Aufgabenstellung - Institut für Geologie

Blockkurs „Geowissenschaftliches Modellieren“
Hydrogeochemische Modellierung mit PhreeqC (
Blockkurs „Geowissenschaftliches Modellieren“ (01. – 03.04.2009)
Hydrogeochemische Modellierung mit PhreeqC
Aufgabe 1: Erhöhung CO2-Gehalt in der Atmosphäre durch Änderung der
Lufttemperatur?
Aus vielen Untersuchungen (z.B. an Eiskernen) wissen wir, dass sich die Temperaturen auf
der Erde ständig (mit einer Frequenz von ca. 1500 Jahren) zum Teil drastisch geändert haben.
Eine wesentliche Ursache dafür war und sind Änderungen der kosmischen Strahlung und ein
komplexes Wechselspiel mit dem Wasserdampf der Atmosphäre (Wolkenbildung). Alle
Untersuchungen vergangener Klimaänderungen belegen, dass immer erst die Temperatur
angestiegen ist und dann der CO2-Gehalt der Atmosphäre. Ein Grund für den Anstieg des CO2
in Folge einer Temperaturerhöhung ist (neben erhöhtem Pflanzenwachstum) die Tatsache, das
mit einer Zunahme der Atmosphärentemperatur auch die Temperatur der Ozeane ansteigt und
das Ozeanwasser damit weniger CO2 binden kann (Gaslöslichkeit von CO2 nimmt mit der
Temperatur ab). Änderungen der Ozeantemperaturen erfolgen aber nur in den obersten 1000
m, in tieferen Bereichen ist die Temperatur weitgehend konstant. Vereinfachend nehmen wir
eine Schicht von 600 m an, in der wir die Änderungen der Temperatur feststellen.
Modellieren Sie, wie viel CO2 freigesetzt wird, wenn sich eine angenommene mittlere
Lufttemperatur von 15 °C auf 17 °C erhöht.
Gehen Sie dabei wie folgt vor:
a) Modellieren Sie die CO2-Freisetzung mit Hilfe von PhreeqC.
PHREEQC ist ein geochemisches Modell, mit Hilfe dessen man alle Wechselwirkungen
zwischen Wasser, Gesteinen und Gasen modellieren kann. Das Input-File, mit dem die
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Aufgabe gelöst werden kann, sieht wie folgt aus:
TITLE CO2-Pufferung im Meerwasser
SOLUTION 1 SEAWATER FROM NORDSTROM ET AL. (1979)
units ppm
# Gatter ist Kommentarbeginn
pH
8.22
# pH-Wert
pe
8.451
# pe-Wert: umgerechnetes Redoxpotential
density 1.023
# Dichte von Meerwasser
temp 15.0
# Temperatur
Ca
412.3
Mg
1291.8
Na
10768.0
K
399.1
Fe
0.002
Mn
0.0002
Si
4.28
Cl
19353.0
C
128.1 as HCO3
S(6)
2712.0
N(5)
0.29 as NO3
EQUILIBRIUM_PHASES
CO2(g) -3.5
REACTION_TEMPERATURE
17
SELECTED_OUTPUT
-file ocean_water.csv
-totals C(4)
END
Mit Hilfe des Befehls (KEYWORD) „SOLUTION“ wird die Zusammensetzung des
Meerwassers definiert, mit „EQULIBRIUM_PHASES“ ein Gleichgewicht mit einer Gasphase
(als Logarithmus des Partialdruckes). Mit REACTION_TEMPERATURE kann die
Temperatur des Wassers beliebig geändert werden und SELECTED_OUTPUT schreibt
benutzerdefiniert Daten in ein CSV-File. In diesem Fall ist es nur der Gesamtgehalt an
anorganischem Kohlenstoff für das Ozeanwasser für beide Temperaturen. Die Differenz
dieser beiden Zahlen ist die Menge an Kohlenstoff, die aus dem Ozeanwasser auf Grund der
Temperaturerhöhung entgast (in mol/L).
b) Berechnen Sie die Menge des Ozeanwassers
Der nächste Abschnitt der Aufgabe ist es, nun auszurechnen, wieviel Ozeanwasser sich in
einer 600 m dicken Schicht von Wasser befindet.
Das Volumen des Ozeanwassers kann man aus der Differenz Volumen Erde minus „Volumen
Erde (mit Radius – 600 m)“ berechnen.
4π ⋅ r 3
Formel für das Volumen einer Kugel:
V =
3
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Der Erdradius beträgt ca. 6372 km.
Wir nehmen zusätzlich an, dass ¾ der Erde von Ozeanwasser bedeckt ist.
