ozonloch situation 2007

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ozonloch situation 2007
Nachhaltige Entwicklung – Beiträge aus den Geo- und Biowissenschaften
Schadstoffe in der Atmosphäre 1: Wirkungen und Grenzwerte
(Nachhaltigkeit Schadstoff-bezogen)
Gerhard Lammel
Masaryk University, Research Centre for Environmental Chemistry & Ecotoxicology, Brno/CZ
Zentrum für Marine & Atmosphärische Wissenschaften, Hamburg/D
Welche Wirkungen sind von Schadstoffen in der Luft zu erwarten ?
(indirekte, unbekannte...)
Wie werden Grenz- oder Richtwerte abgeleitet ? (inkonsistent...)
1)
a)
b)
c)
Wirkungs-abgeleitete Grenz-/Richtwertsetzungen
Säuren → Versauerung und Überdüngung
Troposphärisches Ozon → Sommersmog
Feinstaub → Mortalität
2)
a)
b)
Gefährdungsbegriff, Vorsorgeprinzip
Stratosphärisches Ozon → Schädigung von Gesundheit und Ökosystemen
POPs → Schädigung von Gesundheit und Ökosystemen
Jeweils: Wirkmechanismus, Management-Konzepte in der
Umweltgesetzgebung, Perspektiven
Schadstoffe und
Nachhaltigkeit
„Sustainable development is development that meets the needs of the present
without compromising the ability of future generations to meet their own needs...
It gives overriding priority to the essential needs of the world‘s poor.“
(World Comm. Environ. & Dvpt., 1987)
ökologisch:
• Stabilitätskriterium für erneuerbare Ressourcen: Verbrauchsrate < Regenerationsrate
• Stabilitätskriterium für nicht erneuerbare Ressourcen: Verbrauchsrate < Kompensationsrate
• Belastungskriterium für Stoffeinträge: Emissionsfracht < Belastungsschwelle
• Zeitmaß der Ökosysteme: Veränderungsrate Eingriffe < Anpassungsrate
• Unsicherheitskriterium: Vermeiden von großräumigen und langfristigen Gefährdungen
(WCED, 1987; Daly, 1991; EK, 1993)
Management setzt (Öko-)Systemverständnis voraus: Belastungsgrenzen,
Kritikalitäten, Response ggf. langfristig und reichweitig
Wirkungsgestützte Stoffbewertung
Emission
Exprimierung
Exposition
(Abgas/-fall
Umwelttransporte
Leckage
(räumliche und
Umweltphysik
Ausbringung)
zeitliche
Umweltchemie
Verteilungsmuster von
Stressoren)
PEC
Vulnerabilität
(Widerstand,
Resilienz)
von Wirkungen
PNEC
Risikoabschätzung (Environmental risk assessment, ERA):
Risikoquotient =
Predicted environmental concentrations (PEC, extrapoliert) /
Predicted no effect concentrations (PNEC, extrapoliert)
z.B. im Chemikalienrecht (EU Techn. Guidance Document 2nd ed, http://ecb.jrc.it)
Wirkungsgestützte Stoffbewertung:
Säuren → Versauerung und Überdüngung
Emission
SO2
NH3
NOx
Exposition
Waldökosysteme
Chemie-Transport- SäureModell
einträge
Exprimierung
VersauerBaseninventar
ung
Emissionsquellen Säurevorläufer SO2
Säurebildung in der Atmosphäre:
Schwefelsäure, Salpetersäure, Carbonsäuren
1a. SO2 + OH → HSO3 → SO3 → H2SO4*H2O
(netto: SO2 + OH + O2 + 2 H2O → H2SO4*H2O + HO2)
+ NH3 + H2O →Nukleation→ (NH4)2SO4
1b. SO2 =Tropfen= HSO3- + H2O2, O3 → SO42- + 2 H+
1c. CH3SCH3 → → → SO2 → →
2a. NO = NO2 + OH → HNO3 → trocken deponiert
2b. →Partikel oder Tropfen→ NO3- + H+
3a. RH + OH → RCHO → → RCOOH→ tr.dep.
3b. →Partikel oder Tropfen→ NO3- + H+
NOy 3.8.
