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Die Rolle von Lachgas und Methan als Treibhausgase
Ingeborg Levin und Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Kohlenstoffkreislauf
Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg
Inhalt:
Die Bedeutung von atmosphärischem Methan (CH4) und Lachgas (N2O) für die Strahlungsbilanz der Erde
Globale Quellen und Senken von atmosphärischem Methan
Globale Quellen und Senken von atmosphärischem Lachgas
Entwicklung der CH4- und N2O-Konzentration in Südwest-Europa: Können wir die offiziell angegebenen Emissionsminderungen durch atmosphärische Messungen bestätigen ?
Einfluss der natürlichen Treibhausgase auf die Strahlungsbilanz der Erde
Gleichgewichts-temperatur derErde ohneAtmosphäre: T ≈ 255 K
Mit ihrer heutigenAtmosphäre:T ≈ 288 K
[U. Platt Vorlesung: Umweltphysik für Alle]
1750 1800 1850 1900 1950 2000
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0.0
0.2
0.4
YEAR
Greenland Ice [Blunier et al., 1993] Antarctic Ice [Etheridge et al., 1992] mean southern hemisphere [NOAA/GMD] atmosphere Neumayer, Antarctica
M
etha
ne [p
pb]
1985 1990 1995 2000 20051550
1600
1650
1700
1750 CH4 Southern Hemisphere
NOAA/CMDL Neumayer
Rad
iativ
e Fo
rcin
g [W
m-2]
Atmosphärischer Methan (CH4) - Anstieg in der Südhemisphäre
1 ppb CH4 = 1 CH4-Molekül pro 109 Luftmoleküle[… and Heidelberg unpublished data]
1750 1800 1850 1900 1950 2000
270
280
290
300
310
320
0.0
0.1
Antarctic Ice [Machida et al., 1995] Atmosphere Neumayer, Antarctica Atmosphere Cape Grim (ALE GAGE)
YEAR
N2O
[ppb
]
1980 1990 2000295
300
305
310
315
320N2O Southern Hemisphere
Neumayer Cape Grim (ALEGAGE)
Rad
iativ
e Fo
rcin
g [W
m-2]
Atmosphärischer Lachgas (N2O) - Anstieg in der Südhemisphäre
[… and Heidelberg unpublished data]
wavelength (µm)
Abs
orpt
ion
[%]
11 km
0 km
5800 K 255 K
H2O
CO2
O2 + O3
N2O
CH4
Absorptionsbanden der wichtigsten Treibhausgase
[after Peixoto & Oort, 1993]
Inhalt:
Die Bedeutung von atmosphärischem Methan (CH4) und Lachgas (N2O) für die Strahlungsbilanz der Erde
Globale Quellen und Senken von atmosphärischem Methan
Globale Quellen und Senken von atmosphärischem Lachgas
Entwicklung der CH4- und N2O-Konzentration in Südwest-Europa: Können wir die offiziell angegebenen Emissionsminderungen durch atmosphärische Messungen bestätigen ?
Globale Verteilung von CH4 in der Troposphäre: Direkte Messungen
[NOAA/GMD http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/]
Produktion von Methan
* Bakterien produzieren Methan im anaeroben Milieu durch
Acetat-Fermentation CH3COOH → CH4 + CO2
und über die Reduktion von Kohlendioxid
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
* Thermogene Prozesse (Pyrolyse und unvollständige Verbrennung) produzieren ebenfalls CH4 (and CO)
?? Eine mögliche zusätzliche Quelle könnten lebende Pflanzen oder abgestorbene Blätter sein, die verantwortlichen Prozesse sind aber (noch) nicht identifiziert [Keppler et al., 2006]
Globale Quellen und Senken von troposphärischem Methan 1990 - 2000
Mülldeponien
Wiederkäuer
Reisfelder
Energie
Natürliche Quellen
Biomassen Verbrennung
175-242
92-140
36-4890-110
90-120
40-66
Quellen [ Tg / yr ]
[after IPCC, 2001]
Global Verteilung von CH4-Säulendichten: Satelliten-Messungen (SCIAMACHY auf ENVISAT)
[Frankenberg et al., 2006]
Oxidation von CH4 in der Troposphäre durch
OH- Radikale
[Crutzen et al., 1999]
O3 + hν → O2 + O*
O* + H2O → 2 OH (τ ≈ 1 sec.)
