Funktionen der Atmosphäre

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-, CO₂ - und Sauerstoffspeicher“

• Schutz vor kleinen bis mittleren Meteoriten

• “Atmosphärenchemie" (Photolyse, Radikalreaktionen, Oxidation)

• Verteilung und Abbau von Schadstoffe

Mittlere Zusammensetzung von trockener Luft in der Troposphäre

Bestandteil Volumenanteil / %

Stickstoff 78,08

Sauerstoff 20,95

Argon 0,934

Neon 0,001 8

Helium 0,000 5

Krypton 0,000 1

Xenon 0,000 009

Kohlenstoffdioxid 0,035

Methan 0,000 17

Distickstoffmonooxid 0,000 03

Kohlenstoffmonooxid 0,000 02

Wasserstoff 0,000 05

Ozon * 0,000 001

* zeigen starke zeitliche Fluktuationen

Schwebstoffe

Seesalzkerne Wasser

Sand (in Nebel, Wolken)

Ruß (in Rauch)

feste flüssige

Teilchendurchmesser einiger Partikel

Klima

Als Klima wird der mittlere Zustand der Atmosphäre an einem Ort bezeichnet.

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

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 9^oC und 16^oC - Auswirkungen auf Ökosysteme

z.B. Meeresspiegel während der letzten Eiszeit vor

ca. 15.000 Jahren etwa 170 m unter dem heutigen Niveau

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

- Effekt des Ozons:

* „positives“ Ozon

* „negatives“ Ozon

- Treibhauseffekt:

* natürlicher Treibhauseffekt:

* anthropogener Treibhauseffekt:

Einfluss des Treibhauseffektes und Ozons

Temperatur-Treibhauseffekt der wichtigsten

klimawirksamen Spurengase

Natürlicher Treibhauseffekt:

- eine Bedingung für irdisches Leben

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

Anthropogener Treibhauseffekt

- über das natürliche Maß hinausgehender Eintrag von Treibhausgasen

Anthropogener Treibhauseffekt – II

Konsequenzen:

- Luftverschmutzung, Eintrag klimarelevanter Gase;

entspricht einer zusätzlichen Energiezufuhr von ca. 2,5 W/m²

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

-> 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 Handeln

erforderlich (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%

Eigenschaften des Ozons (O

)

- 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 Sonne 242 – 310 nm)

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

Eigenschaften des Ozons (O

)

- 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 Sonne 242 – 310 nm)

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

- Effekt des Ozons:

Störung der Atmosphärenchemie, Ozonbildung und –zersetzung führt zu Absorption der UV-C-Strahlung, Störung dieses

Gleichgewichtes durch anthropogene Emissionen (FCKW, N₂ O),

Eindringtiefe schädlicher Strahlung

bei Absorption durch Gase in der Atmosphäre

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.)

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

Photoreaktor Stratosphäre: Ozonabbau

Ozonabbau

- natürlicher Ozonabbau infolge UV-Strahlung - katalytische Zersetzung

- große Rolle spielen organische Halogenverbindungen - HCl lagert sich an Eiskristalle (Stratosphärenwolken!!) an

und wird langsam in die Troposphäre transportiert - radikalischer Rest •R reagiert zu unterschiedlichen

Verbindungen weiter

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 ClONO₂ und Umwandlung in Cl₂ und HOCl (hypochlorige Säure)

- im Polarfrühling Spaltung in Chloratome

Troposphärischer Kreislauf des OH-Radikals

O₃

•O• (³P)

HO₂ •

H•

•OH

•O• (¹D)

•NO NO₂ •

O₂

CO₂

RH

H₂ O

O₂ O₂

Licht

+ H₂ O

Oxidation von Kohlenstoff- verbindungen

= reaktive Zwischenstufe = stabile Verbindungen

Licht

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

Nomenklatur FCKW

FCKW: R 113 C

F

Cl

Anzahl der F-Atome im Molekül Anzahl der H-Atome im Molekül + 1 Anzahl der C-Atome im Molekül - 1,

restliche Atome sind Cl

Vergleich Zusammensetzung Uratmosphäre / Atmosphäre heute

Uratmosphäre heutige Atmosphäre

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

0,026% vorindustriell

ca. 5-7% Schwefelwasserstoff - Schwefelwasserstoff ca. 0,5-1% Stickstoff 78,1% Stickstoff*

ca. 0,5-1% Kohlenmonoxid 2⋅10^-5% Kohlenmonoxid - Sauerstoff 20,9% Sauerstoff

* trockene Luft

Vergleich:

Gasfreisetzung und Änderung der Atmosphäre

natürlich:

Zunahme O

ca. 2,0 Mill. Jahre ca. 21%:

200.000-300.000 Jahre 0.1% pro Jahr

anthropogen:

Zunahme CO

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

rein quantitativ N>A, bei erdgeschichtlicher Betrachtung;

bei menschheitsgeschichtlicher N<A

Wasserressourcen I

• Wasserverbrauch in der Neuzeit stark gestiegen Industrie, Hygiene

(pro Kopf-Verbrauch/Tag: vorindustriell: 10...30 L 1950: 85 L 2000: 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 Wasserkreislauf aus 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

Wasserressourcen II

• Wasserbilanz des Festlandes wird durch Klimazonen bestimmt humid ⇒ Niederschlagsmengen sind größer als die

Verdunstung (z.B. Tropen)

arid ⇒ es verdunstet mehr Wasser als durch Niederschläge abgeregnet wird (Wüsten)

niveal ⇒ Dauerfrostregion

• Niederschlagsmenge wird durch Luftströmungen und Temperatur gesteuert

Bundesrepublik: jährlich ca. 300 Mrd. m³ Niederschlag

Funktionen des Wassers

• wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens

• Funktionen im Ökosystem

Stofftransport, Wärmepuffer, Wärmetransport, „Gaswäsche“ etc.

