Saurer Regen

Entstehung, Auswirkungen, Gegenmaßnahmen

Vortrag von Doris Reithmeier im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 06/07

Gliederung:

1. Saurer Regen - Was ist das eigentlich?

Das Phänomen des sauren Regens ist schon seit der Antike bekannt: z.B. wurde schon im antiken Rom beobachtet, dass in der Nähe von Bleiglanz verarbeitenden Metallfabriken Bäume abstarben.

Zunächst – uns lange Zeit – hielt es sich aber bei Schäden durch sauren Regen um lokal begrenzte Phänomene. Erst seit Ende der 1950er / Anfang der 1960er Jahre ist die Verbreitung von saurem Regen in Europa beobachtet worden. In den 70er Jahren traten dann großflächige und vielfältige Schäden, die der saure Regen verursacht hatte, auf:  In Schweden etwa waren  Seen so versauert, dass sie ohne jegliches Leben waren. Sie hatten teilweise einen pH-Wert von weniger als 3, waren also in etwa so sauer wie Haushaltsessig.

Als „sauer“ wird Regen mit einem pH-Wert unter 5,6 bezeichnet.

Betrachtet man die pH-Wert-Skala, so sollte man eigentlich erwarten, dass Regen mit einem pH-Wert kleiner 7,0 als sauer bezeichnet wird. Tatsache ist aber, dass bereits der „normale“ Regen sauer ist. Dies kommt durch die Reaktion des Regenwassers mit Kohlenstoffdioxid zustande. Das Kohlenstoffdioxid, was in großer Menge von der Menschheit ausgestoßen wird, reagiert mit Wasser zu Kohlensäure:

CO₂ + H₂O H₂CO₃

Wie oben berichtet wurde, kann der saure Regen nicht durch den hohen Ausstoß von Kohlenstoffdioxid entstehen. Verantwortlich für einen pH-Wert des Regens unter 5,6 müssen also andere Teilchen sein.

Die Schadstoffe, die für den sauren Regen verantwortlich sind, sind Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid. Diese kommen zwar auch  ohne das Zutun des Menschen in der Natur vor: z.B. entstehen Stickstoffoxide bei Zersetzungsprozessen im Boden und Schwefeloxide werden von Vulkanen freigesetzt. Die Hauptmenge dieser Schadstoffe wird jedoch vom Menschen erzeugt und ausgestoßen: v. a. Bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Kraftwerken, Haushalten und Verkehr; Diese gasförmigen Oxide reagieren mit den Wassermolekülen in der Luft. 

Stickstoffoxide:

 2 NO₂+ H₂O          HNO₂  + HNO₃

 2 HNO₂  + O₂           2 HNO₃

Schwefeloxide:

SO₂  + H₂O            H₂SO₃

Die genaue Entstehung der Säuren in der Troposphäre kann mit Hilfe der Abbildung 1 genauer erklärt werden.

Die Vorgänge finden alle in der Troposphäre, das heißt, von den untersten Luftschichten, bis in eine Höhe von ca. 10-12 km statt.

Der Reaktionszyklus beginnt, wenn ein Photon ein Ozonmolekül trifft, das entweder aus der Stratosphäre herunter gewandert ist, oder in der Troposphäre durch stickstoff- und kohlenstoffhaltige Schadstoffe gebildet wurde. Es entsteht ein Sauerstoffmolekül und ein sehr reaktives Sauerstoffatom.

 O₃                    O₂  + O

Dieses einzelne Sauerstoffatom reagiert mit einem Wassermolekül zu zwei Hydroxylradikalen: 

O + H₂O           2^.OH 

Ein Hydroxylradikal kann nun mit einem Molekül Stickstoffdioxid zu Salpetersäure reagieren (gelb).

^.OH + NO₂         HNO₃

Daneben kann ein Hydroxylradikal auch die Reaktion von Schwefeldioxid zu Schwefelsäure auslösen (rot): 

^.OH + SO₂ + O₂ HO₂ + SO₃^-

HO₂ + SO₃^-    + H₂O H₂SO₄

Das  bei dieser Reaktion entstandene Hydroperoxylradikal  kann mit Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid und einem neuen Hydroxylradikal reagiert; damit können weitere Reaktionen mit Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid beginnen.

HO₂  + NO NO₂ + •OH

3. Auswirkungen

Der saure Regen wirkt sich auf den Boden, Gewässer, Pflanzen und Gebäude aus.

Wenn saurer Regen auf basischen Boden trifft, also z.B. Kalkboden, kann die Säure neutralisiert direkt werden. Die im Boden vorliegenden Hydrogencarbonat-Anionen reagieren mit den Protonen der Säure. 

