Primäre und sekundäre Schadstoffe: Quellen und Deposition

Primäre Schadstoffe in der Atmosphäre

Schwefelwasserstoff und Schwefelverbindungen: Eigenschaften: Farbloses Reaktorgas, riecht charakteristisch und ist wenig löslich.

Quellen von Schwefelverbindungen

• Natürliche Quellen: Zersetzung organischer Materie, Verteilung von Schadstoffen in Flüssen, Vulkanausbrüche (Zersetzungsprozesse von Schwefel betragen rund 70 Tonnen).
• Anthropogene (künstliche) Quellen: Faserindustrie, Raffination und Reinigung von Erdöl und Erdgas, Schmieröle, Abfallbehandlungsanlagen. Sie weisen eine starke Temperaturabhängigkeit auf und treten vor allem in Industriegebieten und Kanälen auf (weniger in Parkanlagen, wo vorrangig oxidiertes SO₂ gemessen wird). Herstellungsprozesse und Verhüttung.

Verbleib und Deposition

Reiseziel / Verbleib:

1. Oxidation zu SO₂.
2. Trockene und nasse Deposition, Absinken des geruchlosen Gases auf normale Hintergrundwerte (ca. 3 ppm).

Stickoxide und photochemischer Smog

Fotolyse: Absorption von Strahlung durch NO_x, wodurch eine Dissoziation erfolgt. J steht für die Fotolysegeschwindigkeit, K für die Bildungsgeschwindigkeit.

Bildung in Troposphäre und Stratosphäre:

• Stratosphäre: Stickoxid-Emissionen stammen vor allem aus NO-Vorläufern.
• Troposphäre: Reaktionen im nahen UV-Bereich (Ultraviolett) führen zur Entstehung von photochemischem Smog.

Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffperoxide: Farbloses, geruchloses, nicht entflammbares Gas. Entsteht anthropogen durch Explosionsmotoren, Industrieöfen und Verbrennungsanlagen.

Sekundäre Schadstoffe – Stickstoffdioxid (NO₂): Braunes bis rötliches Gas, nicht entflammbar, aber hochgiftig und wenig löslich. Entsteht durch biologische Prozesse sowie natürlich durch Vulkanausbrüche. Künstliche Entstehung bei der Herstellung von Salpetersäure, Schwefelsäure und Nitrierung organischer Produkte.

Kohlenmonoxid (CO)

Eigenschaften: Kohlenmonoxid ist farblos, geruchlos und leicht löslich in H₂O. Es besitzt eine geringere Dichte als Luft (ähnlich wie NH₃) und steigt daher in höhere Schichten auf.

Quellen von Kohlenmonoxid

• Natürliche Quellen (ca. 4.000 Mio. t/Jahr): Organischer Streuabbau, Oxidation von Methan (CH₄) durch OH-Radikale, Meeresgischt, Vulkanausbrüche und Waldbrände.
• Künstliche / anthropogene Quellen (ca. 400 Mio. t/Jahr): Unvollständige Verbrennung kohlenstoffhaltiger Materialien, schlechte Verbrennungsgemische, industrielle Prozesse und Zersetzungsvorgänge. Hauptemittenten sind Kraftfahrzeuge (Benzin- und Dieselmotoren).

Verbleib: Wird nicht ohne Weiteres deponiert, da es mäßig löslich ist; stattdessen erfolgt eine Oxidation durch OH-Radikale und Strahlung in städtischen Gebieten.

Atmosphärische Oxidations- und Depositionsprozesse

Die Oxidation verläuft homogen und heterogen für alle Schadstoffe, insbesondere für SO₂ mit weiterem gasförmigem molekularem Sauerstoff und Ozon.

Formen der Deposition

• Nasse Deposition: Rainout und Washout, nachdem SO₂ oxidiert wurde. Aufgrund der Löslichkeit erfolgt ein rascher Auswaschprozess.
• Trockene Deposition: Direkte Ablagerung an Oberflächen und Böden; der Boden fungiert als bedeutende Senke.