NOy 5.8.
k N (V ) =
1
c NOx
⋅
dc N (V )
dt
:
k N (V ) = (2.9 ± 0.8) ⋅10 −6 s −1
Distance n>0.1µm/ O3
NOx NO2/NOx N(V) N(V)/NOy
from
n>0.02µm
Berlin
(µg/m3)
(%) (ppbv) (ppbv)
(%)
(%)
(km / h)
21/ 0.7
11
21
18.1
62
0.62
1.6
37 / 2.5
12
24
21.8
66
0.64
1.4
66 / 5
14
37
7.2
71
0.64
4.1
108 / 10
31
44
2.2
71
0.49
9.7
Troposphärische Spurenstofftrends:
pH Niederschlag
(nach Koop)
Troposphärische
Spurenstofftrends: pH, SO2
Niederschlagsacidität und SO2Emissionen
• Entdeckung Sauren Regens 1852
(Smith)
• Entdeckung der Versauerung von
Süßwasser, N 1920
• Wirkungen auf Fische, 1970
Säurebildung im Boden
Deposition von N- und S-Säurebildnern und
korrespondierende Säureproduktion in nicht N-gesättigten
Böden
Quellen für Ammoniak in Deutschland und Europa
Konzept der kritischen Einträge für terr. Ökosysteme
Bsp.: Säureeinträge:Wirkungen auf Böden
Deposition – Critical loads = Exceedance
... nicht tolerabel, weil kritische Grenze erreicht!
Schutz von Ökosystemen:
Konzept der kritischen Einträge für terr. Ökosysteme
• Kartierung kritischer Belastungswerte „...below which harmful effects in ecosystem
structure and function do not occur according to present knowledge“
müssen
die Emissionen
zurückgefahren
werden,
damit die Rezeptoren
• BisWie
wohin
(welche
Frachten von
Schadstoffen und
Kombinationen
davon) sind
derSchädigungen
Immissionen zu
(Böden,
Oberflächengewässer,
nicht
keine
erwarten,
ist die BelastbarkeitGrundwasserleiter)
(Resilienz) des Ökosystems
werden
?
nichtgeschädigt
überschritten
(PNEC)
?
Wieviel Schädigung ist hinnehmbar ?
• + Schutz besonders vulnerabler Gebiete möglich (Standort-bezogen, zumeist
z.B. 95% der Flächen)
• + Dynamisch (Zeit → Nachhaltigkeit), jedoch zumeist auf Basis von
Fließgleichgewichts-Annahme, damit Vernachlässigung langsamer Dynamiken
im Boden
• - Skalenprobleme bei Abgleich von Belastung (Depositionsmodell) und
Vulnerabilität (Ökosystemkartierung)
• - normative Schritte wenig transparent
UNECE-Convention on Long-range Transboundary Air
Pollution
Anwendung in den Protokollen bzgl. H+, N, Schwermetalle (Nilsson & Grennfelt, 1988)
Critical loads z.B. 0-75 mg H+/m²/a in Skandinavien 5-280 in USA, 0.3-2 g N/m²/a
ICP=Intl.Coop.Progr.
PC=Progr.Ctr.
EG=ExpertGroup
CCE=Coord.Ctr.f.Effects
www.unece.org/env/lrtap/conv
N-Deposition: Grad der Eutrophierung (CAFE, 2005)
www.icpmapping.org, www.rivm.nl/cce
→ sog. Integrierte Bewertung (-smodelle,
Integrated Assessment Modelling)
Belastungen konkretisiert als Schwellenwertvorgaben mit
Schutzumfangsangabe (z.B. 95% der Flächen) werden mit
Vermeidungskosten (Emissionsminderungsszenarien)
abgeglichen.
(Alcamo et al., 1987; IIASA)
Marine Ökosysteme: Ableitung kritischer Frachten steht aus
Schiffe-Emissionsgrenzen (IMO):
S-Gehalt Treibstoff: < 4.5 % (typisch 2.7 %!), < 1.5% in der Ostsee (seit 5/06; EU)
SO2
NOx
N-Deposition: Beiträge in die Ostsee 2003 (EMEP, 2005)
Säurebildung Perspektive - Emissionen der Vorläufer
NOx in Deutschland (t/a)
alle Vorläufer in Europa (kt/a) (Prognose EU-Kommission)
Zusammenfassung
Säuren
Ursachen
Raum-/Zeitskala
Managementstrategie
Perspektiven,
Trends
Abgase
regional/Jahre
Toleranz sub-krit.
Frachten („Critical
loads”)
(flächig)
unvollständiger
Schutz wird in
Kauf genommen
Weitere
Verbesserung,
nicht jedoch bzgl.
