Der CO2 Anstieg seit 1850

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Der CO2 Anstieg seit 1850
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CO2 IR Spektrum Treibhauseffekt

• - CO2 ist nach H20 das wichtigste Treibhausgas.
• Anteil an Treibhauseffekt 22, macht 33K0,22
  7,26K

4.26 µm
B
14.99 µm
A
C,D
4.26 µm
14.99 µm
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Woher das Interesse an CO2 ?
Anteil des CO2 1,5 W/m2
(IPCC 2001)
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Emissionenentwicklung
2005 8,7 GtC
CO2 Emissionen von 1980 1999 entsprechen 50
der Gesamt- emissionen bis 1994!
(Science, July 2004)
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Mauna Loa Observatory, Hawaii (3350 m)
Charles D. Keeling (1928-2005)
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Messung
Keeling Kurve Seit 1958 stündliche Messung der
CO2 - Konzentration durch IR-Spektroskopie.
Bildung des Tagesmittels.
Mittlerer jährlicher Zuwachs 1958
2005 1.2 ppm 0,4 60er
Jahre 0,83 ppm/yr 70er 1,28 ppm/yr 80er
1,53 ppm/yr
Zyklisches Verhalten durch Sommer und Winter der
Nordhalbkugel bedingt.
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Wie lassen sich Messdaten in die Vergangenheit
fortsetzen?
In Eisbohrkernen eingeschlossene Luft liefert
Information über Atmosphärenzusammensetzung der
Vergangenheit. Sorgfältige Auswahl der Orte der
Bohrungen nach - Temperatur (Permafrost) - S
chneefall ( Auflösung der Messwerte) - Rei
nheit des Eises (Kontamination des
Einschlussgases durch chemische Prozesse)
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Messung Eisbohrkerne, Firn
Zunahme von 280 ppm um 1750 bis auf 381 ppm im
Jahre 2005, entspricht 27
Die Zunahmerate von 0,4/yr seit 1980 ist
zumindest innerhalb der letzten 20000 Jahre
einmalig.
(blau) Vostok (1999) (grün) EPICA (2004)
Eisbohrkerne (rot) Law Dome (1998)
(cyan) Siple Dome (1994) (schwarz) Mauna Loa
Observatory, Hawaii
(Wikipedia, NOAA)
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CO2 - Entwicklung
Zunahme von 280 ppm um 1750 bis auf 381 ppm im
Jahre 2005, entspricht 27
Die heutige Konzentration ist höher als die der
letzten 420000 Jahre, wahrscheinlich auch höher
als die der letzten 20 Millionen Jahre.
Die Zunahmerate von 0,4/yr seit 1980 ist
zumindest innerhalb der letzten 20000 Jahre
einmalig.
(Wikipedia)
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Woher kommt der Anstieg?
Die Korrelation des CO2 Anstiegs mit dem Beginn
der Industrialisierung in Europa deutet auf
anthropogenen Charakter des CO2 Anstiegs. Wie
lässt sich dies beweisen? Bei Verbrennung
fossiler Brennstoffe entstehen im Durchschnitt
unter Aufwendung von 15 O2 Molekülen 10 CO2
Moleküle CnH2n (3/2)n O2 n CO2 n
H2O Es sollte eine Abnahme der
Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre messbar
sein!
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(Australien)
(Alaska)
(Ralph Keeling et al.)
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Weiteres Indiz Der Konzentrationsgradient
90 der CO2 Emission durch fossile Brennstoffe
entstehen in der nördlichen Hemisphäre. - langf
ristig gleiche Anstiegsrate in nördlicher und
südlicher Atmosphäre - Konzentration in
südlicher Atmosphäre hinkt der nördlichen
hinterher
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Tans/Conway, NOAA
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Gibt es noch mehr Anhaltspunkte?
Kohlenstoffisotope
12C, 13C stabile Isotope. Vorkommen 12C 98,9
13C 1,1 14C instabiles
Isotop. Vorkommen 110-10 Halbwertszeit 57
36 a Herstellung in 9 -15 km Höhe durch
Neutroneneinfang aus Stickstoff n 14N ? 14C
1H Fossile Brennstoffe lagern seit 106
Jahren unterirdisch, enthalten also kein 14C
mehr!
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Isotope Delta Notation
Als Standard wird das Isotopenverhältnis in PDB
Belemnit, einem in South Carolina vorkommenden
kreidezeitlichen Kalkgestein verwendet.
Delta Werte sind oft negativ je negativer der
Wert, desto weniger 13C enthält die Probe.
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Bei Photosynthese diskriminieren Pflanzen
