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Eine Frage der Chemie

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Die Chemie unserer Atmosphäre ist komplex. Die Atmosphäre besteht aus Schichten mit unterschiedlichen Dichten und chemischen Zusammensetzungen. Wir haben Professor David Fowler vom Centre for Ecology & Hydrology of the Natural Environment Research Council im Vereinigten Königreich zu den Luftschadstoffen und chemischen Prozessen in unserer Atmosphäre befragt, die Auswirkungen auf unsere Gesundheit und Umwelt haben.

 Image © Greta De Metsenaere

Sind für die Umwelt alle Gase wichtig?

Viele Gase in der Luft sind aus chemischer Sicht nicht besonders wichtig. Manche Spurengase wie Kohlendioxid und Distickstoffoxid (Lachgas) sind in der Luft reaktionsträge und werden deshalb als langlebige Gase kategorisiert. Der Hauptbestandteil von Luft - Stickstoff - ist ebenfalls hauptsächlich reaktionsträge in der Atmosphäre. Langlebige Spurengase sind auf der ganzen Welt in etwa der gleichen Konzentration vorhanden. Wenn man sich Proben aus der nördlichen und südlichen Hemisphäre anschauen würde, gäbe es keine großen Unterschiede in Bezug auf die Menge an Gasen in der Luft.

Jedoch sind die Konzentrationen anderer Gase wie Schwefeldioxid, Ammoniak und die auf Sonnenlicht empfindlich reagierenden Photooxidantien wie Ozon viel variabler. Diese chemisch sehr reaktiven Gase stellen ein Risiko für die Umwelt und Gesundheit des Menschen dar. Da sie so schnell in der Atmosphäre reagieren und nicht lange in ihrer ursprünglichen Form verbleiben, werden sie als kurzlebige Gase bezeichnet. Sie reagieren schnell unter Bildung anderer Verbindungen oder werden durch Ablagerung auf den Boden entfernt. Deshalb findet man sie nahe den Orten, an denen sie ausgestoßen wurden oder sich durch Reaktionen gebildet haben. Die Darstellung mit Fernerkundungssatelliten zeigt hohe Konzentrationen dieser kurzlebigen Gase in manchen Teilen der Welt, vor allem in industrialisierten Gebieten.

Wie können kurzlebige Gase Probleme für  Luftqualität und Umwelt verursachen?

Viele dieser kurzlebigen Gase sind für den Menschen und die Vegetation giftig. Außerdem werden sie in der Atmosphäre schnell in andere Schadstoffe umgewandelt, einige durch das Sonnenlicht. Die Energie der Sonne kann viele dieser reaktiven kurzlebigen Gase in neue chemische Verbindungen auftrennen. Stickstoffdioxid ist hierfür ein gutes Beispiel. Stickstoffdioxid entsteht hauptsächlich durch die Verbrennung von Kraftstoffen; sei es das Benzin für Autos oder Stromkraftwerke, die Gas und Kohle verbrennen. Wenn Stickstoffdioxid dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, wird es in neue chemische Verbindungen aufgetrennt: Stickoxide und eine Verbindung, die Chemiker atomaren Sauerstoff nennen. Atomarer Sauerstoff ist einfach ein Sauerstoffatom. Der atomare Sauerstoff reagiert mit molekularem Sauerstoff (zwei Sauerstoffatome, die als O2-Moleküle verbunden sind), um Ozon (O3) zu bilden, das für Ökosysteme und Menschen giftig ist und einer der wichtigsten Schadstoffe in allen industrialisierten Ländern ist.

Aber haben wir in den Achtzigern nicht Ozon gebraucht, um uns vor zu viel Sonneneinstrahlung zu schützen?

Das ist richtig. Aber das Ozon in der Ozonschicht ist in der Stratosphäre in einer Höhe von 10 km bis 50 km über der Erdoberfläche, wo es einen Schutz vor der UV-Strahlung bietet. Das Ozon in niedrigeren Höhen – gewöhnlich bodennahes Ozon genannt – stellt ein Risiko für die Gesundheit des Menschen, für die Ernten und andere empfindliche Vegetationen dar.

Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel. Es dringt durch kleine Poren in den Blättern in die Pflanzen ein. Es wird von der Pflanze absorbiert und bildet freie Radikale — instabile Moleküle, die Membranen und Eiweiße schädigen. Pflanzen besitzen raffinierte Mechanismen, um mit freien Radikalen umzugehen. Wenn eine Pflanze jedoch einen Teil der Energie, die sie vom Sonnenlicht und aus der Photosynthese bezieht, für die Reparatur des durch die freien Radikale verursachten Zellschadens aufbringen muss, hat sie weniger Energie, um zu wachsen. Wenn Pflanzen Ozon ausgesetzt sind, sind sie also weniger produktiv. In ganz Europa, Nordamerika und Asien werden die agrarwirtschaftlichen Erträge durch Ozon verringert.

Die Chemie von Ozon im Menschen ähnelt sehr der Chemie von Ozon in Pflanzen. Anstatt durch die Poren in der Pflanzenoberfläche dringt das Ozon jedoch durch das Lungenfell ein. Es erzeugt freie Radikale im Lungenfell und schädigt die Lungenfunktion. Menschen mit Atemstörungen sind also am meisten von Ozon betroffen. Wenn man sich die Statistiken anschaut, sieht man, dass in Zeiträumen mit hohen Ozonwerten die tägliche Todesrate bei Menschen ansteigt.

Wenn diese Gase also kurzlebig sind, sollte dann eine drastische Reduzierung der Stickstoffdioxidemissionen nicht zu einer schnellen Senkung der Ozonwerte führen?

Im Prinzip, ja. Wir könnten die Emissionen reduzieren und die Ozonwerte würden sinken. Ozon wird jedoch direkt über der Erdoberfläche bis in Höhen von etwa 10 km gebildet. Es gibt also eine Menge Hintergrundkonzentrationen an Ozon da oben. Wenn wir die Freisetzung völlig stoppen würden, würde es etwa einen Monat dauern, bis das Ozon auf die natürlichen Werte sinken würde.

Aber selbst wenn Europa die Emissionen auf diese Weise angehen würde, würde es die Ozonbelastung nicht wirklich reduzieren. Ein Teil des Ozons in Europa stammt von dem Ozon, dass durch Emissionen in Europa gebildet wird. Europa ist jedoch auch Ozon ausgesetzt, das aus China, Indien und Nordamerika kommt. Stickstoffdioxid selbst ist ein kurzlebiges Gas, aber das daraus entstehende Ozon ist länger beständig und hat deshalb Zeit, durch Winde um die Welt getragen zu werden. Eine einseitige EU-Entscheidung würde ein paar der Höchstwerte der Ozonproduktion in Europa reduzieren. Es würde jedoch nur einen kleinen Beitrag zum weltweiten Vorkommen leisten, da Europa nur einer von vielen Verursachern ist.

Europa, Nordamerika, China, Indien und Japan haben alle ein Ozonproblem. Selbst die sich schnell entwickelnden Länder wie Brasilien (wo Biomasse-Verbrennung und Fahrzeuge Vorläufergase des Ozons freisetzen) haben ein Ozonproblem. Die saubersten Gebiete auf der Erde in Bezug auf die Ozonbildung sind die entlegenen Gebiete der Ozeane.

ImaginAIR: Air and health

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

Ist Ozon die einzige besorgniserregende Quelle?

Aerosole sind der andere Hauptschadstoff und wichtiger als Ozon. Aerosole sind in diesem Sinne nicht das, was sich Verbraucher unter Aerosolen vorstellen - wie Deos und Möbelsprays, die man im Supermarkt kaufen kann. Für Chemiker sind Aerosole kleine Partikel in der Atmosphäre, die auch als Feinstaub (PM = Particulate Matter) bezeichnet werden. Sie können fest oder flüssig sein und manche der Partikel werden in feuchter Luft zu Tröpfchen und kehren wieder in den festen Zustand zurück, wenn die Luft trocknet. Aerosole werden mit einer höheren Sterblichkeit von Menschen in Verbindung gebracht. Die am meisten gefährdeten Menschen sind jene mit Atemwegsproblemen. Feinstaub in der Atmosphäre beeinträchtigt die Gesundheit stärker als Ozon.

Viele der vom Menschen verursachten Schadstoffe werden als Gase ausgestoßen. Zum Beispiel wird Schwefel gewöhnlich als Schwefeldioxid (SO2) ausgestoßen, wohingegen Stickstoff als Stickstoffdioxid (NO2) und/oder Ammoniak (NH3) freigesetzt wird. Aber sobald sie in der Atmosphäre sind, verwandeln sich diese Gase in Partikel. Dieser Prozess wandelt Schwefeldioxid in Sulfatpartikel, die nicht größer als der Bruchteil eines Mikrometers sind.

Wenn in der Luft genügend Ammoniak vorhanden ist, reagiert dieses Sulfat und wird zu Ammoniumsulfat. Wenn man sich die Luft in Europa vor 50 Jahren anschaut, war Ammoniumsulfat eine sehr häufig vorkommende Verbindung. In Europa haben wir die Schwefelemissionen jedoch deutlich reduziert — um etwa 90 % seit den Siebzigern.

Doch obwohl wir die Schwefelemissionen reduziert haben, haben wir die Ammoniakemissionen nicht annähernd so stark verringert. Dies bedeutet, dass Ammoniak in der Atmosphäre mit anderen Substanzen reagiert. Zum Beispiel bildet NO2 in der Atmosphäre Salpetersäure und diese Salpetersäure reagiert mit Ammoniak und bildet Ammoniumnitrat.

Ammoniumnitrat ist äußert flüchtig. Weiter oben in der Atmosphäre ist Ammoniumnitrat ein Partikel oder ein Tropfen, aber an einem warmen Tag und näher an der Erdoberfläche teilt sich das Ammoniumnitrat in Salpetersäure und Ammoniak auf, die sich beide schnell auf der Erdoberfläche ablagern.

Was geschieht, wenn sich Salpetersäure auf der Erdoberfläche ablagert?

Salpetersäure gibt der Erdoberfläche zusätzlichen Stickstoff und wirkt effektiv als Dünger für unsere Pflanzen. Auf diese Weise düngen wir die natürliche Umgebung in Europa durch die Atmosphäre auf die gleiche Art und Weise, wie Bauern ihre Äcker düngen. Der zusätzliche Stickstoff, der die natürliche Landschaft düngt, führt zu einer Versauerung und erhöhten Distickstoffemissionen, steigert aber auch das Wachstum der Wälder und ist somit schädigend und vorteilhaft zugleich. Die größte Auswirkung des abgelagerten Stickstoffs auf die natürliche Landschaft ist die zusätzliche Nährstoffversorgung natürlicher Ökosysteme. Dadurch wachsen und gedeihen die stickstoffhungrigen Pflanzen sehr schnell und verdrängen die langsamer wachsenden Arten. Dies führt zu einem Verlust spezialisierter Arten, die sich an ein Klima mit geringerer Stickstoffkonzentration angepasst haben. In Europa können wir bereits eine Veränderung der Artenvielfalt in der Flora beobachten, die durch das Düngen des Kontinents über die Atmosphäre verursacht wird.

ImaginAIR: Air and health (flower)

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

„Jeder von uns versucht, in unserer Umwelt die optimalen Bedingungen für unser Wohlbefinden zu schaffen. Die Qualität der Luft, die wir atmen, hat erheblichen Einfluss auf unser Leben und unser Wohlbefinden.“ Cesarino Leoni, Italien

Wir haben uns mit den Schwefelemissionen und der Ozonschicht befasst. Warum nicht auch mit Ammoniak?

Ammoniakemissionen kommen aus dem Landwirtschaftssektor und vor allem der intensiven Milchviehhaltung. Urin und Mist von Kühen und Schafen auf den Feldern führt zu Ammoniakemissionen in die Atmosphäre. Ammoniak ist sehr reaktiv und lagert sich schnell auf der Landschaft ab. Außerdem bildet es Ammoniumnitrat und ist ein wichtiger Verursacher von Feinstaub in der Atmosphäre - und wird mit Gesundheitsproblemen beim Menschen in Verbindung gebracht. Das meiste Ammoniak, das wir in Europa ausstoßen, lagert sich auch in Europa ab. Es bedarf eines stärkeren politischen Willens, um Kontrollmaßnahmen einzuführen, durch die die Ammoniakemissionen reduziert werden.

Interessanterweise war bei Schwefel dieser politische Wille sofort da. Ich denke, dies ging teilweise auf ein Gefühl moralischer Verpflichtung zurück, das die großen emissionsverursachenden Länder Europas gegenüber den darunter leidenden Ländern Skandinaviens hatten, wo die meisten Probleme mit Säureeinträgen auftraten.

Um die Ammoniakemissionen zu reduzieren, müsste man den Agrarsektor anvisieren und Agrarlobbies sind in politischen Kreisen sehr einflussreich. In Nordamerika verhält es sich ebenso. Auch dort gibt es ein großes Problem mit den Ammoniakemissionen, und auch dort wird nichts dagegen getan.

Professor David Fowler vom Centre for Ecology & Hydrology of the Natural Environment Research Council im Vereinigten KönigreichDavid Fowler

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