Umweltwissenschaften (Subject) / Kapitel 12 (Lesson)

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• Smog-Episode, London 5. - 9. Dezember 1952 Leichte Winde, hohe Luftfeuchtigkeit Sichtweite im Zentrum von London unter 500m über 114 Stunden.
• Auswirkungen und Schäden der Londoner Smog-Episode ca. 4000 Tote (2/3 davon im Alter über 65 Jahre) Lungenentzündung Zusammenbruch von Bronchitis- und Tuberkulose-Erkrankten Herzinfarkt
• Meteorologische Bedingungen der Londoner Smog-Episode Langanhaltende Kälteperiode Antizyklone (Hochdruckgebiet) über Südengland Leichter Wind Klarer Himmel Feuchte bodennahe Luft Abstrahlung von Wärme vom Boden Ausbildung einer Strahlungsinversion Bildung einer Nebelschicht (Kondensation) Tiefstehende Sonne kann Nebel nicht auflösen
• Londoner Smog-Episode: Zusammenspiel verschiedener Ursachen Inversionswetterlage & Nebelbildung + Heizung mit Kohle (bedingt durch die Kälte) & Emissionen von Ruß, Staub und SO2 SO2 + H2O + 1/2 O2  →  H2SO4 Saurer Smog: wirkt schädigend auf die Atemorgane, da Schwefelsäure in Nebeltröpfchen gelöst ist und nicht als saurer Regen ausgewaschen wird Luftschadstoffe werden innerhalb der Bodenschicht (Mixing Layer) gefangen und ihre Konzentrationen bauen sich auf. → 2 Stressoren, die sich gegenseitig verstärken (Luftschadstoffe und saurer Smog)
• Luftschadstoffe und Luftqualität Luftschadstoffe: Menge der Gase und Partikel mit schwankenden Konzentrationen, die ab bestimmten Mengen Schaden verursachen. Unterscheidung von primären und sekundären Schadstoffen   Luftqualität: Konzentration & Deposition der Luftschadstoffe, z.B. – Luftkonzentration von Gasen (z.B. Ozon)– Luftkonzentration von Partikeln (z.B. Sulfat)– Deposition von Luftschadstoffen (z.B. saurer Regen)– Sichtbeeinträchtigung
• Auswirkung von Luftverschmutzung auf die menschliche Gesundheit Schwellenwert In einigen Fällen findet eine physiologische Reaktion auf einen Schadstoff erst oberhalb eines Schwellenwertes der Konzentration statt.   Dosis Menge des Schadstoffs, der inhaliert wird Dosis = Konzentration x Zeitdauer der Exposition
• Kohlenmonoxid (CO, gasförmig) CO verbindet sich im Blut mit Hämoglobin Carboxyhämoglobin Hämoglobin verbindet sich 210 x schneller mit CO als mit O2 CO verhindert die O2 - Aufnahme durch das Blut Luftverschmutzung in der Stadt: Tagesdurchschnittskonzentration ~ 5 bis 20 ppm Konzentration > 750 ppm tödlich
• Schwefelverbindungen SO2 (Schwefeldioxid, gasförmig) synergetische Effekten mit Wasserdampf und Partikeln wirkt auf die oberen Atemorgane menschliche Reaktion auf Konzentration > 5 ppm Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft):          – Jahresmittel des 30-Minutenwerts 140 μg/m3 = 54 ppb         – 98%-Wert der 30-Minutenwerte 400 μg/m3 = 153 ppb   SO4 (Sulfat, Partikel) Verbindet sich mit Wasserdampfpartikeln Partikelgröße (Radius): 0.5 - 3.0 μm → setzt sich in den Lungen ab, wenn es eingeatmet wird (wichtiger Beitrag zur Feinstaubbelastung)
• Photooxidantien Starke Reizwirkung auf die Augen und Schleimhäute der oberen Atemwege (Augenirritationen, Reizung der Nase und Hals) Quelle: hauptsächlich durch andere Nebenprodukte der bodennahen Ozonbildung z.B. Peroxiacetylnitrat (PAN) und Peroxibenzoylnitrat (PBN)          –Gut wasserlöslich (im Gegensatz zu Ozon)         –Treten in geringeren Konzentrationen auf und sind weniger toxisch
• Auswirkungen von O3 auf die menschliche Gesundheit: Ozon-Schwellenwerte in Deutschland Informationsschwelle: 180 μg/m3 als 1-Stunden-Mittelwert Gesundheitliches Risiko bei kurzfristiger Exposition für besonders empfindliche Bevölkerungsgruppen   Alarmschwelle: 240 μg/m3 als 1-Stunden-Mittelwert, während drei aufeinander folgender Stunden Gesundheitliches Risiko bei kurzfristiger Exposition für die gesamte Bevölkerung
