010 1 Zure regen Zure regen is de laatste jaren voortdurend in de belangstelling geweest, doordat de verzuring van de neerslag in verband wordt gebracht met het afsterven van bossen, het volledig verdwijnen van planten en dieren uit Scandinavische en Noord-Amerikaanse meren en de aantasting van monumenten en gebouwen. De Themagroep Zure Regen van de Raad voor Milieu- en Natuuronderzoek verstaat onder zure regen: de natte en droge depositie van bestanddelen die de bodem en het oppervlaktewater direct of indirect verzuren. Deze definitie wordt vrij algemeen, ook internationaal gehanteerd. Hoewel de term zure regen vooral aan neerslag in de vorm van regen, hagel en sneeuw doet denken, is de bijdrage van deze zogenaamde natte depositie relatief gering. Van de totale hoeveelheid zwavel die op het aardoppervlak neerkomt en daar het milieu verzuurt, wordt slechts circa 30% afgezet tijdens buien. Voor de schadelijke werking van zure regen is de droge depositie dus veel belangrijker. De verzurende stoffen kunnen al zuur zijn als ze in de atmosfeer worden gebracht (bijvoorbeeld zoutzuur), maar ook in de atmosfeer, op planten, op materialen, in de bodem of in het water worden omgezet in zuren (zwavelzuur en salpeterzuur). Stoffen waaruit zuren ontstaan zijn zwaveldioxide (SO 2 ), de nitreuze gassen (NO x ) en aërosolen (vaste en vloeibare in de atmosfeer zwevende deeltjes) zoals ammoniumzouten en chloride-ionen (boven zee). Men neemt aan dat ammoniak, hoewel het zelf basisch is, ook een belangrijke rol speelt. Het is gebleken dat ammoniak verbindingen aangaat met zwavelzuur en salpeterzuur. Deze neutraliserende werking is slechts tijdelijk, doordat het gevormde ammonium (NH + 4 )in de bodem onder invloed van zuurstof kan worden omgezet tot nitraat. Daarbij komt per saldo een extra proton vrij. In landbouwkringen wordt deze theorie echter nog bestreden.
010 2 Zure regen De vorming van stoffen, die uiteindelijk bijdragen aan de verzuring, is het resultaat van complexe en gekoppelde chemische en fysische omzettingen in de atmosfeer. De vervuilende stoffen worden over grote afstanden verspreid, zodat vooral ook internationaal moet worden samengewerkt om de vervuiling terug te dringen. De kringlopen van zwavel en stikstof Al zo lang de aarde bestaat, vindt er transport plaats van vele stoffen door de compartimenten bodem, water en lucht. Processen die in de lucht bij de kringlopen een rol spelen, zijn de emissie (uitworp), de chemische omzettingen in de atmosfeer en de droge en natte depositie. Zo vindt er een verdeling van stoffen plaats, die resulteert in een schijnbare stationaire toestand. De natuur heeft zich op deze evenwichtsconcentraties ingesteld. Constant zijn de concentraties in feite niet. Het zwavelgehalte kan bijvoorbeeld plaatselijk toenemen als gevolg van vulkanische activiteit. Belangrijk is dat niet alleen tengevolge van door de mens veroorzaakte (antropogene) emissies van zwaveldioxide en stikstofoxiden, maar ook door natuurlijke emissies zure regen wordt veroorzaakt. Het grote verschil in de twee soorten emissies is dat de antropogene emissies plaatselijk zeer geconcentreerd optreden, zoals in de industriegebieden in de VS en in Europa, terwijl de natuurlijke emissies over de gehele wereld zeer verspreid zijn. Emissies. Herkomst van schadelijke stoffen Schattingen van de natuurlijke en antropogene emissies (in miljoenen ton per jaar) voor de gehele wereld (1975) en voor Nederland (1978) zijn als volgt: natuur (wereld) mens (wereld) mens (Nederland) NO x 990 50 0,5 SO 2 170 113 0,575 NH 3 1-2 2-4 0,14-0,3
