Martin HeimannMax-Planck-Institut für Biogeochemie

Hans-Knöll Str. 10, PF 100164, 07701 JenaTel.: (03641) 57 6350

Email: martin.heimann@bgc-jena.mpg.dehttp://www.bgc-jena.mpg.de/~martin.heimann

Biogeochemische Kreisläufe im globalen Klimasystem

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Methankreislauf

Numerische Werte zum Methan (CH4); Werte fur die 1990’er Jahre (aus IPCC TAR):

Mittlere Konzentration: 1745 ppb,Zunahme in Atmosphare: 22 TgCH4 a−1

Umrechnung ppb in TgCH4: 2.78 TgCH4/ppbNaturliche Quellen: 180 – 270 TgCH4 a−1

Quellen insgesamt: 598 TgCH4 a−1

OH Senke: 576 CH4 a−1

Ungleichgewicht der Quellen und Senken: 22 Tg CH4 a−1

Lebensdauer: ∼8.4 a

Fragen:

1. Wie stark mussen die anthropogenen Emissionen reduziert werden um die CH4-Konzentration in der Atmosphare zu stabilisieren? Welcher Konzentrationswertstellt sich ein? Wie lange dauert es bis zur Stabilisierung?

2. Wie gross war die vorindustrielle CH4-Konzentration unter der Annahme, dasssich die atmospharische Lebensdauer von CH4 nicht verandert hat (d.h. bei un-veranderten OH Konzentrationen)? Vergleich mit den Beobachtungen aus denEiskernen!

3. Wahrend der Eiszeiten schwankte die CH4-Konzentration zwischen 350 (in denKaltzeiten) und 700 ppb (in den Warmzeiten). Welchen Schwankungen der Emissio-nen entsprechen diese Konzentrationswerte (unter der Annahme einer unverandertenLebensdauer!)? Wie lasst sich dieses Resultat interpretieren?

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Losungen - Frage 1:

Wie stark mussen die anthropogenen Emissionen reduziert werden um die CH4-Konzentrationin der Atmosphare zu stabilisieren? Welcher Konzentrationswert stellt sich ein? Wie langedauert es bis zur Stabilisierung?Die Methanquellen mussten um 22 Tg CH4 a−1 reduziert werden. Wurde dies instantangeschehen, dann wurde die CH4 Konzentration in der Atmosphare auch sofort stabilisiert,da dann gilt:

d

dtχCH4 = M−1

at

n∑

i=1

Qi − τ−1χCH4 = 0 (13)

Aber auch bei konstanten Emissionen ergibt sich mit einer Angleichzeit von 8.2 Jahreneine konstante Konzentration. Die atmospharische Konzentration, die sich einstellt, ergibtsich aus der Gleichung:

M−1at

n∑

i=1

Qi = τ−1χCH4 (14)

Mit den oben angegebenen numerischen Werten erhoht sich die Konzentration noch umca. 67 ppb, d.h. auf etwa 1810 ppb bis sich ein Gleichgewicht zwischen Quellen undSenken (und damit eine konstante Konzentration) einstellt.Konsequenz: Im Prinzip liesse sich die atmospharische Methan-Konzentration relativeinfach stabilisieren; es ist nur dafur zu sorgen, dass die Quellen nicht mehr zunehmen.

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Losungen - Frage 2:

Wie gross war die vorindustrielle CH4-Konzentration unter der Annahme, dass sich dieatmospharische Lebensdauer von CH4 nicht verandert hat (d.h. bei unveranderten OHKonzentrationen)? Vergleich mit den Beobachtungen aus den Eiskernen! Unter derAnnahme eines Gleichgewichts mssen die natrlichen Quellen gleich der OH-Senke sein,daher gilt:

M−1at Qnat = τ−1χCH4 (15)

Wenn wir annehmen dass Qnat = 200 Tg CH4 a−1 betragt, dann ergibt sich eine vorindus-trielle CH4-Konzentration von 605 ppb. Beobachtet in den Eiskernen sind etwa 680 ppb.Mogliche Interpretationen:

1. Die Lebensdauer von CH4 war vorindustriell 10-20% grosser wegen weniger OH(10-20%) Radikalen in der Atmosphare.

2. Die CH4 Emissionen aus Feuchtgebieten waren 10-20% hoher als heute. Abnahmeder Feuchtgebiete seit 1800 ?

3. Einige der weiteren CH4-Quellen sind nicht zu vernachlassigen (Hydrate? Biomassen-verbrennung?).

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Rezente Geschichte der atmosphärischen CH4 Konzentration

trend will ultimately help constrain specific budget terms. Afterthe eruption of Mt. Pinatubo, a large positive anomaly in growthrate was observed at tropical latitudes. It has been attributed toshort-term decreases in solar UV in the tropics immediatelyfollowing the eruption that decreased OH formation rates in the

troposphere (Dlugokencky et al., 1996). A large decrease ingrowth was observed, particularly in high northern latitudes, in1992. This feature has been attributed in part to decreasednorthern wetland emission rates resulting from anomalously lowsurface temperatures (Hogan and Harriss, 1994) and in part to

249Atmospheric Chemistry and Greenhouse Gases

Figure 4.1: (a) Change in CH4 abundance (mole fraction, in ppb = 10−9) determined from ice cores, firn, and whole air samples plotted for the last1,000 years. Data sets are as follows: Grip, Blunier et al. (1995) and Chappellaz et al. (1997); Eurocore, Blunier et al. (1993); D47, Chappellaz etal. (1997); Siple, Stauffer et al. (1985); Global (inferred from Antarctic and Greenland ice cores, firn air, and modern measurements), Etheridge etal. (1998) and Dlugokencky et al. (1998). Radiative forcing, approximated by a linear scale since the pre-industrial era, is plotted on the right axis. (b) Globally averaged CH4 (monthly varying) and deseasonalised CH4 (smooth line) abundance plotted for 1983 to 1999 (Dlugokencky et al.,1998). (c) Instantaneous annual growth rate (ppb/yr) in global atmospheric CH4 abundance from 1983 through 1999 calculated as the derivative ofthe deseasonalised trend curve above (Dlugokencky et al., 1998). Uncertainties (dotted lines) are ±1 standard deviation. (d) Comparison ofGreenland (GRIP) and Antarctic (D47 and Byrd) CH4 abundances for the past 11.5 kyr (Chappellaz et al., 1997). The shaded area is the pole-to-pole difference where Antarctic data exist. (e) Atmospheric CH4 abundances (black triangles) and temperature anomalies with respect to meanrecent temperature (grey diamonds) determined for the past 420 kyr from an ice core drilled at Vostok Station in East Antarctica (Petit et al., 1999).

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Losungen - Frage 3:

Wahrend der Eiszeiten schwankte die CH4-Konzentration zwischen 350 (in den Kaltzeiten)und 700 ppb (in den Warmzeiten). Welchen Schwankungen der Emissionen entsprechendiese Konzentrationswerte (unter der Annahme einer unveranderten Lebensdauer!)? Wielasst sich dieses Resultat interpretieren?700 ppb bei einer Lebensdauer des CH4 von 8.4 Jahren entsprechen einer gesamtennaturlichen CH4-Quelle von 230 Tg CH4 a−1. 350 ppb wahrend der Kaltzeiten entsprechend115 Tg CH4 a−1.

Mogliche Interpretation:Ruckgang der Feuchtgebiete (50%!) wahrend der kalten, trockenen Phasen der Eiszeitzyklen.