gegenüber dem 13C Isotop, fossile Brennstoffe
enthalten also gegenüber der Atmosphäre weniger
13C. kontinuierliche Messung der Delta Werte
für 13C, 14C gibt Hinweis auf Herkunft des
Kohlenstoffs in der Atmosphäre.
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Kohlenstoffisotope in der Atmosphäre
(Dr. E. S. Takle, Iowa State University, 1996)
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(No Transcript)
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Kohlenstoffspeicher
Erde als geschlossenes System Auf globaler
Ebene konstante Kohlenstoffmenge mit ca. 75
Pt C Aufteilung in vier Teilsysteme Lithosphäre
Hydrosphäre Atmosphäre Biosphäre.
Lithosphäre Enthält 99,8 der globalen
Gesamtkohlenstoffmenge in Form von aus
Sedimenten entstandene Carbonatgesteine Calc
it (CaCO3), Dolomit CaMg(CO3)2, 60 Pt
C Kerogen (Ölschiefer), 15 Pt C Gashydrate
(Methanhydrat), 10 Tt C Kohle, Erdgas, Erdöl,
4,1 Tt C Humus, Torf, Sedimente, 1,5 Tt
C
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Kohlenstoffspeicher II
Hydrosphäre Ozeane, Eis, Gletscher Enthält
0,05 des Gesamtkohlenstoffs entsprechend 38
000 Gt C in Form von gelöstem CO2, HCO3-,
CO32- Biosphäre 0,001 des globalen
Gesamtkohlenstoffs entsprechend 803 GtC davon
800 GtC terrestrisch (in organische
Verbindungen) 3 GtC marin (Korallen (CaCO3),
Meerestiere) Atmosphäre 0,001 des
Gesamtkohlenstoffs entsprechend 800 GtC in Form
von CO2 381 ppmv (2005) CH4 1,75
CO 0,05-0,2 FCKW 0,001
CCl4 10-4
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Kohlenstoffzyklus
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Kohlenstoffzyklus
Kohlenstoff-Flüsse (GtC/yr)
Aufenthaltsdauer Innerhalb des Reservoirs
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Positive Werte Flüsse in die Atmosphäre
IPCC-TAR, Prentice et al., 2001
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Anderungsraten Mauna Loa
1997/8
El Niño
2002/3
Fossile Emissionen x 0.55
(gemessene CO2 Änderung / CO2 Emission aus
fossilen Brennstoffen Airborne fraction 0.55)
Die Zunahme des CO2 in der Atmosphäre entspricht
nur 55 der Menge, die jährlich durch fossile
Brennstoffe emittiert wird.
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Sauerstoffmessungen
Die CO2 - Zunahme in der Atmosphäre entspricht
nur etwa 55 der Menge, die jährlich durch
fossile Brennstoffe emittiert wird. Die
Differenzmenge wird sowohl von Ozeanen, als auch
von terrestrischen Senken aufgenommen. Idee Lö
sung des CO2 in den Ozeanen führt zu keiner
Änderung der Sauerstoffkonzentration. Terrestris
che Aufnahme impliziert, dass die Photosynthese
die Zellatmung und andere Oxidationsprozesse
(Waldbrände) überwiegt. In der Bilanz wird
also CO2 verbraucht und O2 emittiert.
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Atmospheric Trends of CO2 und O2
IPCC-Budget(1990-2000)
Fluss (GtC/yr)
Atmosphäre
Emissionen
Ozeane
Biosphäre
Observations Manning and Keeling, SIO, Battle et
al., URI
(IPCC 2001)
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Quellen und Senken (GtC/yr)
(IPCC 2001)
Bilanz 3.3 5.4 -1.9 1.7 1.9
fehlende Senke, die hinzugefügt werden muss
um Bilanz auszugleichen. Herkunft ungewiss.
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CO2 Transport innerhalb der Ozeane
Physikalische Kohlenstoffpumpe Im Meer
findet durch absinkende Wassermassen ein
Kohlenstofftransport in große Tiefen des Ozeans
statt. Der langsame Austausch tiefer
Wassermassen mit der Oberfläche garantiert
längerfristige Speicherung. Biologische
Kohlenstoffpumpe Absinkende marine Organismen
transportieren Kohlenstoff auf den Grund des
Ozeans und bilden dort Sedimente, die
letztenendes zu Kalkgestein werden.
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Physikalische Kohlenstoffpumpe
Im Gleichgewicht gilt an der Grenzschicht
Atmosphäre-Ozean CO2Wasser a
CO2Luft Ostwaldsche Löslichkeit a 0,86
(0 K) 0,55 (15 K) (für Meerwasser
mit 35 Salzgehalt) mit Hilfe der allgemeinen
Gasgleichung p V n R T CO2Wasser
k0 pCO2 Wobei k0 a / (R T) gilt. K0
0,038 Mol/(lbar) (0 K) 0,023 Mol/(lbar)
(15 K)

