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Der CO 2 Anstieg seit 1850. CO 2 : IR – Spektrum – Treibhauseffekt 4.26 µm 14.99 µm B A C,D 4.26 µm14.99 µm - CO 2 ist nach H 2 0 das wichtigste Treibhausgas.

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Präsentation zum Thema: "Der CO 2 Anstieg seit 1850. CO 2 : IR – Spektrum – Treibhauseffekt 4.26 µm 14.99 µm B A C,D 4.26 µm14.99 µm - CO 2 ist nach H 2 0 das wichtigste Treibhausgas."—  Präsentation transkript:

1 Der CO 2 Anstieg seit 1850

2 CO 2 : IR – Spektrum – Treibhauseffekt 4.26 µm µm B A C,D 4.26 µm14.99 µm - CO 2 ist nach H 2 0 das wichtigste Treibhausgas. - Anteil an Treibhauseffekt: 22%, macht 33K*0,22 = 7,26K

3 Woher das Interesse an CO 2 ? (IPCC 2001) Anteil des CO 2 : ~1,5 W/m 2

4 2005: 8,7 GtC (Science, July 2004) CO 2 Emissionen von 1980 – 1999 entsprechen 50% der Gesamt- emissionen bis 1994! Emissionenentwicklung

5 Charles D. Keeling ( ) Mauna Loa Observatory, Hawaii (3350 m)

6 Messung Keeling Kurve: Seit 1958 stündliche Messung der CO 2 - 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.

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

9 CO 2 - 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 CO 2 Anstiegs mit dem Beginn der Industrialisierung in Europa deutet auf anthropogenen Charakter des CO 2 Anstiegs. Wie lässt sich dies beweisen? Bei Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen im Durchschnitt unter Aufwendung von 15 O 2 Molekülen 10 CO 2 Moleküle: C n H 2n + (3/2)n O 2 n CO 2 + n H 2 O Es sollte eine Abnahme der Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre messbar sein!

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

12 Weiteres Indiz: Der Konzentrationsgradient 90 % der CO 2 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 12 C, 13 C: stabile Isotope. Vorkommen: 12 C98,9% 13 C 1,1% 14 C: instabiles Isotop.Vorkommen:1* % Halbwertszeit:5736 a Herstellung in km Höhe durch Neutroneneinfang aus Stickstoff: n + 14 N 14 C + 1 H Fossile Brennstoffe lagern seit ~10 6 Jahren unterirdisch, enthalten also kein 14 C 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 13 C enthält die Probe.

16 Bei Photosynthese diskriminieren Pflanzen gegenüber dem 13 C Isotop, fossile Brennstoffe enthalten also gegenüber der Atmosphäre weniger 13 C. kontinuierliche Messung der Delta – Werte für 13 C, 14 C 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 (CaCO 3 ), Dolomit CaMg(CO 3 ) 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

20 Kohlenstoffspeicher II Hydrosphäre:Ozeane, Eis, Gletscher Enthält 0,05 % des Gesamtkohlenstoffs entsprechend Gt C in Form von gelöstem CO 2, HCO 3 -, CO 3 2- Biosphäre:0,001 % des globalen Gesamtkohlenstoffs entsprechend 803 GtC davon 800 GtC terrestrisch (in organische Verbindungen) 3 GtC marin (Korallen (CaCO 3 ), Meerestiere) Atmosphäre:0,001 % des Gesamtkohlenstoffs entsprechend 800 GtC in Form von CO 2 : 381 ppmv (2005) CH 4 :1,75 CO:0,05-0,2 FCKW:0,001 CCl 4 :10 -4

21 Kohlenstoffzyklus

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

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

24 Fossile Emissionen x /8 2002/3 Anderungsraten: Mauna Loa El Niño (gemessene CO 2 Änderung / CO 2 Emission aus fossilen Brennstoffen = Airborne fraction = 0.55) Die Zunahme des CO 2 in der Atmosphäre entspricht nur 55 % der Menge, die jährlich durch fossile Brennstoffe emittiert wird.

25 Sauerstoffmessungen Die CO 2 - 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 CO 2 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 CO 2 verbraucht und O 2 emittiert.

