Der CO2 Anstieg seit 1850.

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1 Der CO2 Anstieg seit 1850

2 CO2: IR – Spektrum – Treibhauseffekt
- CO2 ist nach H20 das wichtigste Treibhausgas. Anteil an Treibhauseffekt: 22%, macht 33K*0,22 = 7,26K 4.26 µm B 14.99 µm A C,D 4.26 µm 14.99 µm

3 Woher das Interesse an CO2 ?
Anteil des CO2: ~1,5 W/m2 (IPCC 2001)

4 Emissionenentwicklung
2005: 8,7 GtC CO2 Emissionen von 1980 – 1999 entsprechen 50% der Gesamt- emissionen bis 1994! (Science, July 2004)

5 Mauna Loa Observatory, Hawaii
Charles D. Keeling ( )

6 Messung Keeling Kurve: Seit 1958 stündliche Messung der CO2 - Konzentration durch IR-Spektroskopie. Bildung des Tagesmittels. Mittlerer jährlicher Zuwachs: 1958 – 2005: 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.

7 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) - Schneefall ( Auflösung der Messwerte) - Reinheit des Eises (Kontamination des Einschlussgases durch chemische Prozesse)

8 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 Jahre einmalig. (blau) Vostok (1999) (grün) EPICA (2004) Eisbohrkerne (rot) Law Dome (1998) (cyan) Siple Dome (1994) (schwarz) Mauna Loa Observatory, Hawaii (Wikipedia, NOAA)

9 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 Jahre, wahrscheinlich auch höher als die der letzten 20 Millionen Jahre. Die Zunahmerate von 0,4%/yr seit 1980 ist zumindest innerhalb der letzten Jahre einmalig. (Wikipedia)

10 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 O n CO2 + n H2O Es sollte eine Abnahme der Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre messbar sein!

11 (Australien) (Alaska) (Ralph Keeling et al.)

12 Weiteres Indiz: Der Konzentrationsgradient
90 % der CO2 Emission durch fossile Brennstoffe entstehen in der nördlichen Hemisphäre. - langfristig gleiche Anstiegsrate in nördlicher und südlicher Atmosphäre - Konzentration in südlicher Atmosphäre hinkt der nördlichen hinterher

13 Tans/Conway, NOAA

14 Gibt es noch mehr Anhaltspunkte? Kohlenstoffisotope
12C, 13C: stabile Isotope. Vorkommen: 12C 98,9% 13C 1,1% 14C: instabiles Isotop. Vorkommen: 1*10-10% Halbwertszeit: 5736 a Herstellung in km Höhe durch Neutroneneinfang aus Stickstoff: n + 14N → 14C + 1H Fossile Brennstoffe lagern seit ~106 Jahren unterirdisch, enthalten also kein 14C mehr!

15 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.

16 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.

17 Kohlenstoffisotope in der Atmosphäre
(Dr. E. S. Takle, Iowa State University, 1996)

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19 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: Calcit (CaCO3), Dolomit CaMg(CO3)2, 60 Pt C Kerogen (Ölschiefer), Pt C Gashydrate (Methanhydrat), 10 Tt C Kohle, Erdgas, Erdöl, 4,1 Tt C Humus, Torf, Sedimente, 1,5 Tt C

20 Kohlenstoffspeicher II
Hydrosphäre: Ozeane, Eis, Gletscher Enthält 0,05 % des Gesamtkohlenstoffs entsprechend 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 : ppmv (2005) CH4: 1, “ CO: 0,05-0,2 “ FCKW: 0, “ CCl4: “

21 Kohlenstoffzyklus

22 Kohlenstoffzyklus Kohlenstoff-Flüsse (GtC/yr) Aufenthaltsdauer
Innerhalb des Reservoirs

23 Positive Werte: Flüsse in die Atmosphäre
IPCC-TAR, Prentice et al., 2001

24 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.

25 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: Lösung des CO2 in den Ozeanen führt zu keiner Änderung der Sauerstoffkonzentration. Terrestrische Aufnahme impliziert, dass die Photosynthese die Zellatmung und andere Oxidationsprozesse (Waldbrände) überwiegt. In der Bilanz wird also CO2 verbraucht und O2 emittiert.

26 Atmospheric Trends of CO2 und O2 “IPCC-Budget” (1990-2000)
Fluss (GtC/yr) Schlussfolgerung: Terrestrische Systeme nehmen auch CO2 auf! Atmosphäre Emissionen Ozeane Biosphäre Observations: Manning and Keeling, SIO, Battle et al., URI (IPCC 2001)

27 Quellen und Senken (GtC/yr)
(IPCC 2001) Bilanz: 3.3 = – 1.9 „fehlende Senke“, die hinzugefügt werden muss um Bilanz auszugleichen. Herkunft ungewiss.

28 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.

29 Physikalische Kohlenstoffpumpe
Im Gleichgewicht gilt an der Grenzschicht Atmosphäre-Ozean: [CO2]Wasser = α * [CO2]Luft Ostwaldsche Löslichkeit: α = 0,86 (0 K) = 0,55 (15 K) (für Meerwasser mit 35‰ Salzgehalt) mit Hilfe der allgemeinen Gasgleichung p * V = n * R * T: [CO2]Wasser = k0 * pCO2 Wobei k0 = α / (R * T) gilt. K0 = 0,038 Mol/(l*bar) (0 K) = 0,023 Mol/(l*bar) (15 K)

30 Das physikalisch gelöste CO2 bzw. dessen Hydrat, die Kohlensäure H2CO3
dissoziiert weiter: CO2 + H2O HCO3- + H+ CO H+ Für dieses Gleichgewicht gilt: [HCO3-] * [H+] = 7,24 * 10-4 Mol/l (273 K) 9,12 * 10-4 Mol/l (288 K) k1 = [CO2]Wasser [CO32-] * [H+] = 4,17 * Mol/l (273 K) 6,17 * Mol/l (288 K) k2 = [HCO3-] Zunehmende CO2 Konzentration verschiebt das Gleichgewicht nach rechts. Versauerung der Ozeane

31 Summe CO2 ∑ CO2 = [CO2]Wasser + [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+] [H+]2 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.

32 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

33 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]: [Res]Ozean X = R * [Res]Atmosphäre + [Res]Ozean Das atmosphärische Reservoir muss mit dem Revelle-Faktor gewichtet werden!

34 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 [Res]Atmosphäre = 750 GtC [Res]Ozean = 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

35 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.

36 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.

37 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)

38 Zukunftsmodelle Zur Stabilisierung der CO2 -
Konzentration der Atmosphäre unter 1000 ppm ist eine langfristige Reduktion der CO2 Emissionen unterhalb der Werte von 1990 notwendig!

39 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.