Smog, saurer Regen und das Ozonloch: Die Chemie der Umweltverschmutzung

Im Frühjahr 1962 saß in einem von Wäldern umgebenen Haus in Silver Spring, Maryland, eine Meeresbiologin namens Rachel Carson an ihrem Schreibtisch, vor sich ein Manuskript auf der Schreibunterlage und daneben gestapelte Feldnotizen aus Erhebungen über den Rückgang der Greifvögel. Das Buch trug den Titel Der stumme Frühling, und es war fast fertig. Carson hatte jahrelang aus kleinen, verstreuten Beobachtungen eine Beweisführung aufgebaut: Vögel, die nach Sprühaktionen starben, Nester, die scheiterten, Eier, die unter dem Gewicht des brütenden Muttertiers zerbrachen. Fünf Monate später, als Houghton Mifflin das Buch am 27. September 1962 veröffentlichte, wurden diese verstreuten Beobachtungen zu einem öffentlichen Argument, und die Chemie der Umweltverschmutzung wurde zu etwas, das die Allgemeinheit benennen und durchdenken konnte.

Was Carson verstand und was sie alle anderen zu verstehen zwang, war, dass Umweltverschmutzung nichts Vages ist. Sie ist kein Nebel schlechter Gefühle gegenüber der Industrie. Sie besteht aus bestimmten Molekülen, in bestimmten Konzentrationen, die bestimmte Dinge mit lebendem Gewebe und mit der Atmosphäre tun, auf Zeitskalen, die man messen kann. Dieser Artikel führt durch die schlagzeilenträchtigen Chemien der Umweltverschmutzung: den Smog, der London erstickte, die Säure, die als Regen fiel, die Chloratome, die ein Loch in die Ozonschicht nagten, und die neueren fluorierten Verbindungen, die sich überhaupt nicht abbauen lassen. Jede davon ist eine echte chemische Geschichte, datiert und quantifiziert, und zusammen erklären sie, warum so viele Umweltgesetze in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts geschrieben wurden.

Wie ein Pestizid die Nahrungskette emporkletterte

Die Chemikalie im Zentrum von Der stumme Frühling war DDT, ein synthetisches Insektizid, das nach dem Zweiten Weltkrieg in großem Umfang versprüht worden war, um Mücken und landwirtschaftliche Schädlinge zu bekämpfen. Für sich genommen ist DDT für Vögel nicht so akut giftig wie für Insekten. Das Problem, das Carson dokumentierte, war subtiler und in gewisser Weise beunruhigender. DDT ist fettlöslich und chemisch stabil, also wird es nicht schnell aus einem Organismus ausgeschwemmt und baut sich in der Umwelt nicht ohne Weiteres ab. Wenn ein kleiner Fisch eine Spur davon aufnimmt, lagert sich die Verbindung im Fettgewebe ab und bleibt dort. Wenn ein größerer Fisch viele kleine Fische frisst, sammelt er die kombinierte Last all dieser Fische an. Wenn ein fischfressender Greifvogel an der Spitze der Nahrungskette über viele Jahreszeiten hinweg viele große Fische gefressen hat, ist die Konzentration in seinem Gewebe um ein Vielfaches höher als alles, was im Wasser oder im Boden vorhanden ist.

Dies ist der Prozess der Bioakkumulation, und seine Folge für Greifvögel war eine Chemie des Fortpflanzungsversagens. DDT und seine Abbauprodukte störten die Art und Weise, wie Weibchen Kalzium in die Schalen ihrer Eier einlagerten, sodass Schalen entstanden, die zu dünn waren, um das Brüten zu überstehen. Die Bestände von Adlern, Fischadlern und Wanderfalken brachen nicht durch eine einzige dramatische Vergiftung zusammen, sondern durch ein langsames Versagen in der Bilanz, das sich über das gesamte Nahrungsnetz verteilte. Das Argument war stark genug, dass eine der frühen und prägenden Maßnahmen der US-Umweltschutzbehörde, als sie 1970 gegründet wurde, das Verbot von DDT für die meisten Anwendungen am 14. Juni 1972 war.

Der Katalysator, der die Ozonschicht fraß

Ein Jahrzehnt nach Der stumme Frühling richteten zwei Chemiker an der University of California dieselbe Art sorgfältiger Argumentation auf die obere Atmosphäre. In einer 1974 in Nature erschienenen Arbeit stellten Mario Molina und F. Sherwood Rowland eine trügerisch einfache Frage zu den Fluorchlorkohlenwasserstoffen, den FCKW, die damals als reaktionsträge, nicht brennbare und ungiftige Gase für Kühlschränke, Spraydosen und das Aufschäumen von Kunststoff geschätzt wurden. Gerade die Stabilität, die FCKW so nützlich machte, sei die Gefahr, argumentierten sie. Weil diese Moleküle am Boden mit nichts reagieren, zerstört sie dort auch nichts. Sie treiben einfach über Jahre hinweg bis hinauf in die Stratosphäre.

Hoch in der Stratosphäre, weit über der Region, in der Wetter entsteht, ist die Atmosphäre dünn genug, dass intensives ultraviolettes Licht die treibenden FCKW-Moleküle erreicht und sie schließlich durch Photolyse auseinanderbricht, wobei Chloratome abgespalten werden. Und ein freies Chloratom ist kein einmaliges Gift. Es ist ein Katalysator. Ein Chloratom reagiert mit einem Ozonmolekül, stiehlt ihm ein Sauerstoffatom, um Chlormonoxid zu bilden, und lässt gewöhnlichen zweiatomigen Sauerstoff zurück. Das Chlormonoxid reagiert dann mit einem freien Sauerstoffatom und setzt das Chlor frei, das das Ganze von Neuem tun kann. Das Chlor wird in einem Schritt verbraucht und im nächsten zurückgebildet, sodass es überlebt, um Ozon immer wieder anzugreifen. Molina und Rowland schätzten, dass ein einzelnes Chloratom in der Größenordnung von 100.000 Ozonmolekülen zerstören könnte, bevor eine andere Reaktion es schließlich aus dem Kreislauf entfernt. Ozon ist deshalb von Bedeutung, weil die stratosphärische Ozonschicht einen großen Teil der ultravioletten Strahlung der Sonne absorbiert, jenes Bereichs, der die DNA schädigt und Hautkrebs auslöst, sodass das Ausdünnen dieser Schicht kein abstrakter Verlust ist.

Die fünf Tage, in denen London nicht atmen konnte

Wenn die Zerstörung des Ozons eine langsame, unsichtbare Chemie war, die sich über Jahrzehnte und über Kilometer der Höhe abspielte, so war der Londoner Große Smog vom Dezember 1952 ihr gewaltsames Gegenteil, eine Chemie, die innerhalb einer einzigen Woche auf Straßenniveau Tausende von Menschen tötete. Vom 5. bis zum 9. Dezember legte sich ein stagnierendes Hochdrucksystem, eine Antizyklone, über die Stadt und erzeugte eine Temperaturinversion. Normalerweise wird die Luft mit der Höhe kälter, sodass warme Luft am Boden aufsteigt und Schadstoffe mit sich forttransportiert. Bei einer Inversion sitzt eine Schicht warmer Luft über der kalten Luft am Boden und wirkt wie ein Deckel, der alles darunter Ausgestoßene einschließt.

Was London in der Kälte des frühen Dezembers ausstieß, war das Produkt von Hunderttausenden Kohlefeuern in Wohnhäusern und Kraftwerken. Bei der Verbrennung von Kohle werden Schwefeldioxid sowie feiner Feinstaub freigesetzt, der Ruß und die Asche unvollständiger Verbrennung. Unter dem Inversionsdeckel, ohne Wind, der sie hätte zerstreuen können, erreichten Schwefeldioxid und Feinstaub außergewöhnliche Konzentrationen, und beide zusammen bildeten einen dichten, sauren, gelbschwarzen Nebel. Das Schwefeldioxid oxidierte in der Feuchtigkeit des Nebels zu Schwefelsäuretröpfchen, die die Menschen direkt in ihre Lungen einatmeten. Die Zahl der Todesopfer wurde ursprünglich auf etwa 4.000 geschätzt, aber spätere Analysen korrigierten sie deutlich nach oben, auf rund 12.000 zusätzliche Todesfälle in den darauffolgenden Wochen und Monaten. Die Katastrophe war ein direkter Auslöser für Großbritanniens Clean Air Act von 1956, und sie bleibt eine der klarsten Veranschaulichungen dafür, dass Luftverschmutzung durch gewöhnliche, gut verstandene Chemie tötet.