CH3CCl3 (Methylchloroform): Tracer (gut bekannte Quelle, Senke via OH) für die globale Verteilung von OH (ca. 106 Radikale pro cm3)
Ozonabbau
Ozonproduktion
Mülldeponien
Wiederkäuer
Reisfelder
Energie
Natürliche Quellen
Biomassen Verbrennung
175-242
92-140
36-4890-110
90-120
40-66
Quellen [ Tg / yr ] Senken [Tg / yr]
troposphärisches OH
Transport in Stratosphäre
Oxidation in Böden
499-558
12-3139-49
die atmosphärische Lebensdauer von CH4 beträgt ca. 10 Jahre[after IPCC, 2001]
Globale Quellen und Senken von troposphärischem Methan 1990 - 2000
Stabile Isotope im Methan
12C: 113C: 0.01
H: 12H: 0.00015
Messung:IsotopenverhältnisMassenspektrometer(IRMS)
& Tunable Diode Laser Spectroscopy
Delta Notation [‰]:
( )
HHoder
CCR
10001RR
2
12
13Standard
Probe
=
×−=δ
Standard:13C: Vienna-PDB2H: Vienna-SMOW
Stabile Isotope in atmosphärischen CH4 - Quellen
Kohlenförderung
unvollständige Verbrennung
Erdgas
Mülldeponien
Reis
Feuchtgebiete >50 N
Sümpfe
Gas Hydrate
Wiederkäuer
Erdgas
mittlere Quelle
-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
Troposphärethermogene Quellen
biogene Quellen
δVPDB13C [‰]
δ VSM
OW
D [‰
]
[Heidelberg unpublished data]
Direkte Messungen an Quell - CH4
z.B. Erdgas in Heidelberg ...
91 92 93 94 95 96 97-60-55-50-45-40-35-30-25-20
North Sea Gas
Russian Gas
Year
δ13C
[‰]
[Heidelberg unpublished data]
Inhalt:
Die Bedeutung von atmosphärischem Methan (CH4) und Lachgas (N2O) für die Strahlungsbilanz der Erde
Globale Quellen und Senken von atmosphärischem Methan
Globale Quellen und Senken von atmosphärischem Lachgas
Entwicklung der CH4- und N2O-Konzentration in Südwest-Europa: Können wir die offiziell angegebenen Emissionsminderungen durch atmosphärische Messungen bestätigen ?
1996 1998 2000 2002 2004 2006308
310
312
314
316
318
320
322
Global atmospheric N2O
Year
N2O
[ppb
]
Neumayer Tanks Neumayer Flasks Alert Tanks Alert Flasks
Vergleich von N2O - Messungen in der Arktis und Antarktis
[Heidelberg unpublished data]
Das globale troposphärische N2O - Budget
Natürliche Quellen:ca. 11 · 1012 g N yr-1
Anthropogene Quellen:ca. 6.7 · 1012 g N yr-1
(λ < 240 nm)
[after IPCC, 2001; 2007]
Treibhausgas-Profile in der Stratosphäre
500 1000 1500
100
10
Kiruna, 01.03.2000D
ruck
[hPa
]
CH4 [ppb]
360 365
CO2 [ppm]
0 100 200 300 N2O [ppb]
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
SF6 [ppt]
[Heidelberg unpublished data]
Inhalt:
Die Bedeutung von atmosphärischem Methan (CH4) und Lachgas (N2O) für die Strahlungsbilanz der Erde
Globale Quellen und Senken von atmosphärischem Methan
Globale Quellen und Senken von atmosphärischem Lachgas
Entwicklung der CH4- und N2O-Konzentration in Südwest-Europa: Können wir die offiziell angegebenen Emissionsminderungen durch atmosphärische Messungen bestätigen ?