010 3 Behalve voor NH 3 zijn de antropogene emissies geringer dan de natuurlijke emissies. De antropogene emissies van SO 2 en NO x worden voornamelijk veroorzaakt door het gebruik van fossiele brandstoffen. De SO 2 -emissie is in Nederland voor 87% afkomstig uit de verbranding van steenkool en aardolie in elektriciteitscentrales, raffinaderijen en fabrieksketels. Aardgas en kernenergie zijn in dit opzicht schoon. De NO x -uitstoot wordt voor 60% veroorzaakt door het wegverkeer (tweederde personenauto s, eenderde vrachtwagens) vooral bij verhoogde cylindertemperatuur (files, hoge snelheden). NH 3 is voornamelijk afkomstig uit landbouwmest. Verspreiding van zure regen Wanneer in een bepaalde ruimte in de atmosfeer constant emissies, deposities en omzettingen plaatsvinden van een bepaalde stof, dan zal na verloop van tijd een evenwichtsconcentratie zijn opgebouwd. Dan geldt bij benadering dat de snelheid waarmee de stof verdwijnt door depositie, chemische omzetting of transport gelijk zal zijn aan de emissiesnelheid. Voor éénmalige emissies schat men de verblijftijd in de troposfeer (de onderste laag van de dampkring) voor NH 3 en NH + 4 samen op 6-24 dagen; voor NH 3 alleen op 1-4 dagen. Onder Westeuropese omstandigheden schat men de verblijftijd van NO x op 2-8 dagen en van SO 2 en sulfaat-aërosol samen op 2 dagen. Vergelijkt men de verblijftijden met een gemiddelde windsnelheid van 10 m/s, dan wordt het grensoverschrijdende karakter van zure regen duidelijk. Een verplaatsing van een luchtpakket van Zuidnaar Noord-Nederland duurt ongeveer 7 uur. Men schat dat meer dan 75% van de totale depositie van zwavel in Nederland (ruim 200.000 ton) afkomstig is uit het buitenland. Chemische omzettingen in de atmosfeer In de hogere luchtlagen, de stratosfeer, vinden als gevolg van de hoge intensiteit van het binnenvallende ultraviolette zonlicht vooral
010 4 Zure regen fotochemische reacties plaats waarbij zuurstof en stikstof zijn betrokken. Zuurstofmoleculen kunnen uiteen vallen in twee reactieve zuurstofatomen, die weer kunnen recombineren tot een zuurstofmolecule of verder reageren tot bijvoorbeeld ozon (O 3 ). Ook NO 2 kan onder invloed van zonlicht worden gesplitst. De gevormde reactieve deeltjes stikstofmonoxide en een zuurstofatoom kunnen vervolgens op diverse manieren doorreageren afhankelijk van seizoen, weer, hoogte, breedtegraad en tijdstip van de dag. In de troposfeer is de intensiteit van het ultraviolette deel van het zonlicht zodanig afgenomen, dat de splitsing van een zuurstofmolecule in twee atomen nauwelijks meer voorkomt. Stikstofdioxide wordt echter nog wel gesplitst in stikstofmonoxide en een zuurstofatoom. Deze reactie vormt de primaire reactie voor een reeks van volgreacties, onder andere door de aanwezigheid van reactieve koolwaterstoffen. In het proces van de vorming van zuren speelt het hydroxylradicaal (OH z ) een belangrijk rol. Het radicaal vormt bijvoorbeeld met stikstofdioxide salpeterzuur (HNO 3 ). Een van de reacties waarbij het hydroxylradicaal wordt gevormd, is de reactie van een reactief zuurstofatoom met water. Immissieconcentraties De natuurlijke achtergrondconcentraties in de troposfeer van SO 2 en NO x worden geschat op enkele microgrammen per m 3. In de geïndustrialiseerde landen blijken echter wel hogere concentraties voor te komen. De waarden daarvan wisselen sterk onder invloed van de veranderende weersomstandigheden. In Nederland worden o.a. door het Nationaal Meetnet voor Luchtverontreiniging, dat wordt beheerd door het Rijksinstituut voor de Volksgezondheid, gemiddelde waarden per jaar gemeten van 10-40 µg/m 3 voor SO 2 en 20-40 µg/m 3 voor NO 2. Depositie Droge depositie is de verwijdering van aërosolen uit de troposfeer op de grens van lucht en aardoppervlak als het niet regent, hagelt of
