Umweltchemie E-Book

Claus Bliefert

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2012

Seitenzahl: 728

Beschreibung

Auch in seiner dritten Auflage besticht dieses Lehrbuch durch seine verständliche Darstellung und die einprägsamen Abbildungen, die die komplexe Materie nicht nur dem Studenten nahebringen. Der Inhalt wurde für die neue Auflage durchgehend aktualisiert und um wichtige neue Aspekte des Umweltrechts ergänzt. Stimmen zum Buch: "...ein umfassender, flott zu lesender Einstieg in das weite Feld der Umweltchemie." (Nachrichten aus der Chemie) "Zahlreiche Tabellen und Grafiken helfen beim Verstehen der Zusammenhänge." (Umwelt Magazin) "Besonders erwähnenswert ist das umfangreiche Register. [Dieses] verleiht dem Buch beinahe einen lexikalen Charakter." (Advances in Food Sciences) "Durch seinen durchgängien Praxisbezug ... bietet das Buch auch dem in der Industrie tätigen Praktiker ein umfassendes Nachschlagewerk zu den Fragen des Umweltschutzes." (Aluminium)

Leseprobe

Inhalt

Vorwort

Teil I Umwelt, Stoffe

1 Umweltchemie, Chemie der Umwelt

1.1 Vorbemerkungen

1.2 Umweltchemie

1.3 Historisches

1.4 Umweltbewusstsein

1.5 Bevölkerungsexplosion

2 Entstehung und Aufbau der Erde

2.1 Entstehung der Elemente

2.2 Entstehung der Atmosphäre

2.3 Chemische Evolution

2.4 Aufbau der Erde

2.5 Globale Stoffkreisläufe

2.6 Rohstoff- und Energievorräte

3 Stoffe in der Umwelt

3.1 Grundbegriffe

3.2 Physikalische und chemische Eigenschaften

3.3 Produktionsmengen

3.4 Anwendung

3.5 Transport, Dispersion

3.6 Persistenz

3.7 Abbaubarkeit

3.8 Anreicherung

3.9 Schadwirkungen

3.10 Geruchsbelästigung

4 Umweltschutz

4.1 Vorbemerkungen

4.2 Produktionsintegrierter und additiver Umweltschutz

4.3 Einsparen von Rohstoffen und Energie

4.4 Ökobilanzen

4.5 Nachhaltige Entwicklung, Verantwortliches Handeln

5 Umweltrecht

5.1 Rechtskenntnisse bei Naturwissenschaftlern und Ingenieuren

5.2 Ziele der Umweltgesetzgebung

5.3 Gesetze, Rechtsverordnungen, Verwaltungsvorschriften, Technische Regeln

5.4 Struktur und Prinzipien des Umweltrechts

5.5 Instrumente des Umweltrechts

5.6 Überblick

6 Chemikaliengesetz, Gefahrstoffverordnung, Gefahrgutgesetz

6.1 Chemikaliengesetz

6.2 Gefahrstoffverordnung

6.3 MAK-, TRK-, BAT- und MIK-Wert

6.4 Gefahrgutgesetz

Literatur zu Teil I

Teil II Luft

7 Die Lufthülle der Erde

7.1 Vorbemerkungen

7.2 Zusammensetzung und Eigenschaften der Atmosphäre

7.3 Schäden durch Luftverunreinigungen

7.4 Grundlagen der Photochemie

7.5 OH-Radikale in der Troposphäre

8 Kohlendioxid

8.1 Eigenschaften

8.2 Quellen und Senken, Kohlenstoffkreislauf

8.3 Änderungen des CO2-Gehalts in der Atmosphäre

8.4 Spurengase und Klima

9 Kohlenmonoxid

9.1 Eigenschaften

9.2 Quellen und Senken

9.3 Wirkungen beim Menschen

10 Schwefelverbindungen

10.1 Eigenschaften, Verwendung

10.2 Quellen und Senken, Schwefelkreislauf

10.3 Wirkungen

10.4 Saurer Regen, neuartige Waldschäden

11 Oxide des Stickstoffs

11.1 Eigenschaften

11.2 Distickstoffmonoxid

11.3 NOx: Gleichgewicht, Quellen, Senken

11.4 Einfluß von NOx auf Lebewesen

12 Flüchtige organische Verbindungen

12.1 Überblick

12.2 Methan

12.3 Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe

12.4 Photooxidantien

12.5 Automobilabgase

13 Ozon in der Stratosphäre

13.1 Vorkommen und Eigenschaften

13.2 Der Chapman-Zyklus

13.3 Katalytischer Ozonabbau

13.4 Ozonloch

13.5 FCKW, CKW, Halone

14 Aerosole

14.1 Bedeutung

14.2 Quellen, Eigenschaften

14.3 Umwandlungen

14.4 Zusammensetzung

14.5 Größe, Lebensdauer, Verteilung

14.6 Einfluss auf den Menschen

14.7 Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe

14.8 Tabakrauch

14.9 Asbeste

15 Immissionsschutzrecht

15.1 Vorbemerkungen

15.2 Anlagenbezogener Immissionsschutz

15.3 Produkt- und gebietsbezogener Immissionsschutz

15.4 Störfallverordnung

15.5 TA Luft

Literatur zu Teil II

Teil III Wasser

16 Wasser: Grundlagen

16.1 Bedeutung und Eigenschaften

16.2 Säure-Base-Reaktionen

16.3 Offene und geschlossene Systeme

16.4 Fällung von Hydroxiden

16.5 Flockung

17 Wasserkreislauf, Wasserbelastungen

17.1 Wassermengen, Wasserkreislauf

17.2 Natürliche Gewässer, Ozeane

17.3 Wasserbelastungen

17.4 Bewertung wassergefährdender Stoffe

18 Spezielle Wasserbelastungen

18.1 Wasch- und Reinigungsmittel

18.2 Polychlorierte Dibenzodioxine, Dibenzofurane und Biphenyle

18.3 Öl

19 Trinkwassergewinnung und Abwasserreinigung

19.1 Trinkwasser

19.2 Abwasser

19.3 Reinigung kommunaler Abwässer

19.4. Behandlung und Beseitigung von Klärschlamm

20 Gewässerschutzrecht

20.1 Vorbemerkungen

20.2 Wasserhaushaltsgesetz

20.3 Abwasserabgabengesetz

20.4 Wasch- und Reinigungsmittelgesetz

Literatur zu Teil III

Teil IV Boden

21 Boden: Grundlagen

21.1 Zusammensetzung

21.2 Bedeutung, Funktionen

21.3 Verwitterung, Erosion

21.4 Düngemittel

22 Bodenbelastungen

22.1 Schadstoffe im Boden

22.2 Bodenversauerung

22.3 Pestizide

23 Schwermetalle

23.1 Allgemeines

23.2 Quecksilber

23.3 Blei

23.4 Cadmium

24 Altlasten

24.1 Allgemeines

24.2 Bewertung

24.3 Sanierung und Sicherung

25 Bodenschutzrecht

Literatur zu Teil IV

Teil V

26 Abfall: Überblick

26.1 Abfälle

26.2 Hausmüll und hausmüllähnliche Gewerbeabfälle

26.3 Abfälle aus Industrie und Gewerbe

26.4 Entsorgung von Abfällen

26.5 Abfallarten, Abfallverzeichnis

27 Hausmüll

27.1 Deponien

27.2 Deponiegas, Biogas

27.3 Deponieklassen

27.4 Verbrennung

28 Recycling

28.1 Begriffe

28.2 Möglichkeiten, Grenzen

28.3 Baustoffe

29 Sonderabfall

29.1 Begriffe

29.2 Thermische Behandlung, Sonderabfalldeponien

29.3 Abfallbeseitigung auf See

30 Abfallrecht