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Das physikalisch gelöste CO2 bzw. dessen Hydrat,
die Kohlensäure H2CO3 dissoziiert weiter CO2
H2O HCO3- H CO32- 2 H
Für dieses Gleichgewicht gilt
HCO3- H
7,24 10-4 Mol/l (273 K) 9,12 10-4 Mol/l
(288 K)
k1
CO2Wasser
CO32- H
4,17 10-10 Mol/l (273 K) 6,17 10-10
Mol/l (288 K)
k2
HCO3-
Zunehmende CO2 Konzentration verschiebt das
Gleichgewicht nach rechts.
Versauerung der Ozeane
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Summe CO2
? CO2 CO2Wasser HCO3- CO32- Die
Summe der anorganisch gelösten Kohlenstofformen
lässt sich mit den gefundenen Gleichgewichten auf
eine Funktion des CO2-Partialdrucks in der
Atmosphäre und der H- Konzentration des Ozeans
reduzieren
k0 k1
k0 k1 k2
? CO2 pCO2

k0


H
H2
Qualitativ lässt sich hieran erkennen, dass mit
wachsender CO2 Zufuhr, und damit wachsender H -
Konzentration die CO2 Speicherfähigkeit der
Ozeane abnehmen muss. Werden alle bei pH 8
wichtigen Säuren berücksichtigt (Borsäure,
Autoprotolyse des Wassers) so lässt sich auch
H eliminieren, und die Summe CO2 als Funktion
des CO2 Partialdrucks schreiben.
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Revelle - Faktor
Für Prognosen über das Verhalten des Ozeans bei
steigender CO2-Konzentration der Atmosphäre wird
der Puffer oder Revelle Faktor Herangezogen
dpCO2
d?CO2
d(lnpCO2)
R

pCO2
?CO2
d(ln?CO2)
Anschaulich für eine Zunahme des im Wasser
anorganisch gespeicherten CO2 um 1 nimmt die
atmosphärische Konzentration um R zu.
Gegenwärtig liegt der Revelle-Faktor im globalen
Mittel bei ca. R 10. - Zunehmender CO2 Gehalt
des Meerwassers lässt den Revelle- Faktor
ansteigen! Bereits heute liegt R um 1 höher als
vor Beginn der Industrialisierung.
48 der Emission
31 der Emission
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Aufnahmekapazität des Ozeans
Wieviel einer in die Atmosphäre injizierten Menge
?CO2 wird durch den Ozean aufgenommen?
?CO2(Ozean)
?CO2(Ozean)
X

