Luft: Chemie, Physik, Biologie, Reinhaltung, Recht
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| Beteilige Person: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
de Gruyter
2003
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| Umfang: | XXIII, 750 S. Ill., graph. Darst. 25 cm |
| ISBN: | 3110164310 |
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| adam_text | Inhalt
E
Einführung............................................................... 1
1 Herkunft von Luftspurenstoffen ....................................... 9
1.0 Historische Untersuchungen zur Luft ...................................... 9
1.1 Evolution und Zusammensetzung der natürlichen Atmosphäre ............. 12
1.1.1 Zusammensetzung der natürlichen Atmosphäre; Konzentrationsmaße ...... 12
1.1.2 Entstehung und Veränderung der Atmosphäre ............................. 16
1.1.3 Entstehung des Lebens, Biosphäre-Atmosphäre-Kopplung ................. 19
1.1.4 Vergangenes Klima (Paleoklima)........................................... 23
1.2 Natürliche Quellen von Luftbestandteilen.................................. 28
1.2.1 Biogene Quellen........................................................... 31
1.2.1.1 Kreisläufe: Pflanzen, Tiere, Boden, Ozean ................................. 31
1.2.1.2
S
tickstoffverbind
ungen
.................................................... 36
1.2.1.3 Schwefelverbindungen..................................................... 40
1.2.1.4 Kohlenmonoxid
(CO)
..................................................... 44
1.2.1.5 Methan (CH^............................................................. 45
1.2.1.6 Andere organische Verbindungen (NMVOC)............................... 46
1.2.2
Geogene
Quellen.......................................................... 50
1.2.2.1 Bodenstaub ............................................................... 51
1.2.2.2 Seesalz .................................................................... 54
1.2.2.3 Vulkanismus .............................................................. 56
1.2.2.4 Biomasseverbrennung ..................................................... 60
1.2.2.5 Gewitter .................................................................. 63
1.2.3 Sekundäre Quellen ........................................................ 63
1.2.4 Zusammenfassung globaler Emissionen .................................... 64
1.3 Belastete Luft ............................................................. 67
1.3.1 Historische Aspekte ....................................................... 70
1.3.2 Übersicht der anthropogenen Quellen von Luftbestandteilen ............... 78
1.3.2.1 Chemische Prozesse (Industrie, Verkehr, Kommunalbereich)................ 79
1.3.2.2 Biologische Prozesse (Landwirtschaft, Deponie, Kommunalbereich) ........ 87
1.3.3 Trends .................................................................... 89
1.3.4 Zusammenfassung globaler Emissionen .................................... 102
1.3.5 Zukünftiges Klima ........................................................ 105
2 Physikalisch-chemische Grundlagen der Luft.......................... 109
2.0 Einführung ................................................................ 109
2.1 Phänomenologie der Luft .................................................. 112
2.1.1 Der Aufbau der Atmosphäre .............................................. 112
2.1.1.1 Skalierung................................................................. 112
2.1.1.2 Der vertikale Aufbau der Atmosphäre ..................................... 115
XVIII
Inhalt
2.1.2 Die meteorologischen Elemente............................................ 119
2.1.2.1 Der Atmosphärendruck ................................................... 120
2.1.2.2 Die Lufttemperatur ....................................................... 122
2.1.2.3 Die Luftfeuchtigkeit ....................................................... 123
2.1.2.4 Die Windgeschwindigkeit.................................................. 124
2.1.2.5 Die Strahlung ............................................................. 125
2.1.3 Wolken, Nebel und Niederschlag .......................................... 131
2.1.3.1 Wolken ................................................................... 133
2.1.3.2 Nebel ..................................................................... 134
2.1.3.3 Niederschlag .............................................................. 136
2.1.3.4 Tropfencharakteristik (Anzahl, Volumen, Oberfläche) ...................... 137
2.1.4 Luftmassen ............................................................... 140
2.2 Optik der Atmosphäre (Strahlung)......................................... 141
2.2.1 Strahlungsgesetze.......................................................... 142
2.2.1.1 Wärmestrahlung und thermisches Gleichgewicht ........................... 142
2.2.1.2 Das Plancksche Strahlungsgesetz .......................................... 142
2.2.1.3 Das Stefan-Boltzmann-Gesetz.............................................. 144
2.2.2 Grundlagen der Strahlungsabsorption ..................................... 146
2.2.3 Solare und terrestrische Strahlung; Strahlungsbilanz ....................... 148
2.2.4 Zur Energiebilanz der Erde - Energiequellen für die Menschheit........... 152
2.3 Mechanik der Atmosphäre ................................................ 153
2.3.1 Die wirksamen atmosphärischen Kräfte.................................... 155
2.3.2 Strömungen ............................................................... 157
2.3.2.1 Beschreibung von Strömung ............................................... 157
2.3.2.2 Die laminare und turbulente Strömung .................................... 158
2.3.3 Kinetische Gastheorie ..................................................... 161
2.3.3.1 Einführung und Grundgleichung .......................................... 161
2.3.3.2 Die mittlere freie Weglänge ................................................ 163
2.3.3.3 Die irrown sche Molekularbewegung....................................... 164
2.3.4 Diffusion.................................................................. 165
2.3.5 Aerosolmechanik (Partikeldynamik) ....................................... 168
2.4 Thermodynamik der Atmosphäre.......................................... 171
2.4.1 Eigenschaften der Gase (ideale Gase) ...................................... 172
2.4.2 Zustandsänderungen und erster Hauptsatz der Thermodynamik............ 174
2.4.3 Thermochemie ............................................................ 176
2.4.4 Entropie und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik ...................... 178
2.4.5 Das chemische Potenzial .................................................. 181
2.4.6 Eigenschaften von Flüssigkeiten (Tropfen) ................................. 182
2.4.6.1 Dampfdruck (Zfe/v/n-Gleichung) ........................................... 184
2.4.6.2 Oberflächenspannung...................................................... 187
2.4.6.3 Lösungen ................................................................. 189
2.4.7 Gleichgewichte ............................................................ 196
2.4.7.1 Gleichgewichtskonstante................................................... 196
2.4.7.2 Phasengleichgewichte (tferzry-Gleichgewicht) ............................... 198
2.4.7.3 Protolysegleichgewichte.................................................... 200
2.5 Reaktionskinetik .......................................................... 203
2.5.1 Kinetische Grundgleichungen.............................................. 204
2.5.2 Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante............................... — 207
2.5.3 Radikale .................................................................. 210
Inhalt XIX
2.5.4 Photochemie .............................................................. 212
2.5.4-1 Elektronische Struktur von Atomen und Molekülen ....................... 212
2.5.4-2 Angeregte Zustände von Atomen und Molekülen sowie Übergänge ........ 216
2.5.4-3 Kinetik der
Photolyse
..................................................... 219
2.5.5 Katalytische Reaktionen................................................... 224
2.5.6 Verweilzeit atmosphärischer Spurenstoffe (Teil 1)........................... 225
2.6 Aggregatzustände und Phasenübergänge ................................... 227
2.6.1 Eigenschaften fester Partikel (atmosphärisches Aerosol) .................... 227
2.6.1.1 Größenverteilungen ....................................................... 229
2.6.1.2 Partikelbildung (homogene Nukleation; gas-to-particle Umwandlung) ...... 233
2.6.1.3 Hygroskopizität (Bildung von Wolkenkondensationskernen)................ 235
2.6.1.4 Tropfenbildung (heterogene Nukleation) ................................... 237
2.6.2 Eigenschaften von Oberflächen ............................................ 238
2.6.2.1 Adsorption................................................................ 238
2.6.2.2 Oberflächenaktive Substanzen ............................................. 240
2.6.3 Multiphasenprozesse ...................................................... 242
2.6.3.1 Stoffübergang zwischen Gasphase und Teilchenoberfläche .................. 242
2.6.3.2 Kinetik eines Oberflächenprozesses ........................................ 246
2.6.3.3 Stoffübergang Gas-Tropfen mit Flüssigphasenreaktion ..................... 248
3 Deposition von Luftspuren
stoffen
...................................... 255
3.0 Einführung................................................................ 255
3.1 Trockene Deposition ...................................................... 258
3.1.1 Mechanismus der trockenen Deposition ................................... 258
3.1.2 Widerstandsmodell der trockenen Deposition .............................. 261
3.2 Nasse Deposition ......................................................... 266
3.3 Deposition durch Impaktion............................................... 269
3.4 Daten zur trockenen und nassen Deposition ............................... 271
3.5 Verweilzeit atmosphärischer Spurenstoffe (Teil 2)........................... 276
4 Troposphärenchemie .................................................... 281
4.0 Einführung................................................................ 281
4.1 Gasphasenchemie ......................................................... 286
4.1.1 Oxidantienchemie bei Abwesenheit von Spurenstoffen...................... 288
4.1.2 Oxidantienchemie bei Anwesenheit von NOX, aber Abwesenheit von
CO
und VOC ................................................................. 292
4.1.3 Oxidantienchemie bei Anwesenheit von
CO
und VOC, aber Abwesenheit
von NOX .................................................................. 294
4.1.4 Oxidantienchemie bei Anwesenheit von NOX,
CO
und VOC................ 296
4.1.5 Weitere photochemisch wichtige Reaktionen ............................... 298
4.1.6 NO.-NOy-Chemie ......................................................... 300
4.1.7 Chemie organischer Verbindungen ......................................... 306
XX
Inhalt
4.1.7.1 Alkane, Aldehyde, Alkohole und Carbonsäuren ........................... 307
4.1.7.2 Alkene, Isopren und
Terpene
.............................................. 309
4.1.7.3 Aromatische Verbindungen ................................................ 314
АЛЛА
Oxidationspotenzial ....................................................... 315
4.1.8 S-Chemie ................................................................. 316
4.1.8.1 Schwefeldioxid ............................................................ 317
4.1.8.2 Reduzierte Schwefelverbindungen.......................................... 318
4.2 Azidität ................................................................... 324
4.2.1 Theorie der Säuren und Basen............................................. 325
4.2.2 Das Konzept der Azidität in der Flüssigphase ............................. 329
4.2.3 Zur Rolle von Kohlendioxid und Karbonat ................................ 332
4.2.4 Aziditätspotenzial ......................................................... 334
4.3 Flüssigphasenchemie ...................................................... 336
4.3.1 Rolle von Übergangsmetallionen .......................................... 337
4.3.2 Oxidantienchemie ......................................................... 339
4.3.3 Flüssigphasenchemie von S(IV) ............................................ 345
4.3.3.1 S(IV)-Oxidation durch H2O2 und organische Peroxide (ROOH) ............ 348
4.3.3.2 S(IV)-Oxidation durch O3 ................................................. 350
4.3.3.3 S(IV)-Oxidation durch Radikale (OH, NO3) und
TMI
..................... 352
4.3.4 Flüssigphasenchemie von N-Verbindungen ................................. 355
4.3.5 Organische Verbindungen ................................................. 356
4.4 Chemie in Wolken, Nebel und Niederschlag (Multiphasenchemie) .......... 357
4.4.1 Multiphasenchemie von Ozon ............................................. 360
4.4.2 Multiphasenchemie von Wasserstoffperoxid ................................ 366
4.4.3 Multiphasenchemie von Schwefeldioxid .................................... 372
4.4.4 Multiphasenchemie von
H
alogen
Verbindungen ............................. 377
4.4.4.1 Chlorid (Seesalz) .......................................................... 378
4.4.4.2 Sonstige Halogenverbindungen ............................................ 383
4.4.5 Chemische Zusammensetzung von Niederschlägen ......................... 388
4.4.5.1 Trends der Azidität........................................................ 390
4.4.5.2 Niederschlagschemie am Beispiel der Station Seehausen .................... 393
4.4.5.3 Chemische Zusammensetzung von Niederschlag in verschiedenen Regionen
der Erde .................................................................. 400
4.4.6 Chemische Zusammensetzung von Wolken ................................. 405
4.4.6.1 Brocken-Wolkenchemie.................................................... 407
4.4.6.2 Chemische Zusammensetzung von Wolken in verschiedenen Regionen der
Erde ...................................................................... 415
4.4.6.3 Wolkenchemische Untersuchungen in Europa .............................. 416
4.4.7 Chemische Zusammensetzung von Nebel .................................. 417
5 Stratosphärenchemie .................................................... 421
5.0 Einführung................................................................ 421
5.1 O.-Chemie ................................................................ 423
