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

rechts: Vereinfachte Reaktionsmuster zur Entstehung saurer Niederschläge

Reichl (Hrsg., 2000): Taschen-atlas 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 S- (SOx) und N-Emissionen (NOx + NH3).Schwefelemissionen durch Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe im Verkehrs-bereich, Kohle, Öl 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 Säurebildner 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) NH3: AP 1,88 (17 kg NH3) H2S: AP 1,88 (17 kg H2S)

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

νi = potentielle H+-Äquivalen-te je Masseneinheit der Substanz i

Mi = Molmasse der Substanz i

Gesamtbeitrag zur Versauerung:AP[kg SO2-Äquiv.] = Σ APi {kg SO2-Äqiv./kg) * Emissionsmengei [kg] i

Die reaktiven S- und N-Verbindungen gelangen als trockene Ablagerung (trockene Deposition) oder als feuchte Ablagerung (nasse Deposition) z.B. auf der Vegetation und sonstigen Oberflächen zusammen mit Niederschlägen direkt 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 Ammonium-sulfat und Ammoniumnitrat in Form feinster Partikel entstehen. Diese Partikel-bildung ist für eine weiträumige Verbreitung von Schwefel- und Stickstoffverbin-dungen über Entfernungen von mehreren tausend Kilometern verantwortlich. Gasförmiges Ammoniak alleine wird ansonsten sehr schnell aus der Atmo-sphäre 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 (Krampfzu-stand der Muskulatur des Bronchial-baums erzeugt 'Enge‘ in den Bronchien mit Atemwiderstand) und ab 5 mg/m3 Reizungen der Augen und Atemwege.

rechts: NO2 wird zu 80-90% im Atemtrakt absorbiert. Es wirkt dort als starkes Reiz-gas für Atemwege und Schleimhäute, so dass akut Husten, Schlund- und Atembe-schwerden auftreten. Nach 6-30 h kann ein toxisches Lungenödem (krankhafte Ansammlung von Flüssigkeit im Lungen-gewebe) eintreten. Eine chronische Expo-sition gegenüber NOx führt zu funktio-neller Störung der Lungenfunktion.

Reichl (Hrsg., 2000): Taschenatlas der Umwelt-medizin. S. 90-91.

Kronenverlichtung der Eiche: 0%, 20%, 45%, 70% Blattverlust (v.l.n.r.)

Kronenverlichtung der Fichte (Kammtyp): 10%, 30%, 55%, 75% Nadelverlust (v.l.n.r.)

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Ergebnisse der deutschen Waldzustandserhebung 2014

Anteil deutlicher Kronen-verlichtungen (mehr als 25 % Laub- bzw. Nadelverlust) im Jahr 2014

Entwicklung der Schadstufen seit 1984 (10228 Bäume)

BMEL (2015)

http://www.wald.de/waldschaeden/ (12.1.2016)

Neben Säureeinträgen beeinflus-sen Ozon, Klima, Bodenbeschaf-fenheit, Organismen etc. den Waldzustand

Fichten in drei Stadien der Kronenverlichtung http://wald.göf.de/waldzustand/das-waldsterben/ (13.1.2016)

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

Schadstofftransport (z.B. Versauerung) als grenz-überschreitendes Problem

(Mt/yr. 1980s)

http://www.grida.no/db/maps/prod/level3/id_1177.htm (2005)

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 (13.1.2016)

https://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/luftschadstoff-emissionen-in-deutschland/schwefeldioxid-emissionen (14.1.2016)

Schwefeldioxid-Emissionen nach Quellkategorien in Deutschland (in 1000 t)

Ziel 2010: 520000 t

Stickstoffoxidemissionen (NOx, gerechnet als NO2) nach Quellkategorien in Deutschland (in 1000 t)

http://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/luftschadstoff-emissionen-in-deutschland/stickstoffoxid-emissionen (14.1.2016)

Ziel 2010:1081000 t

Ammoniak-Emissionen in Deutschland nach Quellkategorien (in 1000 t)

https://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/luftschadstoff-emissionen-in-deutschland/ammoniak-emissionen (12.1.2016)

Ziel 2010:550000 t

https://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/nasse-deposition-saurer-saeurebildender (13.1.2016)

Entwicklung der Ionenkonzentrationen im Niederschlag (normiert auf 1982) an den Messstationen des UBA-Luftmessnetzes

https://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/nasse-deposition-saurer-saeurebildender (13.1.2016)

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

1982-1999 daily bulk samplersince 2000 weekly wet only sampler

Änderung der Jahresmittel des pH-Wertes im Niederschlag von 1982 - 2011 (ländliche Mess-stationen 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 70-80er Jahren lagen bei 4.2 (in Industriegebieten tiefer). Durch Emissions-minderungen stiegen sie auf ~5,1 an (= Faktor 8 weniger Säure).

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)

Rekonstruktion des Trendverlaufs 1880-2008 der mittleren Gesamtsäure-Einträge in Baden-Württemberg in Fichtenbeständen und im Freiland

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Sulfate concentration in wetfall precipitation at New Hampshire‘s Hubbard Brook Experimental Forest (New York State) as a function of SO2 emissions in the

estimated 24-hr source area. This shows the decline in both parameters as a result of the implementation of the Clean Air Act in the USA. PIR shows the levels of the pre-industrial revolution.

