9_ Entstehung der wichtigsten Luftschadstoffe

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9. Entstehung, Auswirkung und Verminderungspotentiale der wichtigsten Lustschadstoffe
Allgemein:
Was sind Luftschadstoffe?
Luftschadstoffe sind Luftverunreinigungen wie Rauch, Ruß, Staub, Gase, Aerosole,
Dämpfe und Geruchsstoffe, die die natürliche Zusammensetzung der Luft verändern.
Sie werden in gas- oder partikelförmige Luftverunreinigungen oder Aerosole untergliedert.
Emissionen: sind die von einer Quelle ausgehenden Luftverunreinigungen.
Immissionen: sind die Einwirkungen von Emissionen auf Menschen, Tiere, Pflanzen und Sachgüter,
nachdem sie sich in der Luft, dem Wasser oder dem Boden ausgebreitet oder chemisch umgewandelt
haben.
Auch reine Luft enthält in ihrer natürlichen Zusammensetzung schon gewisse Verunreinigungen, die
von Vulkanausbrüchen, Verwesungs- und Verwitterungsprozessen oder Waldbränden stammen;
schwerwiegende Luftverunreinigungen stammen jedoch meistens von den Aktivitäten der Menschen.
Sie stören das dynamische Gleichgewicht der Atmosphäre und wirken mit ihren schädigenden
Einflüssen zunehmend negativ auf Menschen, Tiere und Pflanzen sowie auf Ökosysteme und
Sachgüter.
Entstehung der Luftschadstoffe
2.1 natürlicher Ursprung
Sie entstehen durch die Tätigkeit von Mikroorganismen oder auch im pflanzlichen Stoffwechsel sowie
bei Waldbränden, bei der Tätigkeit von Vulkanen, durch Emissionen von verschiedenen Oberflächen
einschließlich Gischt und Verwitterungsprozessen und vielem mehr….
2.2 anthropogen Ursprungs
Die Hauptquellen anthropogen verursachter Schadstoffemissionen sind die Verbrennungsprozesse in
Industrie, Gewerbe, Haushalt und im motorisierten Verkehr.
Da alle fossilen Brennstoffe (Erdöl, Erdgas, Kohle) aus abgestorbenen Lebewesen, d.h. aus
organischen Materialien mit den häufigsten Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff,
Schwefel, Halogene, Phosphor u.a. und den anschließenden Umwandlungsprodukten hervorgegangen
sind, entstehen bei ihrer Verbrennung neben Kohlendioxid und Wasserdampf unterschiedliche Mengen
an Schwefeldioxid, Stickoxiden u.a. Begleitstoffen.
Aber auch durch industrielle Tätigkeit in den stoffherstellenden Branchen (z.B. Chemie-, Papier- und
Faserstoffe, usw.), in den stoffverarbeitenden Betrieben (z.B. Maschinenbau, Elektronik, Lebensmittelund Textilindustrie, Bauwesen), sowie durch land- und forstwirtschaftliche Maßnahmen gelangen
große Schadstoffmengen in die Atmosphäre. Daran sind auch wieder die organischen Verbindungen
schuld, die außer durch den motorisierten Verkehr überwiegend in der lösemittelverarbeitenden
Industrie und Gewerbe wie in der Farbindustrie, in Druckereien, in Chemischen Reinigungen u.a.
freigesetzt werden.
2.3 Einteilung
Es gibt zwei große Kategorien der Luftschadstoffe:
Stäube: Sie werden entsprechend ihrer Korngröße (Durchmesser) in verschiedene Arten von
Schwebstäuben unterschieden:




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Großstaub
Staub
Rauch
Nebel
Feinstaub
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9. Entstehung, Auswirkung und Verminderungspotentiale der wichtigsten Lustschadstoffe
Gase: Gasförmige Luftschadstoffe werden in primäre und sekundäre Formen unterteilt:

Primäre Luftschadstoffe wie Schwefeldioxid (SO2), die meisten
Stickoxide, Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe
werden direkt in die Atmosphäre emittiert.

Sekundäre Luftschadstoffe wie Ozon und Peroxyalkylnitrate (PAN)
werden in der Atmosphäre bei fotochemischen Reaktionen zwischen
primären Luftschadstoffen und starkem Licht gebildet.
Ebenso entstehen sekundäre Formen durch chemische Umwandlung
beim Übergang von einer trockenen bzw. gasförmigen Phase in eine
flüssige Phase wie z.B. die sauren Verbindungen Schwefel- und
Salpetersäure auch Saurer Regen genannt.
2.4 Ausbreitung
Die Ausbreitung der einzelnen Schadstoffe in der Luft hängt vom Emissionsort, den Stoffeigenschaften
und dem Verhalten der Substanz in der Atmosphäre ab.
