Der saure Regen war eines der ersten großen Umweltprobleme, das Wissenschaft, Politik und Gesellschaft erkannten und zu bekämpfen suchten (siehe Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1979, Seite 72, und Oktober 1988, Seite 82). Die Staaten der Europäischen Gemeinschaft verabschiedeten eine Reihe von Gesetzen, die Obergrenzen für den Ausstoß von Luftschadstoffen wie Schwefeldioxid und Stickoxiden festlegten (in Deutschland war dies vor allem die 1986 erlassene Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft); mit dem Clean Air Act traten 1970 in den Vereinigten Staaten ähnliche Beschränkungen in Kraft. Obwohl diese Maßnahmen das Problem entschärften, wurde es allerdings nicht völlig aus der Welt geschafft: Immer noch fallen über Teilen Nordamerikas und Europas saure Niederschläge und schädigen einige natürliche Ökosysteme – besonders Wälder – in überraschend starkem Maße.

Nach jüngsten Untersuchungen ist das Phänomen denn auch viel komplexer als bisher angenommen. Offenbar hat die Fixierung auf die Freisetzung von Verbrennungsgasen den Blick dafür verstellt, daß zugleich die Emission anderer chemischer Substanzen zurückgegangen ist, die Säuren zu neutralisieren vermögen. Ironischerweise haben eben jene Maßnahmen, welche die Luftqualität verbessern sollten, auch die Konzentration dieser basischen Stoffe reduziert.

Der Säuregrad (die Acidität) einer Substanz wird – vereinfacht gesagt – durch ihren Gehalt an Wasserstoff-Ionen (Protonen) bestimmt, den man üblicherweise in Form seines negativen Logarithmus zur Basis zehn angibt: Für neutrale Lösungen beträgt dieser sogenannte pH-Wert sieben, für saure ist er kleiner, für basische größer.

Staubteilchen sind reich an Mineralien wie Calcium- und Magnesiumcarbonat, die in Wasser basisch wirken. Sie gelangen bei einer Vielzahl von Prozessen in die Atmosphäre (Bild 1) – etwa bei der Verbrennung fossiler Energieträger, der Zementherstellung, der Metallverarbeitung oder dem Bergbau. Bautätigkeit, Landwirtschaft und Straßenverkehr leisten ebenfalls einen wesentlichen Beitrag. Waldbrände oder Winderosion von vegetationsarmen Böden sind überwiegend natürliche Staubquellen, können aber auch vom Menschen begünstigt oder verursacht sein.


Ein natürliches Antacidum

Wenn eine Säure mit einer Base reagiert, verlieren beide ihre charakteristischen Eigenschaften und vereinigen sich zu einem (mehr oder weniger) neutralen Salz sowie Wasser. In der Atmosphäre findet diese Neutralisierung statt, wenn Staubteilchen sich in den Tröpfchen saurer Wolken auflösen oder direkt mit sauren Gasen wie Schwefeldioxid oder Stickoxiden reagieren. Dabei vermindern sie nicht nur die Acidität, sondern bilden auch basische Kationen – positiv geladene Atome von Alkali- oder Erdalkalimetallen wie Natrium, Kalium, Calcium und Magnesium.

Diese Kationen haben einen weiteren positiven Effekt. Wenn sie mit dem Regen auf den Boden gelangen, puffern sie ihn gegen Säuren ab. Die Erdkrume enthält nämlich kleine Ton- oder Humusteilchen (zersetzte organische Materie), die negative Ladungen tragen und deshalb die positiven Metallatome anziehen. Dringt saures Regenwasser ein, tau-schen die Kationen ihre Plätze mit den ebenfalls positiv geladenen Wasserstoff-Ionen, da diese stärker an die Ton- und Humusteilchen gebunden werden. Dadurch bleibt der Protonen- und da-mit Säuregehalt des durch den Boden sickernden Wassers gering. (In einigen Böden ist der Vorgang allerdings komplizierter: Saurer Regen löst dort Aluminiumsalze auf und setzt dabei toxische Aluminium-Ionen frei, die ihrerseits die Kationen verdrängen können.)

