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Versauerung Brady & Weil (2002): The Nature and Properties of Soils. S. 382

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Präsentation zum Thema: "Versauerung Brady & Weil (2002): The Nature and Properties of Soils. S. 382"—  Präsentation transkript:

1 Versauerung Brady & Weil (2002): The Nature and Properties of Soils. S ge:-_Acid_rain_damaged_gargoyle_-.jpg Säure in der Atmosphäre

2 SO 2 + OH + M HSO M HSO O 2 SO 3 + HO 2 SO 3 + H 2 O + M H 2 SO 4 + M H 2 SO 4 2H + + SO 4 2- Aus F.T. Mackenzie (1998): Our Changing Planet. S. 316 rechts: Vereinfachte Reaktionsmuster zur Entstehung saurer Niederschläge Reichl (Hrsg., 2000): Taschenatlas der Umweltmedizin. S Beispiel: 4 FeS O 2 2 Fe 2 O SO 2

3 Versauerung Definition: Unter Versauerung wird die Erhöhung der Wasserstoffionen-Konzentration in den Umweltmedien Luft, Wasser und Boden verstanden. Verursachung: anthropogen bedingte Schwefel- (SO x ) und Stickstoffemissionen (NO x + NH 3 ). 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 Ermitt- lung der Freisetzung von Wasserstoff-Ionen durch unterschiedliche Substanzen Menge der Säureäquivalente pro Masseneinheit verglichen mit der Zahl der Säureäquivalente der Ver- gleichssubstanz SO kg emittiertes SO 2 entsprechen einem AP von 1 kg: SO 2 : AP 1 (32 kg SO 2 ) NO 2 : AP 0,7 (46 kg NO 2 ) NO: AP 1,07 (30 kg NO) NH 3 : AP 1,88 (17 kg NH 3 ) H 2 S: AP 1,88 (17 kg H 2 S) ν i = potentielle H + -Äquiva- lente je Masseneinheit der Substanz i M i = Molmasse der Substanz i Zur Versauerung beitragende Schadstoffe in Säureäquivalenten pro Jahr (EU) Anfang 1990 Corinair (1994) Gesamtbeitrag zur Versauerung:

4 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. SO 2 und NO x (~NO + NO 2 ) 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 NH 3 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)

5 Emissions of acidifying substances by sector in 2005, EU-27 (12/2010)

6 Contributions by sector for emissions of acidifying pollutants in the 32 European Environmental Agency (EEA) member countries ( )

7 links: Inhaliertes SO 2 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/m 3 Luft Bronchokonstriktion (Krampfzustand der Muskulatur des Bronchialbaums erzeugt 'Enge in den Bronchien mit Atemwider- stand) und ab 5 mg/m 3 Reizungen der Augen und Atemwege. rechts: NO 2 wird zu 80-90% im Atemtrakt absorbiert. Es wirkt dort als starkes Reizgas für Atemwegen 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 NO x führt zu funktioneller Störung der Lungenfunktion. Reichl (Hrsg., 2000): Taschenatlas der Umwelt- medizin. S

8

9 Ergebnisse der deutschen Wald- zustandserhebung 2011 Anmerkung: Neben Säureeinträgen gibt es weitere Parameter die den Waldzustand beeinflussen: Ozon, Klima, Bodenbeschaffenheit, Organismen etc. Anteil deutlicher Kronen- verlichtungen (mehr als 25 % Laub- bzw. Nadelverlust) im Jahr andwirtschaft/Wald- Jagd/WaldBodenZustand/Waldzustand2011.html andwirtschaft/Wald- Jagd/WaldBodenZustand/Waldzustand2011.html ( )

10 ( ) Emission trends of nitrogen oxides (NO x ), sulphur oxides (SO x ) and ammonia (NH 3 ) in the EEA-32 and EU-27 group of countries.

11 Acid input (based on SO 2 and NO x into the soils of former W- Germany (between ) Ulrich (1989)

12 (11/2012) Smith et al. (2011): Atmos. Chem. Phys. 11, 1101–1116. Global sulfur dioxide emissions by region (North America = USA + Canada; East Asia = Japan + China+ South Korea) (Former Soviet Union)

13 Cumulative global SO 2 emissions by primary source from 1850 to (11/2012) Smith et al. (2011): Atmos. Chem. Phys. 11, 1101–1116.

14 Mean concentrations of SO x (=SO 2 +SO 4 2- ) in mg S/m 3 in the surface air layer (left) and total deposition of SO X in mg S/m 2 /month (right) (Christensen, 1999)

15 (2006) Schadstofftransport (z.B. Versauerung) als grenzüber- schreitendes Problem (Mt/yr. 1980s) (2005)

16 Modelled deposition of SO x on Earth's surface for the year 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/49577/1/2005GB pdf

17 R.P. Turco (1997): Earth Under Siege. S natural fluxes of sulphur anthropogenic fluxes of sulphur SO 2 COS

18 Anthropogenic fluxes in bold fluxes in Mt S /yr. J. Colls (2002): Air Pollution. S. 263 Global sulphur budget *Volatile marine biological sulfur compounds: dimethyl sulfide (CH 3 ) 2 S carbonyl sulfide COS carbon disulfide CS 2 *

19 (2011) Man-made SO 2 emissions (10 12 g/year) from regional trends, future predictions natural emissions: Volcanos: 13.4 Tg/year; wildfires: 3.8 Tg/year; volatile marine biological sulfide compounds: Tg/year SO 2 emissions in Europe and North America steadily decline by 60-90% from year 2000 levels by 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 SO 2 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%.

