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

http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:-_Acid_rain_damaged_gargoyle_-.jpg

Säure in der Atmosphäre

SO2 + OH + M HSO3- + M

HSO3- + O2 SO3 + HO2

SO3 + H2O + M H2SO4 + MH2SO4 2H++ SO4

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Aus F.T. Mackenzie (1998): Our Changing Planet. S. 316

rechts: Vereinfachte Reaktionsmuster zur Entstehung saurer NiederschlägeReichl (Hrsg., 2000): Taschenatlas der Umweltmedizin. S. 90-91.

Beispiel: 4 FeS2 + 11 O2 2 Fe2O3 + 8 SO2

VersauerungDefinition: 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 Ermitt-lung der Freisetzung von Wasserstoff-Ionen durch unterschiedliche Substanzen Menge der Säureäquivalente pro Masseneinheit verglichen mit der Zahl der Säureäquivalente der Ver-gleichssubstanz SO2. 32 kg emittiertes SO2 entsprechen einem AP von 1 kg:

SO2: AP 1 (32 kg SO2) NO2: AP 0,7 (46 kg NO2)NO: AP 1,07 (30 kg NO) NH3: AP 1,88 (17 kg NH3) H2S: AP 1,88 (17 kg H2S)

νi = potentielle H+-Äquiva-lente je Masseneinheit der Substanz i

Mi = Molmasse der Substanz i

Zur Versauerung beitragende Schadstoffe in Säureäquivalenten pro Jahr (EU) Anfang 1990 Corinair (1994)

Gesamtbeitrag zur Versauerung:

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)

Emissions of acidifying substances by sector in 2005, EU-27

http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/emissions-of-air-pollutants-by-sector-in-2005-eu-27 (12/2010)

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

http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/emissions-of-acidifying-substances-version-2/assessment-3 (13.12.2013)

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 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 NOx führt zu funktioneller Störung der Lungenfunktion.Reichl (Hrsg., 2000): Taschenatlas der Umwelt-medizin. S. 90-91.

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 2011

http://www.bmelv.de/SharedDocs/Standardartikel/Landwirtschaft/Wald-Jagd/WaldBodenZustand/Waldzustand2011.html (20.12.2012)

http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/emissions-of-acidifying-substances-version-2/assessment-3 (13.12.2013)

Emission trends of nitrogen oxides (NOx), sulphur oxides (SOx) and ammonia (NH3) in the EEA-32 and EU-27 group of countries.

Acid input (based on SO2 and NOx into the soils of former W-Germany (between 1850-1989)

Ulrich (1989)

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.

Global sulfur dioxide emissions by region (North America = USA + Canada; East Asia = Japan + China+ South Korea)

(Former Soviet Union)

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)

http://maps.grida.no/go/graphic/dominating_air_currents1 (2006)

Schadstofftransport (z.B. Versauerung) als grenzüber-schreitendes Problem

(Mt/yr. 1980s)

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)

R.P. Turco (1997): Earth Under Siege. S. 271-272

← natural fluxes of sulphur

← anthropogenic fluxes of sulphurSO2 COS

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 (CH3)2S carbonyl sulfide COS carbon disulfide CS2

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011)Man-made SO2 emissions (1012g/year) from

1850-2050 - regional trends, future predictions

natural emissions: Volcanos: 13.4 Tg/year; wildfires: 3.8 Tg/year; volatile marine biological sulfide compounds: 15-30 Tg/year

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%.

R.P. Turco (1997): Earth Under Siege. S. 276

Umwandlung von Stickstoffverbindungen technogener und natürlicher Herkunft (Ammoniak aus Tierhaltung fehlt, ebenso die N2O-Bildung)

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

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)

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011)Man-made NOx emissions (1012g/year) from

1850-2050 - regional trends, future predictions

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 lightning8 Tg N per year by biomass burningFor comparison, the conversion factor to NOx must be applied

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N-Transport (kg N/km2/J.) in den Flüssen durch Dünge-mitteleintrag

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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 depo-sition of NHy on

Earth's surface for 2000. All values are mg N m-2 yr-1.