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Schwankungen der CH4 Konzentration während der

Eiszeitzyklen

trend will ultimately help constrain specific budget terms. Afterthe eruption of Mt. Pinatubo, a large positive anomaly in growthrate was observed at tropical latitudes. It has been attributed toshort-term decreases in solar UV in the tropics immediatelyfollowing the eruption that decreased OH formation rates in the

troposphere (Dlugokencky et al., 1996). A large decrease ingrowth was observed, particularly in high northern latitudes, in1992. This feature has been attributed in part to decreasednorthern wetland emission rates resulting from anomalously lowsurface temperatures (Hogan and Harriss, 1994) and in part to

249Atmospheric Chemistry and Greenhouse Gases

Figure 4.1: (a) Change in CH4 abundance (mole fraction, in ppb = 10−9) determined from ice cores, firn, and whole air samples plotted for the last1,000 years. Data sets are as follows: Grip, Blunier et al. (1995) and Chappellaz et al. (1997); Eurocore, Blunier et al. (1993); D47, Chappellaz etal. (1997); Siple, Stauffer et al. (1985); Global (inferred from Antarctic and Greenland ice cores, firn air, and modern measurements), Etheridge etal. (1998) and Dlugokencky et al. (1998). Radiative forcing, approximated by a linear scale since the pre-industrial era, is plotted on the right axis. (b) Globally averaged CH4 (monthly varying) and deseasonalised CH4 (smooth line) abundance plotted for 1983 to 1999 (Dlugokencky et al.,1998). (c) Instantaneous annual growth rate (ppb/yr) in global atmospheric CH4 abundance from 1983 through 1999 calculated as the derivative ofthe deseasonalised trend curve above (Dlugokencky et al., 1998). Uncertainties (dotted lines) are ±1 standard deviation. (d) Comparison ofGreenland (GRIP) and Antarctic (D47 and Byrd) CH4 abundances for the past 11.5 kyr (Chappellaz et al., 1997). The shaded area is the pole-to-pole difference where Antarctic data exist. (e) Atmospheric CH4 abundances (black triangles) and temperature anomalies with respect to meanrecent temperature (grey diamonds) determined for the past 420 kyr from an ice core drilled at Vostok Station in East Antarctica (Petit et al., 1999).

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CO2 Emissionen

mu =~ (37a)-1

FossilLanduseTotal

MtC

a-1

MtC

a-1

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CO2 Konzentration in der Atmosphäre

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Globale Emissionen und atmosphärische

CO2 Wachstumsrate

Red lines:Exponential fit

With µ = (45 a)-1

Qtot(t)

na(t).

na(t).

PgC a-1

PgC a-1 Qtot(t)

PgC

a-1

PgC

a-1

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“Airborne Fraction” = na / Qtot•

0.44

.

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Einfaches lineares Reservoirmodell des Kohlenstoffkreislaufs

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Atmosphärischer Konzentrationsverlauf von CO2 und O2

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Konzentrationsdifferenz zwischen Mauna Loa und Südpol

dargestellt als Funktione der Differenz der Emissionen in Nord- und Südhemisphäre

90°N

Cs

Qn Qs

Cn - Cs = (Qn - Qs) !/2

90°S

Cn

0°

!

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Fragen zum atmosphärischen CO2

1. Berechne die atmosphärische Turnoverzeit des CO2 bezüglich Ozean, Landbiosphäre und bezüglich Ozean+Landbiosphäre

2. Warum ist diese Turnoverzeit nicht gleich der atmosphärischen Lebensdauer des CO2?

3. Die N-S Konzentrationsdifferenz Cn - Cs ist proportional Qn - Qs. Berechne die atmosphärische Austauschzeit zwischen Nord- und Südhemisphäre

4. Extrapoliere Qn - Qs zurück zum vorindustriellen Zustand - Was lässt sich über Cn - Cs sagen? Wie lässt sich dies interpretieren?

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Antworten 1:

Definition der Turnoverzeit:

Atmosphäre-> Ozean: 750/90 = 8.3 Jahre

Atmosphäre -> Biosphäre: 750/60 = 12.5 Jahre

Atmosphäre insgesamt: 750/(90+60) = 5 Jahre

τ = N/F

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Antworten 2:Die Turnoverzeit ist nicht gleich der Abklingzeit einer Störung! Die Turnoverzeit lässt sich interpretieren als die Zeit die ein einzelnes CO2 Molekül in der Atmosphäre verbringt bis es sie wieder verlässt.