NH3
Tropospheric and stratospheric trace substance
trends: O3
Trends Europa 1870-1995
(WMO, 1998, after Logan & Megretskaia)
Nördl. gem. Breiten global 1996 vs. 1970
Wirkungen erhöhten Ozons / Sommersmog
Klima:
ggü. 1850 +0.35±0.15 W m-2
Toxikologie:
• Wirkungsrelevant sind bereits Konzentrationen ab 120-150µg/m³,
insbesondere für Vorbelastete. Es gibt jedoch keine epidemiologischen
Befunde.
• Leistungseinbußen bei hohen Konzentrationen (ca. 400 µg/m³) signifikant.
Ökotoxikologie:
• Pflanzengift (vorwiegend stomatäre Aufnahme, Radikalbildner);
empfindliche Feldfrüchte (Kartoffel, Weizen, Hafer, Roggen, Gerste) und
Bäume (Lärche, Kiefer)
• besonders schädlich sind Spitzenkonzentrationen (auch bei gleicher Dosis),
synergistische Wirkung mit NO2 und SO2
Ozonbildung in synthetischer Atmosphäre
NOx + HCx + Licht → teiloxygenierte HCx + O3
Ozonbildung in der Troposphäre
RCH3 + OH → RCH2 + H2O
RCH2 + O2 + M → RCH2O2 + M
NO2 + hν (< 430 nm) → NO + O
O + O2 + M→ O3 + M
RCH2O2 + NO → RCH2O + NO2
RCH2O + O2 → RCHO + HO2
Summe:
RCH3 + OH + 3 O2 → RCHO + H2O + HO2 + O3
NO2 und Licht katalysieren
Troposphärisches Ozon:
Schematische Zusammenhänge
in der Photochemie
dO3/dt
OH
High VOC
Low VOC
NOx
(FZJ-ICG3, 1998)
Troposphärisches Ozon:
Bildung verzögert gegenüber Vorläuferemissionen
Verteilung emissionsnah und -fern
(Sächs. Landesamt, 1999)
INTERCONTINENTAL ATTRIBUTION OF THE OZONE AT A
RURAL UNITED KINGDOM LOCATION
60
50
Harwell, Oxfordshire 1998
O3 , ppb
40
Asia
America
30
Europe
Stratosphere
20
10
0
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
Derwent, 2004
Ursachen: Emissionsquellen der Ozonvorläufer Stickoxide,
NOx, global 1990 (Tg N/a)
Natürlich
Gewitter
3.0 (2-6)
Böden und Vegetation
3.2 (1.9-4.5)
Landwirtschaft (*)
Biomassenverbrennung
Anthropogen
2.3 (1.4-3.2)
0.3
Nutzung fossiler Brenn-
3.3 (2.1-5.5)
21 (20-23)
stoffe
Summe
6.5 (4.2-11)
26.6 (23-32)
(*) Tier- und Pflanzenproduktion, ohne
Biomassenverbrennung
Ursachen: Emissionsquellen der Ozonvorläufer
Kohlenwasserstoffe, HCx
D
Global:
Natürlich
Anthropogen
1150
terrestrische Vegetation
2
marine Biosphäre
120 davon:
52 % Verkehr
7 % fossil, stationär
5 % chem., petrochem. Industrie
9 % Öl-, Gasproduktion
27 % Lösungsmittel
(Ehhalt, 1986; Guenther, 1995)
(UBA)
Emissionsminderungspotenzial von Ozonvorläufern
Kohlenwasserstoffe
Treibstoffverbesserung
Zusatz oxygenierter KW zum Treibstoff (optimal: 2.7% O) minimiert CO- u. HCxEmissionen
USA: 6 Mt MTBE 15% tBu-O-CH3 (MTBE) in California
EU 2005: 2.5 Mt MTBE, 2.0 Mt ETBE
Ziel 2% biofuels; ETBE steuergefördert, weil zu 45% aus biol. Edukt, EtOH,
synthetisiert: Isobuten + EtOH → tBu-O-Et
Emissionsgrenzen
Euro 4 (seit 1.1.05):
Diesel: NOx 250, Otto: HCx / NOx (mg/km) = 100 / 80
Euro 5 (Vorschlag):
Diesel: NOx = 200, Otto: HCx / NOx (mg/km) = 75 / 60
Global tropospheric ozone trend
CLE = Current legisl., MFR = max. technol.
feasible, IPCC-SRES A2 = pessimistic
(Dentener et al., The global atmospheric environment
for the next generation, ES&T 2006)
Sommersmog Grenzwerte: Gesundheit
EU-Ozonrichtlinie, 1992:
• zur Überwachung, Informationsaustausch (Berichtspflichten bzgl. 1- 180, 8- 110 µg/m³)
• zur Unterrichtung und Warnung der Bevölkerung (Gesetzlicher Warnwert: 180 µg/m³ im
1-h-Mittel, Auslösung Warnsystem wg. drohender Gefahr 360 µg/m³)
2005 [EU] fast so hoch wie 2003: Std.max. 300-360 in P,GR,F,R,E, 240-Warnschwelle
127mal überschritten, 110-8Std-Schranke sehr häufig
EU-Luftqualitätsrichtlinie, 1996:
• Verbesserung der Luftqualität: natl. Grenzwerte für Ozon mit Toleranzmargen bzgl.