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

Wasser

Molekül Bindung

Dipolmoment Wasserstoffbrückenbindungen

Anomalien des Wassers

starke Unterschiede in den chemisch-physikalischen Eigenschaften analog aufgebauter Verbindungen in gleicher PSE-Gruppe

H₂ 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

Physikalische Eigenschaften von Wasser und deren Bedeutung für die Umwelt

Eigenschaft Erläuterung Umweltrelevanz

--- Dichte größte Dichte 4^oC, Seen frieren von der Oberfläche zu,

Volumenausdehnung bei Gefrieren Sprengung von Gesteinen (Verwitterung) Schmelz- und relativ hoch Existenz von flüssigem Wasser auf Erde Siedepunkt

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, Transport Dielektrizitätskonstante hohe Dielektrizitätskonstante

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

Gesamtwasserbedarf (D):

- 66% Elektrizitäts- und Wärmekraftwerke - 22% Industrie

- 3% Landwirtschaft

- 9% Kleingewerbe, Haushalt

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)

Methoden der Trinkwasseraufbereitung

Aufbereitung 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.)

Technologische Trinkwasseraufbreitung

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 die Ostsee, 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

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)

Zusammenwirken einiger für die

Bodenentwicklung bedeutsamer Faktoren

Bodenbestandteile

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

Gesteine und Minerale

Minerale: Festkörper mit definierter chemischer Zusammensetzung 2500 bekannte Minerale, davon 150 für Gesteinsbildung wichtig, davon 40 Hauptbestandteile

Gesteine: Mineralgemenge

Magmatische Gesteine: erstarrte Magma Basalt, Granit

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

Metamorphe Gesteine: Bildung durch hohen Druck und hohe Temperatur auf magmatische und Sedimentgesteine

Muskovit KAl₂ (AlSi₃ O₁₀ ), Gneis, Marmor u.a.

Verwitterungsprozesse

Verwitterung:

Umwandlung von Gesteinen in der Erdkruste durch

Wechselwirkung mit Atmosphäre, Hydrosphäre und Biosystemen

- Physikalische Verwitterung

Rasche, große Temperaturunterschiede- unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, Druckzunahme durch Kristallisation von Eis

- Biologische Verwitterung

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

- Chemische Verwitterung

Hydrolyse, Carbonisierung, Reduktion, Oxidation, Auflösung, Kristallisation

Boden als Puffer

Carbonatpuffer:

CO₃^2- + 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⁺

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 Tonminerale

Al

Fe

Mg

(OH)

Si

Al

O

x K

x Me

(H

O)

Prozesse der Tonbildung:

- Zerkleinerung der primären Gesteine und Minerale - Transport und Sedimentation

- Selektions- und Differenzierungsprozesse

- Neu- und Umbildungen im wässrigen Verwitterungs- und Sedimentationsmilieu

Tongesteine II

Eigenschaften:

- Aufnahme von mehr als 80 Vol.% Wasser, nach Wasseraufnahme sinkt Permeabilität faktisch auf 0

Wasser 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

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.

Huminstoffe

Humine

MM: > 50.000

Löslichkeit: unlöslich

Fulvinsäuren Huminsäuren

(Fulvosäuren)

MM: MM:

800 – 9.000 9.000 – 50.000

Löslichkeit 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

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 O Phosphorit

Thomasmehl Ca₅ (PO₄ )₂ • SiO₄

entsteht 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

Biozide

Stoffe, die Pflanzen während ihres Wachstums vor Krankheiten und tierischem Schädlingsbefall schützen, die Konkurrenz anderer Pflanzen um Licht und Nährstoffe unterbinden und die eingebrachten Erntemengen vor Verlusten schützen sollen.

- oft wird verallgemeinernd die Bezeichnung Pestizide verwendet

Biozide / Pestizide

- Herbizide - Insektizide - Sterilantien - Fungizide - Akarizide

- Molluskizide - Rodentizide - Ovizide

- Repellents

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

Beziehung zwischen dem Mobilitätsstatus von Schwer- metallen und gebräuchlichen Extraktionslösungen

Gesamtgehalte langfristig verfügbar

Totalaufschluss mittelfristig verfügbar Königswasser

HCl kurzfristig verfügbar HNO₃

(hochmolar) EDTA

DTPA NH₄ OAc

NH₄ NO₃ MgCl₂ CaCl₂ Bodensättigungsextrakt