1101/2011/acp-11-1101-2011.html (11/2012)
Smith et al. (2011): Atmos. Chem. Phys. 11, 1101–1116.
Cumulative global SO2 emissions by primary source from 1850 to 2005
http://www.atmos-chem-phys.net/11/1101/2011/acp-11-1101-2011.html (11/2012)
Smith et al. (2011): Atmos. Chem. Phys. 11, 1101–1116.
Mean concentrations of SOx (=SO2 +SO42-) in mg S/m3 in the surface air layer (left)
and total deposition of SOX in mg S/m2/month (right) (Christensen, 1999)
Schadstofftransport (z.B.
Versauerung) als grenzüberschreitendes Problem
(Mt/yr. 1980s)
http://maps.grida.no/go/graphic/dominating_air_currents1 (2006)
http://www.grida.no/db/maps/prod/level3/id_1177.htm (2005)
Modelled deposition of SOx on Earth's surface for the year 2000.
All values are mg S m-2 yr-1.
Dentener et al. (2006): Nitrogen and sulfur deposition on regional and global scales: A multimodel evaluation.
Global Biogeochemical Cycles 20. http://eprints.lancs.ac.uk/49577/1/2005GB002672.pdf (18.12.2013)
← natural fluxes of sulphur
← anthropogenic fluxes of sulphur
SO2 COS
R.P. Turco (1997): Earth
Under Siege. S. 271-272
Anthropogenic fluxes in bold
Global sulphur budget
fluxes in Mt S /yr.
*
J. Colls (2002): Air Pollution. S. 263
*Volatile marine biological
sulfur compounds:
dimethyl sulfide (CH3)2S
carbonyl sulfide COS
carbon disulfide CS2
SO2 emissions in Europe and North America steadily
decline by 60-90% from year 2000 levels by 2050.
Depending on the scenario, East Asia emissions peak
in 2005, 2010, 2020 or 2040 and then sharply decline.
The energy, industrial and waste sectors dominate
global SO2 emissions (accounting for 70-75%) in all
three periods (2000, 2030 and 2050). By 2050,
global emissions in the energy, industrial and waste
sectors decline over 70%.
natural emissions:
Volcanos: 13.4 Tg/year; wildfires: 3.8 Tg/year;
volatile marine biological sulfide compounds: 15-30 Tg/year
http://live.unece.org/fileadmin/DAM/env/lrtap/Publications/11-22134-Part-A.pdf (2011)
Man-made SO2 emissions (1012g/year) from
1850-2050 - regional trends, future predictions
Umwandlung von Stickstoffverbindungen technogener und natürlicher
Herkunft (Ammoniak aus Tierhaltung fehlt, ebenso die N2O-Bildung)
R.P. Turco (1997): Earth Under Siege. S. 276
Globale Bilanz reaktiver Stickstoffverbindungen
(fluxes in Mt N /yr.)
Gesamtmenge aus einer Quelle in fettem schwarz
( ) anthropogene Emissionen in Klammern
J. Colls (2002): Air Pollution. S. 263
UBA (2015): Reaktiver Stickstoff in Deutschland - Ursachen, Wirkungen, Maßnahmen.
https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/stickstoff-zuviel-des-guten (12.3.2015)
Modelled deposition of NOx on Earth's surface for the year 2000.
All values are mg N m-2 yr-1.
Dentener et al. (2006): Nitrogen and sulfur deposition on regional and global scales: A multimodel evaluation.
Global Biogeochemical Cycles 20. http://eprints.lancs.ac.uk/49577/1/2005GB002672.pdf (18.12.2013)
Global NOx emissions are dominated by three
categories in 2000-2030: energy, industrial and waste,
air transport and shipping, and land transport
(collectively 70-75% of total global emissions). Global
emissions may increase from 2000-2030 primarily due
to increases in the energy, industrial and waste category
especially from Asia, despite reductions in Europe and
North America in the same category.
