Ursachen, Amplituden und Raten langfristiger, natürlicher CO 2 -Schwankungen

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1 Ursachen, Amplituden und Raten langfristiger, natürlicher CO 2 -Schwankungen Hans R. Thierstein, D-ERDW, ETH & UniZ (thierstein@erdw.ethz.ch) Übersicht Planet Erde - ein Sonderfall Natürliche Quellen und Senken Fallbeispiele und Evidenz Schlussfolgerungen Chancen und Risiken biologischerkohlenstoffsenken - Was und wieviel wissen wir? 29. Juni 2004

2 Planet Erde - ein Sonderfall Eigenschaft Venus Erde Mars % Kohlendioxid (CO 2 ) % Sauerstoff (O 2 ) < % Stickstoff (N 2 ) Oberflächentemperatur ( C) Albedo (% Reflexion) (Broecker, 1985)

3 Erde als physikalisches System: Klima Veränderung der Atmosphären- Chemie Kosmische Materialien Veränderung der Sonnenstrahlung H 2 O, N 2, O 2, CO 2, O 3, etc. ATMOSPHAERE Veränderung der Kontinente (Topographie, Vegetation, Albedo) Luft-Eis- Wechselwirkung Eis Eis-Ozean Wechselwirkung Ozean-Luft- Wechselwirkung Wärme- Austausch Wind- Stess Plankton HYDROSPHAERE Land-Luft- Wechselwirkung Verdunstung Niederschlag BIOSPHAERE LITHOSPHAERE Veränderung der Ozeane (Form, Salinität, etc.) (from Thierstein & al, 2004)

4 Erde als chemisches System: C-Kreislauf FOSSILE BRENNSTOFFE ca. 10,000 ATMOSPHÄRE 750 EIS OBERFLÄCHEN- 92 WASSER TIEFENWASSER CO2 38,100 KONTINENTALE BIOMASSE 550 MARINE BIO- MASSE 3 PLANKTON SEDIMENT CaCO3 ca. 1Mio. RESERVOIRE in Gt (=10 t) 9 AUSTAUSCH in Gt/Jahr (HRT 04)

5 Erde als biologisches System I: Biomasse Globale Netto-Primärproduction (g C m -2 a -1 ) Land: Ozean: < > (nach: Lieth & al.

6 Erde als biologisches System II: Artenvielfalt Anzahl Gefässpflanzen-Arten pro km 2 < >5000 (nach Barthlott & al. 1999)

7 Ursachen für C-Kreislauf-Veränderungen Global 10'000 km 1000 km 100 km 10 km Globale Wettersysteme Boden- El Niño feuchte Jahreszeitl. Vegetationszyklen Methanhydrat- Zusammensetzung der der Erde Entstehung Ausbruch Atmosphäre Klima Eiszeiten Plattentektonik Meereszirkulation Aussterbens- Artbildung Bodenbildung Erdölereignisse Bodenerosiobildung Biom- Wanderung 1 km Lokal Sekunde Minute Tag Jahr Jahrhundert Zeit (Log Sec) 1 Million Jahre 1 Milliarde Jahre

8 1. Beispiel: Kurzfristige Veränderung, getrieben durch klimatische und biologische Prozesse. Evidenz: CO 2 in Luftblasen von Eisbohrkernen Amplitude: ppm Zunahmerate: 2 ppm/jhrdt CO 2 (ppm) in Luftblasen ppm a ppm a Alter (Jahre vor heute) (IPCC, 2001)

9 Langfristige Veränderungen des C-Kreislaufs durch Lithosphärenprozesse CaSiO 3 + CO 2 (Verwitterung) (Metamorphose) CaCO 3 + SiO 2 Vulkanische CO 2 Exhalation Regen wäscht CO 2 aus H 2 CO 3 reagiert mit Gesteinen Sedimente werden zur Magmakammer des Vulkans subduziert Flüsse transportieren gelöste Kationen ins Meer Kalk und Opal werden im Ozean abelagert OZEANISCHE LITHOSPHAERE ERDMANTEL KONTINENTALE LITHOSPHAERE