010 5 sneeuwt. Daarbij kan men bijvoorbeeld denken aan het oplossen van SO 2 en NO 2 in oppervlaktewater. Natte depositie is de verwijdering van aërosolen en gassen uit de lucht tijdens buien. Zwaveldioxide laat zich gemakkelijker door natte depositie verwijderen dan stikstofdioxide omdat het makkelijker in regendruppels wordt geabsorbeerd. Men kan uit de gemeten buitenluchtconcentraties (Nationaal Meetnet), de hoeveelheid neerslag, de analyse van het regenwater en de kennis van de depositiesnelheden van de verschillende verontreinigingen afleiden hoe groot de depositie is van de verzurende stoffen. De totale depositie, uitgedrukt in equivalent zuur (mol H + ) per jaar en per hectare, bedraagt in Nederland gemiddeld 5800, waarvan 3800 droge depositie en 2000 natte depositie. De bijdrage van de componenten NH 3,NO x en SO 2 is resp. 35%, 20% en 45%. De jaargemiddelde nitraatconcentratie van het regenwater in de Bilt bedraagt 3,2 g/m 3 regenwater en de sulfaatconcentratie 6,7 g/m 3. In 1982-83 had het regenwater in Nederland een over het jaar gemiddelde ph-waarde van 4,5. De natuurlijke zuurgraad van regenwater is 5,7-5,9 door het oplossen van het in de lucht normaal aanwezige kooldioxide. De gevolgen van zure regen voor het milieu Een direct effect van zure regen is de verlaging van de zuurgraad van grond- en oppervlaktewater. Gevoelig zijn vooral die gebieden die een dunne bodemlaag hebben op een granieten onderlaag (Canada, Scandinavië). De buffercapaciteit van deze gebieden ten opzichte van zure regen is zeer gering vergeleken met gebieden met een kalkhoudende bodem, zoals in Nederland. Door de dalende zuurgraad sterven vissen en amfibieën. Kalk neutraliseert weliswaar het zuur, maar daardoor stijgt de kooldioxideconcentratie van grond- en oppervlaktewater. Daarvoor gevoelige planten verdwijnen. Een tweede effect is een verarming van de grond. De zuren reageren met calcium-, magnesium- en kaliumzouten, waardoor deze voor de plant noodzakelijke voedingsstoffen uitspoelen. Als de ph een waarde van 4,5 of lager bereikt, gaat ook aluminium in oplossing. Aangenomen wordt dat het vrijgekomen aluminium de
010 6 Zure regen wortels van de bomen aantast of de boom vergiftigd. In de BRD schat men de schade aan de bomen op $ 800 miljoen per jaar. Voor Nederland moet men ook rekening houden met de sterke verzuring van de bodem ten gevolge van verrotting van blad en dergelijke. Ook hierbij komen aluminiumionen vrij, die echter door de organische zuren worden afgeschermd. De anorganische zuren kunnen dat niet. Scandinavië heeft veel zure regen en verzuurde meren en maar weinig bosschade, terwijl de bodem veel meer aluminium bevat dan de Duitse bodem. Een verklaring hiervoor kan zijn dat de meeste vervuiling in de winter geproduceerd wordt. Als de gevallen sneeuw smelt, komt in korte tijd veel verzuurd water in de bodem. Door de rotsige bodem stroomt het zure water snel weg, waardoor het niet lang genoeg met de aarde in contact is om de chemische reacties goed te laten verlopen. De bomen hebben daardoor minder te lijden, de meren zullen echter juist sneller verzuren. Bij het toeschrijven van schade aan zure regen moet men attent zijn op mogelijke andere oorzaken, als grondverdichting, wateronttrekking, ecologische veranderingen, zoutschade of tijdelijke veranderingen van de grondwaterspiegel. De invloed van zure regen op materialen Cement en beton reageren met kooldioxide uit de lucht, waarbij calciumcarbonaat gevormd wordt (carbonatatie). Door zuur regenwater wordt dit calciumcarbonaat uitgewassen. Als de carbonatatie doordringt tot de staalbewapening kan ernstige corrosie optreden door roestvorming, waarbij door uitzetting het beton kan scheuren. Daarnaast vormt SO 2 met calciumcarbonaat gips, dat kan doorreageren tot ettringiet. Door de sterke volumetoename bij de vorming van deze stof kunnen scheuren optreden. Cement vormt met NO x en calciumcarbonaat calciumnitraat, dat snel uitwast. Asbestcementplaten kunnen corroderen, waarbij door uitlogen van het cement asbestvezels in het milieu kunnen komen. Sterke corrosie van metalen wordt toegeschreven aan zure regen. Eenmaal ingezette corrosie gaat door als de zuurconcentratie weer laag is. Zure regen