20 Olivier (2000); (3/2010)http://www.igac.noaa.gov/newsletter/22/natural.php

21 R.P. Turco (1997): Earth Under Siege. S. 276 Umwandlung von Stickstoffverbindungen technogener und natürlicher Herkunft (Ammoniak aus Tierhaltung fehlt, ebenso die N 2 O-Bildung)

22 Gesamtmenge aus einer Quelle in fettem schwarz ( ) anthropogene Emissionen in Klammern J. Colls (2002): Air Pollution. S. 263 (fluxes in Mt N /yr.) Globale Bilanz reaktiver Stickstoffverbindungen

23 Modelled deposition of NO x on Earth's surface for the year 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/49577/1/2005GB pdf

24 (2011) Man-made NO x emissions (10 12 g/year) from regional trends, future predictions Global NO x emissions are dominated by three categories in : energy, industrial and waste, air transport and shipping, and land transport (collectively 70-75% of total global emissions). Global emissions may increase from 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 Tg N per year by lightning 8 Tg N per year by biomass burning For comparison, the conversion factor to NO x must be applied

25 Lex Bouwman and Detlef van Vuuren (1999): Global assessment of acidification and eutrophication of natural ecosystems. UNEP N-Transport (kg N/km 2 /J.) in den Flüssen durch Dünge- mitteleintrag N-Transport (kg N/km 2 /J.) in den Flüssen durch Luft- eintrag

26 Units are kg N km -2 per year. Highest rates of riverine nitrogen transport occur in Europe, and South and East Asia (Seitzinger and Kroeze, 1998). Lex Bouwman and Detlef van Vuuren (1999): Global assessment of acidification and eutrophication of natural ecosystems. UNEP Riverine transport of dissolved inorganic nitrogen (DIN) to estuaries due to all sources

27 Schlesinger ( 2013): Biogeochemistry. Elsevier.

28 Smith et al (2007): Journal of Geophysical Research 112 zardoz.nilu.no/~andreas/publications/120.pdf Atmospheric NH 3 is emitted primarily from livestock wastes (39%), natural sources (19%), volatilization of NH 3 -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 NH 3 has more than doubled from 1860 to 1993 and may double again by 2050.

29 Modelled depo- sition of NH y on Earth's surface for All values are mg N m -2 yr -1. Modelled depo- sition of N reactive (=NO x + NH y ) on Earth's surface for 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. Glo- bal Biogeochemical Cycles /1/2005GB pdf ( ) 7/1/2005GB pdf

30 Gridded maps of anthropogenic NH 3 emission totals in 2005 from EDGAR- HTAP emissions database on a 0.1° × 0.1° grid (in tons/grid cell) A.pdfhttp://live.unece.org/fileadmin/DAM/env/lrtap/Publications/ Part- A.pdf (12/2011)

31 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) s/en/glw/glw_dens.htmlhttp://www.fao.org/ag/againfo/resource s/en/glw/glw_dens.html ( ) Meat supply around the world (kg/capita/year) FAO (2012) and ( )

32 NH 3 emissions (10 12 g/year) from regional trends, future predictions The larger emitting regions for NH 3 in the 21st century are East Asia, Europe, and South Asia. Global NH 3 emissions are dominated by agriculture. Agriculture accounts for about 75-85% of total global emissions throughout 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. (2011)

33 pH-Werte im Niederschlag Deutliche Abnahme der pH-Werte im Niederschlag E-Chinas in den letzten Jahrzehnten.

34 Mittlere pH-Werte und Sulfat-S-Gehalte (mg/l) für 1985 in Europa (Schaug et al., 1987)

35 Mittlere NO 3 -N- und NH 3 -N-Gehalte (mg/l) für 1985 in Europa (Schaug et al., 1987)

36 Percentage of the total number of lakes in different parts of Sweden judged to be acidified in Swedish Environmental Protection Agency Acidification of waters In Scandinavia, acid rain has increased the natural aci- dity 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 SO 2 and NO x in the 1990's resulted in recovery for some waters. However reduced emissions do not, automatically, translate to an immediate improve- ment in the water quality in streams lakes and rivers, because the acid are released only slowly from the soils. de/luft/downloads/ceh_impact.pdfhttp://www.umweltbundesamt. de/luft/downloads/ceh_impact.pdf ( )

