Hydrogeochemische Modellierung mit PhreeqC

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1 ( Blockkurs Geowissenschaftliches Modellieren ( ) Aufgabe 1: Erhöhung CO 2 -Gehalt in der Atmosphäre durch Änderung der Lufttemperatur? Aus vielen Untersuchungen (z.b. an Eiskernen) wissen wir, dass sich die Temperaturen auf der Erde ständig (mit einer Frequenz von ca Jahren) zum Teil drastisch geändert haben. Eine wesentliche Ursache dafür war und sind Änderungen der kosmischen Strahlung und ein komplexes Wechselspiel mit dem Wasserdampf der Atmosphäre (Wolkenbildung). Alle Untersuchungen vergangener Klimaänderungen belegen, dass immer erst die Temperatur angestiegen ist und dann der CO 2 -Gehalt der Atmosphäre. Ein Grund für den Anstieg des CO 2 in Folge einer Temperaturerhöhung ist (neben erhöhtem Pflanzenwachstum) die Tatsache, das mit einer Zunahme der Atmosphärentemperatur auch die Temperatur der Ozeane ansteigt und das Ozeanwasser damit weniger CO 2 binden kann (Gaslöslichkeit von CO 2 nimmt mit der Temperatur ab). Änderungen der Ozeantemperaturen erfolgen aber nur in den obersten 1000 m, in tieferen Bereichen ist die Temperatur weitgehend konstant. Vereinfachend nehmen wir eine Schicht von 600 m an, in der wir die Änderungen der Temperatur feststellen. Modellieren Sie, wie viel CO 2 freigesetzt wird, wenn sich eine angenommene mittlere Lufttemperatur von 15 C auf 17 C erhöht. Gehen Sie dabei wie folgt vor: a) Modellieren Sie die CO2-Freisetzung mit Hilfe von PhreeqC. PHREEQC ist ein geochemisches Modell, mit Hilfe dessen man alle Wechselwirkungen zwischen Wasser, Gesteinen und Gasen modellieren kann. Das Input-File, mit dem die

2 Aufgabe gelöst werden kann, sieht wie folgt aus: TITLE CO2-Pufferung im Meerwasser SOLUTION 1 SEAWATER FROM NORDSTROM ET AL. (1979) units ppm # Gatter ist Kommentarbeginn ph 8.22 # ph-wert pe # pe-wert: umgerechnetes Redoxpotential density # Dichte von Meerwasser temp 15.0 # Temperatur Ca Mg Na K Fe Mn Si 4.28 Cl C as HCO3 S(6) N(5) 0.29 as NO3 EQUILIBRIUM_PHASES CO2(g) -3.5 REACTION_TEMPERATURE 17 SELECTED_OUTPUT -file ocean_water.csv -totals C(4) END Mit Hilfe des Befehls (KEYWORD) SOLUTION wird die Zusammensetzung des Meerwassers definiert, mit EQULIBRIUM_PHASES ein Gleichgewicht mit einer Gasphase (als Logarithmus des Partialdruckes). Mit REACTION_TEMPERATURE kann die Temperatur des Wassers beliebig geändert werden und SELECTED_OUTPUT schreibt benutzerdefiniert Daten in ein CSV-File. In diesem Fall ist es nur der Gesamtgehalt an anorganischem Kohlenstoff für das Ozeanwasser für beide Temperaturen. Die Differenz dieser beiden Zahlen ist die Menge an Kohlenstoff, die aus dem Ozeanwasser auf Grund der Temperaturerhöhung entgast (in mol/l). b) Berechnen Sie die Menge des Ozeanwassers Der nächste Abschnitt der Aufgabe ist es, nun auszurechnen, wieviel Ozeanwasser sich in einer 600 m dicken Schicht von Wasser befindet. Das Volumen des Ozeanwassers kann man aus der Differenz Volumen Erde minus Volumen Erde (mit Radius 600 m) berechnen. 3 4 r Formel für das Volumen einer Kugel: V = π 3