Überschreitung
• Definition von Qualitätszielen
In D Sofortmaßnahmen (Verkehrsbeschränkung) nach §40 BImschG bei > 240 µg/m3 an 3
benachbarten Orten und solcher Prognose für Folgetag
Sommersmog Perspektive: Bsp.
Critical levels für natürl.- und
Agrarökosysteme
Ernteverlust Weizen > 5%, wenn die 40
ppbv übersteigende akkumulierte Dosis >
3000 ppbv h;
Ähnlich: SOMO35 [ppbv d] – 2000:
2030 CLE
2030 MFR
(Dentener et al., 2006)
Sommersmog - Zusammenfassung
Ursachen
Raum-/Zeitskala
Managementstrate
gie
Perspektiven,
Trends
Säuren
Abgase
regional/Jahre
Toleranz sub-krit.
Frachten („Critical
loads, -levels”)
Treibhausgase
Abgase, Leckagen
global/JahrzehnteJahrhunderte
“ungefährliche
Konzentration”
(FCCC)
Weitere
Verbesserung,
nicht jedoch bzgl.
NH3
Jahrhundertaufgabe
Troposphärisches
Ozon
Leckagen, Abgase
reg.-kont./Wochen
zunehmend
Aerosol = ?
Feinstaub
M.Ebert, S.Weinbruch et al.,
2000
TU Darmstadt
Quellen für Aerosole (global, TgE/a oder Tg/a)
Vorläufer
NOx
NH3
SO2
DMS
VOCs
41
54 (40-70)
88 (67-130)
25 (12-42)
236 (100-560)
anthr.
31
43
79
0
109
natürlich
10
11
9
25
127 (nur Terpene)
Primäre
Carbonaceous (OC)
Biomass burning
Fossil fuel burning
biogenic
Black carbon (soot)
Biomass burning
Fossil fuel burning
Industrial dust
Sea salt
Mineral dust
54 (45-80)
28 (10-30)
56 (0 – 90)
5.7 (5-9)
6.6 (6-8)
100 (40-130)
3340 (1000-6000)
2150 (1000-3000)
(Penner et al., in IPCC, 2001)
Quellen global - Leitstoff Ruß:
Emissionen aus der Nutzung fossiler Brennstoffe (Novakov et al., 2003)
Minderungen wg. c-g
Feinstaub – gesundheitl. Wirkungen
• Lungengängigkeit für < 10 µm (PM10), zumindest < 5 µm, Fresszellen (Makrophagen)
reinigen etwa 1/3 (v.a. größere), Rest verbleibt im Alveolar-Epithel oder gelangt in
Lymph- und Blutkreislauf
• Enthalten zahlreiche organische und anorganische, darunter toxische Stoffe → akut
Lungen- u. Herzfunktionsstörungen, chronisch erhöhte Risiken f. Herzinfarkt,
Arteriosklerose, Beeinträchtigung des vegetativen Nervensystems
• no-effect-Konzentration/Schwellenwert (noch) nicht angebbar
• In belasteten Städten könnte Sterblichkeit sogar um bis zu 15% reduziert werden.
(WHO, 5.10.06)
• 2 Millionen vorzeitige Todesfälle pro Jahr, EU 0.35.
Red. auf 0.27 in 2020 unter CLE, 0.19 unter MFR.
(CAFE 2005)
Partikelfraktionen + -komponenten, die adverse
Gesundheitseffekte auslösen können
inhalable, respirable, fine
•
Partikelgröße ( PM2.5 > PM10, ultrafeine Partikel)
•
Oberflächeneigenschaften (Größe der Oberfläche, Ladung + Polarität,
molekulare Struktur, etc.)
•
Übergangsmetalle (Fe, Zn, Ni, V, Co, Cu, etc.)
•
Organische Komponenten (redox cycling, Proteinmodifizierung)
•
Biogene Komponenten (Endotoxin, Pollen, Sporen, Bakterium, etc.)