30.1 Europäisches Abfallrecht

30.2 Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz

30.3 Abfallverordnungen und Abfallverwaltungsvorschriften

Literatur zu Teil V

Anhang

Anhang A Gehaltsangaben für Gase

Anhang B Gesetze, Verordnungen, Vorschriften

B.1 Europäisches Recht

B.2 Deutsches Recht

Anhang C Quellen von Abbildungen und Tabellen

Register

Professor Dr. Claus Bliefert

Labor für Umweltchemie

Fachbereich Chemieingenieurwesen

Fachhochschule Münster

Stegerwaldstraße 39

D-48565 Steinfurt

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autor und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.

1. Auflage 1994

Nachdruck der 1. Auflage 1995

2. Auflage 1997

3. Auflage 2002

Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme

Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Die Deutsche Bibliothek erhältlich

© WILEY-VCH Verlag GmbH, 69469 Weinheim (Federal Republic of Germany); 2002

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

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Print ISBN 9783527303748

Epdf ISBN 978-3-527-30374-8

Epub ISBN 978-3-527-66300-2

Mobi ISBN 978-3-527-66299-9

Meiner Frau und meinen Kindern

Vorwort

Wo zwischen Wissen und Meinung nicht mehr unterschieden wird bzw. dieser Unterschied nicht mehr kenntlich ist, öffnet.sich heute in überraschender Weise eine Nische für eine neue Dummheit, allerdings für eine Dummheit auf hohem Niveau.

JÜRGEN MITTELSTRASS, Kongress „Zukunft Deutschlands in der Wissensgesellschaft“, 1998

Die Umweltchemie ist längst aus einem deutschen oder anderen nationalen Rahmen hinausgewachsen; die lokale Betrachtungsweise der „Chemie um uns“ hat weitgehend kontinentalem und globalem Denken und Handeln Platz gemacht. Landespezifisch und regional geprägte Problemstellungen aus den unterschiedlichen geografischen Zonen wachsen, mit jeweils eigenen Erfahrungen und Erkenntnissen, immer mehr zu einem Gesamtbild zusammen. Aus all dem zusätzlich in Erfahrung Gebrachten gilt es, eine „Umweltchemie“ immer wieder neu zu schreiben.

Dem allen trägt diese Neubearbeitung Rechnung, wobei ich mich bevorzugt – besonders augenfällig beim Umwelt-Recht – um eine europäische Sichtweise bemüht habe. Die Veränderung des Blickfelds ist mit einer Aktualisierung der meisten Daten verbunden.

Wertvolle Impulse flossen in die vorliegende Neuauflage ein aus der Zusammenarbeit mit meinem Kollegen Robert Perraud aus Grenoble; wir haben im letzten Jahr zusammen eine „französische Umweltchemie“ verfasst:

C. BLIEFERT, R. PERRAUD. 2001. Chimiede l’Environnement.

Paris: DeBoeck Université. ISBN 2-7445-0086-0 (477 Seiten).

Sollte die Umweltchemie bisher zur Versachlichung der Umweltdiskussion beigetragen haben, so wäre das der schönste Lohn für mich und meine Frau, Annie Bliefert, die meine neuerlichen Arbeiten am Manuskript mit Geduld und Verständnis mitgetragen hat!

Kollegen und Freunde haben zahlreiche wertvolle Hinweise gegeben zu Veränderungen und Verbesserungen, die in diese Auflage eingeflossen sind:

Prof. Dr. HERMANN BÜTTNER, Steinfurt

Dr. habil. HANS F. EBEL, Heppenheim

Prof. Dr. NORBERT EBELING, Steinfurt

Professeur SERGE GÉRIBALDI, Université de Nice-Sophia Antipolis

Dipl.-Ing. STEFAN KIEFABER, Völklingen

Prof. Dr. EDUARD KRAHÉ, Metelen

Prof. Dr. GÜNTER LIECK, Steinfurt

Professeur ROBERT PERRAUD, Université Joseph Fourier, Grenoble

Ihnen sei an dieser Stelle herzlich gedankt!

Besonders bedanken möchte ich mich für die bewährte tatkräftige Mitarbeit von Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. FRANK ERDT und von cand. chem. FLORIAN BLIEFERT!

Schöppingen, im Juli 2002

Claus Bliefert

Vorwort zur 1. Auflage

Aber die Natur versteht gar keinen Spaß, sie ist immer wahr, immer ernst, immer strenge, sie hat immer recht, und die Fehler und Irrtümer sind immer des Menschen.

Johann Wolfgang von Goethe (Gespräche mit Eckermann)

Diese Einführung in die Umweltchemie ist aus einer Vorlesung entstanden, die ich im Fachbereich Chemieingenieurwesen in Steinfurt gehalten habe.

Das Buch soll einen Überblick geben über die Erde – ihre Entstehung und ihren gegenwärtigen Zustand –, über die Bereiche Luft, Wasser und Boden und über Eigenschaften, Reaktionen, Quellen und Senken sowie die Gefährlichkeit umweltrelevanter Stoffe und über Abfälle. Sachverhalte werden durch möglichst aktuelles Datenmaterial belegt und veranschaulicht.

Dieser Überblick will, und das ist sein vorrangiges Ziel, das Bewußtsein der Leser für das weite Feld der Umweltprobleme und deren chemische Hintergründe schärfen. Es will auch einen Beitrag zur öffentlichen Diskussion über den Problemkreis „Chemie und Umwelt“ leisten. Auch dem chemisch weniger Versierten soll ein Überblick über die „Umweltchemie“, eine junge umfangreiche Disziplin, gegeben werden; große Passagen dieses Buches sollen verständlich sein für Leser mit Kenntnissen, wie sie bereits nach kurzem Chemieunterricht vermittelt sind. Manche Zusammenhänge der Umweltchemie mit anderen, eher „chemiefernen“ Disziplinen werden angerissen.

Und ein weiteres: Chemie hat inzwischen viel mit Gesetzen und Verordnungen zu tun, und viele Bürger – auch unsere Hochschulabsolventen – wissen darüber zu wenig; deshalb sind eigene Kapitel zu wichtigen Vorschriften des Umweltrechts aufgenommen worden, im besonderen zum Gefahrstoff-, immissionsschutz-, Gewässerschutz-, Bodenschutz- und Abfallrecht.

Auf den Bereich „Kernchemie/Atomenergie“ wird in dem Buch nicht eingegangen: Dies hätte den vorgegebenen Rahmen gesprengt; zudem gibt es Berufenere, die sich darüber bereits umfassend in sachkundigen Schriften ausgelassen haben.