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http://www.atmos-chem-phys.net/11/1101/2011/acp-11-1101-2011.html (15.12.2015)Smith et al. (2011): Atmos. Chem. Phys. 11, 1101–1116.

Global sulfur dioxide emissions by region until 2005(North America = USA + Canada; East Asia = Japan + China+ South Korea)

(Former Soviet Union)

Global SO2 emissions by primary source from 1850 to 2005

http://www.atmos-chem-phys.net/11/1101/2011/acp-11-1101-2011.html (12.12.2016) Smith et al. (2011): Atmos. Chem. Phys. 11, 1101–1116.

Man-made SO2 emissions (1012g/year) from 1850-2050; future trends for different RCP scenarios

Global natural SO2 emissions (Lee et al, 2011): Volcanos: 13,1 Tg/y.; wildfires: 2,4 Tg/y.; volatile marine biological sulphide compounds: 42 Tg/y.

SO2 emissions in Europe and North America stea-dily decline by 60-90% from year 2000 levels by 2050. Depending on the scenario, East Asia emis-sions 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%.

(UNECE, 2011).

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)

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)

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

← natural fluxes of sulfur

← anthropogenic fluxes of sulfur SO2

, COS carbonyl sulfide Carbonyl sulfide is an abundant sulfur com-pound naturally present in the atmosphere, at 0.5±0.05 ppb. It is emitted from oceans, volcanoes and deep sea vents.

Mean annual dimethylsulfide concentration in the surface ocean (nM), showing zones of high concentrations in the high-latitude oceans.

27Redrawn from Lana et al. (2011) by Schlesinger (2013): Biogeochemistry. 3rd Ed.

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

https://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/daten-karten/entwicklung-der-luftqualitaet (13.1.2016)

Mittlere monatliche Tagesgänge von SO2 für die Monate Januar bis Dezember 1995 bis 2000 (Umweltbundesamt, 2001)

https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/publikation/long/2473.pdf (UBA 2001)(16.1.2016)

Ausbreitung extremer SO2-Emissionen von Tschechien durch Süddeutschland am 23.-24. Februar 1986

Baumbach (1996, S. 94-95)

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

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

Forms of reactive N relevant to the environment are the gases ammonia (NH3), nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO2), nitrous oxide (N2O), ammonium (NH4

+), and nitrate (NO3-), which oc-

cur in dissolved and gaseous form and in atmospheric particulate matter. In addition, it is stored in organisms as amino acids. The different forms of reactive nitrogen are very mobile and can convert into one another. They circulate in a biogeochemical cycle between air, soil, water and organisms.

Reaktiver Stickstoff und die Stickstoffkaskade

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UBA (2015): Reaktiver Stickstoff in Deutschland - Ursachen, Wirkungen, Maßnahmen. https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/reaktiver_stickstoff_in_deutschland_0.pdf (13.1.2016)

Entwicklung der Weltbevölkerung und des weltweit durch menschliche Aktivitäten produzierten reaktiven Stickstoffs (als Mineraldünger, biologisch fixiert oder in Form von Stickstoffoxiden aus Verbrennungsprozessen)

Man-made NOx emissions (1012g/year) from 1850-2050; future trends for different RCP scenarios

Global man-made 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 emissions especially from Asia, despite reductions in Europe and North America.

Global natural NOx emissions (expressed as NO):15 Tg per year from microbial production of NO in soils4 - 26 Tg per year by lightning17 Tg per year by biomass burning(UNECE, 2011).

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

https://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/daten-karten/entwicklung-der-luftqualitaet (13.1.2016)

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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 distribu-tion 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)

Man-made NH3 emissions (1012g/year) from 1850-2050 - future trends for different RCP scenarios

The larger emitting regions for NH3 in the 21st cen-tury are East Asia, Europe, and South Asia. Global NH3 emissions are dominated by agriculture. Agri-culture 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.

UNECE (2011)

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

N-Transport

(kg N/km2/J.) in den Flüssen durch Luft-eintrag

Anteil der wichtigsten N-Verbindungen und Emittentengruppen an den mittleren jährlichen N-Gesamtemissionen in die Luft und Oberflächen-gewässer innerhalb des aktuellen Bilanzierungszeitraums (in Gigagramm = 109 g = 1000 t N pro Jahr)

UBA (2015): Reaktiver Stickstoff in Deutschland - Ursachen, Wirkungen, Maßnahmen. https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/reaktiver_stickstoff_in_deutschland_0.pdf (13.1.2016)

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12)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)

Jahresgang der Ammoniak-Konzentrationen an 4 ländlichen Messstellen des Umweltbundesamtes

https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/schwerpunkte_2014.pdf (13.1.2016)

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

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

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SO2-Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Vegetation

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://bundesrecht.juris.de/bundesrecht/bimschv_39/gesamt.pdf (13.12016)

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 atmosphäri-sche Eigenschaften

Ein Quadrat bedeutet einen signifikanten Ein-fluss. Ein schwarzes Quadrat bedeutet einen direkten, ein schraffier-tes 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.