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CO2, das verteufelte Spurengas, welches das Leben erst ermöglicht. Eine Analyse.
Beginnen wir mit ein paar einfachen Berechnungen
CO2 kommt in der Atmosphäre mit einem Volumenprozentanteil von 0.04% (400ppm) vor. Seit dem Ende der kleinen Eiszeit ca. 1860 bis heute beträgt die Volumendifferenz ca. 0.013% (130ppm). Ppm bedeutet parts per million. Zu Deutsch, "Teile pro Million".
In der Naturwissenschaft wurde bereits vor 100 Jahren nachgewiesen, dass ca. 96% durch Unterseeschlote, Erdspalten, Verwerfungen, Vulkane unter und über Wasser, Meeresbewohner und Pflanzen CO2 emittieren. Das bedeutet, 4% stammen aus Quellen der Menschlichen Aktivität.
Zum einten beträgt der anthropogene Anteil von diesen 0.013% (130ppm), 4%. Daraus lässt sich folgender Volumenanteil errechnen.
0.013% x 0.04% = 0.00052% (5.2ppm)
Über den Gesamtgehalt-Anteil CO2 der Atmosphäre lässt sich folgender anthropogener Wert ermitteln.
0.04% x 0.04% = 0.0016% (16ppm).
Man kann allerdings nicht davon ausgehen, dass der Mensch immer 4% zum weltweiten CO2 Volumengehalt beigetragen hat. Daher ist diese Berechnung (400ppm x 4%) im Grunde falsch, denn der Mensch hat niemals seit bestehen der Atmosphäre im gleichen Umfang CO2 emittiert. In der Steinzeit bzw. zu Zeiten der Dynosaurier gab es fast keine Menschen auf dem Planeten und trotzdem stieg der CO2 Volumenanteil vor 500 Millionen Jahren auf 7% (7'000ppm). Für die Dynosaurier war dies der Garant für massenhaft Nahrung und damit eine vollständig ergrünte Erde. Selbst die Pole waren zu dieser Zeit komplett Eissfrei. Dies wiederholte sich während der letzten 500 Millionen Jahre mehrmals. Nicht im gleichen Umfang, aber dennoch geschah es. Der Mensch emittiert erst seit den 1940er Jahren CO2. Damals lag der Volumenanteil nur bei ca. 1.5%. Ob der Mensch heute wirklich bis zu 4% emittiert, ist lediglich eine Annahme aus der Forschung. Effektiv könnte es wesentlich weniger sein. Hauptquellen sind nach wie vor die Ozeane, die bei einer Erwärmung mit einer Verzögerung von bis zu 800 Jahren CO2 ausgasen und bei Abkühlung im gleichen Zeitrahmen wieder CO2 eingasen. Zweitgrösste Quellen sind Vulkane, Erdlöcher, Unterseeschlote, Verwerfungen, Erdspalten.
Umrechnung der 4% CO2 in Tonnen
Ein Liter CO2 wiegt 1,96 Gramm
Nun sollte man noch wissen, wieviele CO2 Moleküle 1 Liter enthält.
Ein Mol – das ist die gebräuchliche Mengeneinheit von Atomen und Molekülen – sind 602 Trilliarden Teilchen. Bei Gasen hat ein Mol ein Volumen von 22,4 Litern. Entsprechend der atomaren Masse von Sauerstoff von 16 Gramm je Mol und Kohlenstoff von 12 Gramm je Mol, wiegt ein Mol CO2, also 22,4 Liter, 44 Gramm.
25 g Kohlenstoffdioxid entsprechen der Stoffmenge von 0,57 mol. Darin sind 3,42 • 10^23 3<ip-pii>.<ip-pii> = 342 Trilliarden) CO2-Moleküle enthalten. Wenn man das Gesamtgewicht der Atmosphäre und dem prozentualen CO2 Volumenanteil davon berechnet, erhält man für die Atmosphäre
5'130'000'000'000'000 Tonnen
Der weltweite CO2 Anteil davon ist ca. 0.041%.
Das entspricht 210'330'000'000'000 Tonnen. Davon ist der anthropogene Anteil 4%.
4% von 210'330'000'000'000 Tonnen ergeben 8'413'200'000'000 Tonnen.
Ein Liter CO2 wiegt 1,96 Gramm
Nun sollte man noch wissen, wieviele CO2 Moleküle 1 Liter enthält.
Ein Mol – das ist die gebräuchliche Mengeneinheit von Atomen und Molekülen – sind 602 Trilliarden Teilchen. Bei Gasen hat ein Mol ein Volumen von 22,4 Litern. Entsprechend der atomaren Masse von Sauerstoff von 16 Gramm je Mol und Kohlenstoff von 12 Gramm je Mol, wiegt ein Mol CO2, also 22,4 Liter, 44 Gramm.
25 g Kohlenstoffdioxid entsprechen der Stoffmenge von 0,57 mol. Darin sind 3,42 • 10^23 3<ip-pii>.<ip-pii> = 342 Trilliarden) CO2-Moleküle enthalten. Für das Gesamtgewicht der Atmosphäre gilt
5'130'000'000'000'000 Tonnen
1000 Liter Luft entsprechen bei einem atmosphärischen Druck auf Meereshöhe 1293 Gramm.
25 Gramm = 0.57mol = 342'000'000'000'000'000'000'000 Moleküle.
410ppm = 0.00000000000000000003 Gramm
1293/100*0.041 = 0.53013 Gramm in 1'000L Luft.
In Tonnen = 0.00000053013
Das atmosphärische CO2 Gesamtgewicht beträgt
T/T2*CO2T = 5'130'000'000'000'000 / 0.001293 * 0.00000053013 = 2'103'300'000'000 Tonnen
Davon 4% anthropogener Anteil sind 84'132'000'000 Tonnen.
Bei 7 Milliarden Menschen wäre der Anteil pro Kopf demnach 84'132'000'000 / 7000000000000
= 0.012018857 Tonnen oder 12.018857 Kilo pro Kopf.
Gegenprüfung der Berechnung:
5'130'000'000'000'000 Tonnen
Davon 0.041% = 2'103'300'000'000 Tonnen
Davon 4% Anth. = 84'132'000'000 Tonnen
CO2, Physikalische Eigenschaften
Kohlendioxid besitzt eine hohe Dichte und wiegt etwa das 1,5fache von Luft. Damit ist es das schwerste Spurengas in der Luft. CO2 absorbiert in den Bereichen 2.75, 4.25 und um 15 Micrometer wärme. Die aufnehmbare Wärme ist jedoch begrenzt, bzw. CO2 ist bereits mit der geringen Menge in Bodennähe in der Atmosphäre zu 90% mit Wärme gesättigt. Da CO2 schwerer als Luft ist, verhält es sich entsprechend und fliesst in der Regel in Richtung Bodennähe. Durch Konvektion wird CO2 in der untersten Atmosphärenschicht durcheinander gewirbelt. In ca. 10-12 Kilometer Höhe beträgt der Anteil an CO2 noch ca. 4-16 Molekühle auf 1 Million. Das Spurengas CO2 ist nicht nur für den Calvin-Zyklus elementar wichtig, sondern spielt auch für die Wärmeableitung in der Atmosphäre eine sehr wichtige Rolle. Umso mehr CO2 in höheren Luftschichten vorhanden ist, umso besser wird Wärme ins All abgeleitet. Getreu des 2. Thermodynamischen Hauptsatzes. Ausserdem wird CO2 für den Pflanzenwachstum zwingend benötigt. Ohne CO2 gäbe es auf der Erde keine Biosphäre. Umso mehr CO2 anteilig in der Atmosphäre vorkommt, desto grösser wird die Biosphäre. Dies hatten wir bereits im Artikel vom 17.11.2017 detailliert aufgezeigt und auf die Studie vom "Lead author Zaichun Zhu from Peking University" hingewiesen.
CO2 kann überwiegend bei 15µm wärme absorbieren. Die lineare Form des moleküls lässt keine anderen Infrarot-Linien zu, bei dem eine quantenmechanische Erregung möglich wäre. Nach einem Absorptionsereignis befindet sich das CO2-Molekül in einem angeregten Zustand mit einer geschätzten Lebensdauer, τrad = (uj / ∆uj)2 / ν ≈ 6μs 6μs für die 15 μm Linie.
Rot, solare Einstrahlung im UV, Sichtbaren und Infrarot Bereich. Blau die Wärmeenergie, welche von der Erdoberfläche abgestrahlt wird. (Hinweis: Physikalisch gesehen ist es keine Strahlung im eigentlichen Sinn, wie Radioaktivität oder Funkwellen, sondern Wärme wird über quantenmechanische Kollisionen von Molekül zu Molekül übertragen. Diese Kollisionsübertragung kann nur immer nach oben erfolgen, niemals umgekehrt! Dazu später mehr.)
Die Atmosphäre weist eine starke Druck- und Temperaturabhängigkeit bei der Höhe über dem Meeresspiegel auf.
Die Absorptionsfestigkeit hängt stark von der daraus resultierenden großen CO2-Konzentrationsschwankung ab.
Zunächst betrachten wir eine isotherme Atmosphäre von T = 288 K mit einer exponentiellen barometrischen Druckabhängigkeit. Die charakteristische barometrische Höhe, bei der der Druck im Vergleich zum Meeresspiegel auf 1 / e fällt, ist x0= 7996 m hoch9. Die Annahme einer konstanten Temperatur ist erfahrungswidrig. Es neigt dazu, die Absorption zu überschätzen, da die Temperatur für alle x < 12 km sinkt. Reduzierte Temperaturen implizieren eine geringere Wahrscheinlichkeit für den Grundzustand und eine geringere Absorption. Zweitens beinhalten die halben Breiten der Absorptionslinien Kollisionen und Dopplerverschiebungen. Diese Werte werden auch bei hohen atmosphärischen Werten reduziert. Diese Tatsache führt wiederum zu einer leichten Überschätzung der Absorption. Wir nähern die CO2-Absorption für eine bestimmte Linie an durch
α(x, uj) = α0(uj) exp(– x / x0),
IR-Absorptions- und Rückstrahleffekt (Photonenrecykling) kann vernachlässigt werden.
Eine Verdoppelung des derzeitigen cco2-Wertes führt zu ∆T < 0,24 K. Der zehnfache Wert von cco2 ergibt ∆T < 0,80 K. Diese moderaten Temperaturanstiege sind überhaupt nicht kritisch.
Die beiden nachfolgend aufgeführten Physiker kommen zum gleichen Ergebniss über das Spurengas CO2.
Hier die Studie von F. K. Reinhart, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne.
Studie von Dr. Thomas Allmendinger (2017).
Weitere Studien
85 Papiere finden extrem geringe CO2-Klimaempfindlichkeit
Smirnov, 2018 (2X CO2 = 0.4ºC) (2X AnthroCO2 = 0.02ºC)
Daraus ergibt sich für die Änderung der globalen Temperatur als Folge der Verdoppelung der Konzentration der atmosphärischen CO2-Moleküle[is] ∆T = (0,4 ± 0,1) K, wobei der Fehler die Genauigkeit der verwendeten Werte erklärt, während das Ergebnis von den im obigen Schema enthaltenen Prozessen abhängt. Tatsächlich gehen wir davon aus, dass die Atmosphäre und das Albedo der Erde sowie eine weitere Wechselwirkung der Sonneneinstrahlung mit der Atmosphäre und der Erde im Zuge der Änderung der Konzentration der CO2-Moleküle unverändert bleiben und auch der Gehalt an atmosphärischem Wasser erhalten bleibt. Da die anthropogenen Kohlendioxidflüsse in der Atmosphäre, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen, etwa 5% betragen[Kaufman, 2007], ist der Beitrag der menschlichen Aktivität zu ECS (die Temperaturänderung durch Verdoppelung der Kohlendioxidmenge in der Atmosphäre) ∆T = 0,02 K, d.h. die Einspritzung von Kohlendioxid in die Atmosphäre durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe ist für den Treibhauseffekt nicht relevant.