Dieser Überblick über die Umweltchemie ist in fünf Teile gegliedert:

I

Umwelt, Stoffe

II

Luft

III

Wasser

IV

Boden

V

Abfall

Da die Chemie der Umwelt vernetzt ist, wird zu manchem Thema in mehr als einem Kapitel – jedoch unter verschiedenen Blickwinkeln – etwas gesagt. Solche Überschneidungen wurden bewußt in Kauf genommen, Querverweise stellen die Verbindungen her.

Um diesem Überblick seinen Lehrbuchcharakter nicht zu nehmen und um den Lesefluß nicht zu stören, sind im laufenden Text keine Verweise auf Bücher oder Zeitschriftenartikel aufgenommen worden. Benutzte und weiterführende Literatur sind am Ende jedes Teils angegeben. Verweise auf die Quellen für Abbildungen und Tabellen befinden sich in Anhang C.

In einem weiteren Anhang (Anhang A) wird auf die Angabe der Konzentrationen von Stoffen in der Atmosphäre eingegangen. Anhang B enthält eine alphabetische Zusammenstellung zahlreicher die Umwelt betreffender Gesetze und Verordnungen.

Ein umfangreiches Register schließlich soll das Auffinden von Definitionen, Beispielen usw. erleichtern und diesem Buch einen Hauch von „Umweltchemielexikon“ verleihen.

Schöppingen, im Juli 1994

Claus Bliefert

Vorwort zur 2 Auflage

Wer sich auf sein Herz verläßt,ist ein Narr;

wer aber mit Weisheit geht,wird entrinnen.

Bibel, Sprüche 28, 26

Die erste Auflage derUmweltchemie wollte verständlich in das weite Feld „Chemie und Umwelt“ einführen, wollte umfassend sein und leicht zu lesen. Das Buch wollte für Studenten und Schüler, für Chemiker und Chemie-Ingenieure und auch für Vertreter anderer Fachrichtungen eine Einführung sein, ein Lehrbuch und ein Nachschlagewerk zugleich. Und es wollte eine leicht verständliche Einführung sein für alle Leser mit geringen Chemiekenntnissen. – Daß diese Ziele erreicht worden sind, haben Leser und Rezensenten vielfach bestätigt.

Nach drei Jahren wird hier eine neue, überarbeitete und erweiterte Auflage vorgelegt. Dazu wurden viele Daten aktualisiert und neuere Forschungsergebnisse eingebaut. Die zum Teil erheblich geänderten gesetzlichen Rahmenbedingungen in Deutschland (z. B. das neue Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz) und in Europa wurden berücksichtigt. Dies und auch das geänderte Umweltbewußtsein fanden ihren Niederschlag in vielen Änderungen und Erweiterungen in der zweiten Auflage.

Manche Themen, die Leser angemahnt haben, sind dazugekommen, z. B. „Innenraumluft“, „Tabakrauch“ oder „Deponieklassen“. Einige Kapitel sind erheblich erweitert worden, z. B. „Umweltschutz“ und „Altlasten“. Aber nicht jeder Änderungswunsch ließ sich erfüllen, weil dafür einfach kein Druckraum mehr zur Verfügung stand. Einige Leser hätten gerne Themen aus dem Bereich „Umweltanalytik“ stärker vertreten gesehen: Dies ist bewußt unterblieben – die Analytik ist ein eigenes umfangreiches Lehr- und Arbeitsgebiet und nicht Teil der Umweltchemie.

Ein wissenschaftliches Buch über ein Umwelt-Thema gerade in Deutschland zu schreiben war nicht ohne Reiz – und Risiko: Trifft man doch nirgendwo sonst zu allem, was sich mit „Umwelt“ assoziieren läßt, so viel vorgefaßte und weltanschaulich verhärtete Meinung wie gerade hier. Den Sehnsüchtigen und Eiferern sei das Wort aus der Heiligen Schrift zugeraunt, das diesem Vorwort vorangestellt ist.

Meinen Lesern eine informative und unterhaltsame Lektüre!

Schöppingen, im Juli 1997

Claus Bliefert

Teil I

Umwelt, Stoffe

1

Umweltchemie, Chemie der Umwelt

1.1 Vorbemerkungen

1.1.1 Zum Begriff „Umwelt“

Das Wort „Umwelt“ wurde von dem dänischen, in Hamburg lebenden Dichter JENS IMMANUEL BAGGESEN (1764-1826) „erfunden“. In seiner Ode an NAPOLEON (1800) erscheint dieser Begriff bei der Beschreibung der Wirkungen des feurigen Blicks eines göttlichen Sängers.

Und es verwandelt die Fluth in Feuer sich, Nebel in Nordlicht,

Regen in Strahlenerguss, dass von fern erscheint der Umwelt

ein’ ätherische Feste die Schicksalshölle des Dichters.

(J. I. BAGGESEN, Ode an NAPOLEON)

In die Naturwissenschaften wurde „Umwelt“ eingeführt von JAKOBVON UEXKÜLL (deutscher Biologe; 1864-1944) im Jahre 1909, der auch das erste Institut, das in seinem Namen das Wort „Umwelt“ enthielt, 1924 in Hamburg gründete: das „Institut für Umweltforschung“. Für ihn war „Umwelt“ die Summe aller Faktoren, die ein Lebewesen umgeben und auf die es reagiert.

„Umwelt“ ist heutzutage ein in verschiedener Hinsicht verwendeter Modebegriff – und deshalb unscharf. Oft wird „Umwelt“ auf Lebewesen bezogen, also auf Menschen, Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen. Diese Lebewesen stehen in vielfältigen Beziehungen zueinander und zu ihrer Umgebung, die aus zahlreichen einwirkenden „Elementen“ besteht, die man Umweltfaktoren oder ökologische Faktoren nennt (griech. oikos, Haus, Haushalt; logos, Lehre – gemeint ist die Lehre vom Haushalt der Natur). Solche Faktoren sind alle möglichen äußeren Beeinflussungen, denen Lebewesen ausgesetzt sein können. Die Summe aller Umweltfaktoren bilden die Umwelt, die Natur. Umwelt ist also die Gesamtheit aller direkten und indirekten Einwirkungen auf ein Lebewesen und dessen Beziehungen zur übrigen Welt. Dazu gehören im weitesten Sinne neben der natürlichen die soziale und geistige Umwelt; im Folgenden soll der Begriff „Umwelt“ im engeren Sinn gebraucht werden.

Die Einwirkungen auf Lebewesen lassen sich nach verschiedenen Gesichtspunkten unterteilen, z. B.:

– Einwirkungen durch abiotische, unbelebte, und biotische, belebte, Faktoren,

– klimatische, chemische oder mechanische Einwirkungen,

– natürliche und anthropogene, vom Menschen verursachte, Einwirkungen und andere mehr.

Oftmals spricht man statt von Umwelt von der Biosphäre (griech. bios, Leben; lat. sphaira, Kugel, Erdkugel) und meint damit die Gesamtheit der mit lebenden Organismen – Menschen, Tieren, Pflanzen, Mikroorganismen – besiedelten Schichten der Erde, also die Atmosphäre bis zu etwa 25 km Höhe, die Ozeane bis in ca. 10 km Tiefe und die Erdkruste bis in ca. 3 km Tiefe. Wo man die Grenzen auch setzt: die Umwelt ist in jedem Fall ein komplexes System, in dem Boden, Wasser und Luft sowie die Tier- und Pflanzenwelt und auch das Klima die Hauptkomponenten sind (Abb. 1-1).

