Atmospharische Spurenstoffe und ihr physikalisch-chemisches Verhalten: Ein Beitrag zur Umweltforschung

270 Pages·1985·6.022 MB·German

by  J. Löbel (auth.), Prof. Dr. K. H. Becker, Dr. J. Löbel (eds.)

Atmospharische Spurenstoffe
und ihr pysikalisch
chemisches Verhalten
Ein Beitrag zur Umweltforschung
Herausgegeben von K H. Becker und 1. Lobel
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York Tokyo
Prof. Dr. K H. Becker
Bergische UniversWit
Gesamthochschule Wuppertal
Physikalische Chemie/FB 9
GauBstraBe 20
5600 Wuppertall
Dr. lL6bei
VDI-Kommission
Reinhaltung der Luft
Graf-Recke-StraBe 84
4000 Dusseldorf 1
CIP-Kurzti telaufnahme der Deutschen Bibliothek
Atmospharische Spurenstoffe und ihr physikalisch
chemisches Verhalten: ein Beitrag zur Umweltforschung
hrsg. von K.B. Becker u. 3. LObel
Berlin; Heidelberg; NewYork~ Tokyo: Springer 1985
NE, Karl H. (Hrsg.)
ISBN -13: 978-3-540-15503-4 e-ISBN -13 :978-3-642-70531-1
DOl: 10.1007/978-3-642-70531-1
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© Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1985
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gebung als frei zu betrachten waren und daher Yonjedermann benutzt werden durften.
2154/3020-543210
Vorwort
Wegen der in Mitteleuropa beobachteten Waldschaden, fUr die vor allem die Luftver
schmutzung verantwortlich gemacht wird, hat sich das Interesse am physikalisch
chemischen Verhalten von Spurenstoffen in der Atmosphare erheblich verstiirkt. Hauftg
feWt jedoch selbst bei Umweltexperten das notwendige Grundwissen iiber die wich
tigsten physikalisch-chemischen Zusammenhange der Umwandlung und Ausbreitung
von atmosphiirischen Spurenstoffen. Dieses Grundwissen ist fUr eine objektive Dis
kussion und Bewertung der Wirkungen von prirniiren und sekundiiren Luftschadstoffen
auf die menscWiehe Gesundheit, Okosysteme etc. unerliiBlich.
Zur Vermittlung solcher Kenntnisse iiber die Grundlagen und experirnentellen
Methoden der Luftchemie entstand dieses Buch zunachst als Materialiensammlung fUr
ein Fortbildungsseminar irn Rahmen des VDI-Bildungswerkes. Das Seminar hat bisher
dreirnal mit reger Beteiligung aus Industrie, Wissenschaft und Behorden stattgefunden.
In demjetzt vorliegenden Buch haben zwolf Autoren,jeder als Experte aufTeilgebieten
der Luftchemie, aus ihrer jeweiligen Sieht einen Beitrag zum Thema »Atmosphiirische
Spurenstoffe und ihr physikalisch-chemisches Verhalten« zur Verftigung gestellt. Dabei
wurden neueste Forschungsergebnisse beriicksichtigt sowie Wert auf die didaktischen
Erfordernisse bei der Abhandlung des Stoffes gelegt. Das Buch wendet siehan Naturwis
senschaftler, Ingenieure und andere FacWeute, die auf dem Gebiet der Luftreinhaltung
und fUr den allgemeinen Umweltschutz tiitig sind. Daneben sollen auch Hochschullehrer
und Studenten angesprochen werden, die in ihren Studiengangenje nach Schwerpunkt
Inhalte der Luftchemie beriicksichtigen miissen.
Ein besonderes Anliegen wird darin gesehen, die physikalisch-chemischen Zusammen
hange ebenfalls fUr Niehtspezialisten verstiindlich darzulegen. In diesem Sinne ist das
Buch allerdings kein umfassendes, nach einheitlichem Muster angefertigtes Lehrbuch.
Die Verfasser hoffen, daB sie mitihren Beitragen die Versachlichung der Diskussion iiber
Ursachen und okologische Folgen der Luftverschmutzung unterstiitzen, ihr Buch stellt
damit »Einen Beitrag zu Umweltfragen« dar.
Dem Springer-Verlag sei vielmals fUr die fOrderliehe Zusammenarbeit beirn Zustande
kommen des Buches gedankt.
Karl H. Becker
Jiirgen Lobel
Autorenverzeichnis
Becker, Prof. Dr. K H. Lobel, Dr. 1.
Bergische Universitiit - VDI-Kommission
Gesamthochschule Wuppertal Reinhaltung der Luft
Physikalische Chemie/PB 9 Graf-Recke-StraBe 84
GauBstraBe 20 4000 Dusseldorf 1
5600 Wuppertall Tel. [phone]
Tel. [phone]
NieBner, Dr. R.