0500
10001500200025003000
CH
4 [Gg
yr-1]
Deutschland 1990 Deutschland 2005 Frankreich 1990 Frankreich 2005
Energie Industrie Landw. Abfall
CH4- und N2O- Emissionen in Deutschland und Frankreich
[UNFCCC 2007]
050
100150200250300
N2O
[Gg
yr-1]
Deutschland 1990 Deutschland 2005 Frankreich 1990 Frankreich 2005
Energie Industrie Landw. Abfall
Methan
Lachgas
Bottom-up: Verteilung der Methanemissionen in Europa
HeidelbergMace Head
Schauinsland
[Bergamaschi et al., 2005]
CH4 „Gradienten“ über Südwest-Europa
1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
1800
1900
2000
2100
CH
4 [ppb
]
Mace Head (NOAA flasks monthly means) Heidelberg monthly means Schauinsland continuous (UBA)
[Levin et al., 1999; NOAA/GMD, Umweltbundesamt and Heidelberg unpublished data]
N2O „Gradienten“ über Europa
1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006308
310
312
314
316
318
320
322
324
Izaña Teneriffa Tanks Schauinsland Flasks Alert Flasks Alert Tanks
N2O
[ppb
NO
AA06
]
[Heidelberg unpublished data]
Einbau Katalysator bei Adipinsäure-Produktion der BASF
Regionale N2O Variationen im Rhein-Neckar-Raum: Heidelberg
[Schmidt et al., 2001]
Zusammenfassung 1
• Atmosphärisches CH4 wird hauptsächlich über Bakterien bei der anaeroben Zersetzung organischen Materials erzeugt → Sumpfgas
• Die wichtigsten anthropogenen Quellen von CH4 sind Reisanbau, Tierhaltung, Mülldeponien und Förderung und Verteilung fossiler Energieträger
• Der Abbau von CH4 erfolgt im Wesentlichen über OH-Oxidation in der Troposphäre, die mittlere atmosphärische Lebensdauer von CH4 beträgt etwa 10 Jahre
• Der Anstieg von CH4 seit der Industrialisierung beträgt mehr als 100%, in den letzten fünf Jahren war die globale atmosphärische Konzentration jedoch nahezu konstant
Zusammenfassung 2
• Lachgas ist ein wichtiges langlebiges (τ ≈ 120 Jahre) Treibhausgas, seine atmosphärische Konzentration ist seit der Industrialisierung um etwa 20% angestiegen, die derzeitige Anstiegsrate beträgt etwa 0.3% pro Jahr
• Natürlichen Quellen von N2O sind die tropischen Ozeane (≈1/3) und Böden (≈2/3), N2O hat keine Senken in der Troposphäre und wird nur in der Stratosphäre durch UV-Photolyse oder angeregte Sauerstoffatome zerstört → lange Lebensdauer
• Die wesentlichen anthropogenen Emissionen von N2O stammen aus gedüngten Böden, der Tierhaltung und aus der Industrie (Adipinsäureproduktion)
• Regionale Messungen von CH4 in Südwestdeutschland zeigen einen deutlichen Rückgang der Emissionen im Einzugsgebiet –ebenso konnte ein Rückgang von N2O Emissionen aus Industrieanlagen nachgewiesen werden
LiteraturhinweiseALEGAGE: Prinn, R.G., et al. 2000 History of Chemically and Radiatively Important Gases in Air deduced from
ALE/GAGE/AGAGE, J. Geophys. Res., 105, 17,751-17,792.Blunier, T. et al. 1993. Atmospheric methane record from a Greenland ice core over the last 1000 years. Geophys.
Res. Lett. 20, 2219-2222.Crutzen, P. et al. 1999. On the background photochemistry of tropospheric ozone. Tellus 51, 123-146. Etheridge, D.M. et al. 1992. Changes in tropospheric methane between 1841 and 1978 from a high accumulation-
rate Antarctic Ice Core. Tellus 44B, 282-294.Frankenberg, C. et al. 2006. Satellite cartography of atmospheric methane from SCIAMACHY on board ENVISAT:
Analysis of the years 2003 and 2004. J. Geophys. Res. 111, D07303, doi:10.1029/2005JD006235.Hirsch, A. et al. 2006. Inverse estimates of the global nitrous oxide surface flux from 1998-2001. Global
Biogeochem. Cycles 20, GB1008, doi:10.1029/2004GB002443.IPCC, 2001, Climate Change 2001. The Scientific Basis. Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change
(http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/index.htm).IPCC, 2007, Climate Change 2007. (Chapter 7) The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the
Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA (http://ipcc-wg1.ucar.edu/wg1/wg1-report.html).
Levin, I., et al. 1999. Verification of German methane emission inventories and their recent changes based on atmospheric observations. J. Geophys. Res., 104, D3, 3447 - 3456.
Machida, T. et al. 1995 Increase in the atmospheric nitrous oxide concentration during the last 250 years. Geophys. Res. Lett. 22, No. 21, 2921-2924.
Peixoto, J.P. und A.H. Oort, 1993, Physics of Climate, American Institute of Physics, New York, 520 pp.Poß, C. 2003. Untersuchung der Variabilität das atmosphärischen Methanhaushalts hochpolarer Breiten anhand
eines regionalen Trajektorienmodells und der Messung stabiler Isotope. Dissertation Univ. Heidelberg.Schmidt, M. et al., 2001. Western European N2O emissions – a top down approach based on atmospheric
observations. J. Geophys. Res. 106, D6, 5507-5516.Stein, L.Y. and Y.L. Yung 2003. Production, isotopic composition and atmospheric fate of biologically produced
nitrous oxide. Ann. Rev. Earth Planet. Sci 31, 329-356.UNFCCC 2007,