3 Der Erdradius beträgt ca km. Wir nehmen zusätzlich an, dass ¾ der Erde von Ozeanwasser bedeckt ist. Rechnen Sie das Wasservolumen in Liter um und multiplizieren Sie dies mit der Differenz aus der PHREEQC-Modellierung. Der errechnete Wert ist die Menge an entgastem CO 2 in Mol. c) Berechnen Sie das Volumen der Atmosphäre Berechnen Sie nun, wie viel Mol CO 2 sich in der Atmosphäre befinden. Das Volumen der Atmosphäre kann man aus der Differenz Volumen Erde + Atmosphäre und Volumen Erde berechnen. Für die Atmosphäre betrachten wir den Teil von der Erdoberfläche bis in 30 km Höhe. Vereinfachend nehmen wir ferner an, dass der Gesamtdruck in 30 km Höhe über der Erde nicht mehr 1% des Gesamtdruckes sondern 0 ist und die Abnahme des Druckes über die Höhe linear sei. Das Mischungsverhältnis der Gase ändert sich bis in eine Höhe von ca. 110 km Höhe nahezu nicht, lediglich der Gesamtdruck nimmt ab. D.h. das zuvor errechnete Volumen der Atmosphäre muss um die Dichte (Partialdruck) korrigiert werden, da wir in 30 km Höhe ja von einem Druck = 0 ausgehen. Interpolieren Sie linear zwischen den zwei gegebenen Werten und korrigieren Sie das Volumen. d) Berechnen Sie den CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre [mol/l] Beziehen Sie die entgaste CO 2 -Menge auf das Atmosphärenvolumen. e) Berechnen Sie die Änderung der CO 2 -Konzentration in %. Die Umrechnung von mol/l Gas erfolgt über das ideale Gasgesetz Wobei p V = n R T p Gasdruck [Pa]

4 V Gasvolumen [m³] n Stoffmenge [mol] R universelle Gaskonstante, R = J * K -1 *mol -1 T Temperatur [K] Berechnen Sie, wie sich die CO 2 -Konzentration der Atmosphäre in bar und in % ändert, und somit auch wie sich eine Temperaturänderung von 2 K auf die Erhöhung des CO 2 - Partialdruck der Erdatmosphäre auswirkt (Anteil aus Ozeanwasser-Entgasung).

5 Aufgabe 2: Stalagtit-Bildung in Karsthöhlen Ein Niederschlagswasser versickert in einem Karstgebiet. Es steht genügend Zeit zur Verfügung, dass sich zunächst ein Gleichgewicht bezüglich der vorherrschenden Mineralphase Calcit sowie eines erhöhten CO 2 -Partialdruckes von 3 Vol-% einstellen kann (Key Word EQUILIBRIUM_PHASES ). Im Untergrund gibt es eine Karsthöhle mit einer Ausdehnung von 10 m Länge, 10 m Breite und 3 m Höhe. Über die Decke tropfen täglich ca. 100 Liter des versickerten, kalkhaltigen Wassers in die Höhle, in der ein CO 2 -Partialdruck wie in der Atmosphäre herrscht. Dabei bilden sich Stalagtiten. Warum kommt es zur Bildung von Stalagtiten und in welcher Menge pro Jahr? Um wieviel mm pro Jahr wachsen die Stalagtiten, bei einer angenommenen Dichte von Calcit von 2.7 g/cm 3 und der Annahme, dass ca. 15% der Höhlendecken-Fläche von Stalagtiten bedeckt ist? Das Input-File zu dieser Aufgabe sieht folgendermaßen aus: TITLE Stalagtitbildung in Karsthöhlen SOLUTION 1 units umol/l ph 5.1 temp 21 Ca 90 Mg 29 Na 8 K 7 C(4) 13 S(6) 82 N(5) 80 as NO3 Cl 23 EQUILIBRIUM_PHASES 1 # erhöhter CO2 Partialdruck, Gleichgewicht Mineralphase CO2(g) # CO2-Partialdruck 3 Vol%; 0.03 bar; log 0.03 = Calcite Save Solution 1 SELECTED_OUTPUT -file stalagtitbildung.csv -reset false -step -equilibrium_phases CO2(g) Calcite END

6 USE Solution 1 EQUILIBRIUM_PHASES 2 CO2(g) # CO2-Partialdruck 0.03 Vol% (Atmosphäre); bar; log = Calcite # Calcitfällung /-Lösung END Hinweis zur Anfertigung des Berichts: Abgabe des Protokolls zum Modul Hydrogeochemische Modellierung in Berichtsform bis zum per mail an: schipek@geo.tu-freiberg.de Inhalt: kurzer Abriss der Aufgabenstellung, prinzipielles Vorgehen (Berechnungen), Ergebnisse und kurze Interpretation Die erfolgreiche Teilnahme für diesen Kurs wird nur nach erfolgter Anwesenheit sowie Anerkennung des Protokolls für jedes Modul ausgestellt.