Ehhalt, Prof. Dr. D. H. Universitiit Dortmund
KF A Julich - Institut fUr Chemie 3 Abt. Anorg. Chemie
Postfach 1913 Postfach 500500
5170 Jillich 4600 Dortmund 50
Tel. [phone] Tel. [phone]
Georgii, Prof. Dr. H.-W. Roth, Dr. Ernst-Peter
Institut fUr Meteorologie und Geophysik Universitiit Essen - GHS
der Universitiit Frankfurt FB 8 -Phys. und Theoret. Chemie
FeldbergstraBe 47 UniversitiitsstraBe 5
6000 Frankfurt/Main 4300 Essen
Tel. [phone] Tel. [phone]
Herbert, Prof. Dr. F. Schurath, Prof. Dr. U.
UniversiHit Frankfurt Universitiit Bonn
Institut fUr Meteorologie und Geophysik Institut fUr Physikalische Chemie
FeldbergstraBe 47 Wegeler StraBe 12
6000 Frankfurt/Main 5300 Bonn
Tel. [phone] Tel. [phone]
Klockow, Prof. Dr. D. Spumy, Prof. Dr. K
Universitiit Dortmund Fraunhofer-Institut fUr Toxikologie
Abt. Anorg. Chemie und Aerosolforschung
Postfach 500500 5948 Schmallenberg-Grafschaft
4600 Dortmund 50 Tel. [phone]
Tel. [phone]
Stuhl, Prof. Dr. F.
Kramm, Dr. G. Ruhr-Universitiit
Universitiit Frankfurt Physikalische Chemie I
Institut fUr Meteorologie und Geophysik Postfach 102148
FeldbergstraBe 47 4630 Bochum 1
6000 Frankfurt/Main Tel. [phone]
Tel. [phone]
Inhaltsverzeichnis
Emission von Spurenstoffen
1. Lobel . .......... .
Physikalisch-chemische Eigenschaften der reinen und
verschmutzten Atmosphare
K.HBecker ...................... . 11
Grundlagen der chemischen Kinetik
U. Schurath. . . . . . . . . . . . . . . 28
Radikale in der reinen und verschmutzten Atmosphare
F. Stuhl .......................... . 46
Chemische Reaktionen von S02, NOx und organischen Verbindungen
U. Schurath. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Chemische Reaktionen in der Stratosphare
D.HEhhalt ................ . 77
Grundlagen der Aerosolphysik und Aerosolchemie
K. R. Spumy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Chemische Reaktionen von Gasen und Aerosolen in Regen-und
Wolkentropfen und ihre feuchte und trockene Deposition
H-W Georgii ..................................... 129
Atmospharische Spurenstoffe im Niederschlagwasser:
Konzentration und chemisches Verhalten
R. NiejJner und D. Klockow . . . . . . . . . . . . 153
Diffusionsvorgange in der unteren Atmosphare
1. Lobel . ..................... . 170
Trockene Deposition reaktionstrager Substanzen, beschrieben
mit einem diagnostischen Simulationsmodell der bodennahen
Luftschicht
F. Herbert und G. Kramm . . . . . . . . . . . . . . . 190
Theoretische Grundlagen der Aerosol-Scavenging
Modellierung
F.Herbert . .................... . 210
Modellrechnungen zur Chemie der Atmosphare
E.-FRoth . .................... . 233
Chemische Umsetzungen in Ausbreitungsrechnungen
E.-FRoth . ........................ . 244
Emission von Spurenstoifen
J. Lobel
Luftchemische Umwandlungen von Spurenstoffen finden wah rend ihres ganzen Weges
durch die Atmosphare statt. Die Luftchemie ware also wie folgt in die in der
Luftreinhaltung Ubliche Kausalkette einzuordnen:
Emission Transmission Immission
~ ~
{Ausbreitun~/Transport~
J
Luftchemie
Folgerichtig gehoren auch die Vorgange, die kurz mit feuchter oder nasser Depo
sition (engl. "wet deposition") bezeichnet werden, zur Luftchemie, wahrend die
trockene Deposition (i'dry deposition") eher der Immission bzw. der Grenzschicht
meteorologie zuzuordnen ist. Die Umwandlungsprozesse, die in Wolken, Regen und
Nebel ablaufen, sind demnach ebenfalls Gegenstand der luftchemischen Untersuchun
gen.
Die Transmission beginnt an der Austrittsoffnung fUr die Emissionen (Schornstein,
Auspuff, Lecks usw.) und endet an der einige mm dUnnen laminaren Luftschicht Uber
der Oberflache eines Rezeptors (Mensch, Tiere, Pflanzen, Boden, und
~kosysteme
Materi a lien).