Solange der Boden reich an Alkali- und Erdalkalimetall-Ionen ist, schützt deren Austausch die Vegetation vor den schädigenden Einflüssen des sauren Regens. Wenn aber – wie in Teilen Euro-pas und Nordamerikas – von Natur aus basenarme Böden über Jahrzehnte solchen Niederschlägen ausgesetzt sind, erschöpft sich dieses natürliche Puffersystem. Dies ist um so schlimmer, als die basischen Kationen Grundnährstoffe für die meisten Pflanzen darstellen. Indem sie ausgewaschen werden, schwindet der lebensnotwendige Mineralienvorrat des Ökosystems.

Haben Wasserstoff- und Aluminium-Ionen einen großen Teil der ursprüng-lich vorhandenen Alkali- und Erdalkalimetall-Ionen verdrängt, sind die Bö-den mithin übersäuert und nährstoff-arm geworden. Sie können dann auch Ökosysteme in ihrem Abflußbereich nicht mehr schützen: Von ihnen ausgehendes Grund- und Oberflächenwasser schwemmt Säure und Aluminium-Ionen in Bäche, Flüsse und Seen.

In den fünfziger Jahren haben Hans Egnér an der Landwirtschaftlichen Universität in Uppsala (Schweden) und Eville Gorham am Laboratorium der Freshwater Biological Association in Ambleside (England) bereits die These vertreten, daß die Atmosphäre eine wichtige Quelle basischer Kationen im Boden sein könne. Damals fand diese Idee jedoch wenig Anhänger. Traditionell war man der Ansicht, die als chemische Verwitterung bezeichnete langsame Auflösung von Mineralien und Gestein in tieferen Bodenschichten liefere stetig Kationen nach.

Aber neuere Befunde von uns und anderen zeigen, daß der Wald tatsächlich auf den Eintrag von Mineralien und Nährstoffen aus der Luft angewiesen ist. Die Herkunft basischer Kationen und ihr Weg durch den Boden ließ sich zum Beispiel anhand des Elementes Strontium als Tracer verfolgen, das sich chemisch sehr ähnlich wie Calcium verhält und ein anderes Mengenverhältnis seiner natürlichen Isotope (Atome mit unterschiedlicher Neutronenzahl) hat, je nachdem ob es aus dem Grundgestein oder aus atmosphärischen Staubpartikeln stammt. Solche Messungen ergaben, daß in einigen Gebieten, in denen die Böden stark durch sauren Regen ausgelaugt oder von Natur aus arm an basischen Kationen sind, sogar der Hauptteil des Calciums aus der Atmosphäre und nicht aus dem Grundgestein kommt.

Selbst in nicht unter Luftverschmutzung leidenden Wäldern in Chile bezieht die vorherrschende Baumart, die Südbuche, ihr Calcium fast ausschließlich aus der Luft. Diese Ergebnisse lassen vermuten, daß viele Wälder noch empfindlicher auf Veränderungen in der Chemie der Atmosphäre reagieren, als man bisher schon annahm.


Zu saubere Luft?

Seit geraumer Zeit weiß man, daß mikroskopische Schwebeteilchen nicht nur die Sicht beeinträchtigen, sondern auch gesundheitsschädlich sind und zu einer Vielzahl anderer Umweltprobleme beitragen. In Europa und Nordamerika wurden deshalb im Laufe der letzten 20 Jahre Verordnungen zur Minderung von Staubemissionen erlassen (so enthält die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft auch Grenzwerte für den Ausstoß an festen Partikeln). Zudem scheinen allgemeine Entwicklungen gleichsinnig zu wirken; zum Beispiel stellten Gary Stensland und Donald Gatz vom Illinois State Water Survey fest, daß die Konzentration basischer Teilchen in der Luft stark zurückgegangen ist, weil immer mehr Nebenstraßen und Feldwege geteert wurden, so daß Fahrzeuge weniger Staub aufwirbeln.

Nun hat der Staubgehalt der Luft immer variiert. So hing er nach Untersuchungen, die Paul Mayewski und seine Mitarbeiter an der Universität von New Hampshire in Durham an Eiskernen aus Grönland durchführten, während der vergangenen 20000 Jahre stark von den klimatischen Verhältnissen ab: Während der kältesten und trockensten Perioden war er hoch, in feuchteren und wärme-ren Phasen dagegen niedrig. Die Analyse jüngerer Trends, etwa vom Jahre 700 bis heute, zeigt, daß er derzeit deutlich unter dem Mittelwert der letzten 20000 Jahre liegt. Eine nennenswerte Ausnahme war lediglich die als Dust Bowl bekannte lange Trockenperiode im Westen der USA Mitte der dreißiger Jahre.