?CO2 (total)
?CO2(Atmosphäre)
?CO2(Ozean)
Die aufgenommenen Mengen ?CO2 verhalten sich
zueinander wie die Größen der beteiligten
Reservoire Res
ResOzean
X
R ResAtmosphäre
ResOzean
Das atmosphärische Reservoir muss mit dem
Revelle-Faktor gewichtet werden!
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Aufnahmekapazität des Ozeans
Werden als Zahlenwerte die gesamten
Reservoirgrößen verwendet, also die Annahme
gemacht, der ganze Ozean sei an der CO2 Aufnahme
beteiligt, R 10 ResAtmosphäre 750
GtC ResOzean 39500 GtC so ergibt
sich X 0,84. Bei völliger Durchmischung könnte
der Ozean also 84 des in die Atmosphäre
injizierten CO2 aufnehmen. 16 würden in der
Atmosphäre verbleiben. Dies gibt nicht den
beobachteten Anstieg in der Atmosphäre von ca.
55 der fossilen Emissionen wieder.
Zu vereinfachtes Bild des Ozeans!
Quelle Rödel, Physik unserer Umwelt
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Höchste CO2 Säule Im Nord Atlantik!
Die Revelle-Faktoren sind jedoch am Äquator am
tiefsten! Revelle-Faktor ist nicht die
einzige Determinante der CO2 Aufnahme.
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Thermohaline Zirkulation
Dichteunterschiede des Ozeanwassers (Unterschiede
in Temperatur und Salzgehalt) führen zu
Zirkulation.
Umlaufdauer 1000 Jahre
- Annahme eines stratifizierten Ozeanprofils mit
gut durchmischtem Oberflächenwasser, aber
langsamem, diffusivem Transport über die
Thermokline hinweg in die Tiefe (Oeschger et.
al. 1975)
Verbessertes Modell liefert einen 45
Aufnahmeanteil des Ozeans für das emittierte CO2
des 20. Jhd. Gute Übereinstimmung mit
beobachtetem Atmosphärenanstieg (55 des
emittierten CO2), ohne Rolle der Biosphäre zu
berücksichtigen.
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Ozeanversauerung
Insgesamt führt die Zunahme der CO2 Konzentration
in der Atmosphäre zu einer Versauerung der
Weltmeere. Diese wird durch den HCO3-/CO32- -
Puffer abgeschwächt. Zwischen 1750 und 2004 ist
so der pH Wert der Ozeane von etwa 8,25 auf 8,14
abgefallen. Mit
entspricht dies einer Zunahme der H -
Konzentration von etwa 25.
Bei pH 8,2 liegt folgende Verteilung des
anorganisch gelösten Kohlenstoffs
vor HCO3- 89 CO32- 11 CO2 0,6
(Ocean acidification, The Royal Society, 2005)
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Zukunftsmodelle
Zur Stabilisierung der CO2 - Konzentration der
Atmosphäre unter 1000 ppm ist eine
langfristige Reduktion der CO2 Emissionen
unterhalb der Werte von 1990 notwendig!
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Zusammenfassung

• - Zunahme von 280 ppm um 1750 bis auf 381 ppm
• im Jahre 2005, entspricht 27
• - Unumstritten sind fossile Brennstoffe
  Hauptquelle des Anstiegs
• gefolgt von veränderter Landnutzung
  (Entforstung etc.)
• - CO2 Anstieg führt zu Versauerung der Ozeane
  und Anstieg des Revelle-Faktors, was eine
  Verminderung der Aufnahmerate der Ozeane
  bedeutet.
• - Schrittweise Reduktion der CO2 Emissionen auf
  Werte unterhalb derer von 1990 sind nötig um die
  Atmosphärenkonzentration
• zu stabilisieren.