Wir berücksichtigen, dass CO2-Moleküle einen kleinen Beitrag zur Wärmeerdebilanz leisten und man daher die Höhenverteilung der Temperatur für das Standardatmosphärenmodell[1] nutzen kann, und eine Variation der CO2-Konzentration diese Verteilung nicht beeinflusst. ....[I]die Einspritzung von CO2-Molekülen in die Atmosphäre führt zu einer Abnahme des ausgehenden Strahlungsflusses, was zu einer Abnahme der durchschnittlichen Erdtemperatur führt. Aber diese Abnahme liegt unter 0,1K, das ist die Genauigkeit der Bestimmung dieses Wertes. Somit verringert das Vorhandensein von Kohlendioxid in der Atmosphäre den ausgehenden atmosphärischen Strahlungsfluss, der zu einer Abnahme der Erdtemperatur um etwa (1,8 ± 0,1) K führt. Die Änderung der Durchschnittstemperatur beim Doppelten der Konzentration von atmosphärischen CO2-Molekülen wird nur durch den Übergang bei 667cm-1 bestimmt und ist niedriger als 0,1K.
Insbesondere die Verdoppelung der Konzentration von CO2-Molekülen im Vergleich zum heutigen Gehalt erhöht die globale Erdtemperatur um ΔT = 0,4 ± 0,2K. .... Daraus ergibt sich, dass die durchschnittliche Temperaturschwankung ΔT = 0,8 ◦C von 1880 bis heute nach NASA-Daten durch die Variation der Wasserkonzentration um 200ppm oder Δu/u ≈ 0,07, Δu = 0,2 erreicht werden kann. Es ist zu beachten, dass gemäß Formel (2) die Variation einer akkumulierten Konzentration von CO2-Molekülen von 1959 (von 316ppm bis 402ppm) zu der Temperaturvariation ΔT = 0,15°C führt. Man sieht, dass die Absorption eines Wassermoleküls im Infrarotspektrum aufgrund seiner Strukturen stärker ist als die des CO2-Moleküls, und die Injektion von Wassermolekülen in die Atmosphäre beeinflusst seine Wärmebilanz stärker als die Injektion von CO2-Molekülen.
Eine sehr aktuelle Entwicklung zum Treibhausphänomen ist ein validiertes adiabatisches Modell, das auf physikalischen Gesetzen basiert und eine maximale Temperaturerhöhung von 0,01-0,03 °C für einen Wert prognostiziert, der die aktuelle Konzentration an atmosphärischem CO2 verdoppelt. Darüber hinaus zeigen Daten aus der Paläoklimatologie, dass der CO2-Gehalt in der Atmosphäre in dieser geologischen Zeitspanne minimal ist. Schließlich wird betont, dass das Verständnis für das Funktionieren des komplexen Klimasystems der Erde (insbesondere für Wasser, Sonneneinstrahlung usw.) noch immer schlecht ist und daher die wissenschaftlichen Erkenntnisse nicht auf einem Niveau sind, das eindeutige und präzise Antworten auf die Ursachen der globalen Erwärmung gibt.
Schätzungen der atmosphärischen Temperaturänderungen durch eine Verdoppelung der CO2-Konzentration wurden mit einem Standardstrahlungsmodell vorgenommen. Sie ergeben Temperaturänderungen von >0,25 K. Es scheint, dass die viel größeren Veränderungen, die von anderen Modellen vorhergesagt werden, durch zusätzlichen in die Atmosphäre verdampften Wasserdampf und nicht durch das CO2 selbst verursacht werden. .... Es ist wichtig zu betonen....dass CO2 nicht der Hauptbestandteil der Infrarotübertragung ist. Wasserdampf spielt die Hauptrolle und Ozon ist ebenfalls von Bedeutung. Mit dem Infrarotbereich, der in 22 Spektralintervalle unterteilt ist, wurden die Infrarot- und Solarflüsse mit einem Verfahren, das ursprünglich von Rodgers (1967) entwickelt und durch Dopplick (1972) modifiziert wurde, auf einem Niveau von der Oberfläche bis zu 5 mb berechnet. Das Verfahren wurde bisher auf die Berechnung von Heizraten für erhöhte CO2-Konzentrationen angewendet (Newell und Dopplick, 1970; Newell et al., 1972). Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Berechnungen unter Verwendung von klimatologischen Standarddaten für Januar. Zwanzig der Spektralintervalle werden von Wasserdampf dominiert und die beiden anderen enthalten CO2 (~15 µm) und O3 (~9,6 µm), wobei auch Überschneidungen mit Wasserdampf berücksichtigt werden. Es wurden Berechnungen für CO2-Konzentrationen von 330 und 600 ppmv durchgeführt, wobei darauf geachtet wurde, die veränderten CO2-Konzentrationen auch in die Absorption der nahen Infrarot-Sonne einzubeziehen (vgl. Newell et al., 1972). Beide Berechnungen wurden auch bei fehlender Wolke wiederholt. Der vom CO2 dominierte Infrarotfluss beträgt bekanntlich nur etwa 10% des wasserdampfgesteuerten Flusses. Die Abnahme des Infrarot-Flusses von der Oberfläche zur Atmosphäre durch die Zunahme des CO2 reicht von 1,0 - 1,6 W m-2. Das erhöhte CO2 führt zu einer zusätzlichen Absorption der solaren Infrarotstrahlung und damit zu einer Abnahme der an der Oberfläche verfügbaren Sonnenenergie, die bis zu ~0,3 W m-2 reicht. Die Nettoveränderung an der Oberfläche ist eine Zunahme von 0,8 - 1,5 W m-2 mit den kleinsten Werten bei niedrigen Breiten. .... Die Tatsache, dass Wasserdampf CO2 im Strahlungshaushalt dominiert, ist seit vielen Jahren bekannt und diskutiert (siehe z.B. Kondratiev und Niilisk, 1960; Möller, 1963; Zdunkowski et al., 1975), aber es scheint wichtig zu sein, erneut zu betonen, wenn dem CO2 so viel Aufmerksamkeit geschenkt wird.
Die Schlussfolgerung ist, dass in niedrigen Breitengraden der Einfluss der Verdoppelung von CO2 auf die Oberflächentemperatur weniger als 0,25 K beträgt.
Im Laufe der letzten 2 Jahrzehnte habe ich eine Reihe von Naturphänomenen analysiert, die zeigen, wie die oberflächennahe Lufttemperatur der Erde auf oberflächennahe Strahlungsstörungen reagiert. Diese Studien deuten alle darauf hin, dass eine Verdoppelung der CO2-Konzentration der Atmosphäre um 300 bis 600 ppm die mittlere Oberflächenlufttemperatur des Planeten nur um etwa 0,4°C erhöhen könnte. Selbst dieses Minimum an Erwärmung kann jedoch nie realisiert werden, da es durch eine Reihe von planetarischen Kühlkräften, die durch wärmere Temperaturen verstärkt werden, und durch die Stärkung biologischer Prozesse, die durch den gleichen Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration, der die Erwärmung antreibt, verstärkt werden, aufgehoben werden könnte.
Folglich tragen sowohl die zunehmende Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre als auch die abnehmende Belastung durch atmosphärische Aerosole wesentlich zum Strahlungsantrieb in der oberen Atmosphäre bei. Wir stellen fest, dass die Klimasensitivität um mindestens den Faktor 2 reduziert wird, wenn direkte und indirekte Auswirkungen abnehmender Aerosole einbezogen werden, verglichen mit dem Fall, dass der Strahlungszwang nur auf einen Anstieg der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen zurückzuführen ist. Wir finden, dass die empirische Klimasensitivität zwischen 0,29 und 0,48 K/Wm-2 liegt, wenn die direkte und indirekte Strahlungseinwirkung des Aerosols einbezogen wird.
Vorläufige Analyse von Experimenten zu den klimatischen Auswirkungen von erhöhtem CO2 mit einem atmosphärischen allgemeinen Zirkulationsmodell und einem klimatologischen Ozean.
Vorläufige Ergebnisse numerischer Experimente, die die saisonale und geografische Verteilung der durch die erhöhte CO2-Konzentration in der Atmosphäre bedingten klimatischen Veränderungen zeigen sollen, werden vorgestellt. Diese Simulationen wurden sowohl für verdoppelte als auch für vervierfachte CO2-Werte mit einer verbesserten Version des zweistufigen OSU Atmosphären-GCM durchgeführt. In diesen Experimenten und in einem Kontrolllauf mit normalem CO2 wurden der Sonneneinstrahlung an der Spitze der Modellatmosphäre sowie der Oberflächentemperatur und dem Meereis jahreszeitliche klimatologische Schwankungen vorgegeben. Im Januar wird die global gemittelte troposphärische Temperatur gegenüber dem Kontrollmittel um 0,30°C (0,48°C) für doppeltes (vervierfachtes) CO2 erhöht, was mit einer zwischenjährlichen Januar-Temperaturvariabilität von 0,15°C in der Kontrolle verglichen werden kann (gemessen an den Monatsdurchschnitten der Mittelwerte vom Januar in einer 3-jährigen Kontrollintegration).
CO2-Zunahmen ohne positive Wasserdampfrückführung hätten nur für etwa 0,1 - 0,2 °C der seit Anfang des 20. Jahrhunderts beobachteten globalen mittleren Oberflächentemperaturerwärmung von 0,6 - 0,7°C verantwortlich sein können. Unter der Annahme einer Verdoppelung des CO2 bis zum Ende des 21. Jahrhunderts (unter der Annahme, dass keine positive Wasserdampfrückkopplung vorliegt), sollten wir wahrscheinlich nicht mehr als etwa 0,3-0,5°C globale Oberflächenerwärmung und schon gar nicht die 2-5°C Erwärmung erwarten, die von den GCMs (Global Circulation Models) projiziert wurde.
Die kurz- und langwellige Absorption der wichtigsten Treibhausgase Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Ozon wird aus zeilenweisen Berechnungen auf Basis der HITRAN08-Datenbank abgeleitet und in das Modell integriert. Simulationen mit einer erhöhten Sonnenaktivität im letzten Jahrhundert ergeben eine CO2-initiierte Erwärmung von 0,2°C und einen solaren Einfluss von 0,54°C in diesem Zeitraum, was einer CO2-Klimaempfindlichkeit von 0,6°C (Verdoppelung von CO2) und einer solaren Empfindlichkeit von 0,5°C (0,1 % Erhöhung der Solarkonstante) entspricht.
Noch immer diskutieren Wissenschaftler über die Gründe für die "globale Erwärmung". Der Autor hinterfragt die Validität der Berechnungen für die vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) veröffentlichten Modelle und insbesondere die Zukunftsszenarien. Durch spektrale Berechnungen stellt der Autor fest, dass Wasserdampf etwa 87% des Treibhauseffekts (GH) und nur 10% des CO2 ausmacht. Eine Verdoppelung des derzeitigen CO2-Gehalts würde die globale Temperatur ohne Wasserrückführung um nur 0,51 °C erhöhen.
