3. Umweltkompartimente - hzdr.de · Charakteristik der Ozonschicht. Dobson-Einheit (DE) 1 DE = 0,01...

3. Umweltkompartimente

Verschiedene Sphären der Erde

Atmosphäre

Biosphäre Pedosphäre

Hydrosphäre Lithosphäre

Äußere Gesteinshülle der Erde(Erdkruste, oberer Bereich Erdmantel)

Verschiedene Formen von Wasser auf der Erde(Ozeane, Seen, Flüsse,…), Schnee, Eis, Wasser in Erdkruste

Boden(durch Verwitterungvon Gesteinen usw. entstanden)

Gesamtheit des von Leben besiedelten Teils der Erde(0.5·109 km2; 71 % Weltmeere)

Umgebende Lufthülle

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

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

Bleigehalt in der Atmosphäre

Bereich Gehalt (mg/m3)

Reinluftgebiete < 0,01Ländliche Gebiete < 0,2Ballungsgebiete 0,2... 2,0Nähe Verhüttungsbetrieb 1...20

Blutbleikonzentration (Erwachsener derzeit):10µg/100 mL

Schwebstoffe

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

feste flüssige

Klima

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

Das Klima ist charakterisiert durch Lufttemperatur, Windrichtungund -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 9oC und 16oC- Auswirkungen auf Ökosysteme

z.B. Meeresspiegel während der letzten Eiszeit vorca. 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

Treibhauseffekt:

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

natürlicher Treibhauseffekt:Bedingung für irdisches Leben(Erwärmung um 32,4o )

anthropogener Treibhauseffekt:vermehrter Eintrag der Treibhausgase durch Verbrennung, Rodung der Wälder, mineralische Dünger, industrielle Produktion(Erwärmung um 0,6o )

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

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)

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

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)

Ozon in der Atmosphäre

ca. 10 km

Stratosphäreum 25 km

Troposphäre

Ozonschicht

Ozonverunreinigung

(„Gutes Ozon“)

(„Schlechtes Ozon“)

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

- Dobson-Einheit (Dobson-Unit, D.U.): bezeichnet die fiktive Dicke derOzonschicht unter Normalbedingungen (100 D.U. = 1 mm)

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

Charakteristik der Ozonschicht

Dobson-Einheit (DE)

1 DE = 0,01 atm mm= 0,01 . 1,013 bar mm

100 DE entsprechen einer Ozonsäule von 1 mm Dicke.Die Gesamt-Ozonsäule, also die Ozonschicht, die entstünde, wenn das Ozon von ca. 300 DE aufNormalbedingungen (1013 mbar und 00C) gebracht würde, hat im Jahresmittel eine Dickevon nur ca. 3 mm

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

Stratosphäre: Ozonbildung

Startreaktion: O2 2 •O•

Bildung: •O• + O2 O3

Zersetzung: O3 •O•(1D) + O2

Nettoreaktion: •O• + O3 O2 + O2

M = Stoßpartner

h • ν

M

h • ν

Stratosphäre: Ozonabbau

Radikalerzeugungsreaktion: R-Cl •Cl + •R

Kettenreaktion: •Cl + O3 ClO• + O2

ClO• + •O• O2 + •Cl

Nettoreaktion: O3 + •O• 2 O2

Radikal-Übertragung: •Cl + RH HCl + •R

Speicherform: •ClO + •NO2 ClONO2

M = Stoßpartner

h • ν

M

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

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

Ozonloch

Im Dunklen: Im Licht der Frühjahrssonne:- Bildung von polaren - Aktivierung ozonabbauender

stratosphärischen Teilchen wie Cl, ClO, NO, NOxWolken aus HNO3und H2 O

- Bildung von - Katalytischer OzonabbauReserviorgasen wie Cl2 , HOCl, HCl oderClONO2

Stratosphäre 9 km-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Troposphäre

KalterIsolierter

Polarwirbel

Antarktis

Troposphärenchemie (Photochemie)„Ozonsmog“

• In die Troposphäre wird fast nur Licht mit Wellenlängen > 300 nmeingestrahlt

• fast alle Gase sind in dynamische Kreisläufe einbezogen- geringe Energie des Lichts kann nur noch bestimmte

Bindungen spalten (z.B. •NO2 )- O3 -Bildung aus •NO2 läuft sehr schnell ab (mittlere Lebens-

dauer von NO2 an einem wolkenlosen Tag: 2 min)

• Produkte: O3 , •O• (1D), •OH-Radikal (reaktive Verbindungen, diezu vielfältigen Produkten weiterreagieren)

z.B. Abbau organischer Substanzen- Abspaltung von H-Atomen- Anlagerung an Doppelbindung- Anlagerung an aromatische Ringe

Photosmog, Ozonsmog, SommersmogBildung:

• Bildung von Photooxidantien durch starke Sonneneinstrahlungbei unbewegter Luft (Inversionswetterlage)

Ozon, •OH, HO2 •, RO2 •, NO2 •, •NO3 , N2 O5 , organische Nitrate,Methylperoxid, Peroxyacetylnitrat (PAN!)