Natural sources:
7 Tg N per year from microbial production of NO in soils
2 - 12.2 Tg N per year by lightning
8 Tg N per year by biomass burning
For comparison, the conversion factor to NOx must be
applied
http://live.unece.org/fileadmin/DAM/env/lrtap/Publications/11-22134-Part-A.pdf (2011)
Man-made NOx emissions (1012g/year) from
1850-2050 - regional trends, future predictions
N-Transport
(kg N/km2/J.) in
den Flüssen
durch Lufteintrag
Lex Bouwman and Detlef van Vuuren (1999): Global assessment of acidification and
eutrophication of natural ecosystems. UNEP
N-Transport
(kg N/km2/J.) in
den Flüssen
durch Düngemitteleintrag
Smith et al (2007): Journal of Geophysical Research 112
zardoz.nilu.no/~andreas/publications/120.pdf
Atmospheric NH3 is emitted primarily from livestock wastes (39%), natural sources
(19%), volatilization of NH3-based fertilizers (17%), biomass burning (13%), crops (7%)
and emissions from humans, pets and waste water (5%). Despite regulations in some
developed countries, the total emission of NH3 has more than doubled from 1860 to
1993 and may double again by 2050.
Modelled deposition of NHy on
Earth's surface
for 2000.
All values are mg
N m-2 yr-1.
Modelled deposition of Nreactive
(=NOx + NHy) on
Earth's surface
for 2000.
All values are mg
N m-2 yr-1.
Dentener et al. (2006):
Nitrogen and sulfur deposition
on regional and global scales:
A multimodel evaluation. Global Biogeochemical Cycles 20.
http://eprints.lancs.ac.uk/4957
7/1/2005GB002672.pdf
(18.12.2013)
Cattle density
distribution worldwide
2005;
2010: 1,43 billion cattle. The
average global of density of
cattle in 2010 was 29 cattle
per ha. (FAO 2012)
http://www.fao.org/ag/againfo/resource
s/en/glw/glw_dens.html (8.1.2014)
Meat supply around the
world (kg/capita/year)
FAO (2012) and
www.unep.org/pdf/UNEP-GEAS_OCT_2012.pdf
(8.1.2014)
The larger emitting regions for NH3 in the 21st century
are East Asia, Europe, and South Asia. Global NH3
emissions are dominated by agriculture. Agriculture
accounts for about 75-85% of total global emissions
throughout 2000-2050. Global emissions increase over
30% from 2000 to 2030 due to a 45% increase in
emissions from agriculture, then increase more gradually
from 2030 to 2050 to about 40% above year 2000 global
emissions.
http://live.unece.org/fileadmin/DAM/env/lrtap/Publications/11-22134-Part-A.pdf (2011)
NH3 emissions (1012g/year) from 1850-2050 regional trends, future predictions
pH-Werte im Niederschlag
Deutliche Abnahme der pH-Werte im Niederschlag E-Chinas in den letzten Jahrzehnten.
Mittlere pH-Werte und Sulfat-S-Gehalte (mg/l) für 1985 in Europa
(Schaug et al., 1987)
Mittlere NO3-N- und NH3-N-Gehalte (mg/l) für 1985 in Europa (Schaug et al., 1987)
In Scandinavia, acid rain has increased the natural acidity of the lakes and rivers. Some 14,000 Swedish lakes,
located in acidic crystalline rocks, have been affected by
acidification with widespread damage to plant and animal
life as a consequence. This type of damage has also
occurred in the United Kingdom, the Alpine region of
Europe and North America. The decrease in European
emissions of SO2 and NOx in the 1990's resulted in
recovery for some waters. However reduced emissions
do not, automatically, translate to an immediate improvement in the water quality in streams lakes and rivers,
because the acid are released only slowly from the soils.