Abb. 1-1. Hauptkomponenten der „Umwelt“.

Abb. 1-2. Ökosystem und Wechselwirkungen zwischen belebter und unbelebter Natur.

1.1.2 Systeme

Ein System (griech. systema, aus mehreren Teilen zusammengesetztes und gegliedertes Ganzes) ist eine abgegrenzte Anordnung von Teilen (Komponenten), die in Wechselbeziehungen zueinander stehen. Ein System ist mehr als ein Nebeneinander von Teilen, es verhält sich anders als seine Teile, es ist mehr als nur ihre Summe: Es ist ein neues Ganzes. Beispiele für Begriffe, bei denen man den Wortbestandteil „System“ verwendet, sind „Nervensystem“ oder „Atmungssystem“. Ein gigantisches überlebensfähiges System – ein komplexes „Supersystem“ – ist die Biosphäre, bestehend aus der belebten und der unbelebten Natur, die miteinander in Wechselwirkungen stehen (Abb. 1-2).

Das „Mehr“, das das System von der Summe seiner Teile unterscheidet, sind die Struktur, die Organisation, das Netz der Wechselwirkungen. Systeme können offen sein oder mit anderen vernetzt. Systeme „leben“, sie sind dynamisch (griech. dynamikos, mächtig, wirksam); statische Systeme (griech. statikos, zum Stillstand bringend), Systeme ohne Bewegung und Entwicklung, nimmt man meist nur in Näherungsansätzen an, weil sie mathematisch einfacher zu beschreiben sind.

Bei dem „System Umwelt“ ist eine isolierte Betrachtung der meisten Entwicklungen nicht sinnvoll, da Verknüpfungen (Kopplungen) mit anderen Entwicklungen oder Rückkopplungen nicht vernachlässigt werden dürfen. Lineares Denken – jede Wirkung wird nur auf eine einzige eindeutige Ursache zurückgeführt – führt bei Umweltproblemen meist nicht zum Ziel. Im komplexen Ökosystem Umwelt ist vielmehr „vernetztes Denken“ gefragt: Wegen starker Vernetzungen und weitreichender Rückkopplungen in der Umwelt ist es oft unmöglich, eine einfache Antwort auf eine ökologische oder umweltrelevante (umweltbedeutsame) Frage zu geben.

Dennoch betrachtet man bestimmte Bereiche der stark vernetzten Umwelt getrennt, weil das Gesamtsystem zu kompliziert ist. Solche abgrenzbaren Ausschnitte, die als „funktionelle Einheiten“ in wechselseitigen Beziehungen zu anderen stehen, nennt man auch Kompartimente (franz. compartiment, Abteil). Bedeutende Kompartimente sind die Atmosphäre, der Boden und die Ozeane; aber auch eine einzelne Zelle, ein Organ oder ein Bereich des menschlichen Organismus, ein Baum oder alle grünen Pflanzen können als Kompartiment aufgefasst werden.

Im Zusammenhang mit Lebewesen wird oft ein anderer Begriff verwendet: Ökosystem (ökologisches System). Man versteht darunter ein mehr oder weniger deutlich abgegrenztes biologisches und chemisch-physikalisches Teilsystem innerhalb der Gesamtheit der Organismen und ihres Lebensraums, z. B. den Wald, einen Fluß oder Tümpel, die Wüste oder das Meer.

Den gleichen Wortstamm „öko“ hat der Begriff Ökologie, der erstmals 1866 von dem Biologen ERNST HAECKEL (1834-1919) verwendet wurde. Unter diesem Teilgebiet der Biologie wird die Wissenschaft von den Wechselbeziehungen der Lebewesen mit ihrer Umwelt verstanden, die Lehre vom Haushalt der Natur.

1.1.3 Mensch und Umwelt

Der Mensch ist ein Teil des Ökosystems Erde. Er beeinflusst seine Umwelt, und die Umwelt beeinflusst ihn: Der Mensch benutzt die Umwelt und verändert sie durch Wirtschaft, Technik usw.; so schafft er seinen Lebensraum und sichert seine versorgung (Abb. 1-3).

Abb. 1-3. Wechselwirkungen zwischen Mensch und Umwelt (vereinfachtes Modell). – Beziehungen sind durch Linien dargestellt.

Inzwischen ist der Mensch zur bestimmenden Größe im Ökosystem geworden. Er hat vor allem durch die Industralisierung tief in den Naturhaushalt eingegriffen und seine Umwelt stark verändert. Dies ist erst in den letzten Jahrzehnten in das Bewusstsein der Öffentlichkeit gerückt, zum Teil wohl, weil die negativen Rückwirkungen der „industriellen“ Tätigkeit des Menschen für viele erst jetzt sichtbar oder spürbar werden. Die weitere Entwicklung der Umwelt – und damit der Erde – hängt davon ab, wie gut der Mensch das Systemverhalten der Biosphäre versteht und wie gut er Beziehungen, Rückkopplungen oder andere Wirkungsweisen dieses Systems erkennt und sich darauf einstellen kann.

Heute hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass Wachstum und Gewinnmaximierung für die Zukunft nicht mehr (alleiniges) Kennzeichen einer intakten Wirtschaft sein können. Die Selbstregulierungsmechanismen des Marktes in ihrer derzeitigen Form sind nicht in der Lage, mit den weltweit drängenden Umweltproblemen fertig zu werden. Umweltbezogene Überlegungen haben inzwischen bei Entscheidungsprozessen in unserer Gesellschaft, auch in der Industrie, einen höheren Stellenwert bekommen. Indirekt sind „Mensch und Umwelt“ das Hauptthema der Umweltchemie!

1.1.4 Umweltbelastung und -verschmutzung

In der Diskussion der Umwelt und ihrer chemie sind zwei weitere Begriffe von zentraler Bedeutung. Unter Umweltbelastung (engl. environmental impact) versteht man die Gesamtheit aller störenden Umweltfaktoren. Es kommt zu solchen Umweltbelastungen, wenn die natürliche Umwelt – der „Normalzustand“ – durch physikalische, chemische, biologische und technische Eingriffe beeinflusst wird, z. B. dadurch, dass Material aus der Umwelt in größerem Ausmaß durch Abbau von Bodenschätzen entnommen wird oder dass bestimmte Bereiche der Umwelt mit „unnatürlichem“ Material – Abgasen, Abwasser oder Abfällen – angefüllt werden.

Begriffe wie Umweltbeanspruchung oder Umwelteinwirkungbenutzt man, wenn von einer Belastung keine eindeutige negative Wirkung auf die Umwelt ausgeht.

Wenn es sich um eine Verunreinigung der Natur durch Eindringen von Stoffen handelt, spricht man (in einem engeren Sinne) oft von Umweltverschmutzung (engl. environmental pollution). Man kann, je nach betroffenem Bereich der Umwelt, beispielsweise zwischen Luft-, Gewässer- oder Bodenverschmutzung unterscheiden.