Es wird festgestellt, dass die Verdoppelung der Kohlendioxidkonzentration die Temperatur in Bodennähe um etwa die Hälfte eines Grades[0,5°C] erhöht, wenn keine Wolken auftreten. Ein siebenfacher[700%iger] Anstieg der gegenwärtigen normalen Kohlendioxidkonzentration erhöht die Temperatur in Bodennähe um etwa ein Grad. Temperaturprofile, die sich aus der aktuell beobachteten Kohlendioxidkonzentration und der konvektiven Trübung von 50% oder weniger ergeben, werden mit denen verglichen, die sich aus doppelten Kohlendioxidkonzentrationen und der gleichen Menge an Wolkendecke ergeben. Auch hier zeigt sich, dass eine Verdoppelung[100% Steigerung] des Kohlendioxids die Temperatur in der unteren Grenzschicht um etwa die Hälfte eines Grades erhöht.
Mit Hilfe dieses Klimamodells ist es möglich, die Temperaturreaktion der Hemisphären auf einen erhöhten Strahlungsanteil der Treibhausgase zu schätzen. Unter der Annahme, dass der saisonale Energieaustausch zwischen den Hemisphären vernachlässigbar ist und eine Verdoppelung des Kohlendioxidspiegels einen Zwang von 3,7 W/m2 verursachen würde, lässt sich eine Klimasensitivitätszahl berechnen. Diese Klimasensitivität wurde in diesem Fall auf etwa 0,5°C für NH und etwa 0,2°C für den SH berechnet, wenn die Wirksamkeitsannahmen des IPCC verwendet werden.
Idso, 1980 (2X CO2 = ≤ 0.26°C )
Der mittlere globale Anstieg der Wärmestrahlung an der Erdoberfläche als Folge einer Verdoppelung des atmosphärischen Kohlendioxidgehalts wird auf 2,28 Watt pro Quadratmeter berechnet. Multipliziert man diese Forcierungsfunktion mit der Oberflächenlufttemperaturreaktionsfunktion der Atmosphäre, die kürzlich durch drei unabhängige experimentelle Analysen auf einen globalen Mittelwert von 0,113 K pro Watt pro Quadratmeter bestimmt wurde, ergibt sich ein Wert von ≤ 0,26 K für die daraus resultierende Änderung der globalen Oberflächenmitteltemperatur. Dieses Ergebnis ist etwa eine Größenordnung weniger als die aus den meisten theoretischen numerischen Modellen, aber es ist praktisch identisch mit dem Ergebnis einer vierten experimentellen Ansatz für das Problem beschrieben von Newell und Dopplick. Es scheint also eine große Diskrepanz zwischen aktueller Theorie und Experiment in Bezug auf die Auswirkungen von Kohlendioxid auf das Klima zu bestehen. Solange diese Diskrepanz nicht behoben ist, sollten wir nicht zu schnell unsere Möglichkeiten bei der Auswahl zukünftiger Energiealternativen einschränken.
Für die Detektion benötigen wir die sogenannte transiente Reaktion des Klimas auf einen bestimmten Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration (beobachtet oder vorhergesagt). Transiente Reaktionsmuster sind jedoch im Allgemeinen viel weniger bekannt als Gleichgewichtsreaktionen. Die Probleme bei der Spezifikation des transienten CO2-induzierten Klimasignals werden von Michael et al. in seinem Buch ausführlich diskutiert. Aus seiner Überprüfung können wir schlussfolgern, dass es eine gewisse allgemeine Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Modellierern gibt, dass die transiente Reaktion der globalen Durchschnittstemperatur auf die erhöhte CO2-Konzentration der Atmosphäre derzeit weniger als 0,5 K beträgt (Schätzungen der[Temperaturreaktion], die jetzt zwischen 0,2 und 0,4 K variieren).
Eine Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre würde zu einem Anstieg der Oberflächentemperatur um etwa +0,5 bis 0,7 °C führen, was kaum einen Effekt zur Folge hätte, der sofortige drastische Veränderungen in der Energiepolitik des Planeten erfordert. Ein Anstieg der absoluten Luftfeuchtigkeit durch Verdoppelung der CO2-Konzentration und die daraus resultierende Verringerung des abgegebenen IR-Flusses würde aufgrund einer starken Überlappung der IR-Spektralbänder von CO2 und H2O, den beiden Verbindungen, die in erster Linie für die Treibhauseigenschaften der Atmosphäre verantwortlich sind, einen relativ geringen zusätzlichen Effekt hervorrufen.
Berechnen von einer Verdoppelung des CO2 ab dem vorindustriellen Niveau von 0,03%[300 ppm]: Formel im Text] Berechnete Temperatur nach Verdoppelung von CO2 auf 0,06%[600 ppm] ≈ 288,11 K. Die Klimasensitivität gegenüber CO2 beträgt ≈ 288,14 - 288,11 ≈ - 0,03 K.
Die Änderung wäre in der Tat extrem klein und schwer genau zu schätzen, würde aber in der Größenordnung von -0,03°C liegen. Das heißt, hundertmal kleiner als die in den Berichten des IPCC genannte "wahrscheinliche" Klimasensitivität von 3°C und wahrscheinlich auch das umgekehrte Vorzeichen[Kühlung]. Selbst diese kleine Zahl wäre wahrscheinlich eine maximale Veränderung, denn wenn fossile Brennstoffe verbrannt werden, um das emittierte CO2 zu erzeugen, wird auch atmosphärisches O2 verbraucht, wodurch dieses Gas in der Atmosphäre reduziert wird - und jede durch das zusätzliche CO2 verursachte Temperaturänderung ausgeglichen wird. Diese Klimasensitivität ist bereits so gering, dass es unmöglich wäre, in der realen Atmosphäre zu erkennen oder zu messen, noch bevor der Verbrauch von atmosphärischem O2 berücksichtigt wird.
Einführung: In den letzten Jahren hat sich die Sorge um eine mögliche unbeabsichtigte Klimaänderung durch menschliche Aktivitäten verstärkt (SMI, 1971; Matthews et al., 1971). Infolgedessen wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um prädiktive globale Klimamodelle zu entwickeln (Budyko, 1969, 1972; Sellers, 1969, 1973) oder die klimatische Wirkung von Luftschadstoffen anderweitig zu bewerten (siehe z.B. Manabe, 1971; Lamb, 1970; Rasool und Schneider, 1971; Bryson, 1972; Mitchell, 1970). Diese Bemühungen waren nützlich bei der Bereitstellung vorläufiger Vorhersagen und haben sicherlich mehr Interesse und sogar Kontroversen ausgelöst. Die klimatischen Modelle haben sich jedoch stark auf vereinfachte empirische Parametrisierungen gestützt, und im Allgemeinen war keine der Bewertungen sehr umfassend für viele der dynamischen Rückkopplungsmechanismen der Erdatmosphäre. So sind beispielsweise Wolken aufgrund ihres hohen Reflexionsvermögens im sichtbaren Bereich und der Absorptionsemission im Infrarot einer der wichtigsten Faktoren, die das Strahlungsgleichgewicht des Erdatmosphärensystems beeinflussen können.
In Abb. 6 stellen wir die Ergebnisse der Veränderung des atmosphärischen Aerosols aus dem angenommenen Tageswert von etwa 0,1 optischen Tiefeneinheiten dar. ..... Eine Verdoppelung bewirkt einen Rückgang der mittleren jährlichen globalen Oberflächentemperatur um 1K, während ein vierfacher Anstieg etwas mehr als ein Rückgang um 3K bewirkt. .... Wie in Fig. 7 zu sehen ist, erhöht eine Verdoppelung von CO2 die mittlere jährliche globale Oberflächentemperatur nach unserem dynamischen Modell um etwa 0,7K, aber eine Versechsfachung erhöht nur die Temperatur um 1,7K. Die Nichtlinearität ist auf die Sättigung des 15 µm Bandes zurückzuführen.
Infolgedessen wird die Klimasensitivität für eine Verdoppelung des CO2 auf 0,7K geschätzt (mit dem Konfidenzintervall 0,5K - 1,3K bei 99%). Dieses Beobachtungsergebnis zeigt, dass die von der IPCC AR4 angegebenen Modellsensitivitäten wahrscheinlich größer sind als die aus den Beobachtungen geschätzten Möglichkeiten.
Das zentrale Dogma wird in der anthropogenen Theorie der globalen Erwärmung (AGW) des IPCC kritisch bewertet, da die Planck-Antwort 1,2K beträgt, wenn CO2 verdoppelt wird. Die erste Grundlage dafür sind eindimensionale Modellstudien mit der Annahme einer festen Sturzrate von 6,5K/km. Es scheitert am Fehlen der Parameter Sensitivitätsanalyse der Verfallsrate für die CO2-Verdopplung. Die zweite Grundlage ist die Planck-Reaktionsberechnung von Cess im Jahr 1976 mit einem mathematischen Fehler. Daher wird die AGW-Theorie zusammen mit der kanonischen Klimasensitivität von 3K unter Verwendung des Strahlungszwangs von 3,7W/m2 für die CO2-Verdopplung zusammengebrochen. Die Empfindlichkeit des Oberflächenklimas beträgt in dieser Studie 0,14 - 0,17 K mit einer Strahlungsintensität von 1,1 W/m2.
Die Potenz von Kohlendioxid als Treibhausgas
Gemäß dieser Studie beinhaltet der üblicherweise verwendete radiative Forcierungswert (RF) von 3,7 Wm-2 für die CO2-Konzentration von 560 ppm eine Wasserrückführung. Der gleiche Wert ohne Wasserrückführung ist 2,16 Wm-2, was 41,6 % kleiner ist. Spektralanalysen zeigen, dass der Beitrag von CO2 im Treibhausphänomen (GH) etwa 11 % und die Wasserstärke im gegenwärtigen Klima im Vergleich zu CO2 15,2 beträgt. Der Autor hat den Wert der Klimasensitivität (CS) und des Klimasensitivitätsparameters (l) anhand von drei verschiedenen Berechnungsgrundlagen analysiert. Diese Methoden beinhalten Energiebilanzberechnungen, Infrarot-Strahlungsabsorption in der Atmosphäre und die Veränderungen der ausgehenden langwelligen Strahlung an der Spitze der Atmosphäre. Gemäß den analysierten Ergebnissen liegt das Gleichgewicht CS (ECS) bei maximal 0,6 °C und der beste Schätzwert von l bei 0,268 K/(Wm-2) ohne Rückkopplungsmechanismen.
Unter Einbeziehung von Sonnen- und Wolkeneffekten sowie aller relevanten Rückkopplungsprozesse ergeben unsere Simulationen eine Gleichgewichtsklimasensitivität von CS = 0,7 °C (Temperaturerhöhung bei verdoppeltem CO2) und eine Sonnensensensensitivität von SS = 0,17 °C (bei 0,1 % Erhöhung der Gesamtsolarstrahlung). Dann trägt CO2 40 % und die Sonne 60 % zur globalen Erwärmung im letzten Jahrhundert bei.
Schätzungen der 2xCO2 Gleichgewichtsklimasensitivität (EqCS) ergeben sich aus dem Betrieb globaler Klimamodelle (GCMs) zum Gleichgewicht. Schätzungen der effektiven Klimasensitivität (EfCS) sind die entsprechenden Größen, die durch transiente GCM-Ausgabe oder Beobachtungen erhalten werden. Der EfCS-Ansatz verwendet ein begleitendes Energiebilanzmodell (EBM), wobei das nulldimensionale Modell (ZDM) Standard ist. Die GCM-Werte von EqCS und EfCS variieren stark[IPCC-Bereich: (1,5, 4,5)°C] und haben sich in den letzten 35 Jahren nicht angeglichen. In jüngster Zeit wurde versucht, den EfCS-Ansatz durch den Einsatz von Zwei-Zonen-EBMs (tropisch/außenpolitisch) zu verfeinern. Bei Anwendung mit Satellitenstrahlungsdaten ergeben diese niedrige und eng begrenzte EfCS-Werte in der Nähe von 1°C. .... Die zentrale Schlussfolgerung dieser Studie ist, dass die Missachtung der niedrigen Werte der effektiven Klimasensitivität (≈1°C), die durch Beobachtungen mit der Begründung gegeben werden, dass sie nicht mit den größeren Werten des Gleichgewichts oder der effektiven Klimasensitivität der GCMs übereinstimmen, während die GCMs selbst den beobachteten Wert des tropischen Strahlungsreaktionskoeffizienten nicht richtig darstellen, ein Standpunkt ist, der überdacht werden muss.