•
Andere oxidativ wirkende Komponenten , welche?
0
100
200
00
0
300
2
400
Particle surface area (cm /g lung tissue)
Oberdörster et al., HEI 2000
Epidemiologische Befunde:
•
Ein Reihe akuter Befunde, darunter oxidativer Stress wird klar und besonders durch die
ultrafeinen Partikel und in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung hervorgerufen
(Ratte und Mensch). Er wirkt stark gentoxisch.
•
Bislang gibt es nur 1-2 Studien, die PM mit chronischen Schäden (nämlich Lungenkrebs)
deutlich assoziieren:
Morbidität und Mortalität korrelieren am besten mit der Partikelfraktion PM2.5 und nicht
mit dem Gesamtfeinstaubgehalt (PM10) oder Gesamtschwebstaub (TSP)
Es gibt auffällige Assoziationen mit dem sog. Black Smoke, der mit Rußpartikeln oder
rußhaltigen Partikeln identifiziert werden kann
Vorläufige Schlussfolgerung:
•
Unlösliche Feinstpartikel, insbesondere Rußkerne sind gesundheitsschädigend
•
unklar, ob es die Partikelgroesse selbst ist (physikalische Wirkung) oder chemische
Eigenschaften vorherrschender kleiner Partikel
•
Anzahl ist wichtiger als Masse
identified organics Gent / winter
identified organics Los Angeles
1%
20%
6%
5%
9%
12%
0%
23%
3%
6%
2%
53%
50%
0%
6%
4%
n-alkanes
fatty acis
DCAs, oxoMCAs
diterpenoic acids
lignin pyrolysis products
PAHs
other
aromatic polycarboxylic acids
W
Ru L.A
Ge bid . 19
n ou 82
Ge t w x 1
nt int 982
L s u er 1
wi mm 99
n
8
L t er e r 1
s u 19 99
mm 98 8
er -200
19 0
98
-9
9
c (µg/m³)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
identified organics Gent / summer
9%
8% 0%4%
0%
35%
44%
res id OC
res unid OC
el unres OC
non-ex non-el OC
EC
(Schauer et al, 1996; Kubátova et al., 2001)
PM mass concentration trend, Germany (UBA)
Reconstruction of the aerosol mass concentration
time course 1993-2002, monthly means: 1983-1992 TSP (SLUG, Sächsisches Landesamt),
1992-2002 PM10 (IfT, Inst. F. Troposphärenfo.)
German unification (October 3th 1990)
180
TSP Oschatz
TSP Leipzig (Beethovenstr.)
TSP Chemnitz
TSP Leipzig (Centre)
TSP Chemnitz
TSP Leipzig (Beethovenstr.)
linearer Trend
PM10 Melpitz [high volume]
PM10 Leipzig [high volume]
PM10 Melpitz [low volume]
exponential trend
y = -0.0548x + 73.207
r = 0.005
160
FRG
140
mass [µg/m³]
120
100
y=70e(-0.01x), r = 0.833
80
60
40
20
former GDR
0
1983
1985
1987
1989
1991
1993
1995
1997
1999
2001
Spindler et al., 2004
2003
Hauptbestandteile – Trends
Wochenproben (R&P, Partisol 2000), PM10, PM2.5 ’95-‘02 bzw. ’99-’02 (PM1)
Partikelmassenkonzentration [µg/m³]
60
50
PM10
PM2.5
PM1 since 1999
Linear (PM10)
Linear (PM2.5)
Linear (PM1 since 1999)
40
30
20
10
0
30.12.94
30.12.95
30.12.96
30.12.97
30.12.98
30.12.99
30.12.00
30.12.01
30.12.02
Spindler et al., 2004
Grenzwerte
Europa: beruht auf Risikoabschaetzung der WHO (2000, Air Quality Guideline 2005)
50 µg/m³ (PM10 1-d-Mittel) soll maximal an 35 d/a überschritten werden (Karte: UBA)
Chemical
composition
Aerosol
concentrations, chemical composition in Europe
Globally: Jaenicke: Aerosol physics and chemistry,
Landolt-Börnstein, 1988
Europe:
Putaud et al.,
EU-Report 2002 =
van Dingenen et al.,
Atmos. Environ. 2004
EU proposed annual limit value, 2015
WHO recommended annual value
Perspektiven
Quellen für Aerosole in städtischen Gebieten: lokal + regional
(John & Kuhlbusch, 2004)
Quellen für Aerosole in sog. Reinluftgebieten: regional-interkontinental
Clear day
April 16, 2001: Asian dust!