1.2 Umweltchemie

Der „Umwelt“ begegnet man erst seit einigen Jahren in Verbindung mit anderen Begriffen aus den Naturwissenschaften – als neue Modebegriffe, wie einige meinen; erinnert sei nur an „Umweltanalytik“ oder „Umweltverfahrenstechnik“. Besonders die „Umweltchemie“ ist eine junge Teildisziplin der Chemie, die einer Abgrenzung gegenüber anderen naturwissenschaftlichen Disziplinen bedarf. Unter Umweltchemie (engl. environmental chemistry; franz. chimie de l’environnement) soll derjenige Teilbereich der Chemie verstanden werden, der sich mit den chemischen Aspekten der Prozesse beschäftigt, die in der Umwelt ablaufen. Umweltchemie befasst sich, um diese Definition zu vertiefen, mit Quellen und Senken, dem Transport (den Kreisläufen) und der Verteilung sowie mit Reaktionen und Wirkungen von Stoffen in Wasser, Boden und Luft und deren Einwirkungen auf Lebewesen, also Menschen, Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen, sowie auf Gegenstände, z. B. Bauwerke, oder Werkstoffe. Im Mittelpunkt der Umweltchemie stehen also die Eigenschaften von Stoffen, deren Verhalten in der Umwelt und die Erkenntnisse über die komplexen Zusammenhänge zwischen Ursachen und Wirkungen, die sich daraus ableiten lassen.

Während früher in der Chemie, sofern sie sich mit der Umwelt beschäftigte, vor allem eine lokale Betrachtungsweise – die „Chemie des Lebens um uns“, die Alltagschemie – üblich war, ist heute, nicht zuletzt aufgrund der weltweiten Verteilung umweltproblematischer Stoffe, eher eine „globale“, umfassendere Betrachtungsweise in den Vordergrund gerückt. Im Mittelpunkt des Interesses steht heute das „Reaktionsgefäß Globus“.

Eingedenk der Vielfalt der menschlichen Aktivitäten sind die Stoffe, die in die Umwelt gelangen können, dermaßen zahlreich, dass eine Auswahl erforderlich ist: Es soll im Folgenden vor allem auf Stoffe eingegangen werden, die in solchen Mengen oder Konzentrationen anfallen, dass sie – heute, unter Umständen auch erst nach vielen Jahren – Schaden anrichten können.

Manchmal wird „Umweltchemie“ synonym zu Ökologischer Chemie – auch Ökochemie – verwendet (zu unterscheiden von der Ökotoxikologie, der Wissenschaft von der Verteilung chemischer Substanzen und von ihren Wirkungen auf Organismen, soweit daraus direkt oder indirekt Schäden entstehen können). Mit diesem von FRIEDHELM KORTE geschaffenen Begriff bezeichnet man ein interdisziplinäres Forschungsgebiet, das sich mit dem Schicksal von Chemikalien in der Biosphäre beschäftigt; dazu gehören die Anwendungen solcher Chemikalien und deren Einfluss auf die Umwelt, ihre Umwandlung durch Stoffwechselvorgänge, ihr Abbau durch Umwelteinflüsse usw.

1.3 Historisches

1.3.1 Luftverunreinigungen

Die Geschichte der Umwelt und ihrer Chemie ist im Wesentlichen eine Geschichte der Umweltverschmutzung. Zu einem wichtigen Teil machen die Veränderungen von Luft, Wasser und Boden durch den Menschen diese Geschichte aus, also Umweltbelastungen durch Verkehr, Gewerbe, Industrie und landwirtschaftliche Nutzung.

In der Vergangenheit waren Luftverunreinigungen in der Regel „Rauch-Probleme“, die vor allem mit Schwefeldioxid und Staub zu tun hatten. Schon die Römer beklagten die Unsauberkeit ihrer Stadtluft. Die Probleme wurden mit Beginn des Kohleabbaus ab dem 13. Jahrhundert vor allem in den Städten gewichtiger. Beispielsweise untersagte ELISABETH I. im Jahre 1578 das Verbrennen von Kohle in London, solange das Parlament tagte; und in einem 1627 in Lyon herausgegebenen Gesetzestext hieß es sogar ausdrücklich: „Aerem corrumpere non licet“ (Es ist verboten, die Luft zu verunreinigen).

ANTOINE LAURENT DE LAVOISIER (1743-1794), den meisten eher bekannt durch seine grundlegenden Arbeiten in der Chemie, hatte sich in Frankreich als „Verursacher“ von Luftverschmutzungen unbeliebt gemacht. Er genoss diesen schlechten Ruf nicht etwa wegen seiner chemischen Experimente. Vielmehr wollte er – Lavoisier war in Paris Steuerbeamter – durch den Bau einer Mauer um die Stadt der Steuerflucht Einhalt gebieten. Wegen dieser Mauer aber blieben Gerüche, Rauch usw. innerhalb der Stadt. Der Widerstand der Pariser Bevölkerung gegen dieses Bauwerk wuchs so sehr, dass die Mauer nach einiger Zeit wieder abgerissen werden musste.

Spätestens seit der Mitte des letzten Jahrhunderts gehen von den unzähligen Verbrennungsmotoren im Straßen- und Luftverkehr neue Belastungen und Gefahren aus.

1.3.2 Wasserverunreinigungen

Die meisten alten Städte, einige wie Babylon ausgenommen, entsorgten noch bis ins 19. Jahrhundert ihre Abfälle direkt oder indirekt in Flüsse und Seen. Erst in dieser Zeit begegnet man den ersten versuchen, Abwasser zu reinigen.

Zentrale Wasserversorgungsanlagen hingegen sind bereits für das ausgehende 15. Jahrhundert belegt, u. a. für Basel, Bern, Nürnberg, Augsburg, Ulm und München. Das Wasser vor allem aus den Brunnen war Lebensquelle einer Stadt. Bei Belagerungen garantierten sie eine gewisse Autarkie; z. B. besaß Nürnberg in der Mitte des 15. Jahrhunderts 100 städtische Ziehbrunnen. Die Verunreinigung von Brunnen wurde streng bestraft, in einigen Städten sogar mit dem Tod. Verboten war u. a., Unflat in die Brunnen zu schütten, Wäsche in den Brunnen zu waschen oder Pferde aus Brunnen zu tränken.

In Bezug auf die Nutzung von Flüssen, Bächen oder Seen als Transportmedium für Abfälle waren unsere Vorfahren noch sehr großzügig. Wollemanufakturen, Wäschereien, Kürschner, Schmiede und Pergamenthersteller hatten oft das Sonderrecht, ihre Beizen (flüssigen Abfälle, bestehend z. B. aus Färbemitteln für Textilien, Präparate für die Lederherstellung oder Säuren/Laugen für die Behandlung von Metalloberflächen) nachts in die Flüsse zu schütten; ähnliches galt für Färbereien und Schlachthäuser. Umweltprobleme hatten schon in früher Zeit stadtplanerische Konsequenzen: So achteten beispielsweise in Paris die Stadtväter darauf, dass sich Gerber und Metzger nur außerhalb der Stadtgrenzen und flussabwärts niederließen, wo ihre Abwässer die eigene Stadt nicht mehr belasten konnten.

1.3.3 Verunreinigungen durch die Industrie

Die ersten industriellen Aktivitäten waren der Bergbau, die Töpferei (7000 v. Chr.) und die Glasherstellung. Die Chemische Industrie im heutigen Sinne entstand um 1850; diese Zeit gilt auch als Beginn der Industrialisierung. Erstmals wurden Chemikalien, vor allem Natriumcarbonat und andere Alkalien, im größeren Maßstab in der Textilindustrie bei der Herstellung von Wolle und in der Glasindustrie eingesetzt.