26 Atmospheric Trends of CO 2 und O 2 IPCC-Budget ( ) Observations: Manning and Keeling, SIO, Battle et al., URI Atmosphäre Emissionen Ozeane Biosphäre Fluss (GtC/yr) (IPCC 2001)

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

28 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. CO 2 Transport innerhalb der Ozeane

29 Physikalische Kohlenstoffpumpe Im Gleichgewicht gilt an der Grenzschicht Atmosphäre-Ozean: [CO 2 ] Wasser = α * [CO 2 ] 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: [CO 2 ] Wasser = k 0 * p CO2 Wobei k 0 = α / (R * T) gilt. K 0 = 0,038 Mol/(l*bar) (0 K) = 0,023 Mol/(l*bar) (15 K)

30 Das physikalisch gelöste CO 2 bzw. dessen Hydrat, die Kohlensäure H 2 CO 3 dissoziiert weiter: CO 2 + H 2 O HCO H + CO H + Für dieses Gleichgewicht gilt: k 1 = [HCO 3 - ] * [H+] [CO 2 ] Wasser k 2 = [CO 3 2- ] * [H + ] [HCO 3 - ] = 7,24 * Mol/l (273 K) 9,12 * Mol/l (288 K) = 4,17 * Mol/l (273 K) 6,17 * Mol/l (288 K) Zunehmende CO2 Konzentration verschiebt das Gleichgewicht nach rechts. Versauerung der Ozeane

31 Summe CO 2 CO 2 = [CO 2 ] Wasser + [HCO 3 - ] + [CO 3 2- ] Die Summe der anorganisch gelösten Kohlenstofformen lässt sich mit den gefundenen Gleichgewichten auf eine Funktion des CO 2 -Partialdrucks in der Atmosphäre und der H + - Konzentration des Ozeans reduzieren: CO 2 = p CO2 k 0 * k 1 [H + ] k 0 * k 1 *k 2 [H + ] 2 +k0k0 + * Qualitativ lässt sich hieran erkennen, dass mit wachsender CO 2 Zufuhr, und damit wachsender H + - Konzentration die CO 2 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 CO 2 als Funktion des CO 2 Partialdrucks schreiben.

32 Revelle - Faktor Für Prognosen über das Verhalten des Ozeans bei steigender CO 2 -Konzentration der Atmosphäre wird der Puffer – oder Revelle – Faktor Herangezogen: R = dp CO2 p CO2 dCO 2 CO2 = d(lnp CO2 ) d(lnCO2) Anschaulich:für eine Zunahme des im Wasser anorganisch gespeicherten CO 2 um 1 % nimmt die atmosphärische Konzentration um R % zu. Gegenwärtig liegt der Revelle-Faktor im globalen Mittel bei ca. R = 10. -Zunehmender CO 2 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 CO 2 wird durch den Ozean aufgenommen? X = CO 2 (Ozean) CO 2 (total) = CO 2 (Ozean) CO 2 (Atmosphäre) +CO 2 (Ozean) Die aufgenommenen Mengen CO 2 verhalten sich zueinander wie die Größen der beteiligten Reservoire [Res]: X = [Res] Ozean 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 CO 2 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 CO 2 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 CO 2 – Säule Im Nord – Atlantik! Die Revelle-Faktoren sind jedoch am Äquator am tiefsten! Revelle-Faktor ist nicht die einzige Determinante der CO 2 Aufnahme.

36 Thermohaline Zirkulation -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 CO 2 des 20. Jhd. Gute Übereinstimmung mit beobachtetem Atmosphärenanstieg (~55% des emittierten CO 2 ), ohne Rolle der Biosphäre zu berücksichtigen. Dichteunterschiede des Ozeanwassers (Unterschiede in Temperatur und Salzgehalt) führen zu Zirkulation. Umlaufdauer: ~1000 Jahre

37 Insgesamt führt die Zunahme der CO 2 Konzentration in der Atmosphäre zu einer Versauerung der Weltmeere. Diese wird durch den HCO 3 - /CO 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: HCO 3 - ~89 % CO 3 2- ~11 % CO 2 ~0,6% (Ocean acidification, The Royal Society, 2005 ) Ozeanversauerung

38 Zukunftsmodelle Zur Stabilisierung der CO 2 - Konzentration der Atmosphäre unter 1000 ppm ist eine langfristige Reduktion der CO 2 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.) -CO 2 Anstieg führt zu Versauerung der Ozeane und Anstieg des Revelle-Faktors, was eine Verminderung der Aufnahmerate der Ozeane bedeutet. -Schrittweise Reduktion der CO 2 Emissionen auf Werte unterhalb derer von 1990 sind nötig um die Atmosphärenkonzentration zu stabilisieren.


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