010 7 tast ook het patin van koperen daken aan, dat het onderliggende koper moet beschermen. Historische gebouwen en monumenten, meestal opgetrokken uit natuursteen (marmer, kalksteen en kalkzandsteen), worden door zure regen in zeer ernstige mate aangetast. Zure regen op kalksteen levert een gipskorst, die door vuilaanhechting zwart wordt. Het materiaal zet bovendien uit waardoor scheuren ontstaan en grote plakken materiaal loslaten. Men schat de schade door de zwarte aanslag op gebouwen in Nederland op circa ƒ 25 miljoen per jaar. Normen en maatregelen In het concept Indicatief Meerjaren Programma (IMP)lucht 1984 1988, dat in september 1983 aan de Tweede Kamer wordt aangeboden, staat dat er in Nederland een uitworpplafond voor stikstofoxiden moet komen van 500.000 ton per jaar, het huidige uitworpniveau. Het al bestaande uitworpplafond voor zwaveldioxide van 500.000 ton zou omlaag moeten naar 475.000 ton; dat komt dan ook op het huidige uitworpniveau. De hoogte van deze plafonds is vastgesteld op basis van gegevens over de schadelijkheid van de verzuring van de gezondheid van de mens. Met het oog op de schade voor de natuur, zo staat in dit concept, zullen de emissies op langere termijn terug moeten naar 250.000 ton per jaar voor SO 2 en 150.000 ton per jaar voor NO x. De maatregelen die genomen kunnen worden ter vermindering van de gevolgen van zure regen zijn: energiebesparing, het toepassen van vernieuwbare energiebronnen (o.a. zonne-energie, windenergie) en het toepassen van milieuvriendelijke technieken. Tot de laatste categorie behoren: wervelbedverbranding, het zuiveren van rookgassen en het ontzwavelen van de brandstoffen. De stifstofoxide-emissies kunnen worden verminderd door het verbeteren van de verbrandingsprocessen, zoals dat in sommige landen (VS en Japan) al wettelijk is voorgeschreven.
010 8 Zure regen Aanbevolen literatuur SO 2 -beleidskaderplan. Tweede Kamer, zitting 1979-1980, 15834, nrs. 1-2. SO 2 -bestrijdingsprogramma 1982-1984. Tweede Kamer, zitting 1981-1982, 17342, nrs. 1-2. E. Buijsman, Zure regen, atmosferische processen (LaSOM 1982). J. F. Feenstra, Cultuurgoederen en luchtverontreiniging. Schade door luchtverontreiniging aan monumenten, kunstvoorwerpen, archieven en gebouwen. Publicatiereeks Lucht 1 (1982). J. M. Verstraten, De bodem als bufferend systeem tegen verzuring (inaugurele rede Universiteit van Amsterdam, 1982). Aantasting van materialen door luchtverontreiniging. Deelrapport van de Themagroep Zure Regen van de Raad voor Natuur- en Milieuonderzoek (1981). R. M. van Aalst en H. S. M. A. van Dierderen, De rol van stikstofoxiden en ammoniak bij de depositie vanuit de lucht van bemestende en verzurende stoffen op de Nederlandse bodem. IMG-TNO, rapport nr. R 83/42 (1983). E. Buijsman, Ammoniakemissie in Nederland, Instituut voor Meteorologie en Oceanografie, RU Utrecht, rapport V-83-3 (1983). Prof. dr. E. H. Adema 1983-05-02 Aanvulling op het hoofdstuk Normen en maatregelen van de Chemische Feitelijkheid over zure regen: Bij de adviezen voor de grenswaarden van de maximum uitworp aan zwaveldioxide en de stikstofoxiden is men alleen uitgegaan van de schadelijke gevolgen die deze stoffen kunnen hebben op de gezondheid van de mens. De adviezen zijn niet gebaseerd op mogelijke effecten op de levende natuur. De berichten over o.a. Zweedse meren waarin geen vis meer leeft en
010 9 Duitse en Nederlandse bossen die zwaar zijn aangetast, hebben ertoe geleid dat sommige stromingen er op aandringen, dat de overheid de normen zodanig stelt, dat de emissies ten hoogste van de zelfde orde van grootte zijn als de natuurlijke emissies. Het natuurlijk evenwicht is tenslotte gebaseerd op de natuurlijke emissies. Indien het internationale en nationale beleid gericht is op het behoud van natuur- en cultuurhistorische waarden, dan zal het natuurlijk evenwicht zo min mogelijk verstoord dienen te worden. Prof. dr. E. H. Adema januari 1984