Bereits die frühen Herstellungsprozesse für Natriumcarbonat (Soda) – das Solvay- und das Leblanc-Verfahren – schufen Probleme bei der Entsorgung der anfallenden Abfallstoffe. NICOLAS LEBLANC (1742-1806) entwickelte 1790 aufgrund eines Preisausschreibens, das die Pariser Akademie der Wissenschaften 1775 durchgeführt hatte, ein Verfahren zur Soda-Herstellung (Leblanc-Verfahren). Dabei wurde Kochsalz mit Schwefelsäure zunächst zu Natriumsulfat umgesetzt:

(1-1)

Der dabei anfallende Chlorwasserstoff, HCl, wurde zuerst einfach in die Atmosphäre gelassen. Als Folge starben Bäume und andere Pflanzen in der Nachbarschaft der Fabriken ab. Nur selten verwendete man anfangs Kalk, CaCO3, um den entstehenden Chlorwasserstoff zu binden. Natriumsulfat reagiert weiter mit Kalk und Kohle zu Natriumcarbonat:

(1-2)

Aus dem Reaktionsprodukt wurde dann die Soda mit Wasser ausgelaugt. Abfallprodukt war zusätzlich Calciumsulfid, CaS.

Auch bei dem 1861 von ERNEST SOLVAY (1838-1922) ausgearbeiteten Verfahren zur Herstellung von Natriumcarbonat (Solvay-Verfahren, auch Ammoniak-Soda-Verfahren genannt) gab es Abfallprodukte: vor allem Calciumchlorid, CaCl2, das entsorgt werden musste.

Für die Herstellung besonders von Seife war im steigenden Maße Natriumhydroxid, NaOH, erforderlich. Während NaOH früher vor allem durch „Kaustifizierung“ – Umsetzung von Sodalösung mit gelöschtem Kalk – gewonnen wurde,

(1-3)

wurde es später großindustriell durch Elektrolyse von Natriumchlorid hergestellt, wobei als zu entsorgendes Sekundärprodukt elementares Chlor anfiel, das in der Anfangszeit einfach in die Atmosphäre geleitet wurde, heute jedoch die Grundlage einer ausgedehnten Chlorchemie ist (vgl. Abschn. 18.2.1).

1.3.4 Arbeitsschutz, Berufsrisiko

Das erste ernste – im weitesten Sinne durch chemische Einflüsse bedingte – Berufsrisiko in der Geschichte der Menschheit ist wahrscheinlich der Einfluss von Schwermetallen während des Abbaus von Metallen und Erzen und während des Schmelzens. Im Mittelalter blühte die Metallindustrie auf: Beispielsweise brauchte man immer mehr Münzen in Handel und Wirtschaft; Quecksilber wurde für Spiegel benötigt; und für die zahlreichen Kriege wurden Kupfer, Blei und Eisen produziert.

Während dieser Zeit kamen auch Vergiftungen durch Metalle oder Metallverbindungen bei bestimmten Beschäftigungen häufig vor. So wurden beispielsweise Apotheker sowie Nonnen und Mönche oft durch toxische Bestandteile der Tinte vergiftet: die einen, weil sie Tinte herstellten, und die anderen, weil sie ihre Federn vor dem Schreiben mit Speichel befeuchteten.

Die großindustrielle Herstellung von Farbstoffen begann 1857 mit der industriellen Synthese von Anilin und verwandten Verbindungen besonders in Deutschland (z. B. 1873 und 1897 Produktion von Alizarin bzw. von Indigo). Zum ersten Mal wurde man sich bewusst, dass es einen Bezug gibt zwischen Produktion (von Anilin) und dem Auftreten von Karzinomen („Anilin-Krebs“, einem Blasenkrebs): Diese Erkrankungen betrafen besonders Arbeiter in Deutschland, denn 1913 betrug die Weltproduktion an Farbstoffen 160 000 t, davon wurden 140 000 t in Deutschland hergestellt. (Erst später wurde nachgewiesen, dass nicht Anilin selbst der Verursacher dieser Krankheit war, sondern 2-Naphthylamin, ein anderes aromatisches Amin, das als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Farbstoffen anfiel.)

1.3.5 Umweltbelastung durch landwirtschaftliche Nutzung

Der Mensch begann vor ungefähr 8000 Jahren mit dem Ackerbau, und von da an kam es bereits zum Einsatz von Düngemitteln und vor allem von Pestiziden.

Zahlreiche chemische Verbindungen sind im Verlauf der Geschichte gegen Seuchen eingesetzt worden. In China beispielsweise benutzten die Menschen vor 4000 Jahren „Schwefelrauch“ gegen Ratten. Cato beschrieb in seinem Buch De agri cultura(200 v. Chr.), dass gegen die Pest Öl eingesetzt wurde. Im Jahr 77 n. Chr. wurden, so PLINIUS DER ÄLTERE, Schädlinge in den Weinbergen mit Arsenik, As2O3, bekämpft. Schon Griechen und Römer verwendeten „brennenden Schwefel“, also Schwefeldioxid, als Mittel gegen Insekten.

Im Verlauf des 19. Jahrhunderts kamen neue anorganische Stoffe hinzu wie „Pariser Grün“ (auch „Schweinfurter Grün“), das gegen Heuschrecken und andere Insekten wirksam war. Schwefelverbindungen wurden gegen schädigende Pilze verwendet, zum Beispiel Mischungen von Schwefel und Calciumhydroxid – Calciumpolysulfide –, in Europa bekannt unter dem Namen „kalifornische Mischung“.

Schon vor 1900 wurden organische Pestizide synthetisiert. Zu den ersten, die heute noch vereinzelt eingesetzt werden, gehören 4,6-Dinitro-o-kresol (1882) und Phenylquecksilberchlorid (1915; mehr zu synthetischen Pestiziden s. Abschn. 22.3).

1.4 Umweltbewusstsein

In der öffentlichen Diskussion der letzten Jahre haben Themen eine wichtige Rolle gespielt wie „Waldsterben“, „Saurer Regen“, „Ozonloch“, „Treibhauseffekt“, „Gifte in Nahrungsmitteln“. Ein neues Umweltbewusstsein hat inzwischen alle Bereiche der Gesellschaft, auch die Politik durchdrungen.

Die Bedeutung, die der Gesetzgeber in Deutschland dem Umweltschutz einräumt, spiegelt sich unter anderem in der fast unüberschaubaren Anzahl von Gesetzen und Vorschriften wider, die in den letzten 30 Jahren – in großer, weltweit wohl einmaliger Regelungsdichte – zum Schutz der Umwelt erlassen wurden.

Darüberhinaus ist im Vertrag zur Gründung der Europäischen Gemeinschaft eine gemeinsame europäische Umweltpolitik definiert worden, besonders im Artikel 130 R (s. Abschn. 5.2).

Artikel 130 R

(Artikel 174 der konsolidierten Version)

„Umweltpolitik der Gemeinschaft“

Welche die Umwelt betreffenden Themen in den letzten 20 Jahren besondere Beachtung fanden, lässt sich aus einem Artikel mit dem Titel „Zeitbomben der Menschheit“ ablesen, in dem mehrere „fundamentale Bedrohungen der Menschheit“ aufgezählt wurden.

