Dynamik und Auswirkungen der Luftverschmutzung

Faktoren, die die Ausbreitung von Schadstoffen beeinflussen

Die Dynamik der Ausbreitung von Schadstoffen und somit ihre Konzentration werden durch folgende Faktoren beeinflusst: Emissionsmerkmale, Wetterbedingungen sowie geografische und topografische Eigenschaften.

Emissionsmerkmale

Die Art des Schadstoffes bestimmt seine Konzentration und seine physikalisch-chemischen Eigenschaften (Temperatur, etc.). Wenn die Emission eines Gases überdurchschnittlich hoch ist, steigt das Gas auf, und das Wetter erleichtert die Dispersion.

Wetterbedingungen und atmosphärische Stabilität

Der Zustand der Atmosphäre bestimmt die Bewegung der Luftmassen und somit die atmosphärische Stabilität oder Instabilität, welche die Ausbreitung der Verschmutzung entweder erleichtert oder behindert. Folgende Aspekte sollten berücksichtigt werden:

• Lufttemperatur und vertikale Temperaturgradienten

  Sie bestimmen die Bewegung der Luftmassen und somit die Bedingungen der atmosphärischen Stabilität oder Instabilität. Sie können zu Situationen der thermischen Inversion führen, welche die Ausbreitung der Kontamination verhindern.

• Winde

  Winde sind mit der horizontalen atmosphärischen Dynamik verbunden und von großer Bedeutung für die Ausbreitung von Schadstoffen. Wichtige Eigenschaften sind: Richtung, Geschwindigkeit und Turbulenz. Die Richtung gibt an, wohin sich die Schadstoffe bewegen können; die Geschwindigkeit steht in direktem Zusammenhang mit der Ausbreitungsfähigkeit.

  Meistens bewirken Winde einen Spüleffekt (Flush-Effekt) auf die Atmosphäre, indem sie die Schadstoffe vom Boden wegziehen. Niederdruck-Wetterbedingungen sind häufig mit diffuser Ausfällung von Verunreinigungen verbunden.

• Sonneneinstrahlung und chemische Reaktionen

  Die Sonneneinstrahlung fördert Reaktionen zwischen den Vorläufersubstanzen von sekundären Schadstoffen und erhöht somit deren Konzentration.

Geografische und topografische Eigenschaften

Die geografische Lage und das Relief beeinflussen die Entstehung von Luftströmungen, die entweder zur Auswaschung von Verunreinigungen oder zu deren Ansammlung führen. Dies variiert je nach Gebiet und dessen Eigenschaften.

• Einfluss von Küstengebieten

  In Küstengebieten transportieren Seewinde tagsüber Schadstoffe ins Landesinnere. Nachts bewegt sich die Umweltverschmutzung zurück in Richtung Meer.

• Einfluss von Bergregionen

  In Bergregionen entstehen Berg- und Talwinde als Folge der unterschiedlichen Erwärmung der Hänge und Täler im Tag-Nacht-Zyklus:

  • Tagsüber: Am Talboden sammelt sich kalte Luft an, was eine Temperaturinversion erzeugt, die die Bewegung der Luftmassen verhindert und die Ausbreitung der Schadstoffe behindert.
  • Nachts: Die Temperatur an den unteren Hängen sinkt und schafft eine Art „Dunstabzugshaube“ im Tal.

• Einfluss der Vegetation

  Die Anwesenheit großer Pflanzenmassen verringert die Luftverschmutzung, indem sie die Ablagerung von Partikeln erleichtert, die in den Blättern eingeschlossen werden. Darüber hinaus nimmt die Vegetation CO2 auf.

• Urbaner Einfluss (Wärmeinsel-Effekt)

  Städtische Strukturen beeinflussen die Bewegung der Luftmassen, indem sie deren Geschwindigkeit verringern oder verlangsamen und Turbulenzen bilden. Zudem entsteht der sogenannte „Heat Island Effect“ (Wärmeinsel-Effekt), der dazu führt, dass die Temperatur im Stadtinneren aufgrund der bei Verbrennungsprozessen produzierten Wärme höher ist als in der Peripherie.