Photosmog „Los Angeles Smog“

NO2 • + •O-O• •NO + O3•NO + O3 NO2 • + •O-O•

RH + •OH + •O-O• RO2 • + H2 ORO2 • + •NO RO• + NO2 •RO• + •O-O• HO2 • + RCHOHO2 • + •NO •OH + NO2 •

NO2 • + •OH HNO3HO2 • + HO2 • H2 O2 + •O-O•RO2 • + NO2 • RO2 NO2z.B.:CH3 COO2 • + NO2 • CH3 COO2 NO2

Peroxyacetylnitrat (PAN)M = Stoßpartner

h • ν, M

M

M

M

Chemische Lebensdauer organischerVerbindungen in der Atmosphäre

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

FCKW - Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe

Chemisch inerte Gase (Verwendung als Treibgas, Kühlmittel, Kunst-stoffschäumung, Lösungsmittel)

Nomenklatur• R: „refrigerant“

• 100er Stelle: Zahl der C-Atome -1 z.B.• 10er Stelle: Zahl der H-Atome +1 R 1 3 4 a = CH2 F-CF3• 1er Stelle: Zahl der F-Atome asymmetrisch• restliche Atome: Cl 4 F-Atome• a, b, c: Asymmetrie -1 = 2 H-Atome

+1 = 2 C-Atome

R115a: CClF2 -CF3 !!R114: CClF2 -CClF2 !!

- Vermarktungsmengen FCKW 1988: 1,1 Mio t, 1992: 0,5 Mio t(fast vollständig in Atmosphäre),Problem: lange chemische Halbwertszeit (mehrere 10 Jahre)

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

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

Zusammenhang zwischen den verschiedenenQuell-, Senken- und Reservoirsubstanzen

ClONO2HNO4 , HOCl

u.a.

Ozon-zerstörende

Zyklen

H2 O2HNO3HCl

HOxNOxClOx

CH3 ClH2 O, CH4 , H2N2 O, FCKW

CH3 CCl3

CH3 ClH2 O, CH4 , H2N2 O, FCKW

CH3 CCl3

Sonnenstrahlen

Quellsubstanzen Senkensubstanzen

Reservoir-substanzen

StratosphäreTroposphäre

Rückkopplungsmechanismen(positive und negative Rückkopplung)

• durch Wechselwirkung von Temperatur und Wasserdampfgehaltin der Atmosphäre

Erhöhung H2 O-Gehalt ⇒

Erwärmung• durch Wechselwirkung von Temperatur und Wasserdampfgehaltin der Atmosphäre

Wolkenbildung ⇒

Abkühlung• durch Wechselwirkung von Temperatur und Länge der Schnee-bedeckung in gemäßigten Breiten

Erwärmung• durch Abschmelzen von Eis wird Wasservolumen größer

⇒

Lösung von CO2 (Abkühlung)• verstärkte Verdunstung

⇒

starke Niederschläge ⇒

Einfluss auf Biogeochemie

Emissionen / Transmission / Immisionen

Emission: Übergang luftverunreinigender Stoffe in die Atmosphäre(„Spuckwert“)

Transmission: Vorgänge, die zur Verteilung der luftverunreinigendenStoffe in der Atmosphäre oder zu ihrer chemischenoder physikalischen Änderung führen

Immission: tatsächliche Schadstoffkonzentration am Ort derEinwirkung in der Atmosphäre, im Boden oderim Wasser (mg/m3) („Schluckwert“)

Natürliche Emissionen

• Stoffaustauschständiger Stoffaustausch zwischen der Atmosphäre mit derErdoberflächeWasser-, Stickstoff-, Phosphor-, Schwefelkreislauf

• Emissionen von Vulkanen: CO2 , SO2 , HCl, HF (CH4 , Aldehyde,Ketone, Alkohole, Benzol, Toluol), Asche, Staub (enthält Schwer-metalle und radioaktive Stoffe)

• Emissionen von Lebewesen: CO2 , Kohlenwasserstoffe, chlorierteKohlenwasserstoffe (auch Methylchlorid), Schwefelverbindungen,Stickoxide

