DEEL 2: VIER OPEN VRAGEN (6 PUNTEN)

Transcriptie

1 DEEL 2: VIER OPEN VRAGEN (6 PUNTEN) Vraag 1: De koolstof kringloop (1 punt) a. Noem natuurlijke en antropogene processen die bijdragen aan de stroom van CO 2 van en naar de atmosfeer. b. Beschrijf de globale koolstofkringloop. Maak een schema en geef daarin de belangrijkste reservoirs en stromen weer. c. Wat zijn de belangrijkste wijzigingen die in de kringloop zijn opgetreden sinds de mens er invloed op heeft gekregen. d. Nadat in de vorige eeuw de industrie op gang kwam en als gevolg daarvan de CO 2 emissie sterk toenam, is de gemiddelde temperatuur op aarde gaan stijgen. Echter, in de jaren van werd er een opmerkelijke dip in de temperatuur waargenomen en vreesde men zelfs voor een naderende ijstijd. Verklaar dit verschijnsel. Antwoorden: a. Zie tabel 1.3 uit Schaub. b en c. Uit twee figuren 4.1 (zoals nu) en 4.2 (zoals voor menselijke invloed) uit Schaub. Pagina 1 van 10

2 Bij c) wordt als verandering minimaal verwacht: - reservoir fossiele brandstoffen aangesproken - stromen zijn significant groter geworden, ook fotosynthese en respiratie - reservoir atmosfeer is toegenomen (en oceaan nauwelijks significant). d. De oorzaak moet worden gezocht in luchtvervuiling in de vorm van aerosolen (voornamelijk SO 2 ). Deze zorgden er voor dat de albedo van de atmosfeer voor UV/VIS straling van de zon toenam, waardoor het effect van het broeikasgas CO 2 teniet werd gedaan en er zelfs koeling optrad. Doordat de industrie later schoner werd en er minder aerosolen in de atmosfeer terecht kwamen heeft de opwarming opnieuw de overhand gekregen. Vraag 2: De energiebalans (1,5 punten) a. Noem drie fundamenteel verschillende manieren waarop de stralingsbalans van de aarde kan veranderen en waardoor klimaatveranderingen kunnen optreden. b. Leg uit hoe de zogenaamde sneeuwbal-aarde (snowball earth) heeft kunnen ontstaan. c. Verklaar waarom deze situatie niet permanent was en de aarde zich heeft kunnen herstellen. d. Leg het principe uit van het zelfregulerend systeem van Daisy world. e. Hoewel Daisy world geen realistische wereld is kan er wel van worden geleerd. Voor welke theorie gebruikte Lovelock zijn Daisy world en welke boodschap wilde hij met die theorie brengen? Antwoorden: a. De drie fundamenteel verschillende manieren staan op bladzijde 105 van Schaub: 1. Veranderingen in de intensiteit van het zonlicht dat de aarde bereikt (bijvoorbeeld door veranderingen in de baan van de aarde of door veranderingen van de zon zelf) 2. Veranderingen van de fractie zonlicht die wordt gereflecteerd, de albedo. Deze kan veranderen door veranderingen in de atmosfeer (vervuiling, vulkanische as) of door veranderingen aan het aardoppervlak (ijs en sneeuw, woestijn, bos, etc). 3. Veranderingen van het percentage door de atmosfeer doorgelaten IR straling van de aarde richting de ruimte, m.a.w. veranderingen in het broeikaseffect. b. (Zie Schaub pag ). Een ijstijd kan ontstaan wanneer er afkoeling plaatsvindt (dit moet genoemd worden, want er moet eerst een oorzaak voor eerste afkoeling zijn), door bijvoorbeeld afnemende zonnestraling of afnemend broeikaseffect. Door de verhoogde bedekking van sneeuw en ijs neemt dan de albedo toe en vermindert de zonnestraling die wordt geabsorbeerd nog verder (positieve feedback). Als dit onbeperkt doorgaat kan men zich voorstellen dat uiteindelijk de aarde volledig door sneeuw en ijs is bedekt: Snowball Earth. Pagina 2 van 10

3 (Modellen laten zien dat er in zo n geval een multiple steady state kan ontstaan waardoor kleine locale veranderingen het verschil kunnen maken tussen een aarde die tot 70N bedekt is met ijs en een aarde die compleet is bedekt) c. De manier om uit de Snowball Earth te komen is door extra CO 2 aan de atmosfeer toe te voegen. Dit kon gebeuren door CO 2 emissies door vulkaanuitbarstingen. En dat bij een lage temperatuur waarbij weinig verwering van gesteente optrad (en volgens het boek ook lage opname door oceanen, maar dat lijkt me persoonlijk juist niet). d. Daisy World Daisy World is een kale planeet (zonder broeikaseffect, zonder wolken) met alleen twee soorten bloemetjes met een verschillende albedo: witte bloemetjes met een hogere reflectie (bijv 0.75) dan de bodem (0.5) en zwarte bloemetjes met een lagere reflectie (0.25) dan de bodem. Beide bloemen groeien het best bij een zelfde ideale temperatuur. Als beweerd wordt dat de zwarte het best bij lage temperatuur groeien en de witte bij hoge temperatuur, dan is dat onjuist en worden punten afgetrokken. Als vanuit de ideale groeitemperatuur de zonnestraling toeneemt, zullen witte bloemetjes in het voordeel zijn. Ze zullen namelijk veel straling reflecteren en hebben dus een zelfkoelend effect waardoor de temperatuur in hun directe omgeving dichter bij de ideale temperatuur blijft. Zwarte bloemetjes zullen veel absorberen waardoor het juist warmer wordt om hen heen en ze het loodje leggen. Dus zullen er meer witte groeien dan zwarte. Omgekeerd, bij minder straling zullen er meer zwarte bloemetjes zijn. Als gevolg hiervan wordt de temperatuur gestabiliseerd over een bepaald stralingsinterval (luminescentie genoemd in het boek). Bonus: Je kunt de verandering van het aantal bloemetjes in twee differentiaalvergelijkingen aangeven (zie eq. 3.16), de bedekkingsgraad (eq. 3.17) uitrekenen en de parabool voor de groeisnelheid van de bloemetjes bepalen (eq. 3.18). Aan de hand daarvan een energiebalans opstellen en verklaren wat er zal gebeuren. e. Lovelock gebruikte Daisy World als verklaring voor zijn GAIA theorie. Deze theorie stelt dat de aarde een super-organisme is met zelfregulerende eigenschappen. Vraag 3: Klimaattechnologie (1,5 punten) a. Noem vier vormen van klimaattechnologie (climate engineering) die erop gericht zijn de oppervlakte temperatuur van de aarde te beïnvloeden. Noem van elk van deze vormen minstens twee voorbeelden. Geef voor zo ver je kunt voor en nadelen van de genoemde methoden. b. Versnelde verwering van silicaatgesteenten (mineralisatie) is misschien één van je antwoorden bij a. Toepassing hiervan zou leiden tot chemische technologie op kmschaal. Welke mineralen en gesteenten zijn hiervoor geschikt. Geef mogelijke reacties Pagina 3 van 10

4 en becommentarieer deze reacties. Wat zijn de beperkingen van het natuurlijke verloop van deze reacties? c. Wat kan en moet er gedaan worden om deze methode nuttig in te zetten? Schenk hierbij aandacht aan materiaal- en energiebalansen. d. Geef je eigen mening over haalbaarheid van deze technologie. Antwoorden: a. Deze staan in tabel 7.10 in Schaub. Bij increased land CO 2 sink kun je mineralisatie toevoegen als voorbeeld. Pagina 4 van 10

5 Voordelen zijn in de meeste gevallen indien van toepassing hooguit in de orde van: - natuurlijk proces zonder verder impact - permanent - relatief goedkoop Nadelen hebben meestal betrekking op: - kosten - veiligheid - duur van maatregel - onvoorziene effecten b. Mineralisatie Mineralen: olivijn, serpentijn, pyroxeen, amfibool Gesteenten: ofioliet, serpentiniet, duniet, bazalt Reacties: Olivijn (Mg 2 SiO 4 ) + CO 2 Magnesiet (2MgCO 3 ) + SiO 2 Eventueel: Olivijn + Pyroxeen + H 2 O Serpentijn Olivijn + Pyroxeen + CO 2 + H 2 O Serpentijn + Calciet + Magnesiet Reacties treden op in de natuur maar zijn traag: kg CO 2 voor gemiddeld jaar: 4x10 7 kg/jaar (ongeveer 2 ton / km 3 jaar). Bij circulatie: aan oppervlak: verwering levert Mg 2+ en HCO 3 - naar de diepte: reageert tot magnesiet weer omhoog, met vermenging: vormt calciet en dolomiet (travertijn). c. Technologie De reactiesnelheid moet omhoog. Uit massabalans volgt dat dat ongeveer met een factor 10 8 tot 10 9 moet gebeuren om in het gebied in Oman 10% van de wereld CO 2 uitstoot vast te leggen. Dit is mogelijk te bereiken door: - boren en breken: oppervlakte vergroten: x200. Dit zou mogelijk zelfregulerend kunnen werken omdat er 40% volume toename door de reactie zelf plaatsvindt - Door T te verhogen. De reactie is optimaal bij 185 C. Dit levert 10 6 tot 10 7 op. De reactie is exotherm, zodat deze zichzelf in stand zou kunnen houden door de flow rate te reguleren, nadat de boel eenmaal op gang is. d. Mening Elke mening wordt op prijs gesteld zolang er valide argumenten worden gebruikt. Pagina 5 van 10

6 Vraag 4 Klimaat (2 punten) In de Volkskrant van 8 mei 2012 stond op de wetenschapspagina het volgende berichtje: De grote langnekdinosauriërs produceerden 150 miljoen jaar geleden zoveel methaangas dat zij mogelijk het klimaat opwarmden. Engelse onderzoekers schrijven in Current Biology dat de wereldpopulatie van de zogenoemde sauropoden 520 miljoen ton methaangas per jaar produceerde. De onderzoekers berekenden de methaanproductie op basis van gegevens over de hedendaagse methaanproductie van koeien omgerekend naar liter per kilogram. Koeien produceren minder dan 100 miljoen ton methaangas per jaar. Mogelijk is door de flatulenties van de sauropoden tijdens het Mesozoïcum de temperatuur gemiddeld tien graden gestegen. Dinosauriërs waren herbivoren zoals onze huidige koeien. In hun magen en darmen zit een gasfabriekje dat op gang gehouden wordt door bacteriën die voornamelijk CH 4 produceren. Dit komt naar buiten via boeren of scheten. Ook wordt er bij de afbraak van uitwerpselen methaan geproduceerd. Onderzoek aan koeien wijst uit dat de methaanproductie evenredig is met het lichaamsgewicht van het dier, namelijk 0,18 L/dag per kg lichaamsgewicht. In het oorspronkelijke artikel wordt aangenomen dat een volwassen brontosaurus (de belangrijkste vertegenwoordiger van de sauropoden) ongeveer 20 ton weegt. De populatiedichtheid werd geschat op 10 exemplaren per km 2. Ten tijde van de brontosaurussen had de aarde een zeer warm en homogeen klimaat met een gemiddelde temperatuur van ongeveer 25 C. Dit werd waarschijnl ijk veroorzaakt door de hoge CO 2 concentratie in de atmosfeer (1500 ppmv) als gevolg van hevige vulkaanuitbarstingen. Van het totale landoppervlak (0,15 x 10 9 km 2 ) was ongeveer de helft bedekt met vegetatie en geschikt voor de dino s om te grazen. De bronto-saurussen waren niet de enige methaanproducerende grazers en bovendien werd er ook methaan uitgestoten door verrottingsprocessen. Neem voor het gemak aan dat de brontosaurussen voor de helft van de totale emissie zorgden. Uit metingen is gebleken dat de pre-industriële emissie van methaan (200 Mt per jaar) eeuwenlang constant was bij een stabiele CH 4 concentratie van 0,75 ppmv in de atmosfeer. De gemiddelde verblijftijd van methaan in de atmosfeer werd onder die omstandigheden geschat op 12,5 jaar. a. Bereken de CH 4 emissie van de brontosaurussen (in Mt per jaar). b. Neem aan dat ten tijde van de dinosaurussen dezelfde kinetiek van de afbraakreactie van methaan gold als tijdens de laatste eeuwen voor de industriële revolutie. Als de afbraakreactie een nulde orde reactie zou zijn, wat zou dit voor de methaanconcentratie in de atmosfeer betekenen? Stel dat de afbraakreactie van methaan een eerste orde reactie in methaan betreft. Bereken de te verwachten methaanconcentratie in de atmosfeer ten tijde van de dinosaurussen. c. Als aangenomen wordt dat de methaanconcentratie 1 ppm was bij de opkomst van de dinosaurussen, bepaal dan aan de hand van onderstaande grafieken het effect op de temperatuur van de toename van de CH 4 concentratie in de atmosfeer. Pagina 6 van 10

7 d. Betrek nu ook de afbraak van methaan in de berekeningen en ga ervan uit dat CO 2 en H 2 O hiervan de eindproducten zijn. Laat waterdamp geen invloed hebben omdat het snel door neerslag worden verwijderd, maar houd wel rekening met al het ontstane CO 2 uit deze afbraak. Wat zal dan het temperatuureffect zijn na 1000 jaar, jaar en jaar? Waarom zal dit een maximum effect betreffen en zal het in werkelijkheid veel lager uitvallen? e. Uitgaande van de berekeningen hierboven uitgevoerd, wat is dan je commentaar op de claim van 10 C temperatuurstijging genoemd in het k rantenartikel? Bespreek eventueel andere effecten die nog invloed zouden kunnen hebben en die we hier niet in de berekeningen hebben meegenomen. Verdere gegevens: Het volume van 1 mol van een ideaal gas onder standaard condities (298 K; 1 bar) is 24,5 L. MW Methaan = 16 Empirische formule voor temperatuureffect volgens het eenvoudige klimaatmodel: S ta a a aa t a as c Ts = S t a a t a c a a a a s Pagina 7 van 10

8 0.65 transmissiecoefficient T surf = 298 K CO 2 = 1500 ppmv ppm methaan Transmissiecoëfficient van de atmosfeer voor infrarood straling als functie van de methaanconcentratie in de atmosfeer (bij een oppervlakte temperatuur van 298 K en een CO 2 concentratie van 1500 ppmv) transmissiecoefficient ppm koolstofdioxide T surf = 298 K CH 4 : 1 ppmv 3 ppmv 5 ppmv 10 ppmv 50 ppmv Transmissiecoëfficiënt van de atmosfeer voor infrarood straling als functie van de CO 2 concentratie in de atmosfeer bij een oppervlakte temperatuur van 298 K en verschillende methaanconcentraties. Pagina 8 van 10

9 Antwoorden: a. Methaan productie 10 dino s per km 2 à 20 ton elk levert kg/km 2 Per kg 0,18 L CH 4 per dag geeft L per km 2 per dag. Dit is gelijk aan (36000/24,5) x (16/1000) x 365 kg.km -2.j -1 = 8600 kg.km -2.j -1 Voor de gehele aarde geeft dit: 0,5 x 0,15 x 10 9 x 8,6 = 645 Mt/jaar [Mocht je antwoord van een andere orde zijn dan de 520 Mt/jaar in het artikel, dan is het raadzaam met die 520 Mt/jaar verder te gaan. Dit is iets minder dan de 645 Mt/jaar die we uitgerekend hebben omdat in werkelijkheid de CH 4 uitstoot van 0,18 L per dag afneemt met het lichaamsgewicht volgens een macht 0,97, waardoor de grote beesten relatief iets minder uitstoten dan de kleine. En bovendien was 100 miljoen jaar geleden een jaar niet precies 365 dagen.] b. Methaangehalte atmosfeer Uit pre-industriële waarden blijkt dat er bij een flux van 200 Mt/jaar CH 4 een constante concentratie CH 4 gelijk aan 0,75 ppmv in de atmosfeer aanwezig was. Dit is dus een steady state situatie. Als het een nulde orde afbraakreactie zou zijn, dan zou de concentratie enorm toenemen bij een hogere flux (en afnemen bij een lagere flux) omdat de afbraak dan constant zou blijven. Voor een eerste orde reactie wordt steeds bij een nieuwe flux een nieuw evenwicht ingesteld. We kunnen hier voor de volgende massabalans opstellen (-r = kc pre-ind ): dm dt methaan = m' kc = 0 methaan, pre ind pre ind Voor de tijd van de dino s geldt dan in analogie: dm dt methaan = m' kc = 0 methaan, dino dino Beide m zijn bekend (200 Mt/jaar en 2 x 645 = 1290 Mt/jaar) en aannemende dat de k niet verandert in de tijd kan berekend worden dat Cdino 1290 = = 6,45 C 200 pre ind Zodat C dino = 6,45 x 0,75 = 4,84 ppmv (dus ongeveer 5 ppmv). [Mocht je geen antwoord hebben of een antwoord dat onmogelijk lijkt, dan is het natuurlijk slim een voor jou aannemelijke aanname te doen.] c. Temperatuureffect Zoek de transmissiecoëfficiënten uit de grafiek: Bij 1 ppm: 0,649 (0,6493) Bij 5 ppm: 0,633 (0,6332) Daar uit volgt: t ' a 0, , 6493 = = 0, 0248 t ' 0, 6493 a Pagina 9 van 10

10 En uit de vergelijking van het klimaatmodel kan dan worden berekend dat het temperatuureffect bedraagt: T s = -25 x -0,0248 = 0,62 C. Opmerking: Dit is een temperatuurtoename op grond van alleen het veranderen van de transmissie van IR licht. Hierbij is dus geen rekening gehouden met eventuele feedbacks. d. Omzetting naar CO 2 Tijdens de pre-industriële tijd is de stroom CH 4 naar de atmosfeer 200 Mt/jaar. Als de verblijftijd in de atmosfeer 12,5 jaar is, betekent dit een reservoir van 2500 Mt. De concentratie was 0,75 ppmv. Dus elke Mt in de atmosfeer levert 0,3 x 10-3 ppm op. Omdat 1 mol CH 4 1 mol CO 2 geldt dat bij dezelfde condities 1 ppmv CH 4 wordt omgezet in 1 ppmv CO 2. Bij de situatie tijdens de tijd van de dino s met een stroom van 1290 Mt CH 4 per jaar, die bij steady state dus moet worden omgezet, betekent dit dus een C CO2 = 0,3 x 10-3 x 1290 = 0,387 ppmv. We begonnen dinotijd met 1500 ppmv CO 2. Daaruit kunnen we dan een tabel maken met wat dit na bepaalde tijd oplevert. Om t a te bepalen bij de verschillende CO 2 concentraties gebruik je de bijgeleverde grafiek voor C CH4 = 5 ppm. Met behulp van dezelfde methode als bij b) gebruikt, kan dan het effect op de temperatuur worden berekend. Jaar C CO2 C CO2 (ppmv) t a T S ( C) , ,6278 0, ,6013 1, ,5394 3, ,5268 4,2 De berekende temperatuureffecten zijn absolute maxima want CO 2 heeft ook een verblijftijd in de atmosfeer en de concentratie ervan zal dus nooit zo hoog oplopen. Volgens het boek is de verblijftijd van CO 2 met 4 jaar zelfs korter dan die voor CH 4 maar volgens andere bronnen ligt deze tussen de 100 en 150 jaar. e. De genoemde 10 C is volgens bovenstaande bereken ingen niet realistisch. Er moet bijgezegd worden dat hierbij geen rekening is gehouden met eventuele feedbacks en andere effecten. Maar het lijkt erop dat een opwarming met ongeveer 3 C (max 5 C) na miljoenen jaren reëler is. Opmerkingen: Frappant is ook dat in het oorspronkelijke artikel waaraan de Volkskrant refereert er in het geheel niet gesproken wordt over temperaturen. De enige conclusie die de auteurs trekken is dat de evenwichtsconcentratie van methaan ergens tussen de 6 en 8 ppmv zou kunnen zijn geworden. Dit komt redelijk overeen met de door ons op simpele manier uitgerekende 5 ppmv. Voor wie het wil nalezen (2 pagina s slechts): D.M. Wilkinson, E.G. Nisbet and G.D. Ruxton. Could methane produced by sauropod dinosaurs have helped drive Mesozoic climate warmth? Current Biology, 22:R292-R293 (2012). EINDE VAN TENTAMEN Pagina 10 van 10