Bilanzen und Abbau: Kohlenmonoxid stammt zu 9,4 % aus anthropogenen Quellen, zu 3,9 % aus Ozeanen und zu 6,5 % aus sonstigen natürlichen Quellen (bezogen auf Wachstum und Abbau). Die Oxidation von Methan macht anthropogen 77,6 % und natürlich 90 % aus. In Troposphäre und Stratosphäre führt die photochemische Oxidation von NO₂ zu HNO₃ (Salpetersäure, Bestandteil des sauren Regens). Trockene Deposition ist teils noch unzureichend erforscht, während die nasse Deposition für beide Schadstoffgruppen von hoher Bedeutung ist.

Kohlenwasserstoffe und Antiklopfmittel: Erdöl und flüssige Treibstoffe bestehen vor allem aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H), deren physikalisches Verhalten von der Molekülstruktur bei Umgebungstemperatur abhängt. Antiklopfmittel wie Tetraethylblei und Tetramethylblei wurden historisch zugesetzt. Aus Sicht der Luftreinhaltung sind vor allem jene Verbindungen relevant, die bei Raumtemperatur gasförmig oder leicht flüchtig sind.

Partikel und Aerosole in der Atmosphäre

Herkunft der Partikel

• Primäre Partikel: Natürlich durch Meeresaerosole, Vulkanausbrüche, Waldbrände; anthropogen durch Verbrennung fossiler Brennstoffe und Heizanlagen.
• Sekundäre Partikel: Entstehen durch Gaskondensation aus Vorläufergasen wie SO₂ (sowohl natürlichen als auch anthropogenen Ursprungs).

Partikelbildung und Dynamik

• Keimbildung (Nukleation): Kondensation von Gasteilchen zu flüssigen oder festen Partikeln.
• Homogene Keimbildung: Kondensation reiner Gase ohne fremde Kondensationskerne.
• Heterogene Keimbildung: Kondensation an fremden Trägerteilchen oder Partikeloberflächen.
• Koagulation: Brownsche Koagulation durch ungerichtete Brownsche Teilchenbewegung und Kollision; turbulente Koagulation infolge von atmosphärischen Turbulenzen. Abhängig von meteorologischen Bedingungen und Partikelgrößenverteilung.

Oxidation von Schwefeldioxid (SO2)

Homogene Gasphasenoxidation

1. Direkte Photooxidation.
2. Oxidation durch photochemisch generierte Radikale (z. B. OH, HO₂).
3. SO₂-Radikalreaktionen thermischen Ursprungs in der Troposphäre.

Heterogene Oxidation

Findet in wässriger Phase (Tröpfchen, Wolken) oder an festen inerten Partikeloberflächen statt:

• Oxidation durch gelösten Sauerstoff in Gegenwart von Katalysatoren (Metalle haben starken Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit; gelöstes Eisen [Fe] und Mangan [Mn] sind besonders effektiv).
• Oxidation durch starke Oxidationsmittel wie Ozon (O₃) und Wasserstoffperoxid (H₂O₂) in wässrigen Wolkentröpfchen mit oder ohne Katalysatorfeuchte.
• Radikalreaktionen über thermische Bildungsreaktionen von O, O₂, O₃ und NO_x/HO₂.

Überwachungsnetzwerke zur Luftreinhaltung

Ein Surveillance-Netzwerk (Immissionsüberwachungsnetz) umfasst stationäre und mobile Messstationen für atmosphärische Schadstoffe mit dem Ziel, die Luftqualitätsniveaus an jeweiligen Standorten kontinuierlich zu erfassen.

Typen und Standorte von Messstationen

Messstellen werden nach Standortkriterien eingerichtet: städtische Hintergrundstationen, verkehrsnahe Messpunkte, industrielle Überwachungspunkte sowie ländliche Hintergrundstationen.

• Manuelle Stationen: Stationen, an denen Proben manuell vor Ort entnommen und anschließend im Labor analysiert werden.
• Automatische Stationen: Messstationen, bei denen alle oder wesentliche Schadstoffdaten kontinuierlich und automatisiert erfasst und übertragen werden.

Ziele der Luftüberwachung

• Überwachung von Grenzwerten und Kriterien zum Gesundheitsschutz der Bevölkerung.
• Einhaltung gesetzlicher Standards und Umweltrichtlinien (z. B. EU-Richtlinien).
• Förderung des wissenschaftlichen Informationsaustauschs und Bereitstellung von Labordaten.
• Öffentlichkeitsinformation, Warnsysteme und Smog-Beschilderung.
• Identifikation von Ursachen, Trends und Verursacheranteilen der Luftverschmutzung.