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Der CO 2 Anstieg seit 1850

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Der CO 2 Anstieg seit 1850. Woher das Interesse an CO 2 ?. Anteil des CO 2 : ~1,5 W/m 2. (IPCC 2001). Emissionenentwicklung. 2005: 8,7 GtC. CO 2 Emissionen von 1980 – 1999 entsprechen 50% der Gesamt- emissionen bis 1994!. (Science, July 2004). Mauna Loa Observatory, Hawaii

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slide2

Woher das Interesse an CO2 ?

Anteil des CO2:

~1,5 W/m2

(IPCC 2001)

slide3

Emissionenentwicklung

2005: 8,7 GtC

CO2 Emissionen von

1980 – 1999 entsprechen

50% der Gesamt-

emissionen bis 1994!

(Science, July 2004)

slide4

Mauna Loa Observatory, Hawaii

(3350 m)

Charles D. Keeling (1928-2005)

messung
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.

wie lassen sich messdaten in die vergangenheit fortsetzen
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)

messung eisbohrkerne firn
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)

woher kommt der anstieg
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!

slide9

(Australien)

(Alaska)

(Ralph Keeling et al.)

weiteres indiz der konzentrationsgradient
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
gibt es noch mehr anhaltspunkte kohlenstoffisotope
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 9 -15 km Höhe durch Neutroneneinfang aus Stickstoff:

n + 14N → 14C + 1H

Fossile Brennstoffe lagern seit ~106 Jahren unterirdisch, enthalten also

kein 14C mehr!

slide13

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.

slide14

Kohlenstoffisotope in der Atmosphäre

(Dr. E. S. Takle, Iowa State University, 1996)

kohlenstoffspeicher
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), 15 Pt C

Gashydrate (Methanhydrat), 10 Tt C

Kohle, Erdgas, Erdöl, 4,1 Tt C

Humus, Torf, Sedimente, 1,5 Tt C

kohlenstoffspeicher ii
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 “

anderungsraten mauna loa
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.

slide19

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.

atmospheric trends of co 2 und o 2 ipcc budget 1990 2000
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)

slide21

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.

physikalische kohlenstoffpumpe
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)

slide23

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 =

[CO2]Wasser

[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

summe co 2
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.

revelle faktor
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

slide26

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)

slide27

Zukunftsmodelle

Zur Stabilisierung der CO2 -

Konzentration der Atmosphäre

unter 1000 ppm ist eine langfristige

Reduktion der CO2 Emissionen

unterhalb der Werte von 1990

notwendig!

zusammenfassung
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.