Die Transmission, der Übergang zwischen Emission und Immission, ist abhängig von folgenden
Faktoren:
- Wetterlage (Windrichtung, Windstärke, Bewölkung, Lufttemperatur...)
- Bodenbeschaffenheit der Erdoberfläche
- Schornsteinhöhe der Emittenten
Kommen trockene, gasförmige Schadstoffe als eine flüssige Phase auf die Erdoberfläche zurück,
spricht man von der nassen Deposition. Handelt es sich dabei um saure Verbindungen, spricht man
auch vom Sauren Regen. Der Begriff nasse Deposition umfasst aber sowohl saure als auch nichtsaure
Niederschläge in Tröpfchenform als Regen, als Nebel oder als Schneeflocken. Beim Einsickern der
flüssigen Schadstoffe in den Boden kommt es zu Nährstoffauswaschungen mit negativen Folgen für
die Bodenfruchtbarkeit. Treffen die flüssigen Schadstoffe auf eine geneigte Erdoberfläche, können sie
meistens nicht sofort in den Boden eindringen, sondern gelangen in großen Mengen über den
Oberflächenabfluss in Rinnsale, Bäche, Flüsse und Seen.
Der zweite wichtige Weg, auf dem Schadstoffe aus der Atmosphäre wieder zur Erdoberfläche
gelangen, ist die trockene Deposition. In Abhängigkeit von den vorherrschenden Wetterverhältnissen
und der Teilchengröße erfolgt die Ablagerung entweder in der Nähe des Emissionsstandortes oder
auch viele Kilometer davon entfernt. Sind die imitierten Luftschadstoffe in Böden oder Gewässer
gelangt, können sie gemeinsam mit den Hauptnährstoffen von den grünen Pflanzen aufgenommen
werden und gelangen so in die Nahrungsketten der Lebewesen. Am Anfang jeder Nahrungskette
stehen die Produzenten (meist Pflanzen und einige Bakterien), sie bauen durch Photosynthese
komplizierte organische Verbindungen auf, dabei werden die Schadstoffe aus dem Wasser, dem
Boden und der Luft mitgeschleußt. Die Primärkonsumenten, die Pflanzenfresser, ernähren sich von
den Produzenten und dienen wiederum zur Ernährung der Sekundärkonsumenten, den
Fleischfressern.
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9. Entstehung, Auswirkung und Verminderungspotentiale der wichtigsten Lustschadstoffe
Schwefeldioxid
Stoffgruppe: Anorganische Gase
Formel: SO2
Eigenschaften: Reizgas, farblos, stechend riechend, leicht wasserlöslich
Entstehung: Schwefeldioxid entsteht vorrangig als unerwünschtes Nebenprodukt bei
Verbrennungsprozessen durch Oxidation des Schwefels, der insbesondere in der Kohle und im Öl
enthalten ist. Hauptquellen sind Energie- und Wärmegewinnungsanlagen der Industrie, aber auch der
Kfz-Verkehr, die Zellstoffproduktion und die Erdölverarbeitung.
Auswirkungen:
Gesundheit:
Das Reizgas wirkt sich hauptsächlich auf die Schleimhäute der Atemwege und Augen aus, es führt zu
Reizungen der Augenbindehaut und des Rachenraumes; Wintersmog mit erhöhter Staubbelastung und
in Kombination mit erhöhtem Schwefeldioxidaufkommen kann es auch bei Kleinkindern und alten
Menschen zum vermehrten Auftreten von Pseudokrupp führen. Der lungengängige Schwebstaub
transportiert das angelagerte SO2 als Aerosol bis in die tieferen Lungenbereiche, wo die sich bildenden
Säuren bis zur Lungenentzündung führen können.
Vegetation:
Bodenversäuerung durch Schwefeldioxid: Saurer Regen hat negative Auswirkungen auf Ökosysteme,
indem er zur Versauerung der Böden und Gewässer beiträgt.
Waldschäden: klassische Waldschäden, neuartige Waldschäden
Sachgüter:
Durch sauren Regen: werden z.B. Kalkhaltige Skulpturen oder mineralische Baustoffe (Mamor)
ausgewaschen (Steinpest), Metalle können korrodieren. Glas und andere Materialien werden auch
angegriffen.
Tendenzen: Durch die flächendeckende Sanierung von Heizungssystemen sowohl in der Industrie als
auch in Privathäusern hat das Reizgas seine ehemals dominante Rolle als Leitschadstoff für die
Gesamtluftverschmutzung in den Ballungsräumen verloren.
