Opname van CO2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater Hein de Baar met bijdragen van Steven van Heuven en vele anderen Rijksuniversiteit Groningen Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee KNAW 21 October 2014 Opname van CO2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater 1. Toename van CO2 in lucht en zee 2. De chemie van zeewater 3. Verschuivingen van chemie van zeewater 4. Voorspelling effecten op de biologie van de zee Metingen van CO2 in de lucht sinds 1957 op Mauna Loa, Hawaii 3397 m above sea level Dave Keeling http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/#mlo_full Verstoring van de Wereldwijde Koolstof Kringloop in decade 2004-2013 GtCO2 per jaar Bronnen Emissies Landgebruik 32,6 3,3 Opslag Toename lucht Land biota etc. Toename Oceanen 15,8 10,6 9,5 Het ene CO2 Probleem Broeikaseffect in de lucht geeft opwarming oceaan en atmosfeer, netto smelten land-ijs en zee-ijs http://www.globalcarbonproject.org/ Het andere CO2 Probleem Verandering chemie van zeewater • 1 GtCO2 = 1 Gigaton CO2 = 1 Miljard ton CO2 = 1x1015gram CO2 • Vergelijk met 7 miljard mensen totaal lichaamsgewicht = 0.35 Gigaton Verstoringen en waar blijft het extra CO2 Verstoringen (bronnen) Waar blijft het ? (putten) http://www.globalcarbonproject.org/ Opname van CO2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater 1. Toename van CO2 in lucht en zee 2. De chemie van zeewater 3. Verschuivingen van chemie van zeewater 4. Voorspelling effecten op de biologie van de zee Zeewater bevat 35 gram opgeloste zouten per liter vrijwel alle opgeloste zouten komen door chemische verwering van gesteentes op het land Rivieren brengen de opgeloste ionen naar de zee Het oplossen van kalk CaCO3 op land is de bron van opgeloste CO2 vormen in de zee Samenstelling van Zeewater (simplistisch kort door de bocht) Sterke positieve ionen Sterke negatieve ionen mol/Liter lading/Liter Na+ 0.468 Ca2+ 0.010 Totaal +0.5854 +0.0200 +0.6054 mol/Liter lading/Liter ClTotaal 0.6030 -0.6030 -0.6030 Er is een kleine overmaat aan positieve lading: + 0.6054 – 0.6030 = + 0.0024 Maar de som van alle ladingen moet natuurlijk nul zijn ! Compensatie door de zwakke negatieve ionen van koolzuur: LadingsBalans = 0.0024 = [HCO3-] + 2 [CO32-] 2400 micromol = [HCO3-] + 2 [CO32-] Sterke ionen reageren niet met water, zwakke ionen reageren wel met water Chemische evenwicht reacties van CO2 in water (CO2)gas [CO2]opgelost + H2O [CO2]opgelost + H2O [H2CO3] Evenwicht Constante K0 KH [H2CO3] [HCO3-] + [H+] K1 [HCO3-] [CO3--] + [H+] K2 sommatie = Opgelost anorganisch CarbonTotaal = CT CT = [CO2]opgelost + [H2CO3] + [HCO3-] + [CO3--] CO2gas lucht zee µM = microMol = 10-6 Mol/Liter [CO2]opgelost ~1% ~2-20 µM [H2CO3] < 0.06 µM < 0.001 % koolzuur verwaarloosbaar [HCO3]- + [H]+ [CO3]2- + [H]+ ~2000 µM ~ 90 % bicarbonaat ~50-150 µM ~ 10 % carbonaat Som = CTotaal = CO2 + HCO3- + CO32[CO2]opgelost fotosynthese organische biomassa Afname van CTotaal en de evenwichten passen zich aan Bovendien interactie met bio-calcificatie door 2 mogelijke reacties: Ca2+ + CO32- à CaCO3 (1) Ca2+ + 2HCO3- à CaCO3 + CO2 + H2O (2) CTotaal neemt af en ook Ca2+ neemt af en de evenwichten passen zich aan Bereken de verandering chemie zeewater door Biologie Output Verandering Chemie Zeewater Input wijziging door Biologie [CO2]opgelost Fotosynthesis verwijdert CTotaal Respiratie voegt CTotaal toe ΔCTotaal Bio-calcificatie verwijdert Ca2+ en CTotaal ΔCa2+ Oplossen van CaCO3 voegt Ca2+ en CTotaal toe Black Box Computer Programma CO2SYS van all chemische evenwichten en de ladingsbalans [HCO3-] [CO32-] Oplosbaarheid Ω van CaCO3 calciet Oplosbaarheid Ω van CaCO3 aragoniet CO2SYS at http://cdiac.ornl.gov/oceans/co2rprt.html Opname van CO2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater 1. Toename van CO2 in lucht en zee 2. De chemie van zeewater 3. Verschuivingen van chemie van zeewater 4. Voorspelling effecten op de biologie van de zee De gemeten toename van pCO2 in de lucht (zie boven) heeft inderdaad geleid tot gemeten toename van CTOTAAL (DIC) in oppervlaktewater op 7 tijdserie stations in de oceaan Bates et al. (2014) Oceanography, 27, pages 126-141 http://www.tos.org/oceanography/archive/27-1_bates.pdf bij Nieuw Zeeland Voorspellingen van toekomstige CO2 in de lucht tot 2100 voor diverse scenario's bevolkingsgroei en energie verbruik IPCC 2007 uiteenlopende scenario's voor toekomstige bevolkings groei en energie verbruik hier nemen we de zwarte curve als basis om de veranderingen van de chemie in zeewater te voorspellen IPCC (2007) Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.) Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press. Verschuivingen van de 3 chemische vormen van CO2 in zeewater - H+ + HCO3- - 2H+ + CO32- bicarbonaat carbonaat 2500 [HCO−3] 0 280 400 500 600 700 Surface water pCO2 [µatm] 2150 400 2100 2050 2100 2000 280 Jaar 2100 800 2200 2050 year 2100 Jaar 2050 year 2050 Jaar 2000 year 2000 500 Jaar 1950 1000 2250 year 2050 [CO2− ] 3 2300 2000 [CO2] 2350 1950 [HCO−3] 1500 [CO2− ] 3 2400 year 2000 2000 year 1950 Dissolved Inorganic Carbon [µM] 2500 [CO2] year 1950 Dissolved Inorganic Carbon [µM] 2450 500 600 700 Surface water pCO2 [µatm] year 2100 CO2 + H2O 800 900 vergrote verticale schaal 2000 to 2500 µM 900 Verschuivingen van de 3 chemische vormen van CO2 in zeewater CO2 + H2O - H+ + HCO3bicarbonaat 2500 − 3 [HCO ] 2 2− [CO3 ] 2400 2H+ + CO32carbonaat opgelost [CO2] zal toenemen recht evenredig met de toename van het CO2 in de lucht [CO ] 2350 2300 2250 2200 opgelost [HCO3-] zal toenemen 2150 2000 280 400 2100 year 2100 2050 year 2050 1950 2050 year 2000 2000 2100 year 1950 Dissolved Inorganic Carbon [µM] 2450 - 500 600 700 Surface water pCO2 [µatm] 800 900 opgelost [CO32-] zal afnemen 2500 3 [CO2] [CO2− ] 3 2400 2350 2300 2250 2200 2150 2000 280 400 500 600 700 Surface water pCO2 [µatm] year 2100 year 2050 2050 year 2000 2100 year 1950 Dissolved Inorganic Carbon [µM] Hoe is de afname van het CO32- ion te begrijpen ? [HCO−] 2450 800 900 Toename van CTotal = CO2 + HCO3- + CO32- Som van de electrische ladingen van alle ionen in zeewater moet nul zijn en blijven Na+ + 2 Ca2+ + Cl- + HCO3- + 2 CO32- + OH- + H+ = 0 (zero) 595 mM 2x10 mM 603 mM 2100 µM constant constant constant toename 2x300 µM 0.75 µM 0.006 µM afname decrease increase = 0 Door dubbel geladen CO32- om te zetten naar enkel geladen HCO3- blijft de totale lading nul Dus verandert de verhouding [CO32-] / [HCO3-] en wordt kleiner. Volgens de tweede dissociatie constante van koolzuur moet dan de [H+] groter worden K2 = [H+][CO32-] / [HCO3-] Dan moet ook het water evenwicht [H+][OH-] = 10-14 aanpassen en [OH-] wordt kleiner Concentraties [µmol]=[10-6mol] 0.8 [OH ] 0.6 nog steeds meer [OH-] dan [H+] dus oceaan blijft basisch 0.5 0.4 0.3 − [HCO3] 2450 [CO2] [CO2− ] 3 2400 400 500 600 700 Surface water pCO2 [µatm] year 2100 year 2050 0.1 year 2000 0.2 0 280 2500 800 2300 Dit is de oorzaak van een afname van het beetje [OH-] en een toename van het nog weiniger [H+] 2250 2200 2000 280 400 500 600 700 Surface water pCO2 [µatm] 2100 Echter het gehalte [OH-] blijft toch nog meer dan tienmaal het gehalte [H+] year 2100 2050 year 2050 year 2000 2050 2000 2150 2100 900 In jaar 2100 een sterke toename van [HCO3-] en opgelost [CO2] en sterke afname van [CO32-]. 2350 year 1950 Dissolved Inorganic Carbon [µM] − 0.7 year 1950 jaar 1800 2100 pCO2(lucht) 280 850 µatm Zeewater: [HCO3-] 2080 2280 [CO32-] 130 50 [CO2] 18 57 [OH-] 0.76 0.26 [H+] 0.006 0.017 H+ and OH− [µM] [H+] 800 900 Afname van pH van zeewater Zeepwater 8.2 pH Ammonia in water 8.15 8.1 Soda 8.05 pH 8 Zeewater Gedestilleerd water Urine Zwarte koffie 7.95 Tomatensap 7.9 Sinaasappelsap 7.85 2050 400 500 600 700 Surface water pCO2 [µatm] 2100 2000 7.8 Citroensap 1950 pH Bleekwater Maagzuur 7.75 7.7 280 800 Oceaan wordt minder basisch maar pH blijft hoger dan neutrale pH waarde 7 "Verzuring van Oceanen" is dus een tikje overdreven kreet 900 pH = -Log [H+] Dus meer zuur is meer [H+] en dus lagere pH waarde Inderdaad een dalende trend van de pH in oppervlaktewater op 7 tijdserie stations in de oceaan Bates et al. (2014) Oceanography, 27, pages 126-141 http://www.tos.org/oceanography/archive/27-1_bates.pdf NB Op 2 stations is de pH direct gemeten, op 5 andere stations berekend met CO2SYS uit de gemeten DIC toename directe meting directe meting bij Nieuw Zeeland Echter door de afname van het [CO32-] ion zal de oceaan onderverzadigd raken voor biologische kalk CaCO3 in de kristalvormen aragoniet of calciet 3.5 Ω calcite Ω aragonite Ω= 2.5 [Ca2+]zee x [CO32-]zee Koplosbaarheid 2 onderverzadigd als Ω < 1 1.5 CaCO3 is maintained 1 400 500 600 700 Surface water pCO2 [µatm] year 2100 year 2050 0 280 year 2000 0.5 CaCO3 dissolves year 1950 CaCO3 saturation state 3 800 900 Aragoniet raakt reeds eerder onderverzadigd in jaar ~2060 Calciet raakt onderverzadigd in jaar ~2150 Opname van CO2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater 1. Toename van CO2 in lucht en zee 2. De chemie van zeewater 3. Verschuivingen van chemie van zeewater 4. Voorspelling effecten op de biologie van de zee Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase, RuBisCO HCO3- + H+ à CO2 + H2O Carbon Concentratie Mechanisme (CCM) levert extra CO2 voor Rubisco maar kost wel extra energie aan de algen cel Enzyme Carbonic anhydrase geeft 10 miljoen maal snellere reactie (in de cel of buitenop de celwand) Omdat er zoveel HCO3- in zeewater is doen algen dit vrijwel altijd erbij Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase, RuBisCO Welke biochemische reactie is bepalend voor de snelheid van bio-calcificatie ? Ca2+ + CO32- à CaCO3 (1) Ca2+ + 2HCO3- à CaCO3 + CO2 + H2O (2) 2500 − [HCO3] In de toekomst: [CO2] [CO2− ] 3 2400 2350 reactie (1) zal langzamer gaan verlopen 2300 2250 2200 2000 280 400 500 600 700 Surface water pCO2 [µatm] 2100 reactie (2) zal sneller gaan verlopen year 2100 2050 year 2050 2050 year 2000 2100 2000 2150 year 1950 Dissolved Inorganic Carbon [µM] 2450 800 900 Samenvatting 30 % van fossil fuel CO2 emissie is in zee gekomen 2500 [HCO−3] [CO2] [CO2− ] 3 2400 2350 2300 2250 2200 2000 280 400 500 600 700 Surface water pCO2 [µatm] year 2100 2050 year 2050 year 2000 2050 2000 2100 2100 2150 year 1950 Dissolved Inorganic Carbon [µM] 2450 800 900 Chemie verschuivingen - concentratie [HCO3-] toename van ~2100 naar ~2300 µmol - concentratie [CO2] toename van ~20 naar ~60 µmol - concentratie [CO32-] afname van ~130 naar ~50 µmol Biologie voorspellingen ??? (hypotheses) +10% 3 x meer halvering Biologie voorspellingen ?? (hypotheses) stimulering fotosynthese ? want hogere [CO2] en [HCO3-] Zeegrassen in gebied met extra CO2 belletjes uit onderzee vulkanisme nabij Nieuw Guinea lijken goed te groeien (Fabricius et al 2012) Kalkvormende algen biologie voorspellingen ?? (hypotheses) meer biocalcificatie ?? ofwel kennelijk reactie: Ca2+ + 2HCO3- à CaCO3 + CO2 + H2O waarin 10% meer HCO3Maar veel controverse over response van kalkalgen Science, 2008, Vol. 320, p.336 Schelpdieren biologie voorspellingen ?? (hypotheses) minder biocalcificatie ofwel kennelijk reactie: Ca2+ + CO32- à CaCO3 waarin CO32- gehalveerd 1 millimeter Vlinderslak Limacina helicina in polar oceans net zo groot als een peperkorrel Koralen biologie voorspellingen ?? (hypotheses) minder biocalcificatie ofwel kennelijk reactie: Ca2+ + CO32- à CaCO3 waarin CO32- gehalveerd Dank U voor Uw aandacht Special issue over de Veranderingen in de Oceanen gratis (OpenAccess) downloaden van website: http://www.tos.org/oceanography/ archive/27-1.html Aanvullende dia 1 achtergrond informatie http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ Aanvullende dia 2 achtergrond informatie Let op GtCO2 is een ander getal dan GtC Getallen in miljard ton CO2 (GtCO2) 1 Gigaton (Gt) = 1 miljard ton = 1×1015gram = 1 Petagram (Pg) 1 kg koolstof (C) = 3.664 kg kool dioxide (CO2) 1 GtC = 3,664 miljard ton CO2 = 3,664 GtCO2 atoomgewicht C 12 O 16 O 16 molecuulgewicht CO2 44 verhouding CO2/C = 3,664 http://www.globalcarbonproject.org/ Aanvullende dia 3 achtergrond informatie Biocalcificatie verwijderd een aantal Ca2+ ionen en dat heeft op zichzelf een effect op de ladingsbalans Som van electrische ladingen van alle ionen moet nul zijn: Na+ + 2 Ca2+ + Cl- + HCO3- + 2 CO32- + OH- + H+ = 0 (zero) 595 mM 2x10 mM 603 mM 2100 µM constant afname constant toename 2x300 µM afname 0.75 µM 0.006 µM afname toename = 0 verwijderen van aantal Ca2+ ionen voor inbouw in kalk CaCO3 geeft afname ladingsbalans van de sterke ionen dit wordt gecompenseerd door omzetting van enige dubbel geladen CO32- ionen naar enkel geladen HCO3- ionen het resultaat is dat de som van ladingen gelijk aan nul blijft Aanvullende dia 4 achtergrond informatie Inderdaad een daling van OmegaAragonite in oppervlaktewater op 7 tijdserie stations in de oceaan Bates et al. (2014) Oceanography, 27, pages 126-141 http://www.tos.org/oceanography/archive/27-1_bates.pdf bij Nieuw Zeeland
© Copyright 2024 ExpyDoc