⇒ aber: normalerweise keine Störung des Stoffgleichgewichts

Emissionennatürlichen und anthropogenen Ursprungs

Emission Natürlich (Mio t/a) Anthropogen (Mio t/a)

Kohlendioxid (CO2 ) 700000 22000Kohlenmonoxid (CO) 4000 550Kohlenwasserstoffe (C) 1400 90Methan (CH4 ) 1000 110Ammoniak (NH3 ) 1200 7Stickoxide (NO2 ) 770 53Schwefeldioxid (SO2 ) 20 150Lachgas (N2 O) 145 4

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

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

Wasserarten und Verteilung

- Oberflächenwasser (Wasser in Bächen, Flüssen, Seen, Meeren, Ozeanen)

- Wasserverteilung auf der Erde:97,4% Salzwasser

2,6% Süßwasser, davon77,2% Eis22,2% Grundwasser (bis 800 m Tiefe 9,9%, bis 4000 m Tiefe 12,3%)0,35% Seenwasser0,003% Flusswasser

- nur noch selten hat das in der Natur vorkommende Wasser Trinkwasserqualität

- Qualität von Höhe des Schadstoffeintrags abhängig

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

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

Funktionen des Wassers

• wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens

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

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

pH – Werte verschiedener Flüssigkeiten

Flüssigkeit pH – Wert-------------------------------------------------------------------------------

Magensaft 0.9 ... 2,3Darmsaft 8,3Harn 4,8 ...7,4Blut 7,4Oberflächenwasser 7,5 ...8,2Regenwasser (Durchschnitt) 4,1Zitronensaft 2,0Tomatensaft 4,0Seifenlauge 8,2 ... 8,7

Wasser

Molekül Bindung

Dipolmoment Wasserstoffbrückenbindungen

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

Gewässereinteilung nach Mineralsalzgehalt

Gewässer Mineralsalzgehalt

Süßwasser bis 1 g/kg

Salzhaltiges Wasser 1 - 25 g/kg

Meerwasser 25 - 50 g/kg

Salzwasser > 50 g/kg

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

Wasser:

- Vorkommen in Hydrosphäre, Atmosphäre, Lithosphäre- fest, flüssig, gasförmig- Wasserkreislauf (Treibhauseffekt)- Transportmittel, Lösungsmittel- Spezifische Stoffeigenschaften:z.B. * hohe Oberflächenspannung

* Dielektrizitätskonstante* Verdampfungs- Schmelzwärme* Dichteverhalten* Stoff der bei Normaltemperatur flüssig ist mit

niedrigster Molmasse

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 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.)

Technologische Trinkwasseraufbreitung

Grenzwerte für chemische Stoffe

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

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

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

Verwitterungsreaktionen (Beispiele)Kalk:

CaCO3 + H2 O + CO2 Ca2+ + 2HCO3-

CaCO3 + H2 O Ca2+ + HCO3- + OH-

Quarz:

SiO2 + 2H2 O H4 SiO4

Anhydrit:

CaSO4 Ca2++SO4-

Feldspat:

NaAlSi3 08 + 11/2 H2 O + CO2 Na+ + HCO3- + 2H4 SiO4 + 1/2 Al2 O5 (OH)4

Dolomit:

CaMg(CO3 )2 + 2H2 O Ca2+ + Mg2+ + 2HCO3- + 2OH-

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+

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

Humus (lat. Boden) -ein wesentlicher Bestandteil des Bodens

- Gesamtheit der im Boden befindlichen abgestorbenen pflanzlichenund tierischen (demnach organischen) Substanzen

- besteht aus hochmolekularen Huminstoffen (z.B. Huminsäuren)uneinheitliche makromolekulare Struktur, Biopolymere

- „Ionenaustauschfunktion der Huminsäuren“

- Anteil an Huminstoffen• Ackerböden 1...2%• Schwarzerde 2...7%• Wiesen ca. 10%• moorige Böden 10...20%

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

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.

Umwelteinfluss von Huminsäuren

- unterschiedliche Genese

- Bindung, Rückhaltung organischer und anorganischer Stoffe

- Nahrung für Mikroorganismen

- gelöster und kolloidaler Transport von Organika und Schwermetallen

- Nährstoffpuffer für Pflanzen

Die beim Menschen endende Nahrungskette

Belastungspfade/Transferfaktoren(nach Haunold, 1987)

Einträge in den Boden

- industriellen und landwirtschaftlichen Prozessen- Verkehrsträger- Lebensprozesse der Organismen- Rohstoffgewinnung (z.B. Erz-und Kohleabbau)

Landwirtschaft:- Düngemittel- Pflanzenbehandlungsmittel und Schädlingsbekämpfungsmittel

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

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

Kreislauf der Schwermetalle

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