Verminderung:
Entschwefelung der Heizstoffe oder Treeibstoffe – z.B.: Rohstoffindustrie
Rauchgasentschwefelung nach Verbrennung – z.B.: Industrie (Kraftwerke)
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9. Entstehung, Auswirkung und Verminderungspotentiale der wichtigsten Lustschadstoffe
Stickoxide
Stoffgruppe: Anorganische Gase
Formel: NOx ist die Bezeichnung für NO und NO2. Da NO jedoch sehr schnell zu NO2 umgewandelt
wird und es auch eine relativ niedrige toxische Wirkung hat, geht es von nun an hauptsächlich um
NO2.
Eigenschaften: Reizgas, rotbraune Farbe, starkes Oxidationsmittel, in Wasser löslich (
Salpetersäure), stechend stickig.
Entstehung: Stickoxide entstehen als unerwünschte Nebenprodukte bei Verbrennungsprozessen mit
hohen Temperaturen wie vor allem in Kraftfahrzeugmotoren und Kraftwerken aber auch in der
Chemieindustrie und Düngemittelherstellung. Die Stickoxide entstehen vorrangig durch die Oxidation
des Luftstickstoffs; dabei wird zunächst ein hoher Anteil von Stickstoffmonoxid NO emittiert, der sich
dann in der Atmosphäre in NO2 umwandelt.
Auswirkungen:
Gesundheit:
Das Reizgas kann schon bei niedrigen Konzentrationen und normaler Atmung aufgrund seiner
Löslichkeit bzw. Reaktion mit Wasser zur Wirkung kommen. Die Wirkungen sind ansonsten ähnlich wie
beim SO2, nur dass das NO2 aggressiver ist und somit tiefer in die Lunge gelangen kann.
Vegetation:
Bodenversäuerung durch Stickoxide: Saurer Regen hat negative Auswirkungen auf Ökosysteme,
indem er zur Versauerung der Böden und Gewässer beiträgt.
Waldschäden: klassische Waldschäden, neuartige Waldschäden
Eutrophierung: Stickstoffeintrag über die Luft
Sachgüter:
Durch sauren Regen: werden z.B. Kalkhaltige Skulpturen oder mineralische Baustoffe (Mamor)
ausgewaschen (Steinpest), Metalle können korrodieren. Glas und andere Materialien (besonders
Kunststoff) werden auch angegriffen.
Tendenzen: Seit der Einführung von Entstickungsanlagen in Kraftwerken ist ein deutlicher
Rückgang an NOx -Emissionen zu verzeichnen. Im Verkehr ist dieser positive Effekt nach der
Einführung des Katalysators viel geringer ausgefallen, da das Verkehrsaufkommen rasant angestiegen
ist. Bis Mitte der 90er-Jahre hat die NO2-Belastung etwas abgenommen, seitdem war keine Abnahme
zu verzeichnen. In den letzten Jahren hat die Belastung an verkehrsnahen Stationen wieder
zugenommen. Dies ist auf die Zunahme von Diesel-PKW mit Oxidationskatalysatoren zurückzuführen.
Auch die großflächigen Überschreitungen der kritischen Belastungsgrenzen des Waldes durch
Überdüngung reduzierten sich in den letzten Jahren kaum.
Verminderung:
Katalysatoren – z.B.: Kfz
Entstickungsanlagen – z.B.: Industrie
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Kohlenmonoxid
Stoffgruppe: Anorganische Gase
Formel: CO
Eigenschaften: farblos, geruchlos, geschmacklos, brennbar, giftig.
Entstehung: Ein großer Teil des COs stammt aus dem Algenstoffwechsel in den Weltmeeren. Eine
weitere wichtige Quelle ist unvollständige Verbrennung von Kohlenstoff und kohlenstoffhaltigen
Verbindungen in Feuerungsanlagen und Motoren, wobei der spezifische Ausstoß von CO in den KfzMotoren um ein Vielfaches höher ist als bei anderen Verbrennungsvorgängen. Kohlenmonoxid kann
durch Luftsauerstoff in Kohlendioxid umgewandelt werden. Außerdem ist CO auch an der
photochemischen Bildung bodennahen Ozons beteiligt.
