Biogeochemische Kreisläufe im globalen Klimasystem

Transkript

1 Biogeochemische Kreisläufe im globalen Klimasystem Martin Heimann Max-Planck-Institut für Biogeochemie Hans-Knöll Str. 10, PF , Jena Tel.: (03641) Methankreislauf Numerische Werte zum Methan (CH 4); Werte für die 1990 er Jahre (aus IPCC TAR): Mittlere Konzentration: 1745 ppb, Zunahme in Atmosphäre: 22 TgCH 4 a 1 Umrechnung ppb in TgCH 4: 2.78 TgCH 4/ppb Natürliche Quellen: TgCH 4 a 1 Quellen insgesamt: 598 TgCH 4 a 1 OH Senke: 576 CH 4 a 1 Ungleichgewicht der Quellen und Senken: 22 Tg CH 4 a 1 Lebensdauer: 8.4 a Fragen: 1. Wie stark müssen die anthropogenen Emissionen reduziert werden um die CH 4- Konzentration in der Atmosphäre zu stabilisieren? Welcher Konzentrationswert stellt sich ein? Wie lange dauert es bis zur Stabilisierung? 2. Wie gross war die vorindustrielle CH 4-Konzentration unter der Annahme, dass sich die atmosphärische Lebensdauer von CH 4 nicht verändert hat (d.h. bei unveränderten OH Konzentrationen)? Vergleich mit den Beobachtungen aus den Eiskernen! 3. Während der Eiszeiten schwankte die CH 4-Konzentration zwischen 350 (in den Kaltzeiten) und 700 ppb (in den Warmzeiten). Welchen Schwankungen der Emissionen entsprechen diese Konzentrationswerte (unter der Annahme einer unveränderten Lebensdauer!)? Wie lässt sich dieses Resultat interpretieren? 1 2 Lösungen - Frage 1: Wie stark müssen die anthropogenen Emissionen reduziert werden um die CH 4 -Konzentration in der Atmosphäre zu stabilisieren? Welcher Konzentrationswert stellt sich ein? Wie lange dauert es bis zur Stabilisierung? Die Methanquellen müssten um 22 Tg CH 4 a 1 reduziert werden. Würde dies instantan geschehen, dann würde die CH 4 Konzentration in der Atmosphäre auch sofort stabilisiert, da dann gilt: d n dt χ CH4 = Mat 1 Q i τ 1 χ CH4 = 0 (13) i=1 Aber auch bei konstanten Emissionen ergibt sich mit einer Angleichzeit von 8.2 Jahren eine konstante Konzentration. Die atmosphärische Konzentration, die sich einstellt, ergibt sich aus der Gleichung: M 1 at n Q i = τ 1 χ CH4 (14) i=1 Mit den oben angegebenen numerischen Werten erhöht sich die Konzentration noch um ca. 67 ppb, d.h. auf etwa 1810 ppb bis sich ein Gleichgewicht zwischen Quellen und Senken (und damit eine konstante Konzentration) einstellt. Konsequenz: Im Prinzip liesse sich die atmosphärische Methan-Konzentration relativ einfach stabilisieren; es ist nur dafür zu sorgen, dass die Quellen nicht mehr zunehmen. Lösungen - Frage 2: Wie gross war die vorindustrielle CH 4 -Konzentration unter der Annahme, dass sich die atmosphärische Lebensdauer von CH 4 nicht verändert hat (d.h. bei unveränderten OH Konzentrationen)? Vergleich mit den Beobachtungen aus den Eiskernen! Unter der Annahme eines Gleichgewichts mssen die nat rlichen Quellen gleich der OH-Senke sein, daher gilt: M 1 at Q nat = τ 1 χ CH4 (15) Wenn wir annehmen dass Q nat = 200 Tg CH 4 a 1 beträgt, dann ergibt sich eine vorindustrielle CH 4 -Konzentration von 605 ppb. Beobachtet in den Eiskernen sind etwa 680 ppb. Mögliche Interpretationen: 1. Die Lebensdauer von CH 4 war vorindustriell 10-20% grösser wegen weniger OH (10-20%) Radikalen in der Atmosphäre. 2. Die CH 4 Emissionen aus Feuchtgebieten waren 10-20% höher als heute. Abnahme der Feuchtgebiete seit 1800? 3. Einige der weiteren CH 4 -Quellen sind nicht zu vernachlässigen (Hydrate? Biomassenverbrennung?). 3 4

2 Rezente Geschichte der atmosphärischen CH4 Konzentration enhouse Gases 249 Lösungen - Frage 3: Während der Eiszeiten schwankte die CH 4 -Konzentration zwischen 350 (in den Kaltzeiten) und 700 ppb (in den Warmzeiten). Welchen Schwankungen der Emissionen entsprechen diese Konzentrationswerte (unter der Annahme einer unveränderten Lebensdauer!)? Wie lässt sich dieses Resultat interpretieren? 700 ppb bei einer Lebensdauer des CH 4 von 8.4 Jahren entsprechen einer gesamten natürlichen CH 4 -Quelle von 230 Tg CH 4 a ppb während der Kaltzeiten entsprechend 115 Tg CH 4 a 1. Mögliche Interpretation: Rückgang der Feuchtgebiete (50%!) während der kalten, trockenen Phasen der Eiszeitzyklen. 5 6 Schwankungen der CH4 Konzentration während der Eiszeitzyklen CO2 Emissionen MtC a-1 Fossil Landuse Total 7 mu =~ (37a) -1 MtC a-1 7 8

3 CO2 Konzentration in der Atmosphäre Globale Emissionen und atmosphärische CO2 Wachstumsrate Red lines: Exponential fit With µ = (45 a)-1 PgC a-1 PgC a-1 PgC a -1 PgC a -1 Q tot(t) Qtot(t). na(t). na(t) Airborne Fraction = na / Qtot Einfaches lineares Reservoirmodell des Kohlenstoffkreislaufs

4 Atmosphärischer Konzentrationsverlauf von CO2 und O2 Konzentrationsdifferenz zwischen Mauna Loa und Südpol dargestellt als Funktione der Differenz der Emissionen in Nord- und Südhemisphäre 90 S 0 90 N C s C n! Qs Qn Cn - Cs = (Qn - Qs)!/ Fragen zum atmosphärischen CO 2 Antworten 1: 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? Definition der Turnoverzeit: τ = N/F Atmosphäre-> Ozean: 750/90 = 8.3 Jahre Atmosphäre -> Biosphäre: 750/60 = 12.5 Jahre Atmosphäre insgesamt: 750/(90+60) = 5 Jahre 15 16

5 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 2-Box Modell: Auflösen nach Die Steigung beträgt: Antworten 3: Da M hem = 2.123/2 PgC/ppm ergibt sich C n C s = τ 2 (Q n Q s ) τ = 2 C n C s Q n Q s C n C s 2ppmM hem Q n Q s 3P gc/a τ 1.4a Antworten 4: Atmosphärischer Konzentrationsverlauf von CO2 und O2 Extrapolation der Linie!C vs!q nach Q->0 ergibt einen Konzentrationsunterschied zwischen Nord und Südhemisphäre von ca ppm Interpretation: Natürliches, vorindustrielles Ungleichgewicht der Quellen und Senken in den beiden Hemisphären -> Ozeantransport? 19 20

6 Kopplung der Kreisläufe von CO2 und O2 Carbon and Oxygen in Atmosphere and Ocean Photosynthese Photosynthese & Respiration: CO 2 + H 2O <-> CH 2O + O 2 Atmosphärische Bilanzgleichungen dnco2 /dt = Qfoss - Sbio - Soc dno2/dt = ff Qfoss - fb Sbio fb! -1.1 Respiration Verbrennung von Kohle, Öl, Gas ff! -1.4 Gasaustausch DIC fr! -1.4 O 2 CO Mol Mol Atmosphere Ocean mixed layer (75m) Whole ocean Exchange time atmosphereocean 1 By consideration of carbonate chemistry ~10 d ~1 yr Atmosphärische Trends von CO2 und O2 IPCC-Budget ( ) Observations: Manning and Keeling, SIO, Battle et al., URI Globale CO 2 Bilanz [PgC a -1 ] 1980s 1990s 1. IPCC TAR [Prentice et al., 2001] Atmospheric increase +3.3 ± ± 0.1 Fossil fuel and cement production +5.4 ± ± 0.4 Ocean 1.9 ± ± 0.5 Land (Net) 0.2 ± ± 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 ± ± 0.7 Land (Net) 0.3 ± ± 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 23 24