← Percentage of the total number of lakes in different
parts of Sweden judged to be acidified in 1990.
http://www.umweltbundesamt.
de/luft/downloads/ceh_impact
.pdf (21.11.2012)
Swedish Environmental Protection Agency
Acidification of waters
The pH-values influence on the number of fish species in the Adirondack Mts. (NY)
SO2-Jahresmittelwerte
(µg/m3) 1985 - 2008 in
Deutschland
http://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/lu
ftschadstoffe/schwefeldioxid (8.1.2014)
Mittlere monatliche Tagesgänge von SO2 für die Monate Januar bis Dezember
1995 bis 2000 (Umweltbundesamt, 2001)
Ausbreitung extremer SO2-Emissionen
von Tschechien durch Süddeutschland
am 23.-24. Februar 1986
Baumbach (1996, S. 94-95)
NO2-Jahresmittelwerte
(µg/m3)
1990-2008 in
Deutschland
http://www.umweltbundesamt.
de/themen/luft/luftschadstoffe/
stickstoffoxide (8.1.2014)
Prozentuale Verteilung der
Ammoniak-Emissionen aus
der Landwirtschaft (vor 2003)
www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/2071.pdf (1/2012)
http://www.umweltbundesamt.de/landwirtschaft/emissionen/ammoniak.htm (1/2012)
NH3-Emissionsdichten in kg/(ha*a)
für die Tierhaltung insgesamt im
Jahr 1996 (bezogen auf Kreisflächen)
Für Schwefeldioxid wurden Alarmschwellen von 500 µg/m3 festgelegt
(gemessen an 3 aufeinander folgenden Stunden).
SO2-Beurteilungsschwellen
http://www.env-it.de/luftdaten/regulations.fwd?comp=SO2 (13.12.2012)
SO2-Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit und Umwelt
NOx/NO2-Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit
und der Umwelt
Für Stickstoffdioxid wurden Alarmschwellen von 400 µg/m3 festgelegt.
http://www.env-it.de/luftdaten/regulations.fwd?comp=NO2 (13.12.2012)
Zusammenschau:
The individual compounds
come from many sources and
have many different impacts
that overlap and interact.
Compounds with a lifetime in
the atmosphere of a few days
can be dispersed more than
1000 km.
Danish Environmental Protection Agency
(2003): Clean air – Danish efforts
Schadwirkungen technogener Schadstoffe
T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993): Atmospheric
Change – An Earth System Perpective. S. 351
Übungen zum Querdenken und Vernetzen
Wichtige Einflüsse der
atmosphärischen
Zusammensetzung auf
kritische atmosphärische
Eigenschaften
Ein Quadrat bedeutet ein
signifikanten Einfluß. Ein
schwarzes Quadrat bedeutet
einen direkten, ein schraffiertes einen indirekten
Einfluß.
T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993): Atmospheric Change – An Earth System Perpective. S. 352
Quellen für Veränderungen
der atmosphärischen
Zusammensetzung
Ein Quadrat bedeutet ein
signifikanten Einfluß. Ein
Fragezeichen bedeutet, dass ein
Einfluss vermutet wird, aber
nicht sicher ist.
T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993):
Atmospheric Change – An Earth System
Perpective. S. 351
Relative Wechselwirkung
verschiedener atmosphärischer
Impacts auf verschiedene
Systeme für die Zeit um 1990
Der Inhalt der Ovale gibt die
Sicherheit für die jeweilige
Impaktbeziehung an.
T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993):
Atmospheric Change – An Earth System
Perpective. S. 354
T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993):
Atmospheric Change – An Earth
System Perpective. S. 354-356.
Interaktionen zwischen globalen Umweltveränderungen.
WBGU (2011): Welt im Wandel - Gesellschaftsvertrag für eine Große
Transformation. Hauptgutachten, Berlin 420 S.
http://www.wbgu.de/hauptgutachten/hg-2011-transformation/ (24.9.2012)
rot: in der Summe verstärkende Wirkung; grün: in der Summe abschwächende
Wirkung; schwarz: neutrale, unbekannte oder differenziert zu betrachtende Wirkung.