Das konventionelle Klimagrundmodell wendet die "Grundlagenphysik" auf das Klima an und schätzt die Empfindlichkeit gegenüber CO2. Es hat jedoch zwei schwerwiegende Architekturfehler. Es erlaubt Rückmeldungen nur als Reaktion auf die Oberflächenerwärmung, so dass die treiberspezifischen Rückmeldungen weggelassen werden. Es behandelt extra absorbiertes Sonnenlicht, das die Oberfläche erwärmt und die ausgehende langwellige Strahlung (OLR) erhöht, ebenso wie zusätzliches CO2, das OLR aus Kohlendioxid in der oberen Atmosphäre reduziert, aber nicht die gesamte OLR erhöht. Das Feedback zur Umleitung wird vorgeschlagen. Eine steigende CO2-Konzentration erwärmt die obere Troposphäre, erwärmt die Wasserdampf-Emissionsschicht und einige Wolkenoberseiten, die mehr OLR emittieren und in niedrigere und wärmere Höhen absinken. Diese Rückmeldung löst die Nichtbeachtung des "Hotspots" auf. Es wird ein alternatives Modell entwickelt, dessen Architektur die Fehler behebt. Durch die Summierung der (Oberflächen-)Erwärmungen durch Klimafaktoren anstelle ihrer Forcierungen ermöglicht sie fahrerspezifische Forcierungen und eine separate CO2-Reaktion (das konventionelle Modell wendet die gleiche Reaktion, die Sonnenreaktion, auf alle Forcierungen an). Es gilt auch eine Strahlungsbilanz, die OLR aus den Eigenschaften der Emissionsschichten schätzt. In Anlehnung an die Klimadaten des alternativen Modells stellen wir fest, dass die Gleichgewichtsklimasensitivität höchstwahrscheinlich weniger als 0,5°C beträgt, wobei ein Anstieg des CO2 höchstwahrscheinlich weniger als 20% der globalen Erwärmung in den 1970er Jahren verursacht hat, und die CO2-Antwort weniger als ein Drittel so stark ist wie die Sonnenreaktion. Das konventionelle Modell überschätzt die Potenz von CO2, da es die starke Sonnenreaktion anstelle der schwachen CO2-Reaktion auf den CO2-Trieb anwendet.
Fazit: Gefährliche anthropogene Erwärmung wird in Frage gestellt (i) nach der Erkennung der großen Amplitude der natürlichen 60-jährigen zyklischen Komponente und (ii) nach der Überarbeitung der transienten Klimareaktion nach unten, die den neuesten Tendenzen in Abb. 1 entspricht, wobei hier höchstens 0,6 °C nach Entfernung der natürlichen Komponente festgestellt wurden, was mit den neuesten Infrarotstudien übereinstimmt (Harde, 2014). Anthropogene Erwärmung weit unter dem potenziell gefährlichen Bereich wurde in älteren und neueren Studien berichtet (Idso, 1998; Miskolczi, 2007; Paltridge et al., 2009; Gerlich und Tscheuschner, 2009; Lindzen und Choi, 2009, 2011; Spencer und Braswell, 2010; Clark, 2010; Kramm und Dlugi, 2011; Lewis und Curry, 2014; Skeie et al., 2014; Lewis, 2015; Volokin und ReLlez, 2015). Bei der Untersuchung eines so abgeschwächten Risikos einer anthropogenen Erwärmung wird ein Paradigmenwechsel vorgeschlagen, der einen Nutzen für die Menschheit im Zusammenhang mit der Steigerung der Pflanzenernährung und der Ernteerträge durch eine verbesserte CO2-Photosynthese aufzeigt.
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Experten gehen davon aus, dass es eine langwellige Infrarotstrahlung (LWIR) von 2W/m2 gibt, die die globale Erwärmung verursacht. Ich schlage vor, dass die Qualität dieses 2W der Strahlung zur Bestimmung entscheidend ist, ob sie irgendeine atmosphärische Erwärmung überhaupt verursacht. Erstens einige Kernpunkte, die meines Erachtens Fakten sind und nicht umstritten sind.
Mein Verständnis von Thermodynamik und Strahlung von CO2 ist wie folgt:
- In der Thermodynamik ist die Temperatur die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen in einem Körper (fest oder gasförmig).
- Die Temperatur eines Luftvolumens hat nichts mit der Menge an Strahlung zu tun, die durch sie hindurchgeht (manchmal von Wissenschaftlern als Wärme bezeichnet). Solange diese Strahlung nicht auf einer Frequenz ist, die von der Luft absorbiert werden kann, ist ihre Temperatur von der Strahlung völlig unbeeinflusst (ohne jegliche Konvektionsheizung). z. B. auf dem Gipfel des Mount Everest gibt es dort viel Sonnenenergie (lange und kurze Wellenstrahlung), wenn die Sonne scheint, die Temperatur aber immer noch kalt ist.
- Verschiedene Gase haben unterschiedliche Emissionsspektren. Zum Beispiel absorbieren oder emittieren Sauerstoff und Stickstoff keine langwellige Infrarotstrahlung (LWIR) und werden daher nicht als "Treibhausgase" betrachtet.
- Die Temperatur eines Körpers (Gas, Flüssigkeit oder Feststoff) beeinflusst direkt die Wellenlänge der Strahlung, die er emittiert und absorbiert.
- Die Temperatur eines Körpers (Gas, Flüssigkeit oder Feststoff) beeinflusst direkt die Wellenlänge der Strahlung, die er emittiert und absorbiert.
Das Absorptionsspektrum von Kohlendioxid zeigt, dass es LWIR bei drei verschiedenen engen Wellenlängen absorbiert. Zwei dieser Wellenlängen treten bei Temperaturen auf, die zu heiß sind, um in der Atmosphäre zu existieren, die verbleibende Wellenlänge beträgt 15 um.
15um entspricht 2898 ÷ 15 = 193K = -80C oder -122F. In der Atmosphäre tritt diese Temperatur nur etwa 90-100 km hoch in der Atmosphäre auf.
Kohlendioxid emittiert und absorbiert Strahlung nur bei -80°C von einer engen Schicht Atmosphäre 90 km über der Erdoberfläche.
Jetzt müssen wir also die Qualität dieser 15 um-Strahlung und ihre Fähigkeit, die untere Atmosphäre zu erwärmen, untersuchen. Dazu müssen wir die Grundlagen der Quantenphysik verstehen, wie sie in 101 Vorlesungen für Physik- und Ingenieurstudenten an der Universität gelehrt werden. Geständnis:
Ich bin Ingenieur, aber ausgebildet, bevor die Quantenphysik in Universitätskurse eingeführt wurde, so dass ich Autodidakt bin, daher brauche ich eine Vernunftprüfung. Da kommen Sie ins Spiel, lieber Leser.
Die Eckpunkte in der Quantenphysik, was die Strahlungswärmeübertragung betrifft, sind:
- Moleküle haben ein oder mehrere Elektronen, die sie umkreisen. Ihre Umlaufhöhe ist nicht variabel, sondern fest eingestellt. Die Elektronen umkreisen nur in bestimmten Höhenlagen, je näher am Molekül, desto geringer ist die kinetische Energie des Moleküls und desto niedriger die Temperatur des Moleküls.
- Damit sich ein Molekül aufwärmen kann (mit mehr kinetischer Energie), braucht es seine Elektronen, um sich in eine höhere, energetischere Umlaufbahn zu bewegen. Dies kann auf zwei Arten geschehen: entweder durch Kollision mit einem energetischeren Molekül oder durch Strahlung.
- Damit sich ein Elektron auf eine höhere Umlaufbahn aus Strahlung bewegen kann, muss es ein Photon mit ausreichender Energie empfangen, damit ein Elektron diese höhere Umlaufbahn erreichen kann.
- Photonen mit zu viel Energie heben das Elektron auf die höhere Umlaufbahn, dann strahlt das Molekül sofort überschüssige Energie wieder ab.
- Photonen, die nicht genügend Energie haben, um die Umlaufbahn eines der Elektronen anzuheben, werden entweder gestreut oder sofort nachgestrahlt (effektiv reflektierend oder streuend), ohne dass sich die kinetische Energie oder Temperatur des Moleküls ändert.
- Das Photon muss eine Frequenz haben, die mit dem Molekül mitschwingt, ansonsten wird das Photon sofort gestreut oder reflektiert, ohne dass es zu einer Temperaturänderung des Moleküls kommt.
- Kohlendioxid kann nur Langwellige Infrarotstrahlung (LWIR) absorbieren und bei 15 Mikrometern, einem Bruchteil des LWR-Spektrums, abstrahlen.
- Elektronen, die Moleküle einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers umkreisen, benötigen mehr Energie, um den Orbit eines Elektrons zu verstärken, als Elektronen in einem Gas, benötigen also wieder mehr energetische Photonen, um sie zu erwärmen.Daher verstehe ich, dass es dem LWIR, der von einem kalten CO2-Molekül mit niedrigem Energiebedarf emittiert wird, unmöglich ist, die notwendige Energie zu haben, um ein Molekül in der Atmosphäre wärmer als -80C zu erwärmen und sicherlich kein Molekül in einer Flüssigkeit (EG-Wasser) oder einem Festkörper, da ihre Elektronen noch mehr Energie benötigen.
- LWIR aus CO2 springt einfach um die Atmosphäre herum, bis es in den Weltraum entweicht und keine Erwärmung der unteren Atmosphäre verursacht. Das Energieniveau dieser 2W von LWIR ist zu gering, um irgendwelche Auswirkungen zu haben. Es muss näher bei 10um sein, um energetisch genug zu sein, um etwas zu erwärmen.
Der Gedanke, Wärme in der Atmosphäre mit CO2 einzufangen, ist also falsch. Ja, LWIR aus CO2 wird länger in der Atmosphäre zurückgehalten, aber es hüpft einfach herum, bis es in den Raum entweicht, ohne eine Erwärmung zu verursachen.
Also habe ich Recht? Ich habe absichtlich keine Hinweise angefügt, weil ich möchte, dass Sie mein Verständnis unabhängig bestätigen oder verneinen. Wenn ich Ihnen meine Referenzen gegeben habe, die das Web kennen, kann es sein, dass Sie irrtümlich zu den gleichen Schlussfolgerungen kommen wie ich. Ich habe jedoch versucht, meine Forschung auf Universitätsarbeiten und Vorlesungsunterlagen zu beschränken, in der Hoffnung, dass sie zuverlässiger sind.
Wenn ich das richtig verstanden habe, ist CO2 verursachte globale Erwärmung nicht möglich. Wenn ich das nicht richtig verstanden habe, wie genau erwärmt LWIR von CO2 überhaupt etwas?
Was ist CO2 und für was ist es zwingend notwendig?
Vorwort
Im Web liest man immer wieder, dass CO2 ein schädliches Klimagas sei. Wenn Sie diese Aussage irgendwo lesen, ist es keine wissenschaftlich korrekte Darstellung, sondern bloser Klima-Sektismus. CO2 ist und war zu keiner Zeit ein Klimagas sondern ein Spurengas und es ist auch in keinster Weise für irgendwas schädlich.