1.4 Umweltbewußtsein

„Zeitbomben der Menschheit“

Kurzsichtiger, verschwenderischerUmgang mit den natürlichenRessourcen

Luft-, Gewässer- und Bodenverschmutzung

Entwaldung

„Klimazeitbombe“

„Bevölkerungszeitbombe“

Viele Menschen unserer Gesellschaft befassen sich erst seit kurzer Zeit mit den Auswirkungen ihrer Tätigkeit auf ihre natürliche Umwelt. Dafür gibt es mehrere Gründe. Zunächst: es geht uns (zu) gut. Die durchschnittliche Lebenserwartung beträgt für einen neugeborenen Jungen 74,4 Jahre, für ein gerade zur Welt gekommenes Mädchen 80,6 Jahre; diese Lebenserwartung ist die höchste, die es jemals in Deutschland gab (um 1900 lag das Lebensalter durchschnittlich bei ungefähr 35 Jahren). Und nie war die Arbeitszeit des einzelnen niedriger. Dies alles verdanken wir u. a. auch der Chemie und ihren Fortschritten in Hygiene, Pharmazeutik usw.

Neben einem eher niedrigen Informationsstand in Sachen Umweltschutz gibt es andere Gründe für das Unwohlsein mancher Bürger. Die moderne Umweltanalytik kann inzwischen das Vorkommen vieler Stoffe, über deren mögliche Gefahren in der Öffentlichkeit zum Teil kontrovers diskutiert wird, sogar auf der gesamten Erde nachweisen (vgl. auch Abschn. 7.2.3) – aber in Spuren, das heißt in Konzentrationen, die auch für Naturwissenschaftler fast unvorstellbar niedrig sind, z. B. in „Nanogramm pro Liter“. (Man muss sich vergegenwärtigen, dass sich eine Konzentration von 1 ng/L in einem Gewässer einstellt, wenn man ein einziges Stück Würfelzucker in ca. 3 Milliarden Liter – das entspricht dem Volumen des Lechstausees – auflöst.) Derart niedrige Gehalte liegen außerhalb unserer normalen Erfahrungen. Deshalb werden allzu leicht die Gefahren unterschätzt, die von Stoffen in solch geringen Konzentrationen ausgehen können – oder aus missverstandenen Konzentrationen werden unangemessene Folgerungen abgeleitet. Eine Nachricht „In einem bestimmten Lebensmittel wurde der Schadstoff A nachgewiesen“ bedeutet ja nicht, dass damit zwangsläufig eine Gefahr beispielsweise für die menschliche Gesundheit verbunden ist. (Beim kritischen Bewerten von Analyseergebnissen sind die Naturwissenschaftler und Ingenieure gefordert!)

Die Toxikologen sind heutzutage zwar weit davon entfernt, für alle „Schadstoffe X“ Aussagen der Form „X in einer Konzentration C bei einer Einwirkung von Y Tagen hat die Folge Z“ machen zu können. Bei einigen Stoffen wie den polychlorierten Dibenzodioxinen nimmt man jedoch an, das selbst „unvorstellbar“ geringe Konzentrationen Organismen schädigen können, wenn die Stoffe nur lange genug einwirken. Überdies weiß man nur wenig über die gleichzeitige, sich verstärkende Wirkung mehrerer Stoffe („synergistischer Effekt“; s. Abschn. 3.9).

Viele die Umwelt betreffende Probleme sind bereits vor über 100 Jahren von weitsichtigen Persönlichkeiten angedeutet worden. Dies spiegelt der folgende Auszug aus einer Rede eindrucksvoll wider, die der Häuptling Seattle im Jahr 1855 vor dem Präsidenten der Vereinigten Staaten von Amerika hielt.

„Was immer der Erde widerfährt, widerfährt auch den Kindern der Erde. Wenn die Menschen auf die Erde spucken, bespucken sie sich selbst. Denn dies wissen wir: Die Erde gehört nicht den Menschen, der Mensch gehört der Erde. Alle Dinge sind miteinander verbunden […] der Mensch hat das Netz des Lebens nicht gewoben, er ist nur ein Strang in diesem Netz. Was immer er dem Netz antut, tut er sich selber an.“

(Häuptling SEATTLE, 1855)

Wir sind verpflichtet, kommenden Generationen eine lebenswerte und lebensfähige Umwelt zu hinterlassen. Wir müssen verhindern, dass für unsere Nachfahren die Erde zur Hölle wird; Verbrauch und Missbrauch der Umwelt müssen stark eingeschränkt werden, um den menschlichen Lebensraum nicht weiter zu gefährden. Umweltschutz ist „Nachwelt-Schutz“ (RICHARD VON WEIZSÄCKER).

Naturwissenschaftlern und Technikern kommt in dieser gesellschaftlichen Situation die wichtige Aufgabe zu, die tatsächliche Situation der Umwelt – auch den „chemischen“ Ist-Zustand des Naturhaushalts – objektiv zu erfassen, möglichst verständlich zu beschreiben und realistische Wege zur Lösung von Problemen aufzuzeigen. Ihre Informationen sollen dazu beitragen, Fehlverhalten zu verhindern. Die Gesellschaft muss redlich über mögliche Folgerungen aus wissenschaftlichen Ergebnissen informiert werden. Die Umwelt betreffende sinnvolle politische Entscheidungen müssen auf größere Akzeptanz stoßen.

1.5 Bevölkerungsexplosion

In der Zeit vom Auftreten des ersten vernunftbegabten Menschen, des Homo sapiens, vor ca. 50 000 Jahren bis zu JULIUS CÄSAR (100 bis 44 v. Chr.) gab es niemals mehr als 250 Millionen Menschen auf der Erde. Um 1500 n. Chr. war die Bevölkerung der Erde erst auf ca. 500 Millionen Menschen angewachsen. In der Zeit von 1850 bis 1900 hat die Weltbevölkerung um etwa weitere 500 Millionen Menschen zugenommen (Abb. 1-4). Zwischen 1900 und 1950 betrug die Zunahme mehr als eine Milliarde, also mehr als das Doppelte, und zwischen 1950 (ca. 2,5 Milliarden Menschen) und 2000 ist die Weltbevölkerung um weitere 3,5 Milliarden Menschen gewachsen.

Die Weltbevölkerung wuchs in den letzten 50 Jahren besonders stark (Tab. 1-1), zur Zeit erhöht sie sich um ungefähr 90 Millionen Menschen im Jahr. Für 2025 wird eine Bevölkerung von 7,5…9,6 Milliarden Menschen prognostiziert, davon werden 85 % auf der südlichen Erdhalbkugel leben. Und im Jahr 2150 könnten, so pessimistische Vorhersagen der Vereinten Nationen, 28 Milliarden Menschen die Erde bevölkern.

Tab. 1-1. Zunahme der Weltbevölkerung um je eine Milliarde Menschen.

Die Weltbevölkerung benötigte für die …

erste Milliarde (bis 1830)

ca.

50 000 Jahre

zweite Milliarde (bis 1930)

ca.

100 Jahre

dritte Milliarde (bis 1960)

ca.

30 Jahre

vierte Milliarde (bis 1975)

ca.