Rechnen Sie das Wasservolumen in Liter um und multiplizieren Sie dies mit der Differenz
aus der PHREEQC-Modellierung. Der errechnete Wert ist die Menge an entgastem CO2 in
Mol.
c) Berechnen Sie das Volumen der Atmosphäre
Berechnen Sie nun, wie viel Mol CO2 sich in der Atmosphäre befinden. Das Volumen der
Atmosphäre kann man aus der Differenz Volumen Erde + Atmosphäre und Volumen Erde
berechnen.
Für die Atmosphäre betrachten wir den Teil von der Erdoberfläche bis in 30 km Höhe.
Vereinfachend nehmen wir ferner an, dass der Gesamtdruck in 30 km Höhe über der Erde
nicht mehr 1% des Gesamtdruckes sondern 0 ist und die Abnahme des Druckes über die Höhe
linear sei. Das Mischungsverhältnis der Gase ändert sich bis in eine Höhe von ca. 110 km
Höhe nahezu nicht, lediglich der Gesamtdruck nimmt ab. D.h. das zuvor errechnete Volumen
der Atmosphäre muss um die Dichte (Partialdruck) korrigiert werden, da wir in 30 km Höhe
ja von einem Druck = 0 ausgehen. Interpolieren Sie linear zwischen den zwei gegebenen
Werten und korrigieren Sie das Volumen.
d) Berechnen Sie den CO2-Anstieg in der Atmosphäre [mol/L]
Beziehen Sie die entgaste CO2-Menge auf das Atmosphärenvolumen.
e) Berechnen Sie die Änderung der CO2-Konzentration in %.
Die Umrechnung von mol/L Gas erfolgt über das ideale Gasgesetz
p • V = n•R • T
Wobei
p … Gasdruck [Pa]
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V … Gasvolumen [m³]
n … Stoffmenge [mol]
R … universelle Gaskonstante, R = 8.314510 J * K-1 *mol-1
T … Temperatur [K]
Berechnen Sie, wie sich die CO2-Konzentration der Atmosphäre in bar und in % ändert, und
somit auch wie sich eine Temperaturänderung von 2 K auf die Erhöhung des CO2Partialdruck der Erdatmosphäre auswirkt (Anteil aus Ozeanwasser-Entgasung).
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Aufgabe 2: Stalagtit-Bildung in Karsthöhlen
Ein Niederschlagswasser versickert in einem Karstgebiet. Es steht genügend Zeit zur
Verfügung, dass sich zunächst ein Gleichgewicht bezüglich der vorherrschenden Mineralphase Calcit sowie eines erhöhten CO2-Partialdruckes von 3 Vol-% einstellen kann (Key
Word „EQUILIBRIUM_PHASES“).
Im Untergrund gibt es eine Karsthöhle mit einer Ausdehnung von 10 m Länge, 10 m Breite
und 3 m Höhe. Über die Decke tropfen täglich ca. 100 Liter des versickerten, kalkhaltigen
Wassers in die Höhle, in der ein CO2-Partialdruck wie in der Atmosphäre herrscht. Dabei
bilden sich Stalagtiten.
Warum kommt es zur Bildung von Stalagtiten und in welcher Menge pro Jahr?
Um wieviel mm pro Jahr wachsen die Stalagtiten, bei einer angenommenen Dichte von
Calcit von 2.7 g/cm3 und der Annahme, dass ca. 15% der Höhlendecken-Fläche von
Stalagtiten bedeckt ist?
Das Input-File zu dieser Aufgabe sieht folgendermaßen aus:
TITLE Stalagtitbildung in Karsthöhlen
SOLUTION 1
units umol/L
pH 5.1
temp 21
Ca 90
Mg 29
Na 8
K7
C(4) 13
S(6) 82
N(5) 80 as NO3
Cl 23
EQUILIBRIUM_PHASES 1 # erhöhter CO2 Partialdruck, Gleichgewicht Mineralphase
CO2(g) -1.523
# CO2-Partialdruck 3 Vol%; 0.03 bar; log 0.03 = -1.523
Calcite
Save Solution 1
SELECTED_OUTPUT
-file stalagtitbildung.csv
-reset false
-step
-equilibrium_phases CO2(g) Calcite
END
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USE Solution 1
EQUILIBRIUM_PHASES 2
CO2(g) -3.523
# CO2-Partialdruck 0.03 Vol% (Atmosphäre); 0.0003 bar; log 0.0003 = -3.523
Calcite
# Calcitfällung /-Lösung
END
Hinweis zur Anfertigung des Berichts:
• Abgabe des Protokolls zum Modul „Hydrogeochemische Modellierung“ in
Berichtsform bis zum 10.04.2009 per mail an: [email protected]
• Inhalt: kurzer Abriss der Aufgabenstellung, prinzipielles Vorgehen (Berechnungen),
Ergebnisse und kurze Interpretation
Die erfolgreiche Teilnahme für diesen Kurs wird nur nach erfolgter Anwesenheit sowie
Anerkennung des Protokolls für jedes Modul ausgestellt.
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