10 Langfristige CO 2 -Senken Verwitterung von Gesteinen auf Festland: CaSiO 3 + 2CO 2 + H 2 O => Ca HCO SiO 2 Ablagerung von biogenem Kalk im Meer: Ca HCO 3 - => CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Netto: CaSiO 3 + CO 2 => CaCO 3 + SiO 2 Photosynthese und Ablagerung von C org : CO 2 + H 2 O => CH 2 O + O 2 (Urey, 1952)

11 Langfristiges Kohlenstoffkreislaufmodell Photosynthese CO 2 Verwitterung Sapropelablagerung Kalkablagerung Sapropel (C org ) Metamorphose Diagenese Verwitterung Vulkanismus Metamorphose Diagenese Kalk (CaCO 3 ) Subuktion Mantel C Metamorpose Diagenese (Berner, 2003)

12 13 C im gobalen C-Kreislauf HYDRATE ca C= -60 ERDÖL u. KOHLE ca C= -25 ATMOSPHÄRE (1 ATM) 13C= -7 MEERWASSER 60 13C= 0 KONTINENTALE BIOMASSE 1 13C= -30 MARINE BIO- MASSE C= -20 RESERVOIRE in ATM (500 Gt) SEDIMENT CaCO3 ca C= 0

13 2. Beispiel: Phanerozoische CO 2 -Entwicklung gemäss GEOCARB III C-Kreislaufmodell (C-Fluxe plus 13 C Fraktionierungsänderungen) Amplitude: ppm CO 2 (ppm) Alter (Ma) (Berner, 2003)

14 3. Beispiel: Kurzfristiges Wärme- und C-Ereignis im Spätpaläozän (55 Ma): CO 2 -Zunahme durch Methanhydrat-Austritt (1200 Gt C innerhalb von 30ka, Abnahme in ca. 100ka) Alter (Ma) 54.5 Ost-Atlantik (Zumaia) 13C Fe Signal ka Energie 41ka 19ka 55.0 Frequenz 55.5 Benthische Foraminiferen C West-Atlantik (ODP Site 1051) Magnetische Suszeptibilität nach: Winkler & Gawenda (1999) (nach: Winkler Norris && Röhl Gavenda, (1999) 1999; Norris & Röhl, 1999)

15 4. Beispiel: Snowball Earth (ca. 700 Ma) 13C Ghaub-Vereisung an einem 100m Hohen Kliff, Otavi-Plattform, Namibia Cap-Karbonat-Ablagerung (Ausfällungen im Warmwasser) Glazial-Ablagerung (Eisbergtransport) (Hoffman et al., 1998; faculty/hoffman/snowball_paper.html)

16 Snowball Earth (700Ma): Globale Vereisung (auch in Tropen) Kritische Bedingungen: 1. Kontinentalfragmente in Äquatornähe 2. CO 2 -Senke durch Verwitterung führt zu totaler Vereisung 3. Langsame pco 2 -Zunahme durch Vulkanismus (keine Senke wegen Vereisung) 4. Nach Schmelzen entweicht CO 2 aus Ozean in Atmosphäre und führt zu Super- Treibhaus 5. Verwitterung auf Festland nimmt dramatisch zu 6. Karbonatübersättigung in Ozeanen führt zur Ausfällung von Cap-Karbonaten ( faculty/hoffman/snowball_paper.html)

17 5. Beispiel: Gaia (Biosphäre reguliert Abnahme von 8000 ppm in Erdfrühzeit auf nahezu 0 heute) o C Oberflächentemperatur CO 2 ppm Sonnenstrahlung (%) Temperaturbereich Millionen Jahre vor und nach Gegenwart (nach Lovelock & Whitfield, 1982)

18 Schlussfolgerungen Natürliche C-Kreislaufschwankungen sind wiederholt aufgetreten! Amplituden: Quartär (Eisbohrkerne) ppm LPTM (55 Ma) ppm Phanerozoikum ppm Snowball Earth (700 Ma) ppm Erdgeschichte (Gaia) ppm Raten: Zunahme anthropogen heute: 1 ppm/jahr Zunahme Ende Eiszeit (15 ka): 0.03 ppm/jahr Zunahme bei Methanaustritt (55 Ma): 0.02 ppm/jahr Abnahme nach Methanaustritt: <0.01 ppm/jahr Chancen und Risiken biologischerkohlenstoffsenken - Was und wieviel wissen wir? 29. Juni 2004