Aufklärung der Kinetik des Boden-Luft-Transfers von Hg anhand ausgewählter Umweltparameter

Investigation of the Kinetic of Air-Surface exchange of mercury by means of elected enviromental variables

  • Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Kinetik der Hg-Emission aus Böden und die Bedeutung der nach heutigem Wissenstand relevanten Umweltparameter, i.e. der Hg-Substratkonzentration, der Bodentemperatur, der Bodenfeuchtigkeit, der Lichteinstrahlung und der atmosphärischen Turbulenz, aufzuklären. Hierfür wurde ein Laborflusskammersystem entwickelt und aufgebaut, mit dem sich der Einfluss dieser Parameter auf die Hg-Emission unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen im Labor untersuchen ließ. Mit dieser Arbeit wird die erste systematische Untersuchung aller nach heutigem Wissensstand relevanten Umweltparameter vorgelegt, bei der auch die gegenseitige Wechselwirkung der einzelnen Parameter erfasst und eingehend untersucht werden konnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Emission von Hg aus Böden durch zwei unterschiedliche Mechanismen, einen thermischen und einen lichtinduzierten, kontrolliert wird. Die thermisch kontrollierte Emission folgt einer Kinetik quasi nullter Ordnung. Der Mechanismus lässt sich durch ein klassisches Phasengleichgewicht des Hg° zwischen der Bodenmatrix und der Gasphase beschreiben, wobei sich die Bodenfeuchtigkeit über den die Bodenmatrix umschließenden Wasserfilm auf die Kinetik der Phasenreaktion auswirkt. Der Einfluss der Bodenfeuchtigkeit lässt sich über die Wasserspannung erklären. Sie wirkt sich über die Schichtdicke des Wasserfilms und die Oberflächenspannung auf die Geschwindigkeit der Phasenreaktion und die Lage des Phasengleichgewichtes aus. Der zweite Freisetzungsmechanismus basiert auf einer unspezifischen photochemischen Reduktion von Hg-Huminstoffkomplexen zu Hg°. Der wahrscheinlichste Mechanismus ist dabei die Reduktion eines Hg-Huminstoffkomplexes. Für die photochemische Reduktion des Hg konnte ein verallgemeinertes solares Wirkungsgradspektrum abgeleitet werden, welches zusammen mit der hier gefundenen Konzentrationsabhängigkeit eine wesentliche Grundlage zur Quantifizierung dieses Mechanismus bildet. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in ein Modell eingeflossen, welches in Kombination mit Freilandmessungen einen wichtigen Beitrag zur Quantifizierung der Hg-Emission aus Böden auf lokaler, regionaler und globaler Ebene liefern kann.
  • The overall objective of this study was to elucidate the kinetics of mercury soil-atmosphere exchange and to clarify the effect of major environmental variables on the emission of mercury from soils. For this study a laboratory flux chamber system was developed, which allows for simulation and precise control of soil temperature, soil moisture light radiation and atmospheric turbulence which are known to have an overall strong effect on mercury emissions from soils. The emission of mercury from soils is controlled both by thermal and a photochemical mechanism. The results of this work reinforce the hypothesis that the thermal controlled emission of mercury is driven by the interfacial equilibrium of Hg° between the soil matrix and the soil gas phase. The effect of soil temperature, soil texture and total mercury concentration in the soils can be expressed in terms of the Arrhenius equation, which is in agreement with the underlying assumptions of the Freundlich Isotherm. Soil moisture has an overall strong effect on the emission of mercury from soils, which is explained in terms of the soil moisture tension. This provides the first well founded hypothesis for the observed decrease of mercury emission fluxes over dry soils. The light induced emission of mercury from soils shows a strong spectral response in the UV-B and is independent of the soil temperature. This reveal clear evidence for photolytical reduction of divalent mercury species at the soil surface. The most probable mechanism includes the reduction of humic bound mercury species. The results of this work have been incorporated into a one-dimensional simulation model, which may provide a cornerstone in up scaling fluxes derived from field measurements and thus in improving estimations of emissions from naturally surfaces on local, global and regional scales.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Enno Bahlmann
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus-3320
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/380
Advisor:Wolfgang Ruck (Prof. Dr.)
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2004
Date of Publication (online):2005/11/03
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Nachhaltigkeit
Date of final exam:2004/11/04
Release Date:2005/11/03
Tag:emission; mercury; soil; soil moisture; solar radiation; temperature
GND Keyword:Quecksilber; Boden; Emission; Temperatur; Insolation
Institutes:Universität / Frühere Fachbereiche
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik