SAURER REGEN: WIE ER GEBILDET WIRD, ZUSAMMENSETZUNG, REAKTIONEN UND WIRKUNGEN - UMGEBUNG - 2025

Der saure Regen ist ein nasser oder trockener Niederschlag von Substanzen, die einen pH-Wert unter 5,6 erzeugen. Dieser Niederschlag kann nass (in Regenwasser verdünnt) oder trocken (Partikel- oder Aerosolablagerungen) sein.

Der Begriff "saurer Regen" wurde erstmals 1850 vom englischen Forscher Robert Angus Smith mitten in der industriellen Revolution vorgeschlagen. Die am häufigsten in der Atmosphäre gebildeten Säuren sind Salpetersäure und Schwefelsäure durch Oxidation natürlicher oder künstlicher Schadstoffe.

Säure-Regen-Karte. Quelle: Alfredsito94

Die wichtigsten Schadstoffe sind Oxide: NO2, NO3, SO2, deren natürliche Quellen Vulkanausbrüche, Waldbrände und bakterieller Abbau sind. Künstliche Quellen sind die Gasemissionen, die beim Verbrennen fossiler Brennstoffe entstehen (industrielle Aktivität und Autoverkehr).

Saurer Regen verursacht negative Auswirkungen auf die Umwelt, z. B. Versauerung von Böden und Gewässern, die Lebewesen, einschließlich Menschen, betreffen. Außerdem sind Böden und Wasser mit Schwermetallen kontaminiert, und in Gewässern tritt eine Eutrophierung auf.

Auf Vegetationsebene treten direkte Schäden an den Blättern auf und das Pflanzenwachstum wird beeinträchtigt. Darüber hinaus immobilisiert die Versauerung des Bodens die Nährstoffe und wirkt sich auf Mykorrhizen (Bodenpilze) aus. Ebenso werden Gebäude, Maschinen, Denkmäler und Kunstwerke, die den Elementen ausgesetzt sind, durch die Wirkung von ausgefällten Säuren stark oxidiert oder erodiert.

Um die Auswirkungen von saurem Regen zu beseitigen, können einige wesentliche Maßnahmen ergriffen werden, z. B. der Schutz von Denkmälern und die Korrektur der Versauerung von Böden und Gewässern. Die basische Lösung für sauren Regen besteht jedoch darin, die Emission chemischer Verbindungen, die die Vorläufer der Säurebildung sind, in die Atmosphäre zu verringern.

Wie entsteht saurer Regen?

Saurer Nebel aufgrund von SO2-Emissionen aus der PDVSA-Raffinerie in Curaçao. Quelle: HdeK

Chemische Vorläufer

Das Phänomen des sauren Regens beginnt mit der Emission chemischer Verbindungen in die Atmosphäre, die Vorläufer für die Bildung von Säuren sind. Diese Verbindungen können aus natürlichen oder künstlichen Quellen emittiert werden.

Natürliche Quellen sind Vulkanausbrüche, Vegetationsbrände und Meeresemissionen. Als künstliche Quellen wirken sich Industrieemissionen, Emissionen aus verbrannten Kraftfahrzeugen oder die Verbrennung von Abfällen aus.

Diese Quellen emittieren verschiedene Verbindungen, die in der Atmosphäre Säuren erzeugen können. Am wichtigsten sind jedoch Stickoxide und Schwefeloxide.

Stickoxide sind als NOx bekannt und umfassen Stickstoffdioxid (NO2) und Lachgas (NO). Schwefeloxid ist seinerseits SO2 oder Schwefeldioxid.

Troposphärischer Prozess und produzierte Säuren

Das Phänomen des sauren Regens tritt in der Troposphäre auf (atmosphärische Zone, die von der Erdoberfläche bis zu einer Höhe von 16 km reicht).

In der Troposphäre können Luftströmungen diese Verbindungen über jeden Teil des Planeten transportieren, was sie zu einem globalen Problem macht. Bei diesem Verfahren interagieren Stickstoff- und Schwefeloxide mit anderen Verbindungen unter Bildung von Salpetersäure bzw. Schwefelsäure.

Reaktionsunterstützung

Chemische Reaktionen können entweder an festen Partikeln in Suspension oder in Wassertropfen in Suspension durchgeführt werden.

Salpetersäure entsteht aufgrund ihrer geringen Wasserlöslichkeit hauptsächlich in der Gasphase. Schwefelsäure ist ihrerseits wasserlöslicher und der Hauptbestandteil von saurem Regen.