Wenn der Regen selbst sauer wird

Dieselben beiden Verbindungsfamilien, die London vergifteten, Schwefeloxide und Stickoxide, sind auch die Quelle des sauren Regens, und die Chemie, die sie verbindet, ist es wert, klar ausgesprochen zu werden, denn sie verknüpft einen Schornstein mit einem sterbenden Wald, der Hunderte von Kilometern in Windrichtung entfernt liegt. Beim Verbrennen von Kohle und Öl wird Schwefeldioxid freigesetzt, und das Verbrennen von irgendetwas bei den hohen Temperaturen eines Motors oder Ofens erzeugt aus dem Stickstoff und dem Sauerstoff der Luft selbst Stickoxide. Einmal in der Luft, reagieren diese Gase mit Sauerstoff und Wasserdampf zu Schwefelsäure und Salpetersäure, die sich in Wolkentröpfchen lösen und als Regen, Schnee oder Nebel mit einem pH-Wert weit unterhalb dem natürlicher Niederschläge herunterfallen.

Saurer Regen richtet seinen Schaden aus der Ferne an. Die Säure entzieht Nährstoffe und mobilisiert giftiges Aluminium in Waldböden, säuert Seen und Bäche an, bis Fischbestände einbrechen, und löst langsam Gebäude und Statuen aus Kalkstein und Marmor auf. Weil die Emissionen über Grenzen hinwegwandern, bevor sie niedergehen, wurde saurer Regen zu einem der ersten Verschmutzungsprobleme, das keine einzelne Stadt und nicht einmal ein einzelnes Land allein lösen konnte, was mit ein Grund dafür ist, dass er 1990 zu bedeutenden Änderungen des US-amerikanischen Clean Air Act und zu ähnlichen Maßnahmen in ganz Europa führte.

Ein Abkommen, das tatsächlich funktionierte

Die Geschichte des Ozons hat ein ungewöhnlich hoffnungsvolles Ende, und es lohnt sich zu verstehen, warum. Nach der Warnung von Molina und Rowland und nachdem britische Wissenschaftler Mitte der 1980er Jahre eine dramatische saisonale Ausdünnung des Ozons über der Antarktis gemessen hatten, das sogenannte Ozonloch, taten die Regierungen etwas Seltenes: Sie handelten aufgrund der Chemie, bevor der schlimmste Fall eintrat. Das Montrealer Protokoll über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen, wurde am 16. September 1987 zur Unterzeichnung aufgelegt und trat am 1. Januar 1989 in Kraft. Es verpflichtete die Länder, FCKW und verwandte ozonabbauende Chemikalien schrittweise abzuschaffen, und in den folgenden Jahrzehnten war es weitgehend erfolgreich, wobei sich die Ozonschicht inzwischen langsam erholt.

Es lohnt sich, bei der Begründung des Abkommens präzise zu sein, denn die Geschichte wird oft verwischt. Das Montrealer Protokoll wurde gerade deshalb unterzeichnet, weil FCKW stratosphärisches Ozon katalytisch zerstören. Die Tatsache, dass FCKW auch starke Treibhausgase sind und zum Strahlungsantrieb des Klimas beitragen, war ein gesondertes Anliegen, das erst später in den Mittelpunkt rückte. Die Stärke des Abkommens bestand darin, dass es auf einem einzigen, gut etablierten, quantifizierbaren chemischen Mechanismus beruhte und dass die Alternativen zu FCKW technisch erreichbar waren. Diese Kombination, eine klare molekulare Ursache und ein realisierbarer Ersatz, machte es zu einem der wirksamsten Umweltabkommen, die je geschrieben wurden.