Die Atmosphäre besteht aus 78.1% Stickstoff, 20.9% Sauerstoff, 0.93% Argon und einige Spurengase. Beim Bildungsserver werden Kohlendioxid und Ozon, wie auf fast allen sogenannten Pseudo-Wissens-Portalen, als Treibhausgase eingestuft. Das ist schlichtweg falsch! Es handelt sich dabei um Spurengase, welche bereits durch das geringe Vorkommen in der Atmosphäre nicht in der Lage sind, dieser Behauptung gerecht zu werden.
CO2 kommt in der Atmosphäre mit 0.0403% vor. Der anthropogene Anteil davon ist ca. 4%. 4% von 0.0403% sind 0.001612%. Oft wird 400 ppm (0.04%) als Mengenmass angegeben. Das bedeutet nichts anderes als 400 Moleküle auf 1 Million Moleküle. Davon sind 16 CO2 Moleküle anthropogener Herkunft.
In höheren Luftschichten nimmt der Anteil des CO2 aufgrund seiner 1.5 mal schwereren Masse exponentiell ab und beträgt auf 10'000 Metern Höhe noch ca. 4 Moleküle auf 1 Million. Wobei auch die restlichen Luftmoleküle in dieser Höhe wesentlich geringer vorkommen, als in Bodennähe. Das bedeutet, dass die gleiche Anzahl Moleküle eine grössere räumliche Fläche einnehmen, als in Bodennähe. Grosse Lücken vermindern mechanische Kollisionen der Moleküle, so dass durch die Thermodynamik abgeleitete Strahlungswärme ungehindert entweichen kann. CO2 wirkt in grossen Höhen als zusätzlicher Ableitungsverstärker.
Im Infrarot-Bereich kann CO2 nur im 15 Micrometer Bereich Wärme absorbieren und emittiert diese wieder, wenn eine mechanische Kollision mit anderen Molekülen auftritt. Funktioniert jedoch nicht mit allen molekühlen der Atmosphäre. Es tritt deshalb eine Sättigung der Wärmeaufname auf, so dass CO2 praktisch keine Wärme mehr aufnimmt.
Online liest man praktisch nichts über Wasserdampf, ist jedoch mit 4 % eines der wirksamsten Klimagase. Natürlich wird dies fast nicht mehr erwähnt, es würde die Lüge der Klimakirche ja auffliegen lassen.
Calvin-Zyklus
Der nach dem Entdecker benannte CALVIN-Zyklus beschreibt innerhalb der Fotosynthese der Pflanzen den Weg des Kohlenstoffdioxids bis zur Entstehung eines Kohlenhydrats. Für den Ablauf der chemischen Reaktionen, die im Stroma des Chloroplasten stattfinden, werden als Voraussetzungen lediglich ATP als Energiequelle und NADPH + H+ als Reduktionsmittel benötigt. Licht ist für diesen Vorgang nicht nötig. Die komplexen Vorgänge werden in drei Phasen eingeteilt. Zunächst erfolgt die Fixierung des Kohlenstoffdioxids an einen Akzeptor (Ribulose-1,5-bisphosphat). Das erste daraus entstehende stabile Produkt ist ein Molekül mit drei Kohlenstoffatomen: Glycerinsäure-3-phosphat. Pflanzen, die auf diesem Weg Kohlenhydrate herstellen, nennt man daher C3-Pflanzen. Neben diesem Weg haben Fotosynthesespezialisten in Anpassung an trockene Umweltbedingungen Mechanismen entwickelt, Kohlenstoffdioxid in ihren Blattgeweben vorläufig zu konzentrieren.
In einer zweiten Phase erfolgt über Zwischenprodukte unter Verbrauch von ATP und mithilfe von NADPH + H+ die Reduktion der Glycerinsäure-3-phosphat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat. Einige Moleküle dieses entstehenden Kohlenhydrats werden aus dem Kreisprozess ausgeschleust und sind die Grundlage für die Bildung weiterer Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße u. a. zur Speicherung von Energie. Die verbleibenden Glycerinaldehyd-3-phosphat-Moleküle werden im Kreislauf zur Regeneration des Akzeptors unter nochmaligem Verbrauch von ATP verwendet.
Fotosynthetisch aktive Pflanzen zeigen auch einen Gaswechsel (Sauerstoffverbrauch und Kohlenstoffdioxidabgabe), der im Licht wesentlich aktiver abläuft als im Dunkeln und wegen seiner Ähnlichkeit zur Atmung als Lichtatmung bzw. Fotorespiration bezeichnet wird.
Ende der 40er-Jahre verfolgten CALVIN und seine Mitarbeiter, wie aus radioaktiv markiertem Kohlenstoffdioxid in einem Kreisprozess Kohlenhydrate hergestellt wurden. Der nach seinem Entdecker MELVIN CALVIN (1911-1997) benannte CALVIN-Zyklus, bzw. die lichtunabhängigen Reaktionen (Dunkelreaktion) der Fotosynthese, laufen im pigmentlosen Stroma des Chloroplasten ab. Als Voraussetzungen für die Dunkelreaktion dienen ATP als Energiequelle und NADPH + H+ als Reduktionsmittel, die in den lichtabhängigen Reaktionen (Lichtreaktion der Fotosynthese) bereitgestellt worden sind. Licht ist während dieses Prozesses nicht vonnöten.
Dabei ist zu beachten, dass sechs Kohlenstoffdioxidmoleküle in den Kreislauf eingeschleust werden müssen, um zwei Moleküle des Primärprodukts Glycerinaldehyd-3-phosphat für eine weitere Verwertung zu Glucose und anderen organischen Stoffen herzustellen.
Die ablaufenden chemischen Prozesse und die entstehenden Produkte sind dabei den Vorgängen der Zellatmung ähnlich.
Die komplexen Reaktionen des CALVIN-Zyklus werden in folgende Teilprozesse unterteilt:
Phase 1: Fixierung des Kohlenstoffdioxids (Carboxylierungsphase)
Den Einbau des Kohlenstoffdioxids in organische Verbindungen bezeichnet man als Kohlenstoffdioxidfixierung. Ribulose-1,5-bisphosphat, ein Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen, das durch die Anlagerung zweier Phosphatgruppen besonders energiereich ist und als Akzeptor dient, bindet Kohlenstoffdioxid. Die dabei entstehende instabile Zwischenverbindung mit sechs Kohlenstoffatomen im Molekül zerfällt sofort in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerinsäure. Dieses Molekül mit drei Kohlenstoff-Atomen ist das erste stabile Produkt im CALVIN-Zyklus.
Pflanzen, die nur auf diesem Weg Kohlenstoffdioxid binden können, werden zu den C3-Pflanzen zusammengefasst und sind die am häufigsten vertretenen unter den Pflanzen. Neben diesem Weg können Fotosynthesespezialisten (C4-Pflanzen, CAM-Pflanzen) in Anpassung an sonnige, trockene Standorte Kohlenstoffdioxid durch andere Mechanismen vorläufig als organische Säuren binden, bevor sie dann später mithilfe des CALVIN-Zyklus Kohlenhydrate daraus herstellen.
Die Bindung des Kohlenstoffdioxids an den Akzeptor
Ribulose-1,5-bisphosphat wird durch eine Carboxylase (Rubisco) gesteuert, die vermutlich weltweit mengenmäßig das häufigste Enzym ist.
Phase 2: Reduktion
Bei der Reduktion bindet die 3-Phosphoglycerinsäure eine bei der ATP-Spaltung frei werdende Phosphatgruppe. Die entstehende 1,3-Diphosphoglycerinsäure wird durch die Elektronen des NADPH + H+ zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) reduziert, wobei aus der Carboxylgruppe (-COOH) die energiereichere Carbonylgruppe (-CHO) entsteht. Glycerinaldehyd-3-phosphat ist ein Kohlenhydrat mit drei Kohlenstoffatomen (Triose). Zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat werden aus dem Kreislauf zur weiteren Verwertung entlassen, wobei über mehrere Zwischenprodukte (z. B. Fructose-1,6-diphosphat) andere organische Stoffe sowie weitere Kohlenhydrate (Glucose, Saccharose), Fette und Eiweiße u. a. zur Speicherung von Energie entstehen.
Phase 3: Regeneration des Akzeptors
Während der Regeneration des Akzeptors entsteht aus den verbleibenden Glycerinaldehyd-3-phosphat-Molekülen zunächst über mehrere Zwischenprodukte, C3-,C4-, C5- und C7-Verbindungen, Ribulose-5-phosphat. Bevor dann daraus unter Spaltung von ATP und Anlagerung einer Phosphatgruppe der Akzeptor Ribulose-1,5-bisphosphat regeneriert wird.
Die lichtunabhängigen Reaktionen lassen sich für die Bildung eines Glucosemoleküls folgendermaßen zusammenfassen:
Die Coenzyme NADP+ und ADP + P werden durch die lichtabhängigen Reaktionen wieder regeneriert, sodass sie wieder für den Ablauf des CALVIN-Zyklus zur Verfügung stehen.
Wenn man alle Prozesse der lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen berücksichtigt, ergeben sich folgende Gesamtgleichungen :
Dabei wird eine Energiemenge von 2 877 kJ benötigt, um ein Mol Glucose zu bilden.
Fotosynthetisch aktive Pflanzen zeigen einen zur Fotosynthese in Konkurrenz stehenden Prozess, der Lichtatmung oder Fotorespiration genannt wird. Ausgangspunkt für diesen Prozess ist die Doppelfunktion des Enzyms für die Fixierung von Kohlenstoffdioxid an den Akzeptor Ribulose-1,5-bisphosphat. Neben der Steuerung der Kohlenstoffdioxidfixierung ist es auch für die Bindung von Sauerstoff verantwortlich und wirkt als Oxygenase. Das Konzentrationsverhältnis von Sauerstoff- bzw. Kohlenstoffdioxid entscheidet über den Reaktionsverlauf.
Bei hoher Sauerstoff- aber geringer Kohlenstoffdioxidkonzentration wirkt das Enzym als Oxygenase und bindet Sauerstoff. Unter natürlichen Bedingungen (20 % , 0,03 % ) verlieren C3-Pflanzen ca. 50 % des assimilierten Kohlenstoffs, der energetisch nutzlos wieder in Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird. Die Bedeutung dieses Prozesses ist bis heute unklar.
Bei geringem Sauerstoffgehalt im Vergleich zu hoher Kohlenstoffdioxidkonzentration überwiegt die Fixierung von Kohlenstoffdioxid, so wird die Fotorespiration gehemmt und die Nettofotosynthese steigt. Fotosynthesespezialisten (C4- und CAM-Pflanzen) zeigen im Gegensatz zu C3-Pflanzen keine Fotorespiration, da ihr Enzym für die Kohlenstofffixierung (PEP-Carboxylase) keinen Sauerstoff binden kann.
Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Spurengas. Es ist mit einer Konzentration von ca. 0,04 % (derzeit 400 ppm entspr. 0,0403 %) ein natürlicher Bestandteil der Luft. Es entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff als auch im Organismus von Lebewesen als Kuppelprodukt der Zellatmung. Das CO2 wird dabei über den Atem abgegeben. Umgekehrt sind Pflanzen, manche Bakterien und Archaeen in der Lage, CO2 durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen beispielsweise bei der Photosynthese aus anorganischem CO2 Glukose.
Biologische Aspekte des Spurengases CO2
Bei der Einatmung kommt Sauerstoff (O2) in die Lunge, bei der Ausatmung wird Kohlendioxid (CO2) aus der Lunge abgegeben. Im Inneren des Körpers geht die Atmung jedoch weiter, denn der Sauerstoff wird an die roten Blutkörperchen gebunden, wandert zu den Organen und wird dann gegen Kohlendioxid ausgetauscht. Dieses fließt dann mit dem Blut in die Lunge zurück, wo es abgeatmet wird. Da über das CO2 der Säure-Basen-Haushalt des Körpers mitgesteuert wird, wird in der Regel mit den Blutgasen gleichzeitig der Säure-Basen-Haushalt des Körpers mit erfasst. Hier spielen neben der Lunge auch die Niere und die Leber eine wichtige Rolle.