Glen Canyon, AZ/USA
satellite data
satellite data
Jacob, Heald et al., Harvard Univ., 2004
Minderungspotenzial urban: schwierig
Urbane Belastung stark mit Verkehr korreliert, ferner Haushaltsheizungen, aber
deutlich ubiquitär, chemisch zu je ≈ 25% von PM10 (und ≈ 50% von PM2.5)
NH4NO3 und OC-EC
Erheblicher überregionaler Anteil: Zeitlicher Versatz der Bildung aus gasförmigen
Vorläufern (Sekundäraerosole) entspricht 700-1500 km Entfernung und bedingt
zeitliche Verschmierung, bedeutsame Quelle Landwirtschaft – auch diffus!
Spitzenwerte aufgrund verschiedener Typen von Zusatzbelastungen; Meteorologie
beeinflußt Konzentration stark, regionaler Anteil besonders im Winter erhöht
Lokal 15-20%
Städt. Hintergrund 15-20%
Überregional 20-30%
Bsp. Berlin (Lenschow et al., 2001)
Repräsentative Messung sehr schwierig
Exposition des Menschen schwer zu quantifizieren/klassifizieren:
Innen-/Außenluft
Verkehrsmittel (Privat-PKW, ÖPNV, Fußgänger)
Quellen für Aerosole/Feinstaub in ländlichen Gebieten: Landwirtschaft - NH3
Keine NH3-Emissionen in O-D, PL, UA
NH3-Emissionen Feinstaub-effektiv, - obwohl systematisch unterschätzt
(Reimer, 2006)
Feinstaub - Zusammenfassung
Ursachen
Raum-/Zeitskala
Managementstrategie
Perspektiven,
Trends
Säuren
Abgase
regional/Jahre
Toleranz sub-krit.
Frachten
(„Critical loads, levels”)
Treibhausgase *
Abgase, Leckagen
global/JahrzehnteJahrhunderte
Weitere
Verbesserung,
nicht jedoch bzgl.
NH3
Jahrhundertaufgabe
Troposphärisches
Ozon
Leckagen, Abgase
reg.-kont./Wochen
Feinstaub
Abgase/Feststoffemission,
Ausbringung
lok.-regional/Tage
Zunehmend
Toleranz
‚zumutbaren
Risikos‘
Partielle
Verbesserungen,
Verifikationsprobleme
Risiken von Nanotechnologien ?
• Um welche Wirkungen (Effekte) geht es?
• Dosis-Wirkungs-Beziehung mit oder ohne Schwellenwert ?
• Inwieweit variieren diese für Individuen und Flächen ?
• Falls ohne: Ist Restrisiko akzeptabel ?
Lowest observed (adverse) effect level
Schwellendosis
No observable (adverse) effect level
„Where there are threats of serious or irreversible damage,
lack of full scientific certainty shall not be used as a
reason for postponing cost-effective measures to prevent
environmental degradation“ (Rio-Deklaration, Prinzip 15)
Expositionsgestützte Stoffbewertung
Emission
Exposition
Umwelttransporte
Umweltchemie
(räumliche
und zeitliche
Verteilungsmuster)
?
Vulnerabilität
Exprimierung
(Widerstand,
Resilienz)
Stoffbewertung
Gefährdung
Wirkungen
unbekannt
Vorsorge (precaution): ...nicht tolerabel weil zu unsicher !?
Situation
Schadenshöhe
(S),
Eintrittswahrscheinlichkeit
(P)
Examples of action
Risiko (Risk)
S, P bekannt
Prevention: action taken to
reduce known hazards e.g.
eliminate exposure
Unsicherheit
(Uncertainty)
S bekannt, P
unbekannt
Precautionary prevention:
action taken to reduce
exposure to potential hazards
Unkenntnis
(Ignorance)
S, P unbekannt Precaution: action taken to
(böse
anticipate, identify and reduce
Überraschunge the impact of surprises
n Bsp.
Ozonloch)
EEA, ‚Late Lessons‘ 2002
Ozonloch über der Antarktis:
Farman: (Dobson-Instrument) Halley Bay, 1985
Chubachi: Syowa, 1984
Solomon: PSC can activate Cl (1985)
Molina: ClO recycling via ClOOCl
Natl. Ozone Expedition, NOAA 1986
Ozonloch über der
Arktis:
Microwave Limb Sounder on
NASA‘s Upper Atmosphere
Research Satellite (UARS)
Data 1995
(Manney et al., 1996)
Ausdünnung der Ozonschicht: mögliche
Folgen für Umwelt und Gesundheit
• potenziell gravierend aber 1986 noch nicht messbar, nicht einmal
vorhersagbar (Ozonhypothese, Rowland & Molina 1974; Sachstandsanalyse
‚Atmospheric Ozone‘, 1985: -9% global [2050]; ‚Ozonloch‘ unerklärt)
• Menschliche Gesundheit: Bei einer Verminderung des Ozons um
1 % nehmen die Hautkrebs-Erkrankungen um 1.5 - 2.5 % zu.
• Ökosysteme: Destabilisierung. Z.B.Verminderte
Nettoprimärproduktion des marinen Phytoplanktons während einer
"Ozonloch"-Situation am Rande der Antarktis.
• Regelungsfunktionen der Atmosphäre: Störung der Chemie der
Troposphäre
Protokolle der Wiener Konvention (1985)
Zurückgeführte Cl-und BrKonzentrationen voraussichtlich
um das Jahr 2050.
FCKW-Emissionsminderungen: Perspektiven
Trends
total-Cl –0.6 %/a,
absolut: 95% v. 1993 in 2000
total-Br + 3%/a
relativ: 65% v. 1996 in 2000 (WMO, 2002)
observation
model predictions
Tabazadeh & Cordero, 2004
Stratosphärisches Ozon - Zusammenfassung
Ursachen
Raum-/Zeitskala
Managementstrate
gie
Perspektiven,
Trends
Säuren
Abgase
regional/Jahre
Toleranz sub-krit.
Frachten („Critical
loads, -levels”)
Treibhausgase *
Abgase, Leckagen
global/JahrzehnteJh.e
Leckagen, Abgase
reg.-kont./Wochen
Weitere
Verbesserung,
nicht jedoch bzgl.
NH3
Jahrhundertaufgab
e
Troposphärisches
Ozon
Feinstaub
Abgase/Feststoffem
., Ausbringung
lok.-regional/Tage
Stratosphärisches
Ozon
Leckagen
global/Jahrzehnte
Zunehmend
Inadäquat weil
kein Schwellwert
angebbar
Verifikationsproble
me
Partielle
Verbesserungen,
Nanotechnologien ?
Kuration/Vorsorge
Kuration absehbar
Was ist ein POP ?
Persistent organic pollutant
Environmental chemicals classification:
POP ≈ PBT
Persistent
Bioaccumulative
Toxic
PTS
Kriterien:
B: > 5000, pKow > 4
P: langsamer Abbau in Boden und Wasser
(zumeist t0.5= 2-6 Monate), und
Atmosphäre (t0.5= 2 d, wg. Reichweite)
Eisbohrkernarchiv NO-Spitsbergen
(Hermanson et al. 2005)
→ diese Pestizide müßten in Europa
verboten werden !
Wirkungen von POPs in Wildtieren Europas (Auswahl)
Effect/disorder
Location
Species
Associated
contaminants
Ref.
Reproductive impairment
Nordic countries
European otter
(Lutra lutra)
PCBs
[Leonards, 1997]
Decreased fecundity,
implantation failure
Wadden Sea, NL
Harbor seals
PCBs and
metabolites
[Reijnerds, 1986 #11]
Sterility
Baltic Sea
Ringed seals
(Phoca hispida)
PCBs
[Helle, 1980]
Skull lesions
Baltic Sea, German,
Wadden Sea
Harbor seals
(Phoca vitulina)
PCBs, DDT/DDE
[Mortensen, 1992; Stede, 1990]
Lowered levels of vitamin
A and thyroid hormones
Netherlands,
Wadden Sea
Harbor seals
(Phoca vitulina)
PCBs
[Brouwer, 1989]
Skull-bone lesions
(osteoporosis)
Baltic Sea
Gray seals
(Halichoerus g.)
PCBs, DDT/DDE
[Bergman, 1992]
Adrenocortical hyperplasia
Baltic Sea
PCBs
[Olsson, 1994 #17; Bergman, 1985]
Lowered
immunocompetence
Netherlands,
Wadden Sea
Ringed seals
(Phoca hispida),
Gray seals
(Halichoerus g.)
Harbor seals
(Phoca vitulina)
TCDD-like
[De Swart, 1994; Ross, 1995]
Immunosuppresion (?),
unusual die-offs due to
morbillivirus.
