Der CO2 Anstieg seit 1850

Woher das Interesse an CO2 ?

(IPCC 2001)

Anteil des CO2:

~1,5 W/m2

2005: 8,7 GtC

(Science, July 2004)

CO2 Emissionen von 1980 – 1999 entsprechen 50% der Gesamt-emissionen bis 1994!

Emissionenentwicklung

Charles D. Keeling (1928-2005)

Mauna Loa Observatory, Hawaii(3350 m)

Messung

Keeling Kurve: Seit 1958 stündlicheMessung der CO2 - Konzentration durchIR-Spektroskopie. Bildung des Tagesmittels.

Mittlerer jährlicher Zuwachs:

1958 – 2005: 1.2 ppm ~0,4%

60er Jahre: 0,83 ppm/yr70er : 1,28 ppm/yr80er : 1,53 ppm/yr

Zyklisches Verhalten durch Sommer und Winter der Nordhalbkugelbedingt.

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

(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 ppmim Jahre 2005, entspricht ~27%

Die Zunahmerate von 0,4%/yr seit 1980 ist zumindest innerhalbder letzten 20000 Jahre einmalig.

Woher kommt der Anstieg?

Die Korrelation des CO2 Anstiegs mit dem Beginn der Industrialisierungin 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!

360

340

320

300

20001990198019701960

-40

-20

0

20

CO2 Mauna Loa, Hawaii

CO2 South Pole

O2 Cape Grim

O2 Alert/Pt. Barrow

(Alaska)

(Australien)

(Ralph Keeling et al.)

Weiteres Indiz: Der Konzentrationsgradient

90 % der CO2 Emission durch fossile Brennstoffe entstehen in der nördlichenHemisphäre.

- langfristig gleiche Anstiegsrate in nördlicher und südlicher Atmosphäre

- Konzentration in südlicher Atmosphäre hinkt der nördlichen hinterher

Tans/Conway, NOAA

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!

Bei Photosynthese diskriminieren Pflanzen gegenüber dem 13C Isotop, fossileBrennstoffe enthalten also gegenüber der Atmosphäre weniger 13C.

kontinuierliche Messung der Delta – Werte für 13C, 14C gibt Hinweis auf Herkunft des Kohlenstoffs in der Atmosphäre.

Kohlenstoffisotope in der Atmosphäre

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

Kohlenstoffspeicher

Erde als geschlossenes System: Auf globaler Ebene konstante Kohlenstoffmenge mit ca. 75 Pt C

Aufteilung in vier Teilsysteme: Lithosphäre Hydrosphäre AtmosphäreBiosphäre.

Lithosphäre: Enthält 99,8 % der globalen Gesamtkohlenstoffmenge in Form von aus Sedimenten entstandene Carbonatgesteine:

Calcit (CaCO3), Dolomit CaMg(CO3)2, 60 Pt CKerogen (Ölschiefer), 15 Pt CGashydrate (Methanhydrat), 10 Tt CKohle, Erdgas, Erdöl, 4,1 Tt CHumus, Torf, Sedimente, 1,5 Tt C

Kohlenstoffspeicher II

Hydrosphäre: Ozeane, Eis, Gletscher

Enthält 0,05 % des Gesamtkohlenstoffsentsprechend 38 000 Gt C in Form von gelöstem CO2, HCO3

-, CO32-

Biosphäre: 0,001 % des globalen Gesamtkohlenstoffsentsprechend 803 GtCdavon 800 GtC terrestrisch (in organische Verbindungen)

3 GtC marin (Korallen (CaCO3), Meerestiere)

Atmosphäre: 0,001 % des Gesamtkohlenstoffsentsprechend 800 GtC in Form von

CO2 : 381 ppmv (2005)CH4: 1,75 “CO: 0,05-0,2 “FCKW: 0,001 “CCl4: 10-4 “

Fossile Emissionenx 0.55

1997/8

2002/3

Anderungsraten: Mauna Loa

El Niño

(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.

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 alsoCO2 verbraucht und O2 emittiert.

Atmospheric Trends of

CO2 und O2 “IPCC-Budget”(1990-2000)

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

Atmosphäre

Emissionen

Ozeane

Biosphäre

Fluss (GtC/yr)

(IPCC 2001)

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.

CO2 Transport innerhalb der Ozeane

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)

Das physikalisch gelöste CO2 bzw. dessen Hydrat, die Kohlensäure H2CO3

dissoziiert weiter:

CO2 + H2O HCO3- + H+ CO3

2- + 2 H+

Für dieses Gleichgewicht gilt:

k1 =[HCO3

-] * [H+]

[CO2]Wasser

k2 =

[CO32-] * [H+]

[HCO3-]

= 7,24 * 10-4 Mol/l (273 K) 9,12 * 10-4 Mol/l (288 K)

= 4,17 * 10-10 Mol/l (273 K) 6,17 * 10-10 Mol/l (288 K)

Zunehmende CO2 Konzentration verschiebt das Gleichgewicht nach rechts.

Versauerung der Ozeane

Summe CO2

∑ CO2 = [CO2]Wasser + [HCO3-] + [CO3

2-]

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:

∑ CO2 = pCO2 k0 * k1

[H+]

k0 * k1 *k2

[H+]2+k0 +*

Qualitativ lässt sich hieran erkennen, dass mit wachsender CO2 Zufuhr, und damitwachsender H+ - Konzentration die CO2 Speicherfähigkeit der Ozeaneabnehmen 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

Für Prognosen über das Verhalten des Ozeans bei steigender CO2-Konzentration der Atmosphäre wird der Puffer – oder Revelle – FaktorHerangezogen:

R =dpCO2

pCO2

d∑CO2

∑CO2=

d(lnpCO2)

d(ln∑CO2)

Anschaulich: für eine Zunahme des im Wasser anorganisch gespeichertenCO2 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

Insgesamt führt die Zunahme der CO2 Konzentration in der Atmosphäre zueiner 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 anorganischgelösten Kohlenstoffs vor:

HCO3- ~89 %

CO32- ~11 %

CO2 ~0,6%

(Ocean acidification, The Royal

Society, 2005)

Ozeanversauerung

Zukunftsmodelle

Zur Stabilisierung der CO2 -Konzentration der Atmosphäreunter 1000 ppm ist eine langfristigeReduktion der CO2 Emissionen unterhalb der Werte von 1990 notwendig!

Zusammenfassung

- Zunahme von 280 ppm um 1750 bis auf 381 ppm

im Jahre 2005, entspricht ~27%

- Unumstritten sind fossile Brennstoffe Hauptquelle des Anstiegsgefolgt 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 Atmosphärenkonzentrationzu stabilisieren.