Kohlendioxid wird im Blut in drei Formen transportiert: im Plasma gelöst, als Bikarbonat, und an Proteine in Form von Carbaminoverbindungen gekoppelt.
Bicarbonat stellt den größten Anteil des CO2 im Blut dar (~88%).
Auf der venösen Seite der systemischen Kapillaren gelangt CO2 in die roten Blutkörperchen (RBC), wo es sich mit Wasser zu Kohlensäure (H2CO3) verbindet. Diese Reaktion wird durch das Enzym Carbonic Anhydrase (CA) katalysiert, das sich in RBC's befindet. Die Kohlensäure dissoziiert dann zu Bicarbonationen (HCO3-) und Wasserstoffionen (H+). Diese Reaktion tritt auch außerhalb der RBC's, im Plasma auf, aber sie ist viel langsamer aufgrund des Fehlens von CA.
CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
In den Lungenkapillaren geschieht das Gegenteil: Bikarbonationen gelangen in den RBC und bilden zusammen mit H+ Kohlensäure, die in CO2 und H2O zerlegt wird, während CO2 in Alveolen diffundiert.
Zwei Faktoren machen den Bicarbonat-Puffer zum wichtigsten Puffersystem im Blut: Zum einen ist der Bikarbonatspiegel des Blutes ziemlich hoch (etwa 24 mmol/l), zum anderen ist es ein offenes System — überschüssiges CO2 kann über die Lunge abgeatmet werden und der HCO3--Spiegel des Blutes kann durch die Niere reguliert werden. Auf diese Weise kann der pH-Wert des Blutes konstant gehalten werden (Säure-Basen-Homöostase).
Die Wichtigkeit des Bicarbonat-Puffers und seine körperweite Verbreitung wird durch Betrachtung des oxidativen Metabolismus des Körpers ersichtlich. Der oxidative Metabolismus produziert ständig CO2. Im Bicarbonat-Puffersystem wird dann CO2 mit H2O kombiniert, um Kohlensäure (H2CO3) zu bilden, die wiederum teilweise in H+-Ionen und Bikarbonat (HCO3-) zerfällt.
Obwohl die chemische Reaktion CO2 + H2O H2CO3 spontan stattfindet, wird sie auch durch das Enzym Carboanhydrase, eines der schnellsten bekannten Enzyme, erleichtert.
Der Bicarbonat-Puffer wirkt zusammen mit dem Ammonium-Puffer vor allem im Blutplasma. Intrazellulär herrschen andere Verhältnisse und dort sind vor allem der Phosphat-Puffer und der Protein-Puffer essentiell.
CO2 notwendig für Meeresbewohner
Die meisten Korallen brauchen zum Überleben sogenannte Zooxanthellen. Das sind Algen, die sich in der Außenhaut des Polypen ansiedeln. Alge und Polyp leben in einer Symbiose, also in einer biologischen Zweckgemeinschaft, die beiden Seiten Vorteile bringt. Die Zooxanthellen sind einfache, einzellige Lebensformen, die in einem direkten Stoffwechsel mit dem Polypen stehen. Mit Wasser und dem Kohlendioxid, das der Polyp ausscheidet, betreiben sie Photosynthese. Dabei nutzen sie die Energie der Sonnenstrahlen für einen chemischen Prozess, bei dem Sauerstoff und Glukose entstehen. Der Polyp braucht diese Stoffe zum Überleben.
Im Austausch erhalten die Zooxanthellen vom Polypen lebenswichtige Nährstoffe. Auf einer Außenfläche von einem Quadratzentimeter siedeln sich zirka eine Million dieser Algenzellen an. Sie sind es auch, die den Korallen ihre Farbe geben und deren Form bestimmen.
Da die Algen das Sonnenlicht für ihren Stoffwechsel brauchen, wächst die Koralle Richtung Sonne. Wenn eine im Riff unten gelegene Koralle in den Schatten einer weiter oben gelegenen kommt, verzweigt sie sich und wächst, wie die Äste eines Baums, Richtung Licht.
So kann es geschehen, dass genetisch identische Polypen gänzlich unterschiedlich aussehende Korallen bilden. Die Vielfalt der Anpassungsmöglichkeiten hat einen starken Einfluss auf ihr Aussehen.
"Wie bauen" die Korallen ein Riff?
Die Grundbausteine für sein Kalkskelett findet der Polyp im Meerwasser. Es sind Kalzium-Ionen und Kohlendioxid. Diese beiden Stoffe werden in den skelettaufbauenden Zellen des Polypen in Kalzium-Karbonat verwandelt. Je mehr Kohlendioxid die Zooxanthellen dem Stoffkreislauf der Koralle entnehmen, desto größer ist die Produktion von Kalzium-Karbonat.
Auch hier zeigt sich, wie gut die Symbiose zwischen Alge und Polyp funktioniert. Die Alge nutzt das Kohlendioxid, um durch die Photosynthese Nährstoffe für sich und den Polypen zu produzieren. Dabei hilft sie ihm gleichzeitig, sein Skelett auszubauen, das ihn und die Alge vor gefährlichen Umwelteinflüssen schützt.
Willis Eschenbach
Einer der Gründe, warum ich einen so großen Teil meines Lebens im tropischen Südpazifik verbracht habe, ist das Tauchen. Korallenriffe sind eines der erstaunlichsten Ökosysteme auf dem Planeten. Sie kochen über vor Energie, Bewegung und Farben. Ich habe hunderte und aberhunderte Stunden im Wasser verbracht, sowohl mit Schnorcheln als auch mit einem Atemgerät. Die meiste Zeit habe ich einfach nur die endlose Vielfalt der Riffbewohner bewundert, von kleinen und großen.
Infolgedessen habe ich ein langfristiges Interesse an den behaupteten Effekten gehabt, die Leute sagen, dass erhöhtes CO2 auf den Riffen hat. Durch die Zugabe von CO2 in die Luft wird das natürlich alkalische Meerwasser leicht neutralisiert. Beachten Sie, dass dies zwar eine Änderung des pH-Wertes durch die Erhöhung des CO2 ist, aber normalerweise als "Versauerung" des Ozeans bezeichnet wird, das ist nur eine alarmierende Terminologie. Da das zusätzliche CO2 den Ozean neutraler macht, kann es den Ozean nicht "versauern". Zumindest wenn die englische Sprache allgemein verstanden wird, kann etwas nicht neutraler und gleichzeitig "saurer" sein.]
In den letzten fünf Jahren oder so (siehe die Liste meiner früheren Beiträge in den letzten Anmerkungen), habe ich gesagt, dass die leichte Neutralisierung des Ozeans durch den anhaltenden Anstieg des CO2 für die Korallenriffe keinen Unterschied machen wird. Insbesondere habe ich festgestellt, dass sich der pH-Wert über Korallenriffen im Laufe einer Flut um einen vollen pH-Wert ändern kann. Ich habe auch darüber gesprochen, dass Korallenriffe oft eine CO2-Quelle sind und somit das Riff selbst den pH-Wert des Riffwassers herabsetzt (neutralisiert, fälschlicherweise als " säuerlich " bezeichnet). Meiner Meinung nach war es aufgrund dieser Tatsachen sehr unwahrscheinlich, dass eine kleine Neutralisierung des Ozeans einen signifikanten Unterschied in den Korallenriffen machen würde.
Da ich diese Trommel fünf Jahre lang geschlagen habe, war ich heute froh, einen Artikel auf Phys.org mit dem Titel Erhöhung des Säuregehalts zu sehen, der für Korallenriffe doch nicht schädlich sein könnte. Es wird ein gebührenpflichtiges Papier mit dem Titel Shifts in coral reef biogeochemistry and resulting acidification linked to offshore productivity diskutiert.
Der Phys.org-Artikel bringt es sehr deutlich zum Ausdruck:
Um besser zu verstehen, was mit Korallenriffen passieren könnte, wenn mehr Kohlendioxid durch einen Anstieg des Gases in der Atmosphäre durch menschliche Emissionen in die Ozeane gelangt, richteten die Forscher Überwachungsvorrichtungen entlang eines Korallenriffs vor der Küste der Bermudas ein - die Informationen der Sensoren wurden fünf Jahre lang (2007 bis 2012) beobachtet. Das Team hatte auch Zugriff auf Daten von einer Ozeanchemie-Überwachungsstation, die etwa 80 Kilometer von ihrem Studienort entfernt lag. Die kombinierten Daten boten eine einzigartige Perspektive auf die Korallenaktivität.
Bei der Untersuchung der Daten stellten die Forscher fest, dass es 2010 und 2011 zu Stacheln von Phytoplanktonblüten kam, die sich auf den Weg zum Korallenriff machten und mehr Nahrung als sonst für die Koralle boten. Die Koralle reagierte mit Wachstum, was dazu führte, dass sie mehr alkalisches Carbonat aus dem umgebenden Wasser zog und es säurehaltiger machte. Mehr zu essen führte auch dazu, dass die Korallen mehr Kohlendioxid ins Wasser ausstoßen. Das Ergebnis war ein starker Anstieg der Säure auf einen höheren Wert, als für die Zukunft aufgrund menschlicher Emissionen vorhergesagt wurde - dennoch florierte die Koralle weiter.
Diese Beobachtungen stehen im krassen Gegensatz zu der vorherrschenden Ansicht, dass ein Anstieg des Säuregehalts schädlich für Korallen ist, die zum Tode führen, wenn sie zu weit gehen. Aber die Werte, die von den Forschern mit dieser neuen Anstrengung gesehen wurden, deuten darauf hin, dass dies überhaupt nicht der Fall ist, und verwirren daher die Theorien über die Auswirkungen höherer Kohlendioxidwerte und wärmerer Temperaturen auf die Ozeane. Ein anderes Team aus Westaustralien bemerkte, dass die Ergebnisse, die von diesem neuen Team gefunden wurden, mit denen einer kleinen Studie übereinstimmten, die sie durchführten, wo sie Kisten um einige Korallen herum stellten und mit Kohlendioxid verrohrt wurden, ohne nachteilige Auswirkungen.
K. L. Yeakel et al. Veränderungen in der Biogeochemie des Korallenriffs und die daraus resultierende Versauerung im Zusammenhang mit der Offshore-Produktivität, Proceedings of the National Academy of Sciences (2015).
Bedeutung
Die Ozeanversauerung wird angenommen, um negative Auswirkungen auf die Ökosysteme der Korallenriffe zu haben, aber um zukünftige potenzielle Auswirkungen zu verstehen, ist es notwendig, die natürliche Variabilität und Kontrolle der Biogeochemie der Korallenriffe zu verstehen. Hier stellen wir eine 5-Jahres-Studie der Bermuda-Korallenriffplattform vor, die zeigt, wie schnelle interannuelle Versauerungsereignisse auf der lokalen Riffskala durch Verschiebungen in den biogeochemischen Prozessen des Riffs in Richtung einer Erhöhung der Netzkalkablagerung und der Netzatmung angetrieben werden. Diese biogeochemischen Veränderungen sind möglicherweise mit der Offshore-Produktivität verbunden, die letztendlich durch groß angelegte klimatologische und ozeanographische Prozesse gesteuert werden kann.
Abstract
Die ozeanische Aufnahme von anthropogenem Kohlendioxid (CO2) hat seit vorindustrieller Zeit das offen-ozeanische Oberflächenwasser um 0,1 pH-Einheiten versauert. Trotz eindeutiger Beweise für die Ozeanversauerung (OA) durch Messungen im offenen Meer in den letzten Jahrzehnten ist sie in Nearshore- und Korallenriffumgebungen noch nicht dokumentiert. Das Fehlen von Langzeitmessungen aus diesen Umgebungen schränkt unser Verständnis der natürlichen Variabilität und Kontrolle der CO2-Karbonat-Chemie und der Biogeochemie des Meerwassers ein, was für genaue Vorhersagen über die Auswirkungen zukünftiger OA auf Korallenriffe unerlässlich ist. Hier, in einer 5-jährigen Studie des Bermuda-Korallenriffs, zeigen wir Beweise dafür, dass Variationen in biogeochemischen Prozessen des Riffs zwischenjährliche Veränderungen des pH-Wertes des Meerwassers bewirken und Ωaragonite, die teilweise durch Offshore-Prozesse kontrolliert werden. In den Sommern 2010 und 2011 wurden schnelle Versauerungsereignisse beobachtet, die durch Verschiebungen in Richtung zunehmender Netzkalkablagerung und Netzheterotrophie getrieben wurden, wobei Häufigkeit und Ausmaß solcher Ereignisse einer erhöhten Offshore-Produktivität entsprachen. Diese Ereignisse fielen auch mit einem negativen North Atlantic Oscillation (NAO) Index zusammen, der historisch gesehen mit einer umfangreichen Offshore-Mischung und einer höheren Primärproduktivität am Standort Bermuda Atlantic Time-series Study (BATS) verbunden war. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Korallenriffe natürlichen interannuellen Ereignissen der schnellen Versauerung durch Verschiebungen in den biogeochemischen Prozessen des Riffs ausgesetzt sind, die mit der Offshore-Produktivität verbunden sein können und letztendlich von größeren klimatischen und ozeanographischen Prozessen kontrolliert werden.
Die Ozeanversauerung (OA), die sich aus dem Anstieg des atmosphärischen CO2 (1⇓-3) und dem damit verbundenen Rückgang des pH-Wertes und des Sättigungszustands des Oberflächenmeerwassers in Bezug auf CaCO3-Mineralien wie Aragonit (Ωaragonite =[Ca2+][CO32-]/Ksp*, wobei Ksp* das Ionenlöslichkeitsprodukt ist) ergibt, hat Bedenken hinsichtlich der möglichen Folgen für marine Kalziumer und Ökosysteme aufgeworfen (4, 5). Reduzierungen auf Ωaragonite haben sich negativ auf die organismische CaCO3-Produktion ausgewirkt (6) und beschleunigen gleichzeitig die Bioerosion und die CaCO3-Auflösung (7, 8). Daher wurde angenommen, dass sich die Korallenriffe von einem Zustand der Netzkalkablagerung in eine Netzauflösung verschieben könnten, wobei einige Modellschätzungen einen Übergang für weltweite Riffe bei atmosphärischen CO2-Werten von 560 ppm vorhersagen (5, 7).
Trotz wachsender Besorgnis über die Anfälligkeit von Korallenriffen hat ein Mangel an Langzeitmessungen eine direkte Beobachtung der anthropogenen OA aufgrund des zunehmenden CO2-Ausstoßes in der Atmosphäre in diesen Umgebungen verhindert. Darüber hinaus haben kurzfristige Beobachtungen eine große Variabilität und Modifikation der CO2-Carbonat-Chemie des Riffwassers auf tages- und saisonaler Ebene als Ergebnis biogeochemischer Prozesse wie Photosynthese, Atmung, Verkalkung und CaCO3-Auflösung ergeben (9, 10). Es wurde angenommen, dass diese natürlichen Prozesse, quantifiziert als Netto-Ökosystemproduktion (NEP = Brutto-Primärproduktion - autotrophe und heterotrophe Atmung) und Netto-Ökosystemkalkung (NEC = Brutto-Kalkung - Brutto-CaCO3-Auflösung), die lokale Meerwasserchemie so modulieren könnten, dass sich die Versauerungsrate auf Korallenriffen deutlich vom offenen Ozean unterscheidet (11). Folglich könnte das anthropogene OA-Signal durch biogeochemische Prozesse im Riff entweder gemildert oder verschärft werden (10⇓-12). Jahrhunderte lange Aufzeichnungen über den pH-Wert des Riffs, die aus 11B Korallenkernen gewonnen wurden, zeigen eine große Variabilität des pH-Wertes über dekadische Zeitskalen (13), was möglicherweise auf die dynamische Natur biogeochemischer Prozesse im Riff hinweist. Diese Aufzeichnungen des pH-Wertes allein (die jedoch eher abgeleitet als direkt gemessen werden) können jedoch nicht explizit die Treiber hinter den beobachteten Schwankungen des pH-Wertes des Meerwassers aufdecken. Langzeitmessungen der Biogeochemie von Riffen (und Offshore) sind daher notwendig, um die natürlichen Variationen und Kontrollen (ob biologisch, physikalisch ozeanographisch oder klimatisch) der CO2-Carbonat-Chemie am Riff zu verstehen und wie sich diese unter zukünftigen OA- und Klimaszenarien ändern werden.
Wir haben die CO2-Carbonat-Chemie des Meerwassers auf der Bermuda-Korallenriffplattform monatlich zwischen Juni 2007 und Mai 2012 gemessen und charakterisiert, um die zeitliche und räumliche Variabilität von Meerwasser pCO2, pH und Ωaragonite zu untersuchen. Diese Parameter wurden basierend auf Oberflächenmeerwassermessungen von Temperatur, Salzgehalt, gelöstem anorganischem Gesamtkohlenstoff (DIC =[CO2]+[HCO3-]+[CO32-]) und Gesamtalkalität[TA = Überschuss an Basen über Säuren im Vergleich zu einem Referenzzustand (14)] an vier diskreten Stellen auf einem die Korallenriffplattform durchquerenden Transekt berechnet (Abb. S1). Angesichts der großen Variabilität der CO2-Systemparameter des Riffs über saisonale Zeiträume ist ein 5-jähriger Datensatz zu kurz, um den säkularen Trend der anthropogenen OA zu erkennen. Zeitgleiche monatliche Messungen der nahegelegenen Station Bermuda Atlantic Time-series Study (BATS), die sich ∼80 km südöstlich von Bermuda im offenen Ozean des subtropischen Gyros des Nordatlantiks befindet (Abb. S1), ermöglichen es uns jedoch, Variationen in der Offshore-Wasserchemie von Veränderungen am Korallenriff aufgrund lokaler biogeochemischer Prozesse zu entschlüsseln.
Fig. S1.
Bathymetrie der Korallenriffplattform der Bermudas mit Zeitreihenstudien. Riffzeitreihen werden durch weiße Felder gekennzeichnet (Tynes Bay, TB; Dock Yard, DY; Mid Platform, MP; North Channel, NC). An jeder Station wurden von Juni 2007 bis Mai 2012 monatlich Wasserproben zur Messung von DIC, TA, Temperatur und Salzgehalt entnommen. Der weiße Pfeil zeigt die allgemeine Richtung des BATS-Studienplatzes ∼80 km vor der Küste (31°50′ N, 64°10′W). Kredit: Mandy Shailer, Department of Conservation Services, Regierung der Bermudas.
Relative Veränderungen in DIC und TA spiegeln die biogeochemische Aufteilung des Kohlenstoffs zwischen den anorganischen und organischen Kohlenstoffkreisläufen am Riff (15, 16) und das Gleichgewicht von NEP, NEC und CO2-Gasaustausch in der See wider. NEC ändert DIC und TA in einem Verhältnis von 1:2, wobei die Netzkalkabscheidung (NEC > 0) dazu dient, DIC und TA abzusenken, was zu einer Senkung des pH-Wertes von Meerwasser und Ωaragonite führt. NEP verändert hauptsächlich DIC, wobei die Nettoproduktion von organischem Kohlenstoff (NEP > 0) die DIC-Konzentrationen reduziert, wenn CO2 verwendet wird, und den pH-Wert erhöht und Ωaragonite. Der CO2-Gasaustausch zwischen Luft und Meer wirkt sich nur auf die DIC aus, übt aber in der Regel einen geringen Einfluss auf die DIC in Bezug auf NEC und NEP in Riffumgebungen mit Verweilzeiten von wenigen Tagen aus, wie beispielsweise auf den Bermudas (17, 18). Folglich kann der Vergleich der salinitätsnormalisierten Veränderungen in Meerwasser DIC und TA (nDIC und nTA) zwischen dem Riff und der Küste verwendet werden, um den relativen Beitrag und die Variabilität in Riff NEC und NEP über Zeit und Raum zu bewerten. Abweichungen zwischen Riff und BATS nTA-Konzentrationen zeigen das relative Ausmaß des Riff-NEC, während Abweichungen in nDIC, korrigiert um die Einflüsse von NEC und CO2-Gasaustausch zwischen Luft und Meer, das relative Ausmaß des Riff-NEP anzeigen. In der vorliegenden Studie haben wir diese Beziehungen genutzt, um den Einfluss biogeochemischer Prozesse auf die Chemie des Riff-Meerwasserkarbonats und die relative Zuordnung von NEC und NEP zu Veränderungen des Riff-pH und Ωaragonite zu bewerten (siehe Materialien und Methoden für weitere Details).
Resultate und Diskusion
Langfristiges OA-Signal Offshore.
Beobachtungen seit 1983 bei BATS und der Hydrostation S (eine weitere langfristige Zeitreihe bei Bermudas) zeigen einen Anstieg des Oberflächenmeerwassers nDIC um ∼1.20 ± 0.09 μmol kg-1⋅y-1 (2), angetrieben durch die ozeanische Aufnahme von anthropogenem CO2 (Abb. 1). Infolgedessen ist das Oberflächenmeerwasser vor der Küste der Bermudas weniger alkalisch geworden, wobei der temperatur- und salznormalisierte pH-Wert und Ωaragonite seit 1983 (2) um -0,05 bzw. -0,25 Einheiten gesunken sind. (Beachten Sie, dass in dieser Diskussion auf temperatur- und salznormalisierte Daten verwiesen wird.) Der zunehmende nDIC hat die meisten dieser Veränderungen bewirkt, während nTA relativ konstant geblieben ist. Überlagert von dem stetigen Anstieg des nDIC im Laufe der Zeit ist eine saisonale Schwingung zu erkennen, die große Schwankungen des pH-Wertes und Ωaragonite verursacht. Dies zeigt den Einfluss physikalischer, biologischer und klimatischer Prozesse auf die Kohlenstoffdynamik des Oberflächenmeeres, wobei der vorherrschende Treiber saisonale Phytoplanktonblüten sind, wie sie im durchschnittlichen Jahreszyklus beobachtet werden (z.B. Klimatologie, Abb. 2).
Zeitreihen von Meerwasser nTA, nDIC, pH und Ωaragonite, die von 1983 bis 2014 bei BATS und Hydrostation S beobachtet wurden. (A) Langzeitbeobachtungen von nTA (blau) und nDIC (orange) zeigen eine relativ stabile nTA im Zeitverlauf, wobei der nDIC aufgrund der Aufnahme von anthropogenem CO2 zunimmt. Zeitliche Veränderung des pH-Wertes (B) und Ωaragonite (C), getrieben durch zeitabhängige Veränderungen in nTA (blauer Bereich) und nDIC (oranger Bereich). Die dicke schwarze Linie stellt die Gesamtveränderung sowohl des pH-Wertes als auch von Ωaragonite dar, wobei sich diese im Vergleich zu den ersten Beobachtungen ändert.
Riff- und BATS-Beobachtungen zur Meerwasser-Karbonatchemie, 2007-2012. (A-D) Zeitreihen von Meerwasser nTA, nDIC, pH und Ωaragonite, die von 2007 bis 2012 bei BATS (blau) und über die Riffplattform (orange) beobachtet wurden. Riffdaten werden als individuelle Marker pro Standort mit durchschnittlich vier Standorten als Linie mit ±1SD schattiert dargestellt; (E-H) Klimatologie der gleichen Meerwasser-CO2-Parameter mit ±1SD schattiert. Schnelle Versauerungsereignisse zeigen sich in den kurzfristigen Beobachtungen am Riff (A-D), insbesondere im Sommer 2010. Die Klimatologie zeigt, dass die Sommerzeit im Riff nTA und nDIC sinkt, während der pH-Wert im Riff und Ωaragonite das ganze Jahr über relativ konstant bleiben. Der pH-Wert und Ωaragonite wurden auf Werte von 23,1 °C bzw. 36,6 g kg-1 sowohl für BATS- als auch für Riffdaten normiert.
Near-Shore biogeochemische Prozesse diktieren die Versauerung von Riffen.
Im 5-jährigen Untersuchungszeitraum zwischen 2007 und 2012 werden auf der Korallenriffplattform keine sichtbaren Trends bei den Parametern der Seewasser-CO2-Carbonat-Chemie beobachtet, die sich aus dem Anstieg des atmosphärischen CO2 ergeben (Abb. 2). Allerdings werden jedes Jahr große Verarmungen in nTA und nDIC im Vergleich zu BATS beobachtet, wobei das Ausmaß der Drawdown-Variablen auf der interannuellen Zeitskala berücksichtigt wird. Die Offshore-Variabilität der Seewasser-Karbonat-Chemie bei BATS ist repräsentativ für die Bedingungen im subtropischen Gyre des Nordatlantiks um Bermudas herum und bietet einen direkten Vergleich mit der Variabilität an Land am Bermuda-Riff. Trotz dieser Erschöpfung des Riffs nTA und nDIC bleiben der pH-Wert des Riffs und Ωaragonite vergleichsweise konstant, während vor der Küste ein vorhersagbares saisonales Muster der Versauerung während der gesamten 5-y-Studie anhält (Abb. 2).
Gelegentlich werden auf der Riffplattform schnelle Versauerungsereignisse beobachtet, insbesondere im August 2010, als der größte Unterschied im pH-Wert zwischen Riff und BATS (ΔpHREEF-BATS = -0,14, Abb. 3) beobachtet wurde. Die Klimatologie des pH-Wertes des Riffs und Ωaragonite zeigt, dass der Variabilitätsbereich größer ist und die Durchschnittswerte im Sommer im Vergleich zum Rest des Jahres etwas niedriger sind, was mit dem Rückgang und der maximalen Variabilität von nTA und nDIC zusammenfällt (Abb. 2 E-H).
Fig. 3.
Einfluss der NAO- und Offshore-Primärproduktivität auf die Dynamik der Riffkarbonatchemie. Zeitreihen von (A) NAO[monatlich in Grau und Winter (Dezember-März), Mittelwert in Schwarz]; (B) Windgeschwindigkeit (grün) und Mischschichttiefe (MLD) (schwarz); (C) Primärproduktion (PP); nTA (D) und nDIC (E) bei BATS (Felder) und über die Riffplattform (Kreise); (F) NEC (blau), NEP (rot) und CO2-Gasaustausch in der See (grün); und (G) die Beiträge von NEC, NEP und Gasaustausch in der See zu pH-Differenzen zwischen BATS und dem Riff (ΔpHREEF- BATS). Negative NAO-Winterereignisse verstärken die Sturmaktivität in subtropischen Gewässern um die Bermudas herum und vertiefen die MLD, die kälteres, relativ nährstoffreiches Wasser an die Oberfläche bringt und zu mehr PP führt. In den Jahren 2010 und 2011 fiel die MLD im tiefen Winter mit verstärkten Frühlingsblüten und einer verbesserten NEC im Spätsommer/Herbst zusammen, was zu einem stärkeren Absinken von nTA im gesamten Riff führte und somit die Versauerung vorantrieb. Im Gegensatz dazu führte ein positiver Winter (Dezember-März) NAO-Zustand und damit ein schwächeres PP-Signal im Jahr 2008 zu einem gedämpften Riff-NEC-Signal im folgenden Sommer.
Der beobachtete Rückgang im Riff nTA wird hauptsächlich durch das Riff NEC verursacht, wobei die Modifikationen im nDIC sowohl durch das Riff NEC als auch durch das NEP getrieben werden (die Einflüsse des Luft-/Seegasaustauschs von CO2 sind minimal, Abb. 3). Folglich treiben saisonale Veränderungen in NEC und NEP letztendlich die beobachtete pH- und Ωaragonite-Variabilität am Riff voran, wobei die zunehmende NEC die Versauerung verursacht und die zunehmende NEP den gegenteiligen Effekt hat. Erhöhungen der Sommerzeit in NEC führen zu einer wiederkehrenden Senkung des pH-Wertes des Meerwassers, wobei die Stärke von NEC dem Ausmaß der pH-Senkung entspricht (Abb. 3). Im Gegensatz dazu schwankt die NEP ohne erkennbaren saisonalen Zyklus. Wenn ein Anstieg der NEC mit einem Rückgang der NEP korrespondiert, wie im Sommer 2010, beobachten wir die stärkste Senkung des pH-Wertes von Riff-Meerwasser und Ωaragonite (Abb. 3).
Die Biogeochemie des Riffs reagiert auf den Offshore-Zwang.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass saisonale und interannuelle Veränderungen in NEC und NEP für die beobachteten Veränderungen des temperatur- und salznormalisierten pH-Wertes und Ωaragonite verantwortlich sind, aber was ist der Treiber dieser Veränderungen? Ausgeprägte Versauerungsereignisse, wie z.B. im Sommer 2010, traten in Perioden mit anomal hohem NEC und niedrigem NEP auf, was auf Verschiebungen in biogeochemischen Prozessen im Riff hin zu erhöhter Verkalkung und Heterotrophie hinweist. Im Allgemeinen wird die Verkalkung als ein autotrophisch verstärkter Prozess betrachtet, bei dem die photosynthetische Absenkung der CO2-Konzentrationen im Meerwasser Ωaragonite erhöht und günstige Bedingungen für die organismische CaCO3-Ablagerung schafft (19). Im Gegensatz dazu setzt die Atmung CO2 frei, reduziert Ωaragonite und soll daher die Verkalkung verringern. So steht unser Ergebnis einer verstärkten Verkalkung in Zeiten erhöhter Heterotrophie im Widerspruch zu einigen Modellierungs- und Feldstudien (10, 19). Zahlreiche Experimente haben jedoch gezeigt, dass Korallen, die dominierenden Riffkalker, gut gefüttert werden (z.B. durch Zooplankton) oder eine nährstoffreiche Ernährung haben, sowohl Gewebe- als auch Skelettwachstumsraten aufweisen werden (20⇓⇓⇓-24). Einige Ergebnisse haben sogar gezeigt, dass Korallen in der Lage sein könnten, reduzierten Verkalkungsraten aufgrund von OA durch eine Erhöhung der Fütterungsraten entgegenzuwirken (23). Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine erhöhte Heterotrophie und ein erhöhtes Gewebewachstum bei Korallen dazu führen, dass die Gesamtatemraten steigen (21). Daher spekulieren wir, dass externe Nährstoffimpulse an das Riff sowohl die anomal hohe Sommerkalkablagerung als auch Verschiebungen zur zunehmenden Heterotrophie, die für die beobachteten Versauerungsereignisse verantwortlich ist, hätten ermöglichen können.
Messungen bei BATS deuten darauf hin, dass die Phytoplanktonblüten während unseres Untersuchungszeitraums verbessert wurden, insbesondere im Winter und Frühjahr 2010 und in geringerem Maße auch 2011 (Abb. 3). Während die Sargasso-See um die Bermudas herum typischerweise oligotroph ist, wurden bereits erhöhte Frühlings-Phytoplanktonblüten dokumentiert und mit der Nordatlantischen Oszillation (NAO) (25, 26) in Verbindung gebracht, einem Klimamodus, der Druckunterschiede zwischen dem atmosphärischen subtropischen Hochdrucksystem nahe den Azoren und dem subpolaren Niederdrucksystem nahe Island beschreibt (27). Ein negativer Winter NAO-Zustand führt zu einer südlichen Verschiebung des Golfstroms und der Wintersturmspur, was aufgrund verbesserter Winde zu tieferen Mischschichten im Sargassomeer führt (25, 27). Mit tieferen gemischten Schichten kommen niedrigere Meeresoberflächentemperaturen und eine stärkere Nährstoffaufnahme, was zu Produktivitätsblüten und einem erhöhten Mesozooplankton-Überschuss führt (25, 26, 28⇓-30).
Seit Beginn der Messungen bei BATS war der Winter NAO-Zustand in erster Linie positiv, wobei sporadisch neutrale bis leicht negative Ereignisse zu dokumentierten Produktivitätssteigerungen auf See führten (25, 26). Das Ereignis im Winter 2010 (und in geringerem Maße auch 2011) war jedoch anomal negativ (Abb. 3) und fiel mit einer ungewöhnlich großen Frühjahrsblüte zusammen. Zu Beginn des Ereignisses 2010 fiel eine stark negative Verschiebung der Riff-NEP (d.h. der Nettoatmung) mit einer tiefen Mischschichttiefe (MLD) und einem daraus resultierenden Auftrieb von Nährstoffen zusammen[was durch eine anomal niedrige Meeresoberflächentemperatur (SST) und hohe nDIC-Wasser bei BATS angezeigt wird, Abb. S2-S4]. (25). Reef nTA-Werte, die über denen bei BATS lagen, deuten darauf hin, dass die Verschiebung in der NEP mit der plattformweiten Netto-CaCO3-Auflösung zusammenfiel (Abb. 3). Während die erhöhte Offshore-Primärproduktivität im Winter bis in die Frühjahrssaison 2010 und 2011, im folgenden Spätsommer und Herbst, auftrat, erreichten die relativen Messungen des Riff-NEC, wie sie durch Alkalinitätsanomalien abgeleitet wurden, ihre höchsten Werte über den 5-jährigen Messzeitraum, was eine verstärkte Verkalkung der Gemeinschaft bedeutet (max. NEC 2007): 39,8 μmol kg-1; 2008: 30,9 μmol kg-1; 2009: 42.2 μmol kg-1; 2010: 50,5 μmol kg-1; 2011: 50,0 μmol kg-1, Abb. 3), und fiel mit negativen NEP-Werten zusammen. Bemerkenswert ist, dass in den folgenden Wintern 2011 und 2012 auch die NEC-Raten im Vergleich zu den Vorjahren höher waren (Abb. 3). Die Kreuzkorrelationsanalyse ergab die potenzielle Zeitabhängigkeit zwischen Offshore- und Riffprozessen, wobei die maximale Korrelation zwischen Offshore-Primärproduktivität und MLD beobachtet wurde, wenn die Produktivität um 0 bis 1 mo hinter MLD zurückblieb (r > 0,8, Abb. 4). Im Gegensatz dazu verzögerten biogeochemische Prozesse im Riff die Offshore-Produktivität um mehrere Monate. Reef NEC zeigte die stärkste Korrelation mit der Offshore-Produktivität bei einer Verzögerung von 4 mo (r = 0,77), während negative NEP (d.h. Heterotrophie) bei einer Verzögerung von 6 mo (r = -0,45, Abb. 4) am stärksten korreliert waren. Diese Korrelationen waren bei einem Konfidenzniveau von 99,5% statistisch signifikant.
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