Die Bindung, die nicht brechen will

Das neueste Kapitel der Chemie der Umweltverschmutzung betrifft Verbindungen, die ironischerweise so konstruiert wurden, dass sie zu stabil sind. Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, zusammenfassend als PFAS bekannt, sind organische Moleküle, in denen die Wasserstoffatome, die normalerweise an Kohlenstoff gebunden sind, durch Fluor ersetzt wurden. DuPont brachte 1938 ein berühmtes Mitglied dieser Familie auf den Markt, Teflon, und die Chemie hat sich seither in Antihaftbeschichtungen, wasserdichte Stoffe, Lebensmittelverpackungen und Feuerlöschschäume ausgebreitet. Die Quelle ihrer Nützlichkeit und des Problems, das sie aufwerfen, ist eine einzige Bindung. Die Kohlenstoff-Fluor-Bindung ist mit etwa 485 Kilojoule pro Mol die stärkste Einfachbindung in der organischen Chemie.

Diese Bindungsstärke ist der Grund, warum PFAS sich den Spitznamen Ewigkeitschemikalien verdient haben. Sie hydrolysieren nicht im Wasser, sie widerstehen der Oxidation, und Mikroorganismen können sie auf keiner umweltrelevanten Zeitskala biologisch abbauen, sodass sie nach ihrer Freisetzung jahrelang fortbestehen und sich in Boden, Wasser und lebenden Körpern anreichern. Neben PFAS vervollständigen zwei weitere zeitgenössische Klassen das moderne Bild. Feinstaub von unter 2,5 Mikrometern Durchmesser, geschrieben PM2,5, ist klein genug, um tief in die Lungenbläschen einzudringen und in den Blutkreislauf überzugehen, und die Weltgesundheitsorganisation bringt Luftverschmutzung dieser Art mit mehreren Millionen vorzeitiger Todesfälle pro Jahr in Verbindung. Mikroplastikfragmente von unter 5 Millimetern, die beim Zerfall von Polymerabfall freigesetzt werden, sind eine noch neuere Geschichte, die erst charakterisiert wird, bei der die zentrale wissenschaftliche Arbeit ebenso sehr darin besteht, wie man die Exposition misst, wie in ihren Auswirkungen. Bis 2023 hatten Regulierungsbehörden, darunter die EPA, begonnen, Grenzwerte für PFAS im Trinkwasser vorzuschlagen, und damit dieselbe regulatorische Logik, die mit DDT begann, in die Gegenwart fortgeführt.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Die Chemie der Umweltverschmutzung ist keine vage Anklage gegen die Industrie, sondern eine präzise, datierte, quantitative Disziplin, und genau diese Präzision ist es, die Regulierung möglich macht. Sie reicht von Rachel Carsons Der stumme Frühling von 1962, der die Bioakkumulation von DDT die Nahrungskette hinauf und die darauffolgende Ausdünnung der Eierschalen aufdeckte, bis zum US-amerikanischen DDT-Verbot von 1972; über die Molina-Rowland-Arbeit von 1974, die zeigte, dass ein einzelnes Chloratom, das durch ultraviolettes Licht aus einem FCKW freigesetzt wird, katalytisch rund 100.000 Ozonmoleküle zerstören kann, was zum Montrealer Protokoll von 1987 führte; neben dem Londoner Großen Smog vom Dezember 1952, als eine Temperaturinversion aus Kohle stammendes Schwefeldioxid und Feinstaub einschloss und rund 12.000 zusätzliche Todesfälle verursachte, dieselben Oxide, die andernorts als saurer Regen niedergehen und die die Clean Air Acts von 1970 und 1990 vorantrieben; und weiter zu den anhaltenden Problemen von heute, der Kohlenstoff-Fluor-Bindung von PFAS bei etwa 485 Kilojoule pro Mol, die sich weigert zu brechen, den PM2,5-Partikeln, die das tiefste Gewebe der Lunge erreichen, und dem Mikroplastik, das noch immer gemessen wird. In jedem Fall ist die Lehre dieselbe: Die Moleküle, die Dosen und die Persistenzzeiten sind erkennbar, und die Abkommen und Gesetze der vergangenen siebzig Jahre beruhen vollständig auf dieser Erkennbarkeit.