Saurer Regen

Als saurer Regen wird Niederschlag bezeichnet, dessen pH-Wert niedriger ist als der pH-Wert, der sich in reinem Wasser durch den natürlichen Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre einstellt.

Chemie

Kohlendioxid (CO₂) löst sich in Wasser zu CO₂(aq) und reagiert zu ca. 0,2% mit Wasser unter Bildung von Kohlensäure (H₂CO₃), die wiederum (teilweise) in dissoziierter Form vorliegt.

Die hierbei freiwerdenden H⁺-Ionenen (Protonen) senken den pH-Wert. Der natürliche pH-Wert des Niederschlages liegt im schwach sauren Bereich bei 5,6. Der so genannte „saure Regen“ hat einen durchschnittlichen pH-Wert von 4 bis 4,5, kann aber auch deutlich darunter liegen.

In vielen Gegenden der Welt fällt Niederschlag mit einem pH-Wert kleiner 5. Ursache hierfür sind hauptsächlich Schwefeldioxid (SO₂) und Stickoxide (NO_x). Diese Gase bilden mit Wasser und Sauerstoff zusammen Schwefelsäure (H₂SO₄) und Salpetersäure (HNO₃). Die Schwefelsäure ist zu etwa 2/3, die Salpetersäure zu etwa 1/3 für die Versauerung der Niederschläge verantwortlich.

Hauptquelle der Schwefeldioxid- und Stickoxidemissionen ist der Einsatz fossiler Brennstoffe wie Kohle, Heizöl oder Erdgas in Kraftwerken und, nachdem die Kraftwerke gemäß Großfeuerungsanlagenverordnung mit Rauchgaswäschern ausgestattet worden sind, vor allem der Verkehr.

Kohlenstoffdioxid:

• CO₂ + H₂O → H₂CO₃

Stickoxide:

• 2 NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃
• N₂O₄ + H₂O → HNO₂ + HNO₃

Schwefeloxide: Das bei Verbrennungen oder auf natürliche Weise entstehende Schwefeldioxid bleibt als Gas zunächst in der Atmosphäre. Es bildet es einen wichtigen Bestandteil des gesundheitsgefährdenden Smogs. Abgebaut werden kann es, indem von Sauerstoff zu Schwefeltrioxid SO₃ oxidiert wird und dann als Schwefelsäure H₂SO₄ mit dem Regen ausgespült wird.Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102. Auflage, de Gruyter, Berlin, 2007.

$\backslash mathrm\{2\backslash \; SO\_2\; +\; O\_2\; \backslash longrightarrow\; 2\backslash \; SO\_3\}$

$\backslash mathrm\{SO\_3\; +\; H\_2O\; \backslash longrightarrow\; H\_2SO\_4\}$

In tropischen Gebieten können auch organische Säuren, z. B. Ameisensäure (HCOOH), einen wesentlichen Anteil an der Absenkung des pH-Wertes von Niederschlägen haben.

Neben dem sauren Regen muss ebenfalls die Schädigung von Pflanzen durch Nebel (saurer Nebel) in Betracht gezogen werden. Nebelwasser ist häufig deutlich saurer (hat einen niedrigeren pH-Wert) als Regenwasser, da Nebel effizienter Schadstoffe aus der Luft aufnimmt als Regen.

Auswirkung

Auf Pflanzen

Saurer Regen kann durch die Versauerung des Bodens Pflanzen schädigen und wurde ursächlich mit Baumschädigungen ('Waldsterben') in Verbindung gebracht. Die im Wesentlichen betroffenen Wälder liegen in Regionen mit häufigen und ergiebigen Niederschlägen, die zudem relativ niedrige Jahresdurchschnittstemperaturen aufweisen. Dies trifft in Deutschland insbesondere auf Wälder in höheren Lagen der Mittelgebirge und der Alpen zu. Da die aufgetretenen Krankheitsbilder sehr unterschiedlich sind (neben gesunden Beständen kommen in vergleichbarer Lage auch stark geschädigte vor), werden neben den sauren Niederschlägen heute auch noch andere Ursachen für die Baumschädigungen vermutet (natürliche Schwankungen der Anfälligkeit gegenüber Bodenversauerung, Änderungen des Klimas) bzw. nachgewiesen (Mineralienmangel, Schädigung geschwächter Bäume durch Pilze, Bakterien, waldbauliche Fehler).

Als Gegenmaßnahme versucht man in vielen Gegenden Europas (in der Schweiz verboten), mit Kalk die Übersäuerung zu neutralisieren. Vielerorts werden hierzu große Mengen Kalk per Hubschrauber verstreut.

Durch die Übersäuerung des Bodens wird die natürliche Zusammensetzung des Bodens gestört. Es werden giftige Schwermetallionen freigesetzt, die die Feinwurzeln der Bäume absterben lassen. Dadurch entstehen Störungen im Wasser- und Nährstoffhaushalt des Baumes, und seine Widerstandskraft nimmt stark ab. Diese Bäume sind nun anfälliger was Krankheiten und natürliche Belastungen betrifft. Selbst Bodenfrost oder ein Schädlingsbefall können jetzt erhebliche Schäden anrichten. Durch den sauren Regen werden also nicht nur die Jungbäume am Wachstum behindert, sondern auch die ausgewachsenen Bäume werden stark geschädigt. Zunächst wirkt sich der Befall auf die Blatt- oder Nadelkronen der Bäume aus, denn die Blätter oder Nadeln werden abgeworfen, dies führt zu einer Kronenverlichtung. Außerdem kann Wipfeldürre entstehen, schließlich stirbt der Baum ab. Damit ist saurer Regen eine der Ursachen für das Waldsterben.

Auf Gewässer

Gewässer werden zunehmend durch Säureaustrag belastet. Dabei erfolgt der Säureeintrag weniger direkt über die sauren Niederschläge als eher indirekt über die Zuflüsse. Durch den Bodenabfluss und als Folge des Säureeintrags, reichern sich im Wasser Metall-Kationen, z.B. Al³⁺, an, die als Zellgifte wirken und zu einer Artenverarmung führen können.

Die Geologie der Einzugsgebietee von Flüssen und Seen hat weiterhin einen großen Einfluss auf die Versauerung. Stehen im Einzugsgebiet vor allem Gesteine an, die kaum neutralisierend auf den sauren Regen wirken (z.B. Granit, Gneis, Sandstein), sind diese Gewässer von der Versauerung besonders betroffen. Umgekehrt haben Gewässer, die im Einzugsgebiet große Kalksteinvorkommen haben, kaum Probleme mit der Versauerung.

Auf Gebäude

Der saure Regen greift insbesondere Sand- und Kalkstein an, aber auch Betonkonstruktionen. Beispielsweise reagiert Schwefelsäure mit Kalkstein zu Gips. Dadurch schreitet die Verwitterung von Gebäuden wesentlich schneller voran und zahlreiche Gebäude und Kulturdenkmäler werden so stark beschädigt oder zerstört.

Marmor löst sich in Säuren, da er aus Calciumcarbonat besteht. Wenn saurer Regen auf Marmor trifft, entstehen vielfältige Schäden. Dazu gehören angeraute Oberflächen, Abtragung von Material und Verlust von gemeißelten Feinstrukturen. Die Zerstörung kann die gesamte Fläche betreffen oder punktuell an reaktiven Stellen auftreten. Das Calciumcarbonat reagiert mit den gelösten Wasserstoffionen im sauren Regen. Bei dieser Reaktion zerfällt es in Calciumionen, Kohlendioxid und Wasser:
CaCO₃ + 2H⁺ → CO₂ +H₂O + Ca²⁺

Außerdem läuft eine Reaktion mit Salpetersäure ab, in der Calciumcarbonat angegriffen wird:
CaCO₃ + 2HNO₃ → Ca²⁺ + 2NO₃⁻ + H₂O + CO₂

Dann reagieren die Sulfationen der Schwefelsäure mit den Calciumionen und überziehen den Marmor oder Kalkstein mit einer weißen Schicht von Gips:
Ca²⁺ +SO₄²⁻ + 2H₂O → CaSO₄ + 2H₂O

Der Regen trägt mit der Zeit einen Teil der Gipskruste ab. Dies führt zu kleinen Rissen und zunehmender Erosion.

Die Wiederherstellung von beschädigtem Kulturgut und Gebäuden ist sehr kostspielig. Allein für die Westminster Abbey in London wurden bis zum Jahr 1990 bis zu 10 Mio. Pfund ausgelegt, um vom sauren Regen verursachte Schäden zu beseitigen. In Geld nicht aufzuwiegen sind jedoch die Schäden an den Kulturschätzen der Erde. Taj Mahal in Indien und die Akropolis in Athen hatten ebenso unter der Säureeinwirkung zu leiden wie das kanadische Parlamentsgebäude oder das US Capitol.

Gegenmaßnahmen

Man ist seit den 80er-Jahren dazu übergegangen, Rauchgase zu entschwefeln. Dabei wird das SO₂ aus dem Abgas entfernt und meist zu CaSO₄ (Gips) umgesetzt, welches sich nutzen oder deponieren lässt. Dies ist bei Transportmitteln wie Automobilen, Flugzeugen etc. jedoch nicht möglich. Daher wird aus Kraftstoffen wie Benzin, Diesel, Kerosin und Erdgas der Schwefel mittels spezieller Verfahren entfernt, wodurch zumindest in den Industrieländern der Eintrag von SO₂ in die Atmosphäre erheblich verringert werden konnte. Das Entfernen der Stickstoffoxide gestaltet sich dagegen erheblich schwieriger. Diese entstehen ab einer bestimmten Temperatur bei allen Verbrennungsprozessen, sofern nicht in stickstofffreier Atmosphäre gearbeitet wird. Dies ist kaum bzw. nur mit großem Aufwand möglich, da unsere Atmosphäre zu 78,09 % aus Stickstoff besteht. Deshalb müssten die Stickstoffoxide aus dem Abgas entfernt werden, was in Autokatalysatoren geschieht, jedoch nicht zu 100 % (siehe Lambda-Fenster). Stickstoffoxide zusammen mit der UV-Strahlung der Sonne sind auch die Hauptursache für das Entstehen von bodennahem Ozon. Somit bräuchte man entweder andere Katalysatoren, oder man müsste den Verbrennungsmotor z.B. durch einen Elektromotor ersetzen. Der Anstieg der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre kann darüber hinaus zu einer Versauerung der Ozeane führen und könnte so eine Bedrohung für das Fortbestehen der ozeanischen Biosphäre darstellen, da sich beispielsweise ab einem bestimmten pH-Wert die Kalkschalen von Muscheln und Schnecken auflösen, wobei gemäß

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ und

CaCO₃ + H₂CO₃ → 2 HCO₃⁻ + Ca²⁺

von einem kg Kohlendioxid 2,27 kg Calciumcarbonat gelöst werden.

Quellen

Literatur

• Gerd Spelsberg: Rauchplage: 100 Jahre Saurer Regen. Alano Verlag, Aachen 1984, ISBN 3-924007-05-5
• Walter Jansen, Anke Block, Jürgen Knaack: Saurer Regen: Ursachen, Analytik, Beurteilung. Metzler Verlag, Stuttgart 1987, ISBN 3-476-30291-1
• Gregory S. Wetstone, Armin Rosencranz: Weltbedrohung Saurer Regen: Abwehrversuche in Europa und Nordamerika; eine Studie des Environmental Law Institute für den German Marshall Fund of the United States. Dreisam-Verlag, Freiburg i. Br. 1985, ISBN 3-921472-87-3

Weblinks