Modelled depo-sition 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. Glo-bal Biogeochemical Cycles 20. http://eprints.lancs.ac.uk/49577/1/2005GB002672.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/resources/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)

NH3 emissions (1012g/year) from 1850-2050 - regional trends, future predictions

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.

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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)

← Percentage of the total number of lakes in different parts of Sweden judged to be acidified in 1990.

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y Acidification of watersIn 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 SO2 and NOx 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.

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

SO2-Emissionen nach Quellgruppen in Tsd. Tonnen in Deutschland

http://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/luftschadstoff-emissionen-in-deutschland/schwefeldioxid-emissionen (8.1.2014)

Ziel 2010: 520 000 t

SO2-Jahresmittelwerte (µg/m3) 1985 - 2008 in Deutschland

http://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/luftschadstoffe/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)

Zu den Stickstoffoxiden (NOx) zählen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2). Sie entstehen nahezu ausschließlich bei Verbrennungsvorgängenin Anlagen und Motoren und werden überwiegend als NO ausgestoßen und dann zu NO2 umgewandelt. http://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/luftschadstoff-emissionen-in-deutschland/stickstoffoxid-emissionen (13.12.2012)

Emissionen von Stickoxiden (gerechnet als NO2) in 1000 t nach Quellen

NO2-Jahresmittelwerte (µg/m3)

Ziel 2010: 1 051 000 t

NO2-Jahres-mittelwerte (µg/m3) 1990-2008 in Deutschland

http://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/luftschadstoffe/stickstoffoxide (8.1.2014)

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)NH3-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)

Trend der NH3-Emissionen nach Quellgruppen in Tsd. Tonnen (UBA, 2011)

Die NH3-Emissionen der deutschen Landwirtschaft (vor allem Tierhaltung) dominieren seit Mitte der 90er Jahre auch die in Säure-Äquivalenten berechneten, summierten Emissionen der Säurebildner SO2, NOx und NH3. Aufgrund des Versauerungspotenzial dieser drei Stoffe ergibt sich wegen der starken Emissionsminderung bei SO2 und selbst bei NOx ein steigender Einfluss von NH3. Er stieg von 15,9 % (1990) auf 46,5 % (2009). Der Einsatz von N-Düngern liefert etwa 1/6 der gesamten Ammoniak-Emissionen.http://www.umweltbundesamt-daten-zur-umwelt.de/umweltdaten/public/theme.do?nodeIdent=3574 (13.12.2011)

Ziel 2010: 550 000 t

http://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/emissionen-von-luftschadstoffen (8.1.2014)

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

http://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/nasse-deposition-saurer-saeurebildender (10.12.2013)

pH-change in precipitation in rural stations of the Umweltbundesamt, Germany

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Änderung der Jahresmittel des pH-Wertes im Niederschlag von 1982 - 2011 (ländliche Messstationen des Umweltbundesamtes)

Natürliche pH-Werte in Niederschlägen im Gleichgewicht mit dem CO2-Gehalt der Luft liegen bei 5.7, unter Einbezug sonstiger natür-licher Säuren bei 5.2-5.6. 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)

Für Schwefeldioxid wurden Alarmschwellen von 500 µg/m3 (gemessen an 3 aufeinander folgenden Stunden) festgelegt.

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SO2-Beurteilungsschwellen

SO2-Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit und Umwelt

Für Stickstoffdioxid wurden Alarmschwellen von 400 µg/m3 festgelegt.

NOx/NO2-Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt

http://www.env-it.de/luftdaten/regulations.fwd?comp=NO2 (13.12.2012)

http://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/emissionen-von-luftschadstoffen/quellen-der-luftschadstoffe (8.1.2014)

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.

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Zusammenschau:Schadwirkungen tech-nogener 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 schraf-fiertes einen indirekten Einfluß.

T.E. Graedel & P.J. Crutzen (1993): Atmospheric Change – An Earth System Perpective. S. 352

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.

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.

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Interaktionen zwischen globalen Umweltveränderungen. rot: in der Summe verstärkende Wirkung; grün: in der Summe abschwächende Wirkung; schwarz: neutrale, unbekannte oder differenziert zu betrachtende Wirkung.