Salpetersäure

Bei der Bildung von Salpetersäure (HNO3) reagieren Stickoxide mit Wasser, mit Radikalen wie OH (in geringerem Maße mit HO2 und CH3O2) oder mit troposphärischem Ozon (O3).

Schwefelsäure

Bei der Herstellung von Schwefelsäure (H2SO4) sind auch die Radikale OH, HO2, CH3O2, Wasser und Ozon beteiligt. Zusätzlich kann es durch Umsetzung mit Wasserstoffperoxid (H2O2) und verschiedenen Metalloxiden gebildet werden.

Kohlensäure

H2CO3 entsteht durch die photochemische Reaktion von Kohlendioxid mit atmosphärischem Wasser.

Salzsäure

HCl macht nur 2% des sauren Regens aus und sein Vorläufer ist Methylchlorid (ClCH3). Diese Verbindung stammt aus den Ozeanen und wird durch OH-Radikale zu Salzsäure oxidiert.

Niederschlag

Sobald sich die sauren Verbindungen (Salpetersäure oder Schwefelsäure und in geringerem Maße Salzsäure) gebildet haben, fallen sie aus.

Die Ausfällung kann durch Ablagerung der suspendierten Teilchen erfolgen, bei denen die Ansäuerungsreaktion in der Gasphase stattgefunden hat. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das kondensierte Wasser im Regen ausfällt, wo die Säuren gebildet wurden.

Komposition

Der natürliche Säuregehalt des Regens liegt nahe bei einem pH-Wert von 5,6, obwohl in einigen nicht kontaminierten Gebieten Werte von 5 vorliegen. Diese niedrigen pH-Werte wurden mit dem Vorhandensein von Säuren natürlichen Ursprungs in Verbindung gebracht.

Es wird davon ausgegangen, dass der Regen je nach pH-Wert in folgende Kategorien eingeteilt werden kann:

a) Leicht sauer (pH zwischen 4,7 und 5,6)
b) Mittlere Säure (pH zwischen 4,3 und 4,7)
c) Stark sauer (pH gleich oder kleiner als 4,3).

Wenn der Regen eine Konzentration von> 1,3 mg / l für Nitrate und> 3 mg / l für Sulfate aufweist, wird die Kontamination als hoch angesehen.

Saurer Regen besteht in mehr als zwei Dritteln der Fälle aus Schwefelsäure, gefolgt von Salpetersäure im Überfluss. Andere Komponenten, die zur Säure des Regens beitragen können, sind Salzsäure und Kohlensäure.

Chemische Reaktionen von saurem Regen

Bildung von Schwefelsäure (H2SO4)

Die Produktion von Schwefelsäure kann in der Gasphase oder in der flüssigen Phase erfolgen.

Gasphase

Nur 3 bis 4% SO2 werden in der Gasphase zu Schwefelsäure oxidiert. Es gibt viele Wege zur Bildung von Schwefelsäure aus gasförmigen Vorläufern, hier wird die Reaktion von SO2 mit troposphärischem Ozon gezeigt.

Die Reaktion erfolgt in zwei Stufen:

1.- Schwefeldioxid reagiert mit troposphärischem Ozon, erzeugt Schwefeltrioxid und setzt Sauerstoff frei.

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.- Dann oxidiert das Schwefeltrioxid mit Wasserdampf und erzeugt Schwefelsäure.

SO3 + H2O = H2SO4

Flüssigphase

In den Wassertropfen, die den Regen bilden, kann Schwefelsäure auf verschiedene Arten produziert werden:

1.- SO2 löst sich in Wasser und erzeugt schweflige Säure, die durch Wasserstoffperoxid oxidiert wird:

SO2 + H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2.- Photokatalytischer Mechanismus: In diesem Fall werden Metalloxidpartikel (Eisen, Zink, Titan) durch Sonneneinstrahlung (photochemische Aktivierung) aktiviert und oxidieren SO2, wodurch Schwefelsäure entsteht.

Bildung von Salpetersäure (HNO3)

Troposphärisches Ozon O3 erzeugt die Umwandlung von NO2 zu HNO3 in einem dreistufigen Prozess:

1.- NO2 + O3 = NO3 + O2
2.- NO3 + NO2 = N2O5
3.- N2O5 + H2O = 2HNO3

Auswirkungen auf die Umwelt

Wirkung von saurem Regen in einem Wald im Jizera-Gebirge in der Tschechischen Republik. Quelle: Lovecz

Bodenversauerung und ihre Auswirkungen auf die Vegetation

Die Wirkung von saurem Regen auf den Boden variiert je nach Zusammensetzung. Beispielsweise haben Böden kalkhaltigen, basaltischen und magmatischen Ursprungs eine größere Fähigkeit, den Säuregehalt zu neutralisieren.