Wirkungen:
Gesundheit:
Kohlenmonoxid beeinträchtigt als starkes Atemgift den Sauerstofftransport im menschlichen Körper,
da CO eine 300 mal größere Affinität zum roten Blutfarbstoff (Hämoglobin) als Sauerstoff. So entsteht
ein der Lunge eine feste CO-Hämoglobin-Verbindung, dem Körper fehlt der für die
Stoffwechselvorgänge wichtige Sauerstoff und es kommt bei hohen Dosen zum Erstickungstod. Aber
bereits bei 2% bis 5% CO-Hämoglobin kommt es zu Auswirkungen auf das zentrale Nervensystem;
bei 10% bis 20% zu leichtem Kopfschmerz, Mattigkeit, Unwohlssein und Herzklopfen; bei 20% und
mehr kommt es zu Schwindel, Bewusstseinseinschränkung, Gliederschlaffheit und Lähmung; bei 30%
bis 40% zum Kreislaufkollaps. Noch höhere Konzentrationen führen zur Bewusstlosigkeit mit
Todesfolge kommen; solche Konzentrationen können aber im Straßenverkehr nicht vorkommen.
Vegetation und Sachgüter:
Auswirkungen auf Pflanzen und Sachgüter sind bei den vorkommenden Konzentrationen keine
bekannt.
Tendenzen: leicht rückläufig.
Verminderung:
Katalysatoren
Weniger Autofahren
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9. Entstehung, Auswirkung und Verminderungspotentiale der wichtigsten Lustschadstoffe
Kohlendioxid
Stoffgruppe: Anorganische Gase
Formel: CO2
Eigenschaften: farblos, geruchlos, nicht brennbar, hohe Konzentration giftig.
Entstehung: Es entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen
Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff als auch im Organismus von Lebewesen als
Kuppelprodukt der Zellatmung. Das CO 2 wird dabei über den Atem abgegeben. Kohlenstoffdioxid wie
erwähnt entsteht bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, z.B. der fossilen Energieträger.
Bei einem gegebenen Energieträger ist die Menge des erzeugten CO2 direkt von der Menge des
Brennstoffs und damit der umgesetzten Energie abhängig.
Wirkungen:
Gesundheit:
Im Blut gelöstes CO2 aktiviert in natürlicher und leicht gesteigerter Konzentration das Atemzentrum
des Gehirns, in deutlich höherer Konzentration führt es jedoch zur Verminderung oder sogar
Aufhebung des reflektorischen Atemanreizes (Atemstillstand). Diese Wirkungen treten viel rascher ein
als eine Erstickung.
Ab etwa 5 Prozent CO2 in der eingeatmeten Luft treten Kopfschmerzen und Schwindel auf, bei
höheren Konzentrationen beschleunigter Herzschlag (Tachykardie), Blutdruckanstieg, Atemnot und
Bewusstlosigkeit (die so genannte CO 2-Narkose). CO2-Konzentrationen von 8 Prozent und mehr führen
innerhalb von 30 bis 60 Minuten zum Tod. Zusätzlich hat Kohlenstoffdioxid eine indirekte Wirkung auf
den Sauerstoffhaushalt des Blutes. Befindet sich vermehrt Kohlenstoffdioxid in der Luft oder im
Frischwasser, so wird im Blut über das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure der pH-Wert
vermindert – das Blut wird „saurer“. Von diesem Absinken des pH-Werts ist das Hämoglobin betroffen.
Bei niedrigerem pH-Wert verringert sich seine O2-Bindungskapazität. Das heißt bei gleichem O2-Gehalt
der Luft kann vom Hämoglobin weniger Sauerstoff gebunden und transportiert werden. Dieser
Sachverhalt wird durch den Bohr-Effekt und den Haldane-Effekt beschrieben. Im Gewebe, wo der
Sauerstoff abgegeben werden soll, ist die Konzentration von CO 2 höher (= niedriger pH-Wert,
geringere O2-Bindungskapazität) und erleichtert damit die O2-Abgabe. In der Lunge sind die
Verhältnisse umgekehrt und begünstigen so das „Beladen“ des Hämoglobins mit Sauerstoff. Dieser
indirekte Effekt über den pH-Wert des Blutes ist von der weitaus stärkeren Giftigkeit des
Kohlenstoffmonoxids zu unterscheiden. Kohlenstoffmonoxid maskiert als Komplexbildner den
Eisenkern des Hämoglobins und verhindert dadurch die Bindung von Sauerstoff in den roten
Blutkörperchen. Dies ist ein anderer (wirksamerer) molekularer Mechanismus als beim
Kohlenstoffdioxid.
Vegetation:
Kohlenstoffdioxid absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwelligere
Strahlung, d. h. der größte Teil der Sonnenstrahlung, passieren kann. Diese Eigenschaft macht
Kohlenstoffdioxid zu einem so genannten Treibhausgas. (Dürre und Flut)
Sachgüter:
In der Umwelt hat CO2 in den dort üblicherweise vorkommenden geringen Konzentrationen
keine negativen Wirkungen auf Menschen, Tiere, Pflanzen und Sachgüter
Tendenzen: leicht rückläufig.
Verminderung:
Weniger Autofahren