37 The pH-values influence on the number of fish species in the Adirondack Mts. (NY)

38 SO 2 -Emissionen nach Quellgruppen in Tsd. Tonnen in Deutschland emissionenhttp://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/luftschadstoff-emissionen-in-deutschland/schwefeldioxid- emissionen ( ) Ziel 2010: t

39 SO 2 -Jahresmittelwerte (µg/m 3 ) in Deutschland ftschadstoffe/schwefeldioxidhttp://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/lu ftschadstoffe/schwefeldioxid ( )

40 Mittlere monatliche Tagesgänge von SO 2 für die Monate Januar bis Dezember 1995 bis 2000 (Umweltbundesamt, 2001)

41 Ausbreitung extremer SO 2 -Emissionen von Tschechien durch Süddeutschland am Februar 1986 Baumbach (1996, S )

42 Zu den Stickstoffoxiden (NO x ) zählen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO 2 ). Sie entstehen nahezu ausschließlich bei Verbrennungsvorgängenin Anlagen und Motoren und werden überwiegend als NO ausgestoßen und dann zu NO 2 umgewandelt. ( ) Emissionen von Stickoxiden (gerechnet als NO 2 ) in 1000 t nach Quellen NO 2 -Jahresmittelwerte (µg/m 3 ) Ziel 2010: t

43 NO 2 -Jahres- mittelwerte (µg/m 3 ) in Deutschland de/themen/luft/luftschadstoffe/ stickstoffoxidehttp://www.umweltbundesamt. de/themen/luft/luftschadstoffe/ stickstoffoxide ( )

44 (1/2012) (1/2012) NH 3 -Emissionsdichten in kg/(ha*a) für die Tierhaltung insgesamt im Jahr 1996 (bezogen auf Kreisflächen) Prozentuale Verteilung der Ammoniak-Emissionen aus der Landwirtschaft (vor 2003)

45 Trend der NH 3 -Emissionen nach Quellgruppen in Tsd. Tonnen (UBA, 2011) Die NH 3 -Emissionen der deutschen Landwirtschaft (vor allem Tierhaltung) dominieren seit Mitte der 90er Jahre auch die in Säure-Äquivalenten berechneten, summierten Emissionen der Säurebildner SO 2, NO x und NH 3. Aufgrund des Versauerungspotenzial dieser drei Stoffe ergibt sich wegen der starken Emissionsminderung bei SO 2 und selbst bei NO x ein steigender Einfluss von NH 3. Er stieg von 15,9 % (1990) auf 46,5 % (2009). Der Einsatz von N-Düngern liefert etwa 1/6 der gesamten Ammoniak-Emissionen. ( ) Ziel 2010: t

46 ( ) Entwicklung der Emissionen ausgewählter Luftschadstoffe seit 1990 (1990 = 100 %; 1995 = 100 % bei PM 2,5)

47 ( ) pH-change in precipitation in rural stations of the Umweltbundesamt, Germany daily bulk sampler since 2000 weekly wet only sampler Änderung der Jahresmittel des pH-Wertes im Niederschlag von (ländliche Messstationen des Umweltbundesamtes) Natürliche pH-Werte in Niederschlägen im Gleichgewicht mit dem CO 2 -Gehalt der Luft liegen bei 5.7, unter Einbezug sonstiger natür- licher Säuren bei Die typischen pH-Werte in den 70er-80er Jahren lagen bei 4.2 (in Industriegebieten tiefer). Durch Emissions- minderungen stiegen sie auf ~5,0 an (= Faktor 6 weniger Säure). (Umweltbundesamt, 2010)

48 Für Schwefeldioxid wurden Alarmschwellen von 500 µg/m 3 (gemessen an 3 aufeinander folgenden Stunden) festgelegt. ( ) SO 2 -Beurteilungsschwellen SO 2 -Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit und Umwelt

49 Für Stickstoffdioxid wurden Alarmschwellen von 400 µg/m 3 festgelegt. NO x /NO 2 -Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt ( )

50 ( )

51 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 Zusammenschau: Schadwirkungen tech- nogener Schadstoffe

52 T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993): Atmospheric Change – An Earth System Perpective. S. 351

53 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 schraf- fiertes einen indirekten Einfluß. T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993): Atmospheric Change – An Earth System Perpective. S. 352

54 T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993): Atmospheric Change – An Earth System Perpective. S. 351 Quellen für Veränderungen der atmosphärischen Zusammensetzung Ein Quadrat bedeutet ein signifikanten Einfluß. Ein Fragezeichen bedeutet, dass ein Einfluss vermutet wird, aber nicht sicher ist.

55 T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993): Atmospheric Change – An Earth System Perpective. S. 354 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.

56 T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993): Atmospheric Change – An Earth System Perpective. S

57 WBGU (2011): Welt im Wandel - Gesellschaftsvertrag für eine Große Transformation. Hauptgutachten, Berlin 420 S. ( ) Interaktionen zwischen globalen Umweltveränderungen. rot: in der Summe verstärkende Wirkung; grün: in der Summe abschwächende Wirkung; schwarz: neutrale, unbekannte oder differenziert zu betrachtende Wirkung.


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