Um die Verminderung des Staubausstoßes quantifizieren und zur Reduktion saurer Emissionen in Beziehung setzen zu können, werteten wir zusammen mit europäischen Kollegen Protokolle über die Zusammensetzung von Niederschlägen in Westeuropa und Nordamerika aus. Aus den Konzentrationen der in Regenwasser und Schnee gelösten Kationen konnten wir den jeweiligen Gehalt der Atmosphäre an mineralischen Basen ermitteln und rückwirkend erschließen, welche Mengen davon im Laufe der letzten Jahrzehnte auf Waldböden niedergegangen sind.

Die Ergebnisse waren verblüffend. Die längsten Aufzeichnungen in Nordamerika, erstellt im Hubbard Brook Experimental Forest in New Hampshire, zeigten einen Rückgang um 49 Prozent seit 1965. Aus dem längsten verläßli-chen europäischen Datensatz, der vom Waldgebiet bei Sjöängen in Südschweden stammt, errechneten wir sogar einen Rückgang um 74 Prozent seit 1971. Die Analyse weiterer Aufzeichnungen bestätigte mit wenigen Ausnahmen, daß der Basengehalt der Atmosphäre über weiten Gebieten Europas und Nordamerikas dramatisch gesunken ist.

Was im einzelnen die Gründe dafür sind, läßt sich angesichts der vielen Staubquellen und der oft ungenauen Informationen über Teilchenemissionen nur schwer feststellen. Einen großen Anteil haben sicherlich sauberere industrielle Produktionsverfahren, der verstärkte Einsatz von Staubfiltern, die Erhöhung des Wirkungsgrads von Verbrennungsprozessen (in Kraftwerken und Gebäudeheizungen) und die regelmäßige Entrußung von Schornsteinen. Inwieweit Verkehr, Landwirtschaft und Winderosion zum allgemeinen Trend beigetra-gen haben ist schwieriger abzuschätzen. Insgesamt dürfte die Partikelfracht der Atmosphäre jedoch hauptsächlich durch Änderungen menschlicher Aktivitäten vermindert worden sein.


Verlust einer Hauptnährstoffquelle

Unsere Ergebnisse dokumentieren freilich nicht nur eine drastische Verringerung der atmosphärischen Basenkonzentration, sondern zeigen auch, daß sie groß genug war, die Umweltentlastung durch den reduzierten Säureeintrag zu schmälern oder gar zunichte zu machen. Häufig verlief der Rückgang im Gehalt der Luft an Staubteilchen parallel zu dem an Schwefel und glich ihn großenteils aus – in Schweden zu 54 bis 68 Prozent und in einigen östlichen Regionen Nordamerikas sogar vollständig (Bild 2).

Unter den Folgen litten offenbar auch die Waldböden. Nach Feststellungen von Wissenschaftlern in der ganzen Welt verarmen sie zunehmend an Calcium, Magnesium und Kalium. Leif Hallbäcken und Carl-Olov Tamm von der Landwirtschaftlichen Universität in Uppsala beziffern zum Beispiel die Verluste an verfügbaren Kationen in norwegischen Fichtenbeständen während der letzten 60 Jahre auf 56 bis 74 Prozent. Ähnliche Zahlen gibt es aus England, Deutschland und den USA.

Mehreren neueren Untersuchungen zufolge trägt dies wesentlich zu den sogenannten neuartigen Waldschäden bei (obwohl die Hauptursache die Überdüngung mit Ammoniak-Stickstoff aus der Luft zu sein scheint; siehe Spektrum der Wissenschaft, Januar 1994, Seite 48). So machten Ernst-Detlef Schulze und seine Kollegen von der Universität Bayreuth die Verarmung an Magnesium mitverantwortlich für das Schwinden der Fichtenwälder im Fichtelgebirge. Desgleichen fand ein Team um Samuel McLaughlin am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee eine – allerdings schwächere – Korrelation zwischen dem verlangsamten Wachstum der Rotfichte in den südlichen Appalachen im Osten der USA und einem verminderten Calciumangebot im Boden. Umgekehrt ließen sich durch experimentelle Düngung ausgewählter Areale mit basischen Calcium- und Magnesiumverbindungen Wachstumsmängel mildern – beispielsweise bei Zuckerahornbäumen in Quebec, Fichten in Norwegen sowie Silbertannen in Frankreich und Deutschland.