15 Jahre

fünfte Milliarde (bis 1987)

ca.

12 Jahre

Der größte Bevölkerungszuwachs findet in den Entwicklungsländern statt (1985 lebten 76 % der Erdbevölkerung in Entwicklungsländern). In einigen Ländern wie beispielsweise Kenia oder Algerien verdoppelt sich die Bevölkerung in weniger als 17 bzw. 25 Jahren, für die Gesamtbevölkerung der Erde liegt dieser Wert knapp unter 40 Jahren. Das Wachstum verläuft in den Entwicklungsländern und in den stärker industrialisierten Nationen unterschiedlich, nämlich exponentiell bzw. nahezu linear (Abb. 1-5). Die Stadtbevölkerung – 1980 lebten 41 % der Weltbevölkerung in Städten – nimmt zur Zeit etwa 3mal so schnell zu wie die Weltbevölkerung, was zu der plakativen Aussage geführt hat: „Die Zukunft der Umwelt entscheidet sich nicht auf dem Land, sondern in den Städten.“

Abb. 1-4. Entwicklung der Bevölkerung der Erde.

Es war vor allem der 1968 gegründete Club of Rome, eine internationale Vereinigung von Wissenschaftlern, Unternehmern und Politikern, der schon früh über die Wechselwirkungen von Erdbevölkerung und Umweltbelastung, Rohstoffreserven usw. nachgedacht und dazu Weltmodelle entwickelt hat. Zwar erwiesen sich bald die quantitativen Prognosen des Berichts Grenzen des Wachstums (1972) als zu pessimistisch, aber der grundsätzliche Hinweis auf die Begrenztheit der Erde und ihrer Ressourcen blieb als Mahnung bestehen.

Abb. 1-5. Wachstum der Stadtbevölkerung in Entwicklungsländern und in Industrienationen.

Die Entwicklung der Weltbevölkerung ist eine der ernstesten Bedrohungen für die Substanz der Erde: Die Zahl der Menschen auf der Erde hat dramatischen Einfluss auf die Umwelt und ihre Qualität („Bevölkerungszeitbombe“). Das Problem der wachsenden Weltbevölkerung ist im Prinzip kein Ernährungsproblem – die zur Verfügung stehenden Anbauflächen reichen bei optimaler Nutzung aus, selbst die doppelte Anzahl der heute lebenden Menschen zu ernähren. Die Welt ist erst dann überbevölkert, wenn die Nahrungsmittelproduktion mit dem Bevölkerungswachstum nicht mehr Schritt halten kann. Die Bevölkerungsentwicklung auf der Erde ist eher ein Verteilungsproblem: Die armen Länder bedürfen der Hilfe der reichen Länder des Nordens, um ihre Armut überwinden und ihren Nahrungsmittelbedarf abzudecken zu können.

Wieviele Menschen kann die Erde ernähren?

30 Milliarden,wenn alle so leben, wie die Bauern in Bangladesch;

0,7 Milliarden,wenn alle so leben, wie wir Westeuropäer.

Überdies sind Menschen keine „Kalorienmaschinen“: Sie brauchen als kulturelle Wesen mehr als nur Luft, Wasser und Nahrungsmittel. Sie benötigen Häuser mit Heizungen, Schulen, Straßen, Transport- und Kommunikationsmittel und vieles mehr. Dies alles kostet Rohstoffe und Energie, bedeutet größere Abfallmengen usw. Es ist vor allem dieser Bedarf – und weniger der an Nahrungsmitteln –, der weder materiell noch finanziell mit dem Tempo zu verkraften ist, mit der die Weltbevölkerung zur Zeit immer noch wächst.

Bei einer gegebenen Form von Technik und Wirtschaft bewegen sich Umweltbelastungen im Wesentlichen proportional zur Bevölkerungszahl: Bei Bevölkerungswachstum vergrößert sich notwendigerweise die Umweltbelastung. Es steigen aber auch die materiellen Ansprüche, und damit wachsen notwendigerweise auch die Abfallmengen. Beispielsweise hat sich der Energieverbrauch zwischen 1950 und 1988 parallel zur Bevölkerungsentwicklung ungefähr verdreifacht (s. auch Abb. 8-3 in Abschn. 8.2.1); entsprechend haben sich auch die Kohlendioxidemissionen und damit der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre vergrößert (Abb. 1-6). (Zur Zeit verbraucht allerdings noch die Minderheit der wohlhabenden, vorwiegend auf der Nordhalbkugel der Erde lebenden Weltbevölkerung die meisten Ressourcen.)

Es gibt zum Glück Anzeichen, dass weltweit die Geburtenziffern zurückgehen, dass das Wachstum langsamer wird. Man kann nur hoffen, dass sich in absehbarer Zeit die Zahl der auf der Erde lebenden Menschen auf einem verträglichen Wert stabilisiert.

Neben der Zahl der auf der Erde lebenden Menschen ist ein anderes wichtiges Problem der abfallintensive Lebensstil: Er muss geändert werden, um die Abfallmengen und die damit verbundene Umweltbelastung vermindern zu helfen.

Abb. 1-6. Globale CO2-Emission aus der Verbrennung der fossilen Energieträger und mittlerer CO2-Gehalt in der Atmosphäre von 1950 bis 1986.

2

Entstehung und Aufbau der Erde

2.1 Entstehung der Elemente

Vieles spricht dafür, dass das Universum vor ca. 10 bis 20 Milliarden Jahren aus einer gigantischen dichten Ansammlung von Neutronen entstanden ist. Diese – nicht unumstrittene – Theorie spricht vom „Urknall“ (engl. big bang): Es bildete sich ein Gasgemisch, der „Urnebel“, aus dem sich Sternensysteme mit Sonnen, Planeten und anderen Himmelskörpern gebildet haben. Wahrscheinlich bestand dieser Urnebel, wie unsere Sonne und wie viele Sterne des Kosmos, zu mehr als 99 % aus Wasserstoff und Helium (Tab. 2-1).

Tab. 2-1. Vorkommen der zwölf häufigsten Elemente in der Erdrinde,a) im Erdkörper und im Kosmos (Massenanteile in %).

In der gesamten Erde oder in der Erdkruste kommen Elemente wie Sauerstoff, Silicium und Eisen am häufigsten vor, die jedoch in der Urmaterie nur in Spuren vorlagen; ähnliches gilt umgekehrt für Wasserstoff und Helium auf der Erde (Tab. 2-1). Warum unterscheiden sich Erde und Sonne, die sich aus der gleichen Urmaterie gebildet haben, so sehr in ihrer Zusammensetzung? Die meisten Astrophysiker gehen davon aus, dass sich die schweren Elemente durch Kernreaktionen aus Wasserstoff und Helium in den Sternen gebildet haben. Die Lebensgeschichte eines Sterns muss man sich ungefähr folgendermaßen vorstellen: In einem Bereich des Universums bewirkt die Massenanziehung eine Kontraktion der aus Wasserstoff, Helium und anderen Atomen bestehenden Gaswolke. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Atome vergrößert, und die Temperatur erhöht sich zusammen mit der Dichte der Materie. Bei 10…10 K ist die Aktivierungsbarriere für die Fusion von H-Kernen überschritten, und Kernfusion beginnt: