Opname van CO 2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater

Transcriptie

1 Opname van CO 2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater Rijksuniversiteit Groningen Hein de Baar met bijdragen van Steven van Heuven en vele anderen Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee KNAW 21 October 2014

2 Opname van CO 2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater 1. Toename van CO 2 in lucht en zee 2. De chemie van zeewater 3. Verschuivingen van chemie van zeewater 4. Voorspelling effecten op de biologie van de zee

3 Metingen van CO 2 in de lucht sinds 1957 op Mauna Loa, Hawaii 3397 m above sea level

4 Dave Keeling

5 Verstoring van de Wereldwijde Koolstof Kringloop in decade GtCO 2 per jaar Bronnen Emissies 32,6 Landgebruik 3,3 Opslag Toename lucht 15,8 Land biota etc. 10,6 Toename Oceanen 9,5 Het ene CO 2 Probleem Broeikaseffect in de lucht geeft opwarming oceaan en atmosfeer, netto smelten land-ijs en zee-ijs Het andere CO 2 Probleem Verandering chemie van zeewater 1 GtCO 2 = 1 Gigaton CO 2 = 1 Miljard ton CO 2 = 1x10 15 gram CO 2 Vergelijk met 7 miljard mensen totaal lichaamsgewicht = 0.35 Gigaton

6 Verstoringen en waar blijft het extra CO 2 Verstoringen (bronnen) Waar blijft het? (putten)

7 Opname van CO 2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater 1. Toename van CO 2 in lucht en zee 2. De chemie van zeewater 3. Verschuivingen van chemie van zeewater 4. Voorspelling effecten op de biologie van de zee

8 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 CaCO 3 op land is de bron van opgeloste CO 2 vormen in de zee

9 Samenstelling van Zeewater (simplistisch kort door de bocht) Sterke positieve ionen mol/liter lading/liter Na Ca Totaal Sterke negatieve ionen mol/liter lading/liter Cl Totaal Er is een kleine overmaat aan positieve lading: = Maar de som van alle ladingen moet natuurlijk nul zijn! Compensatie door de zwakke negatieve ionen van koolzuur: LadingsBalans = = [HCO 3- ] + 2 [CO 3 ] 2400 micromol = [HCO 3- ] + 2 [CO 3 ] Sterke ionen reageren niet met water, zwakke ionen reageren wel met water

10 Chemische evenwicht reacties van CO 2 in water Evenwicht Constante (CO 2 ) gas [CO 2 ] opgelost + H 2 O K 0 [CO 2 ] opgelost + H 2 O [H 2 CO 3 ] K H [H 2 CO 3 ] [HCO 3- ] + [H + ] K 1 [HCO 3- ] [CO 3 -- ] + [H + ] K 2 sommatie = Opgelost anorganisch CarbonTotaal = C T C T = [CO 2 ] opgelost + [H 2 CO 3 ] + [HCO 3- ] + [CO 3 -- ]

11 CO2 gas µm = micromol = 10-6 Mol/Liter lucht zee [CO 2 ]opgelost ~ 1 % ~20 µm [H 2 CO 3 ] < 0.06 µm < % koolzuur verwaarloosbaar [HCO 3 ] - + [H] + ~2000 µm ~ 90 % bicarbonaat [CO 3 ] + [H] + ~ µm ~ 10 % carbonaat Som = C Totaal = CO 2 + HCO CO 3 [CO 2 ] opgelost fotosynthese organische biomassa Afname van C Totaal en de evenwichten passen zich aan Bovendien interactie met bio-calcificatie door 2 mogelijke reacties: Ca 2+ + CO 3 à CaCO 3 (1) Ca HCO 3 - à CaCO 3 + CO 2 + H 2 O (2) C Totaal neemt af en ook Ca 2 + neemt af en de evenwichten passen zich aan

12 Bereken de verandering chemie zeewater door Biologie Output Verandering Chemie Zeewater Input wijziging door Biologie Fotosynthesis verwijdert C Totaal Respiratie voegt C Totaal toe Bio-calcificatie verwijdert Ca 2+ en C Totaal Oplossen van CaCO 3 voegt Ca 2+ en C Totaal toe ΔC Totaal ΔCa 2+ Black Box Computer Programma CO2SYS van all chemische evenwichten en de ladingsbalans [CO 2 ] opgelost [HCO 3- ] [CO 3 ] Oplosbaarheid Ω van CaCO 3 calciet Oplosbaarheid Ω van CaCO 3 aragoniet CO2SYS at

13 Opname van CO 2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater 1. Toename van CO 2 in lucht en zee 2. De chemie van zeewater 3. Verschuivingen van chemie van zeewater 4. Voorspelling effecten op de biologie van de zee

14 De gemeten toename van pco 2 in de lucht (zie boven) heeft inderdaad geleid tot gemeten toename van C TOTAAL (DIC) in oppervlaktewater op 7 tijdserie stations in de oceaan Bates et al. (2014) Oceanography, 27, pages bij Nieuw Zeeland

15 Voorspellingen van toekomstige CO 2 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.

16 Verschuivingen van de 3 chemische vormen van CO 2 in zeewater CO 2 + H 2 O - H + + HCO H + + CO 32 - bicarbonaat carbonaat Dissolved Inorganic Carbon [µm] Jaar 1950 year 1950 Jaar 2000 year 2000 Jaar 2050 year 2050 [HCO 3 ] [CO 2 ] 2 [CO 3 ] Jaar Surface water pco 2 [µatm] year 2100 Dissolved Inorganic Carbon [µm] year year 2000 [HCO 3 ] [CO 2 ] 2 [CO 3 ] 2050 year Surface water pco 2 [µatm] vergrote verticale schaal 2000 to 2500 µm year 2100

17 Verschuivingen van de 3 chemische vormen van CO 2 in zeewater CO 2 + H 2 O - H + + HCO H + + CO 32 - bicarbonaat carbonaat Dissolved Inorganic Carbon [µm] year year [HCO ] 3 [CO ] 2 2 [CO 3 ] year Surface water pco [µatm] 2 year opgelost [CO 2 ] zal toenemen recht evenredig met de toename van het CO 2 in de lucht opgelost [HCO 3- ] zal toenemen opgelost [CO 3 ] zal afnemen

18 Dissolved Inorganic Carbon [µm] year 1950 year 2000 [HCO 3 ] [CO 2 ] [CO 3 2 ] year Surface water pco 2 [µatm] year 2100 Hoe is de afname van het CO 3 ion te begrijpen? Toename van C Total = CO 2 + HCO CO 3 Som van de electrische ladingen van alle ionen in zeewater moet nul zijn en blijven Na Ca 2+ + Cl - + HCO CO 3 + OH - + H + = 0 (zero) 595 mm 2x10 mm 603 mm 2100 µm 2x300 µm 0.75 µm µm constant constant constant toename afname decrease increase = 0 Door dubbel geladen CO 3 om te zetten naar enkel geladen HCO 3 - blijft de totale lading nul Dus verandert de verhouding [CO 3 ] / [HCO 3- ] en wordt kleiner. Volgens de tweede dissociatie constante van koolzuur moet dan de [H + ] groter worden K 2 = [H + ][CO 3 ] / [HCO 3- ] Dan moet ook het water evenwicht [H + ][OH - ] = aanpassen en [OH - ] wordt kleiner

19 Concentraties [µmol]=[10-6 mol] jaar pco 2 (lucht) µatm Zeewater: [HCO 3- ] [CO 3 ] [CO 2 ] [OH - ] [H + ] Dissolved Inorganic Carbon [µm] year 1950 year 2000 [HCO 3 ] [CO 2 ] [CO 3 2 ] year Surface water pco [µatm] 2 year 2100 H + and OH [µm] year 1950 year 2000 year 2050 [H + ] [OH ] nog steeds meer [OH - ] dan [H + ] dus oceaan blijft basisch Surface water pco 2 [µatm] In jaar 2100 een sterke toename van [HCO 3- ] en opgelost [CO 2 ] en sterke afname van [CO 3 ]. Dit is de oorzaak van een afname van het beetje [OH - ] en een toename van het nog weiniger [H + ] Echter het gehalte [OH - ] blijft toch nog meer dan tienmaal het gehalte [H + ] year 2100

20 Afname van ph van zeewater 8.2 ph 8.15 Bleekwater Zeepwater Ammonia in water 8.1 Soda ph Zeewater Gedestilleerd water Urine ph 7.95 Zwarte koffie Tomatensap Sinaasappelsap Citroensap Maagzuur Surface water pco [µatm] 2 Oceaan wordt minder basisch maar ph blijft hoger dan neutrale ph waarde 7 "Verzuring van Oceanen" is dus een tikje overdreven kreet ph = -Log [H + ] Dus meer zuur is meer [H + ] en dus lagere ph waarde

21 Inderdaad een dalende trend van de ph in oppervlaktewater op 7 tijdserie stations in de oceaan Bates et al. (2014) Oceanography, 27, pages 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

22 Echter door de afname van het [CO 3 ] ion zal de oceaan onderverzadigd raken voor biologische kalk CaCO 3 in de kristalvormen aragoniet of calciet CaCO 3 saturation state year 1950 year 2000 year 2050 Ω calcite Ω aragonite CaCO 3 is maintained CaCO 3 dissolves Surface water pco 2 [µatm] year 2100 Aragoniet raakt reeds eerder onderverzadigd in jaar ~2060 Ω = [Ca 2+ ] zee x [CO 3 ] zee K oplosbaarheid onderverzadigd als Ω < 1 Calciet raakt onderverzadigd in jaar ~2150

23 Opname van CO 2 in zee en de veranderingen van de chemie van zeewater 1. Toename van CO 2 in lucht en zee 2. De chemie van zeewater 3. Verschuivingen van chemie van zeewater 4. Voorspelling effecten op de biologie van de zee

24 Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase, RuBisCO

25 HCO H + à CO 2 + H 2 O Carbon Concentratie Mechanisme (CCM) levert extra CO 2 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 HCO 3 - in zeewater is doen algen dit vrijwel altijd erbij Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase, RuBisCO

26

27 Welke biochemische reactie is bepalend voor de snelheid van bio-calcificatie? Ca 2+ + CO 3 à CaCO 3 (1) Ca HCO 3 - à CaCO 3 + CO 2 + H 2 O (2) Dissolved Inorganic Carbon [µm] year 1950 year 2000 [HCO 3 ] [CO ] 2 2 [CO ] year Surface water pco [µatm] 2 year 2100 In de toekomst: reactie (1) zal langzamer gaan verlopen reactie (2) zal sneller gaan verlopen

28 Samenvatting 30 % van fossil fuel CO 2 emissie is in zee gekomen Dissolved Inorganic Carbon [µm] year year 2000 [HCO 3 ] [CO 2 ] [CO 3 2 ] 2050 year Surface water pco 2 [µatm] year 2100 Chemie verschuivingen - concentratie [HCO 3- ] toename van ~2100 naar ~2300 µmol +10% - concentratie [CO 2 ] toename van ~20 naar ~60 µmol 3 x meer - concentratie [CO 3 ] afname van ~130 naar ~50 µmol halvering Biologie voorspellingen??? (hypotheses)

29 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)

30 Kalkvormende algen biologie voorspellingen?? (hypotheses) meer biocalcificatie?? ofwel kennelijk reactie: Ca HCO 3 - à CaCO 3 + CO 2 + H 2 O waarin 10% meer HCO 3 - Maar veel controverse over response van kalkalgen Science, 2008, Vol. 320, p.336

31 Schelpdieren biologie voorspellingen?? (hypotheses) minder biocalcificatie ofwel kennelijk reactie: Ca 2+ + CO 3 à CaCO 3 waarin CO 3 gehalveerd 1 millimeter net zo groot als een peperkorrel Vlinderslak Limacina helicina in polar oceans

32 Koralen biologie voorspellingen?? (hypotheses) minder biocalcificatie ofwel kennelijk reactie: Ca 2+ + CO 3 à CaCO 3 waarin CO 3 gehalveerd

33 Dank U voor Uw aandacht Special issue over de Veranderingen in de Oceanen gratis (OpenAccess) downloaden van website: archive/27-1.html

34 Aanvullende dia 1 achtergrond informatie

35 Aanvullende dia 2 achtergrond informatie Let op GtCO 2 is een ander getal dan GtC Getallen in miljard ton CO 2 (GtCO 2 ) 1 Gigaton (Gt) = 1 miljard ton = gram = 1 Petagram (Pg) 1 kg koolstof (C) = kg kool dioxide (CO 2 ) 1 GtC = 3,664 miljard ton CO 2 = 3,664 GtCO 2 atoomgewicht molecuulgewicht verhouding C 12 CO 2 44 CO 2 /C = 3,664 O 16 O 16

36 Aanvullende dia 3 achtergrond informatie Biocalcificatie verwijderd een aantal Ca 2+ ionen en dat heeft op zichzelf een effect op de ladingsbalans Som van electrische ladingen van alle ionen moet nul zijn: Na Ca 2+ + Cl - + HCO CO 3 + OH - + H + = 0 (zero) 595 mm 2x10 mm 603 mm 2100 µm 2x300 µm 0.75 µm µm constant afname constant toename afname afname toename = 0 verwijderen van aantal Ca 2+ ionen voor inbouw in kalk CaCO 3 geeft afname ladingsbalans van de sterke ionen dit wordt gecompenseerd door omzetting van enige dubbel geladen CO 3 ionen naar enkel geladen HCO 3 - ionen het resultaat is dat de som van ladingen gelijk aan nul blijft

37 Aanvullende dia 4 achtergrond informatie Inderdaad een daling van Omega Aragonite in oppervlaktewater op 7 tijdserie stations in de oceaan Bates et al. (2014) Oceanography, 27, pages bij Nieuw Zeeland