In leicht sauren Böden findet ein sogenannter Kationenaustausch statt: Bestimmte Metallionen, wie z.B. Calcium-und Magnesiumionen ersetzen die Protonen der Säure: Sie werden von dem Sulfation eingefangen, und mit diesem aus dem Boden herausgewaschen. Die Wasserstoffionen bleiben im Boden zurück und werden von den Hydrogencarbonationen neutralisiert. 

Die Pufferkapazität des Bodens kann jedoch irgendwann erschöpft sein; dann wird die Säure an das Grundwasser, Bäche, Flüsse und Seen weitergegeben. Wenn diese Gewässer keine basischen Ionen enthalten, die die Säure neutralisieren können, wird auch dieses Wasser sauer. Folge sind das Eingehen der Vegetation, veränderte Lebensformen, oder sogar das komplette aussterben dieser Gewässer. 

Der saure Regen kann im Boden auch giftige Mineralien und Schwermetallionen aus Gestein auswaschen. Beispielsweise Aluminium-, Cadmium- oder Blei-Kationen. Diese können durch den Boden ebenfalls in Gewässer gelangen. Sie können aber auch von Pflanzen als Nährstoffe aufgenommen werden und so die Pflanzen vergiften. 

Da der saure Regen, wie eben beschrieben, auch die Nährstoffe auswäscht, können Pflanzen in diesen Gebieten auch an Nährstoffmangel leiden. Zudem wirkt der saure Regen auch direkt auf die Pflanzen, über die Blätter. Folgen insgesamt sind, dass Pflanzen anfälliger für Krankheiten werden, Blütenfarben gebleicht werden, bis hin zum Absterben der Pflanzen. 

Auch Gebäude bleiben vom schädlichen Einfluss sauren Regens nicht verschont

Saurer Regen greift insbesondere Sand- und Kalkstein an.  Damit verbunden ist eine  Kristallvergrößerung. Das Bauwerk bröckelt. 

CaCO₃ + H₂SO₄                  CO₂  + H₂O + CaSO₄

Ein Beispiel dafür, wie kostspielig die Sanierung solcher Gebäudeschäden sein können: Allein für die Westminster Abby in London wurden bis zum Jahr 1990 ungefähr 10 Millionen britische Pfund ausgegeben, um Schäden des sauren Regens zu beseitigen.

4. Gegenmaßnahmen

Die erste Maßnahme, die in der Geschichte gegen die Auswirkungen des Saueren Regens getroffen wurde, war, dass die Schornsteine von Fabriken/Kraftwerken einfach höher gebaut wurden – mit dem Erfolg, dass die Schadstoffe eben flächenmäßig weiter verteilt wurden. 

Daraufhin begann man, Filteranlagen in Fabriken/Kraftwerke einzubauen. In Deutschland wurde 1983 die „Großfeuerungsanlagen Verordnungen“ zur Verringerung der Emissionen von Schwefeldioxid und Stickstoffoxiden aus Kraftwerken erlassen. Mit Erfolg. Die Schadstoffemission aus der Großindustrie wurde stark eingeschränkt. 

Um die Schäden auf Pflanzen und Boden zu reduzieren, werden an manchen Orten die Wälder gekalkt

Allerdings werden noch immer sehr viele Schadstoffe von Haushalten und vom Verkehr ausgestoßen. In Fahrzeuge werden zwar Katalysatoren eingebaut. Dennoch sollte der Verbrauch an fossilen Brennstoffen in Motoren, Haushalt und Kraftwerken eingeschränkt werden. Eine Maßnahme wäre hier, öffentliche Verkehrsnetze weiter auszubauen und andere, v.a. regenerative Energien mehr zu fördern.

5. Literatur:

1. G.E. Likens, et.al. Saurer Regen. Spektrum der Wissenschaft. 12/1979. 73-78.

2. V.A. Mohnen. Maßnahmen gegen den sauren Regen. Spektrum der Wissenschaft. Okt. 1988. 82-91.

3. R.W. Shaw. Luftverschmutzung durch Stäube. Spektrum der Wissenschaft. Okt. 1987. 100-107.

4. http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/abgas/sauerreg.htm (Stand: 15.12.2006)

5. http://de.wikipedia.org/wiki/Saurer_Regen (Stand:15.12.2006)

6. http://193.171.252.18/www.lehrerweb.at/ms/ms_arb/gw/saubere_luft/
   schwefeldioxid.pdf (Stand: 15.12.2006)