5.2 C—H—O-Chemie ......................................................... 426
5.3 N—O-Chemie............................................................. 429
5.4 Chemie der Halogenverbindungen ......................................... 430
Inhalt XXI
5.5 S-Chemie ................................................................. 432
5.6 Multiphasenchemie („Ozonloch) ........................................... 433
5.7 Trends der stratosphärischen Ozonkonzentration........................... 437
6 Messung von Luftspurenstoffen ........................................ 443
6.1 Allgemeine Prinzipien ..................................................... 444
6.2 Planung von Immissionsmessungen ........................................ 446
6.2.1 Analyse des Vorwissens.................................................... 446
6.2.2 Was soll gemessen werden? ................................................ 447
6.2.3 Auswahl von Messstandorten.............................................. 450
6.2.3.1 Auswahl von Hintergrundmessstandorten.................................. 450
6.2.3.2 Auswahl von Messstandorten in urbanen Ballungsgebieten aus der Sicht
der Lufthygiene ........................................................... 453
6.2.3.3 Auswahl von Messstellen im Rahmen der ökosystembezogenen Wirkungs¬
forschung ................................................................. 454
6.2.4 Messzeitraum und zeitliche Auflösung ..................................... 455
6.2.5 Auswahl der Messtechnik ................................................. 457
6.3 Verfahrenskenngrößen..................................................... 458
6.4 Qualitätssicherung......................................................... 460
6.4.1 Definition und Grundlagen ................................................ 461
6.4.2 Durchführung der Qualitätssicherung ...................................... 462
6.4.2.1 Laborinterne Maßnahmen zur Qualitätssicherung .......................... 462
6.4.2.2 Externe Maßnahmen zur Qualitätssicherung ............................... 465
6.4.2.3 Bekanntgabe nach § 26 Bundesimmissionsschutzgesetz...................... 465
6.4.2.4 Akkreditierung nach
DIN EN
45001 ...................................... 466
6.4.2.5 Ringversuche.............................................................. 467
6.4.3 Qualitätssicherung in der Atmosphärenforschung .......................... 467
6.5 Auswertung von Messwerten .............................................. 469
6.6 Prinzipien der Luftanalytik ................................................ 473
6.6.1 Probenahme von Luftspurenstoffen ........................................ 475
6.6.1.1 Passive Probenahmeverfahren ............................................. 475
6.6.1.2 Verfahren mit aktiver Probenahme......................................... 476
6.6.1.3 Probenahme gasförmiger Spurenstoffe ..................................... 478
6.6.1.4 Probenahme von Partikeln ................................................ 481
6.6.1.5 Probenahme mit Gasdiffusionsabscheidern
(Denudem)
..................... 484
6.6.1.6 Probenahme von Niederschlägen und Wolken.............................. 489
6.6.2 Messmethoden ............................................................ 491
6.6.2.1 Methoden zur kontinuierlichen Messung von Gasen ....................... 491
6.6.2.2 Chromatographische Verfahren ............................................ 492
6.6.2.3 Bestimmung von Metallen und Halbmetallen in Partikeln .................. 494
6.6.3 Fernmessverfahren ........................................................ 495
XXII Inhalt
7 Luftspurenstoffe und Luftreinigung.................................... 499
7.0 Einleitung: Problemstellung................................................ 499
7.1 Wirkungsprinzipien von Luftspurenstoffen ................................. 505
7.1.1 Atmosphärische Wirkungspotenziale....................................... 505
7.1.2 Prinzipien toxikologischer Wirkungen ..................................... 510
7.1.2.1 Oxidativer
Stress
.......................................................... 510
7.1.2.2 Vegetationsschäden........................................................ 511
7.1.2.3 Gesundheitsschäden (Mensch) ............................................. 515
7.1.2.4 Neuartige Wirkung durch das Nitratradikal (NO3) ......................... 520
7.1.3 Klimaänderung ........................................................... 522
7.1.3.1 Einfluss der ultravioletten Strahlung (UV-B) ............................... 524
7.1.3.2 Abkühlung durch streuendes Aerosol ...................................... 527
7.1.3.3 Erwärmung durch absorbierende Gase (Treibhauseffekt) ................... 530
7.2 Luftreinhaltung ........................................................... 537
7.2.1 Prinzipien der Luftreinhaltung............................................. 537