Vergegenwartigt man sich die Kausalkette Emission - Transmission - Immission -
Wirkung, so folgt, daB sich die Untersuchung luftchemischer Vorgange an der Menge
und der Bedeutung der Emissionen orientieren muB. Der Luftchemiker erhofft sich
hierzu eine Auflistung aller chemischen Verbindungen, die aus den einzelnen
Quellen in einem Gebiet emittiert werden. Da luftchemische Reaktionen haufig von
der Sonnenstrahlung oder von der relativen Feuchte abhangig sind, sollten die
emittierten MassenflUsse idealerweise nach den meteorologischen Bedingungen dif
ferenziert werden, z.B. nach Jahres- und Tageszeit. DarUber hinaus mUssen die
Geschwindigkeitskonstanten und die Reaktionsprodukte der einzelnen Reaktionen
mit den Ubrigen Luftbestandteilen bekannt sein.
2
Die einzelnen emittierten Stoffe sind also nicht nur nach ihrer direkten Wirkung,
sondern auch nach der Geschwindigkeit ihrer Umwandlung und nach der Art der ent
stehenden Reaktionsprodukte zu bewerten.
Die Wirkung eines Stoffes wird haufig durch Vergleich seiner Istkonzentration c
an einem Ort x', y', z' zur Zeit t' mit einem vorgegebenen Grenzwert festgestellt.
Die lstkonzentration c (x', y', z', t') muB aus dem Emissionsmassenstrom E am
Ort x, y, z zur Zeit t mit Hilfe der Transmissionsfunktion T ermittelt werden:
c (x', y', z', t') = T (E (x, y, z, t))
Diese Transmissionsfunktion transferiert ein Luftelement durch bestimmte atmos
pharische Transportvorgange von (x, y, z, t) nach (x', y', z', t') und beschreibt
gleichzeitig die stattfindenden chemisch-physikalischen Umwandlungen des betrach
teten Stoffes:
L
T = T ((x, y, z, t) ~ (x', y', z', t'); R)
Zur Bestimmung von c mit Hilfe von T und E ist im allgemeinen Fall ein umfang
reiches System von gekoppelten Differentialgleichungen zu losen.
Dieser komplizierten Zusammenhange sollte man sich erinnern, wenn man quantita
tive Angaben der Emissionen eines Stoffes hinsichtlich der luftchemischen und
wirkungsmaBigen Relevanz bewertet. Unter Berticksichtigung dieser Gedanken solI
nun eine Ubersicht tiber die emittierten Mengen einiger Verbindungen und Stoff
klassen folgen.
Die Daten in den Tabellen wurden durch Auswertung der in Bundeslandern der Bundes
republik Deutschland vorliegenden Emissionskataster gewonnen. Beim Vergleich der
Emissionen in verschiedenen Belastungsgebieten muB beachtet werden, daB in den
einzelnen Gebieten verschiedene Erhebungs- und MeBmethoden angewendet und die
Daten mit Zeitunterschieden von einigen Jahren ermittelt worden sind.
Tabelle 1 enthalt die jahrlichen Emissionen der wichtigsten Verbindungen oder
Stoffklassen, von denen jede eine gewisse luftchemische Bedeutung hat.
3
Gebiet (jahrliche Emissionen in t/a)
Stoff Duisburg, Oberhausen, DUsseldorf, Neuss, Koln, Leverkusen,
Mulheim, Moers, Dormagen, Ratingen Dormagen, Bruhl,
Voerde u.a. u.a. HUrth, Wesseling
u.a.
CO 1618341 109284 184007
S02 210383 34563 119597
NOx (als N02) 91115 34730 71132
CS2 6
H2S 388 5 77
HCl 4169 2287 1465
HF 709 71 118
NH3 1002 86 902
Staub 201387 6528 15569
Organische Gase 172081 12846 45680
davon:
Organische Gase
aus Kfz-Verkehr 9054 6370 10388
Aromaten 1927 9496 2351
Halogenkohlen-
wasserstoffe 1979 1431 2735
Einwohner (Mio) 1,284 1,018 1,551
Flache (km2) 778 619 980
Tabelle 1: Emissionen in Belastungsgebieten in der Bundesrepublik Deutschland
4
Gebiet (jahrliche Emissionen in t/a)
Stoff Ludwigshafen, Dortmund, LUnen, Essen, Bottrop,
Frankenthal Castrop-Rauxel, Gelsenkirchen,
Herdecke u.a. Bochum, Herne
u.a.
CO 67374 510505 501320
S02 34356 126343 311894
NOx (als N02) 26970 95610 157490
CS2 7
H2S 602 426
HCl 29 1491
HF 91 4 101
NH3 1974 1991 739
Staub 10852 22683 36242
Organische Gase 15612 19385 52362
davon:
Organische Gase
aus Kfz-Verkehr 2132 10159 13661
Halogenkohlen-
wasserstoffe 1924 471 3337
Aromaten 491 1319 5546
Einwohner (Mio) 0,212 1,171 2,407
FUiche (km2) 116 791 1245
Tabelle 1: Fortsetzung