Wenn Überschuss-CO2 in die Atmosphäre eingetragen wird so wird dieses von Ozean und Biosphäre aufgenommen - damit nimmt aber deren Kohlenstoffgehalt zu und auch der Rückfluss in die Atmosphäre nimmt zu (im Ozean wegen der Zunahme des Partialdrucks, auf dem Lande weil mehr Biomasse wieder verrottet. Land und Ozean sind keine endgültigen Senken

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Antworten 3:

2-Box Modell:

Auflösen nach

Die Steigung beträgt:

Da Mhem = 2.123/2 PgC/ppmergibt sich

Cn − Cs =τ

2(Qn − Qs)

τ = 2Cn − Cs

Qn − Qs

Cn − Cs

Qn − Qs

≈2ppmMhem

3PgC/a

τ ≈ 1.4a

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Antworten 4:

Extrapolation der Linie !C vs !Q nach Q->0 ergibt einen Konzentrationsunterschied zwischen Nord und Südhemisphäre von ca. -0.5 ppm

Interpretation: Natürliches, vorindustrielles Ungleichgewicht der Quellen und Senken in den beiden Hemisphären -> Ozeantransport?

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Atmosphärischer Konzentrationsverlauf von CO2 und O2

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Atmosphärische Bilanzgleichungen

dNCO2 /dt = Qfoss - Sbio - Soc

dNO2/dt = ff Qfoss - fb Sbio

DIC

fb ! -1.1

ff ! -1.4

fr ! -1.4

Gasaustausch

Photosynthese

Respiration

Verbrennung von Kohle, Öl, Gas

Kopplung der Kreisläufe von CO2 und O2

Photosynthese & Respiration: CO2 + H2O <-> CH2O + O2

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Carbon and Oxygen in Atmosphere and Ocean

O2 CO2

1015

Mol 1015

Mol

Atmosphere 37’000 1 62 1

Ocean mixedlayer (75m)

6 1.6 10-4

85 1.41

Whole ocean 220 6 10-3

3’200 5.11

Exchange timeatmosphere-ocean

~10 d ~1 yr

1 By consideration of carbonate chemistry

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Atmosphärische Trends von CO2 und O2

“IPCC-Budget”(1990-2000)

Observations: Manning and Keeling, SIO, Battle et al., URI

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Globale CO2 Bilanz [PgC a-1]

1980s 1990s

1. IPCC TAR [Prentice et al., 2001]

Atmospheric increase +3.3 ± 0.1 +3.2 ± 0.1

Fossil fuel and cement production +5.4 ± 0.3 +6.3 ± 0.4

Ocean –1.9 ± 0.6 –1.7 ± 0.5

Land (Net) –0.2 ± 0.7 –1.4 ± 0.7

Changes in landuse +1.7 (+0.6 to +2.5) -

Residual (Land) –1.9 (–3.8 to +0.3) -

2. Ocean correction [LeQueré et al., 2003]

Ocean –1.8 ± 0.8 –1.9 ± 0.7

Land (Net) –0.3 ± 0.9 –1.2 ± 0.8

3. FAO Statistics + Model [Houghton, 2002]

Changes in landuse +2.0 (+0.9 to +2.8) +2.2 (+1.4 to +3.0)

Residual (Land) -2.3 (–4.0 to –0.3) -3.4 (–5.0 to –1.8)

4. Remote sensing + Model [De Fries et al., 2002]

Changes in landuse +0.6 (+0.3 to +0.8) +0.9 (+0.5 to +1.4)

Residual (Land) -0.9 (-3.0 to 0) -2.1 (-3.4 to -0.9)

Units: PgC a-1

, positive: flux into atmosphere

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