7.2.2 Landwirtschaft ............................................................ 540
7.2.3 Energiewirtschaft (stationäre Verbrennung fossiler Rohstoffe) .............. 540
7.2.4 Transportsektor (mobile Verbrennungsquellen) ............................. 544
7.3 Luftspurenstoffe........................................................... 546
7.3.1 Schwefeldioxid ............................................................ 548
7.3.1.1 Historisches und Bedeutung ............................................... 550
7.3.1.2 Quellen ................................................................... 555
7.3.1.3 Immission................................................................. 560
7.3.2 Stickstoffoxide ............................................................ 566
7.3.2.1 Historisches und Bedeutung ............................................... 566
7.3.2.2 NO-Bildung und
-emission
................................................ 567
7.3.2.3 Immission................................................................. 572
7.3.3 Ammoniak................................................................ 575
7.3.3.1 Historisches und Bedeutung ............................................... 576
7.3.3.2 Quellen ................................................................... 577
7.3.3.3 Immission................................................................. 581
7.3.4 Ozon...................................................................... 582
7.3.4.1 Das Problem .............................................................. 582
7.3.4.2 Historisches ............................................................... 584
7.3.4.3 Der historische Anstieg des Ozons in der Troposphäre ..................... 587
7.3.4.4 Höhenabhängigkeit der Ozonkonzentration ................................ 593
7.3.4.5 Jahresgang der Ozonkonzentration und gegenwärtiger Trend ............... 595
7.3.4.6 Tagesgang der Ozonkonzentration ......................................... 599
7.3.4.7 Der Effekt von Wolken auf die Ozonkonzentration ........................ 603
7.3.4.8 Photochemische Bildung von Ozon und limitierende Parameter ............ 605
7.3.4.9 Ozon-Senken.............................................................. 609
7.3.4.10 Ozon-Budget .............................................................. 613
7.3.4.11 Schlussfolgerungen ........................................................ 618
7.3.5 Wasserstoffperoxid ........................................................ 620
7.3.5.1 Historisches ............................................................... 620
7.3.5.2 Konzentration und deren zeitliche Variabilität............................. 622
7.3.5.3 Budget: Bildung und Abbau von H2O2..................................... 625
7.3.5.4 Langzeitverhalten (Trend) ................................................. 628
Inhalt XXIII
8 Rechtliche Aspekte der Luftreinhaltung ............................... 635
8.1 Immissionsschutzrecht..................................................... 635
8.1.1 Rechtsquellen ............................................................. 635
8.1.1.1 Europarecht und Internationales Recht .................................... 636
8.1-1-2 Nationales Recht.......................................................... 640
8.2 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) ................................ 645
8.2.1 Zielsetzung, Gesetzeszweck und Geltungsbereich ........................... 645
8.2.2 Grundbegriffe und TA Luft ............................................... 647
8.2.2.1
Emissions-
und Immissionsbegriff.......................................... 647
8.2.2.2 Luftverunreinigungen und TA Luft ........................................ 647
8.2.2.3 Schädliche Umwelteinwirkungen........................................... 649
8.2.2.4 Gefahren, erhebliche Nachteile und Belästigungen bei
Luftverunreinigungen...................................................... 650
8.2.2.5 Nachbarschaft ............................................................ 650
8.2.3 Anlagenbezogener Immissionsschutz ....................................... 651
8.2.4 Produktbezogener Immissionsschutz ....................................... 652
8.2.5 Verkehrsbezogener Immissionsschutz ...................................... 653
8.2.6 Gebietsbezogener Immissionsschutz........................................ 655
8.3 Schlussfolgerungen ........................................................ 658
Anhang 1 : Gasphasenchemischer Mechanismus (RACM) ..................... 659
Anhang 2: Flüssigphasenchemischer Mechanismus............................. 671
Literatur........................................................................... 683
Namenregister..................................................................... 729
Sachregister ....................................................................... 731
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