Auswirkungen der Luftverschmutzung

Veränderungen in der normalen Zusammensetzung der Luftkomponenten führen zu unerwünschten Wirkungen bei lebenden Organismen. Je nach Spektrum können wir von lokalen, regionalen oder globalen Effekten sprechen.

Das Ausmaß und die Art der Wirkung werden durch die Art der Schadstoffe, deren Konzentration und die Einwirkzeit beeinflusst. Die Effekte betreffen Pflanzen, Tiere, die menschliche Gesundheit und Materialien.

Lokale Effekte: Smog-Bildung

Die wichtigsten lokalen Effekte sind jene, die durch einzelne Schadstoffe verursacht werden, sowie die Bildung von Smog (Nebelbildung). Smog ist eine typische Erscheinung der Umweltverschmutzung, bei der die Beziehung zwischen Wetter und Verschmutzung deutlich wird.

Schwefeldioxid-Smog (London-Smog)

Der Schwefeldioxid-Smog (oder „nasser Smog“) wurde im Zuge des schweren Verschmutzungsprozesses in London untersucht, bei dem rund 4.700 Menschen starben. Er entsteht durch die hohe Konzentration von Feinstaub in städtischen Gebieten. Er manifestiert sich als braun-grauer Dunst über der Stadt und führt zu respiratorischen Veränderungen.

Photochemischer Smog (Los-Angeles-Smog)

Der photochemische Smog entsteht durch die Anwesenheit von Oxidantien in der Atmosphäre, die aus photochemischen Reaktionen von Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff resultieren. Dieser Prozess wird durch antizyklonale Wetterlagen, starke Sonneneinstrahlung und leichten Wind verstärkt und ist durch das Vorhandensein von Dunst gekennzeichnet.

Die photochemischen Reaktionen, die für die Produktion von Photooxidantien verantwortlich sind, sind zahlreich, komplex und nicht vollständig bekannt. Sie umfassen:

1. Bildung von Ozon (O₃) aus dem photolytischen NO₂-Zyklus.
2. Bildung aktiver freier Radikale aus Kohlenwasserstoff-Radikalen, die NO zu NO₂ oxidieren.
3. Bildung von PAN (Peroxyacetylnitrat).

Freie Radikale reagieren miteinander, mit primären Schadstoffen oder anderen Bestandteilen der Luft und bilden ein komplexes Gemisch von Oxidantien.

Regionale Effekte: Saurer Regen

Schadstoffe können in der Nähe von Emissionsquellen oder in abgelegenen Gebieten auf die Erdoberfläche zurückkehren (grenzüberschreitende Luftverschmutzung). Der Begriff Saurer Regen bezieht sich auf die Rückkehr von Schwefel- und Stickoxiden, die in die Atmosphäre freigesetzt wurden, gelöst als Säure in Regentropfen.

Das Phänomen beginnt, wenn Schwefel und Stickstoff aus fossilen Brennstoffen durch Verbrennungsprozesse in die Atmosphäre freigesetzt werden. Diese werden transportiert und kehren auf zwei Arten zur Erdoberfläche zurück:

• Trockene Deposition: In gasförmiger Form oder als Aerosole.
• Nasse Deposition: Die Stoffe verbleiben in der Atmosphäre und durchlaufen einen Oxidationsprozess, der Schwefelsäure (H₂SO₄) und Salpetersäure (HNO₃) bildet.

Die Intensität des sauren Regens hängt von der Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen, der Anwesenheit von Feuchtigkeit in der Atmosphäre und der Dynamik der Atmosphäre ab, welche die Ionen über kurze oder lange Strecken transportiert. Die Auswirkungen des sauren Regens sind offensichtlich.