Schwierige Abhilfe

In ihrer bislang letzten Stellungnahme zum Problem des sauren Regens kam die US-Regierung 1990 zu dem Schluß, es gebe keine eindeutigen Belege für einen Zusammenhang mit Waldschäden. Angesichts der neuen Verdachtsmomente und Befunde scheint uns dies jedoch nicht mehr haltbar. Fortgesetzte saure Niederschläge in Kombination mit einem Mangel an basischen Kationen im Boden schaffen sehr wahrscheinlich Umweltbedingungen, denen viele Pflanzenarten – besonders solche in empfindlichen Ökosystemen – im Laufe ihrer Evolution noch niemals ausgesetzt waren. Deshalb läßt sich kaum vorhersagen, wie sie in den kommenden Jahrzehnten darauf reagieren könnten.

Die Auswirkungen müssen auch nicht auf die Pflanzenwelt beschränkt bleiben. Jaap Graveland und seine Mitarbeiter an der Universität Groningen (Niederlande) haben zum Beispiel festgestellt, daß Kohlmeisen dünnschaligere und zerbrechlichere Eier legen, wenn sie in Wäldern leben, die schwer durch sauren Regen geschädigt wurden und deren Böden arm an Calcium sind.

Wie läßt sich Abhilfe schaffen? Vor Jahren haben Industrievertreter vorgeschlagen, die Wälder großflächig mit Kalk zu düngen. Diese Maßnahme wäre jedoch kostspielig und kaum praktikabel. Ebenso unrealistisch scheint das vorsätzliche Freisetzen von Schwebeteilchen – abgesehen davon, daß es die Bemühungen zur Reinhaltung der Luft um Jahrzehnte zurückwerfen würde. Ein vernünftiger Ansatz scheint dagegen die weitere Verringerung des Gehalts saurer Schadstoffe in der Atmosphäre auf Werte, die von der natürlichen Pufferkapazität basehaltiger Schwebeteilchen abgefangen werden können. Dazu müßten die Schwefeldioxid- und Stickoxidemissionen aber noch stärker gesenkt werden.

Doch selbst dann wird es Jahre dauern, bis sich im Boden wieder basische Kationen anreichern; und bis sich der verarmte Nährstoffpool erneuert hat, dürften Jahrzehnte oder Jahrhunderte vergehen. Vorerst kommt es darauf an, den Schädigungsgrad genau zu registrieren und die Zusammenhänge mit der Luftchemie eingehender zu erforschen, damit sich Art und Ausmaß der künftigen Gefährdung der Wälder zuverlässiger abschätzen lassen. Für die Bewahrung komplexer Ökosysteme gibt es nun einmal keine einfachen Rezepte.

Literaturhinweise

- Ecology and Decline of Red Spruce in the Eastern United States. Herausgegeben von C. Eagar und M. B. Adams. Springer Verlag, 1992.

– Poor Reproduction in Forest Passerines from Decline in Snail Abundance of Acidified Soils. Von J. Graveland, R. van der Wal, J. H. van Balen und A. J. van Noordwijk in: Nature, Band 368, Seiten 446 bis 448, 31. März 1994.

– Steep Declines in Atmospheric Base Cations in Regions of Europe and North America. Von Lars O. Hedin, Lennart Granat, Gene E. Likens, T. Adri Buishand, James N. Galloway, Thomas J. Butler und Henning Rodhe in: Nature, Band 367, Seiten 351 bis 354, 27. Januar 1994.

– Long-Term Effects of Acid Rain: Response and Recovery of a Forest Ecosystem. Von Gene E. Likens, Charles T. Driscoll, and Donald C. Buso in: Science, Band 272, Seiten 244 bis 246, 12. April 1996.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1997, Seite 52
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