Baltic and the North
Sea, lake Baikal
1987, 1988
harbour seals
PCBs, OCpesticides
[Osterhaus and Vedder, 1988;
Kennedy et al., 1988; Dietz, et al.,
1989; Grachev et al., 1989]
GEF: Regionally Based Assessment
of Persistent Toxic Substances
DDT Ausbringung 1980
Vorkommen von HCHs
Zonaler Gradient im Ozean
Erhöhte Werte im Nord-Pazifik
(Iwata et al., 1993)
Zonaler Gradient von α-HCH in der
Bering- und Tschuktschensee
(Jantunen & Bidleman, 1995)
Trends von POPs in der Arktis – Umwelt und Gesundheit
Bsp. α-Hexachlorcyclohexan
β-Hexachlorcyclohexan
in Blut von Müttern und Frauen
im gebärfähigen Alter
in Luft
Bioakkumulation:
Abnehmende Trends in Luft, Wasser
und Sedimenten setzen sich in Organismen
nicht fort:
Arctic Monitoring & Assessment Programme 2003
Substance
HCH
PCB
PCP
PAHs
Organic Mercury Compounds
Organic Tin Compounds
Organic Lead Compounds
PBDE
Phthalates
Endosulphan
Atrazine
Chlordecone
Octylphenols
Nonylphenols
Chlorinated Paraffins
POP-Protokoll der
Long-range Transboundary Air
Pollution (LRTAP)-Konvention
der UN-ECE
• 16 Stoffe/Stoffgruppen
(Aldrin, Chlordan, Chlordecon, DDT,
Dieldrin, Endrin, Heptachlor,
Hexabrombiphenyl, Hexachlorbenzol,
Hexachlorcyclohexan, Mirex, PCB,
Toxaphen, PAH, Dioxine/furane),
weitere in Vorbereitung
• derzeit 23 Ratifizierungen, in Kraft seit
23.10.03
Ecotox.
Effects
1
2
1
2
2
2
1
no data
0
0
1
0
0
0
no data
Human
Effects
0
1
1
2
1
no data
2
no data
0
0
1
0
0
0
no data
Qualitative Risikokategorien
0 = keine oder nicht gesichert
1 = Wirkungen
2 = erhebliche Wirkungen
POP-Konvention der UN
• 12 Stoffe/Stoffgruppen
(Aldrin, Chlordan, DDT, Dieldrin,
Endrin, Heptachlor,
Hexachlorbenzol, Mirex, PCB,
Toxaphen, Dioxine/furane),
weitere in Vorbereitung
• derzeit 134 Ratifizierungen,
in Kraft seit 17.5.04
UNEP Assessment Report
Bewertung von Umweltchemikalien
Altstoffprüfung EU:
(EEA, 1998)
• 100000 Stoffe in Gebrauch (1982), davon 2500 high production volume chemicals
(Europ. Chemicals Bureau)
• 110 priorisiert aufgrund von Mengen und Risiken (Reg. 793/93), von 41 untersuchten
wurden 34 als weiter untersuchungsbeduerftig (Datenbedarf) eingestuft, 7
Entwarnungen
• Reformprogramm REACH ab 2007: Datenbedarf an Mengen gemessen;
Stoffsicherheitsbericht erst ab 10 t/a notwendig
POPs - Zusammenfassung
Säuren
Treibhausgase *
Troposphärisches
Ozon
Ursachen
Raum-/Zeitskala
Abgase
regional/Jahre
Abgase, Leckagen
global/JahrzehnteJh.e
Leckagen, Abgase
reg.-kont./Wochen
Feinstaub
Abgase/Feststoffem
., Ausbringung
lok.-regional/Tage
Stratosphärisches
Ozon
POPs
Leckagen
global/Jahrzehnte
Leckagen, Abgase,
Abfall, Ausbringung reg.-global
/Jahrzehnte-?
Managementstrate
gie
Toleranz sub-krit.
Frachten („Critical
loads, -levels”)
Perspektiven,
Trends
Weitere
Verbesserung,
nicht jedoch bzgl.
JahrhundertNH3
Konflikt: Handelsbarrieren
aufgabe
sind nur erlaubt, wenn
wissenschaftlich
hinreichend
Zunehmend
fundierte Beweise beigebracht
werden (GATT, Art. 20) ./.
Inadäquat weil kein
Basel-Konvention
zur
Partielle
Schwellwert angebbar
Eindämmung der Verbesserungen,
Gefährdungen
Verifikationsdurch Abfälle Nanotechnologien ?
probleme
Kuration/Vorsorge
(noch sehr
lückenhaft)
Kuration absehbar
Noch nicht
abschätzbar

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