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• Auswirkungen von O3 auf die menschliche Gesundheit: allgemein und Risikogruppen Gesundheitliche Beeinträchtigungen sind abhängig von der Höhe der Ozonkonzentration in der inhalierten Luft von der Dauer der Exposition von der Höhe des Atemminutenvolumens (Luftvolumen, das während einer Minute ein- oder ausgeatmet wird) während der Exposition.   Risikogruppen Individuelle Empfindlichkeit sehr unterschiedlich ausgeprägt ~ 10-15 % der Bevölkerung (quer durch alle Bevölkerungsgruppen in Deutschland) besonders empfindlich außerdem: 1. Personen die während Sommersmog-Episoden bei Spiel, Sport oder Arbeit häufig längere, anstrengende körperliche Tätigkeiten im Freien ausüben Hohe Atemminutenvolumen Funktion von der Intensität der körperlichen Aktivität oder Anstrengung 2. Alle Säuglinge und Kleinkinder Bezogen auf ihre Körpergröße, relativ erhöhtes Atemminutenvolumen Ihr Immunsystem ist noch nicht vollständig ausgebildet zusätzliche Reizung durch Ozon könnte die Anfälligkeit gegenüber Infektionen des Atemtrakts erhöhen
• Auswirkungen von Luftschadstoffen auf den Zustand der Ökosysteme: Vegetationsschäden Schaden hauptsächlich der Blatt- bzw. Nadelstruktur Stomata: Blattöffnungen, durch die Gase in die und aus der Blattstruktur fließen (z.B. CO2 und H2O). Beispiele für Zeichen von Vegetationsschäden:          - Ausbleichung der Blattränder         - Glanz oder Silberschein auf der Blattfläche         - Chlorophyllverlust         - Flecken auf der oberen Blattfläche
• Auswirkungen von O3 auf Pflanzen → Aufnahme von O3 über die Spaltöffnungen (Stomata) Empfindliche Pflanzen in Mitteleuropa: Waldbäume (Buche, Lärche, Kiefer), landwirtschaftlich genutzte Pflanzen (Weizen, Kartoffel), große Zahl von Wildkräutern.   Auswirkungen: Akute Wirkung (kurze Belastung mit hohen Konzentrationen): punktförmige oder flächenhafte Gewebezerstörungen (Nekrosen) oder Verfärbungen/Vergilbung (Chlorosen). Chronische Wirkungen (längere Belastung mit geringer Konzentration): Veränderungen des Wuchses (z.B. Zwergwuchs, Blattdeformation) oder Vergilbung (Chlorosen) einzelner Blatt-/Nadelbereiche bzw. ganzer Organe. Latente Wirkungen: Nicht direkt sichtbare Veränderung biochemischer und physiologischer Prozesse (z.B. Photosynthese, Funktion der Stomata).
• Auswirkungen von O3 auf Pflanzen: Bestimmende Faktoren & Berechnungsbeispiel Ausmaß der Schädigung steht weniger mit der mittleren Konzentration über einen bestimmten Zeitraum, sondern mit der Häufigkeit des Auftretens von hohen Konzentrationen in Zusammenhang Definition von „Critical Levels“ (= Schwellenwerte) als kumulierte Dosis, so genannte AOT40 Werte (Accumulated Exposure Over a Threshold of 40 ppb). Alle Überschreitungen eines Stundenmittels von 40 ppb (entspreched 80 μg/m3) werden summiert. Diese Summe (ppb pro Stunde = ppb*h) sollte für landwirtschaftliche Nutzpflanzen sowie Wildkräuter den Critical Level von 3000 ppb*h und für Wald von 5000 ppb*h nicht überschreiten. Berücksichtigt wird nur der Zeitraum der höchsten Sensitivität des Rezeptors, die Hauptwachstumsphase (Mai bis Juni für Nutzpflanzen, April bis September bei Wald). Beschränkt auf Stunden mit Tageslicht.   Berechnungsbeispiel Gefahr einer Schädigung bei Weizen wenn täglich drei Stunden lang der AOT40 um 11 ppb überschritten wird → (90 d x 3 h x 11 ppb = 3.000 ppb*h) täglich nur eine Stunde der AOT40 um 33 ppb überschritten wird → (90 d x 1 h x 33 ppb = 3.000 ppb*h)
• Auswirkungen von Luftschadstoffen auf Sachgüter Bauwerke aus Naturstein Besonders gefährdet: poröse Materialien mit hohem Karbonatgehalt, z.B. Sandstein: CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + CO2 + H2O Sulfate haben höheren Kristallwassergehalt als die karbonathaltigen Gesteine → nehmen größeres Volumen ein → Aufsprengen   Metallische Werkstoffe Korrosion durch sauere und alkalische Gase (SO2, HCL, NOx, NH3). Auf Stahl: SO2 FeSO4 (Eisensulfat) reagiert mit H2O→ FeOOH (Eisenoxidhydrat, d.h. Rost)
• Zusammenfassung Primäre und sekundäre Luftschadstoffe haben Auswirkungen auf: die menschliche Gesundheit den Zustand eines Ökosystems Sachgüter und Material

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