Böden, die reich an Quarz als inertem Material sind, können den Säuregehalt nicht regulieren. So werden in Böden, in denen saurer Regen den Säuregehalt erhöht, Metallionen, die für Pflanzen und Tiere giftig sind, freigesetzt und abtransportiert.

Ein relevanter Fall ist die Auflösung von Aluminosilikaten, die Aluminiumionen freisetzen, die für die Vegetation sehr schädlich sind.

Im Allgemeinen verringert der Säuregehalt des Bodens die Verfügbarkeit von Nährstoffen für Pflanzen. Darüber hinaus fördert es die Freisetzung und das Waschen von Kalzium, was zu Pflanzenmängeln führt.

Auswirkungen auf Grundwasserleiter und die menschliche Gesundheit

In den meisten Fällen sieht saurer Regen weder anders aus oder schmeckt anders als normaler Regen, noch erzeugt er Empfindungen auf der Haut. Seine Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit sind indirekt und es verursacht selten Hautschäden aufgrund extremer Säure.

Eines der Probleme bei saurem Regen besteht darin, dass durch Absenken der pH-Werte unter 5 Schwermetalle freigesetzt und abtransportiert werden. Diese Schadstoffe wie Aluminium und Cadmium können in unterirdische Grundwasserleiter gelangen.

Wenn das Wasser dieser verschmutzten Grundwasserleiter in Brunnen gelangt, die für den menschlichen Verzehr verwendet werden, kann dies schwerwiegende Gesundheitsschäden verursachen.

Verschlechterung von Gebäuden, Denkmälern und Materialien

Wasserspeier durch sauren Regen beschädigt. Quelle: Nino Barbieri

Kalksteine

Konstruktionen, Denkmäler und Skulpturen aus Kalkstein oder Marmor sind stark vom sauren Regen betroffen. Dies ist sehr ernst, da viele historische Gebäude und Kunstwerke aus diesen Materialien gebaut werden.

Bei Kalkstein führt saurer Regen zur Auflösung des Kalksteins und zur Rekristallisation des Calcits. Diese Rekristallisation erzeugt weißliche Töne auf der Oberfläche.

Im speziellen Fall von Regen mit Schwefelsäure tritt das Phänomen der Sulfatierung auf. Durch diesen Prozess wird die Gesteinsoberfläche in Gips umgewandelt und CO2 freigesetzt.

Marmor ist zwar widerstandsfähiger, wird aber auch von saurem Regen beeinflusst. In diesem Fall tritt das Peeling des Steins auf, weshalb sich oberflächliche Schichten davon lösen.

Andere nicht korrosive Materialien

In einigen Gebäuden ist die strukturelle Verschlechterung gering, aber auch mit negativen Auswirkungen. Beispielsweise verschmutzen trockene Säureablagerungen die Wände und erhöhen so die Wartungskosten.

Metalle

Saurer Regen verursacht Korrosion von Metallen aufgrund des Phänomens der Oxidation. Dies verursacht enorme wirtschaftliche Verluste, da Strukturen, Geräte, Maschinen und Fahrzeuge mit Metallteilen stark betroffen sind.

Flora und Fauna

Fisch durch sauren Regen getötet. Quelle: Fisch- und Wildtierservice der Vereinigten Staaten.

Saurer Regen verändert das natürliche Gleichgewicht von aquatischen und terrestrischen Ökosystemen.

Pflanzen und Tiere in linsenförmigen Gewässern

Lentische Gewässer sind anfälliger für Versauerung, da sie geschlossene Ökosysteme sind. Darüber hinaus hat die Ansammlung von Säuren im Wasser negative Auswirkungen auf das Leben, das es beherbergt.

Eine weitere Folge der Versauerung ist die Ausfällung von Nitraten durch Regen, die in Gewässern eine Eutrophierung verursacht. Überschüssige Nährstoffe reduzieren den verfügbaren Sauerstoff und beeinträchtigen das Überleben von Wassertieren.

Ein weiterer indirekter negativer Effekt ist das Mitreißen von Schwermetallionen aus der terrestrischen Umgebung in Gewässer. Diese Ionen werden durch die Einwirkung von Hydroniumionen in den Boden freigesetzt, wenn der Säuregehalt zunimmt.

Vegetation und Nährstoffverfügbarkeit

Die schwerwiegendsten Probleme, die durch die Versauerung des Bodens verursacht werden, sind die Unbeweglichkeit essentieller Nährstoffe und die Zunahme toxischer Metalle.

Beispielsweise werden Aluminium und Magnesium aus Bodenpartikeln freigesetzt, indem sie durch Wasserstoff ersetzt werden. Aluminium beeinflusst die Struktur und Funktion der Wurzeln und reduziert die Aufnahme von Kalzium, das für Pflanzen essentiell ist.

Andererseits schädigt die Versauerung des Bodens Mykorrhizen (wurzelassoziierte Pilze), die für die Dynamik des Waldes wesentlich sind.

Direkte Schädigung von Pflanzen und Tieren

Schwefelsäure schädigt die Blätter direkt, indem sie Chlorophyll abbaut und Chlorose erzeugt (Gelbfärbung des Blattes). Bei einigen Arten nehmen Wachstum und Produktion lebensfähiger Samen ab.

Amphibien (Frösche und Kröten) sind besonders anfällig für die Auswirkungen von Säuregehalt im Wasser. Einige Schäden sind direkte Verletzungen und eine verminderte Abwehr gegen Krankheitserreger (insbesondere Hautpilze).

Lösungen

Emissionen verringern

Das Endergebnis für sauren Regen ist die Reduzierung der Emissionen von sauren Vorläuferchemikalien in die Umwelt. Die wichtigsten davon sind Schwefel- und Stickoxide.

Dies hat jedoch einige Schwierigkeiten, da dies Auswirkungen auf die Wirtschafts- und Entwicklungsinteressen von Unternehmen und Ländern hat. Eine der Hauptquellen für Schwefeldioxid ist beispielsweise die Verbrennung von Kohle, die in China mehr als 70% der Energie ausmacht.

Es gibt einige technologische Alternativen, die zur Emissionsreduzierung beitragen können. In der Industrie enthalten beispielsweise die sogenannten "Fließbetten" Absorptionsmittel (Kalkstein oder Dolomit), die SO2 zurückhalten. Bei Kraftfahrzeugen und Verbrennungsmotoren im Allgemeinen tragen Katalysatoren auch zur Reduzierung der SO2-Emissionen bei.

Andererseits haben einige Länder spezifische Programme zur Reduzierung des sauren Regens durchgeführt. Beispielsweise haben die Vereinigten Staaten das National Acid Precipitation Assessment Program (NAPAP) entwickelt. Zu den von NAPAP in Betracht gezogenen Maßnahmen gehört unter anderem die Umsetzung der Verwendung schwefelarmer Kraftstoffe.

Eine weitere mögliche Maßnahme ist der Ersatz der Fahrzeugflotte durch Elektroautos, um sowohl sauren Regen als auch die globale Erwärmung zu reduzieren. Obwohl die Technologie vorhanden ist, um dies zu erreichen, hat der Druck der Automobil- und Ölindustrie die diesbezüglichen Entscheidungen verzögert. Andere Faktoren, die Einfluss haben, sind kulturelle Elemente, die mit der Geschwindigkeit zusammenhängen, die ein Fahrzeug voraussichtlich erreichen wird.

Säurekorrekturmaßnahmen anwenden

In einigen Fällen kann der pH-Wert von Böden und Wässern durch Zugabe von Alkalien erhöht werden, beispielsweise durch Einarbeitung großer Mengen Kalk. Diese Praxis ist jedoch in sehr großen Landflächen nicht durchführbar.

Oberflächenschutz

Stein

Es gibt verschiedene Methoden, um die Verschlechterung des Steins unter dem Einfluss von saurem Regen zu schützen oder zumindest zu verringern. Eine dieser Methoden besteht darin, es mit Dampf oder heißem Wasser zu waschen.

Chemische Mittel wie Flusssäure oder Ammoniumbifluorid können ebenfalls verwendet werden. Nach dem Waschen kann der Stein versiegelt werden, indem spezielle Produkte wie Bariumhydroxid aufgetragen werden, die die Poren verstopfen.

Metall

Korrosionsanfällige Metalloberflächen können durch Beschichten mit einem nicht korrosiven Metall wie Zink geschützt werden.

Hierzu kann galvanisch abgeschieden werden oder die zu schützende Metallstruktur im flüssigen Zustand in das Schutzmetall eingetaucht werden.

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