Noble Gases in Lakes and Ground Waters - Institut f¼r Umweltphysik
Renato Spahni [email protected] Klima- und Umweltphysik Physikalisches Institut Universität...
37
Renato Spahni [email protected] .ch Klima- und Umweltphysik Physikalisches Institut The attenuation of fast atmospheric The attenuation of fast atmospheric trace gas variations as recorded in trace gas variations as recorded in polar ice cores: polar ice cores: A case study for the CH A case study for the CH 4 concentration concentration change 8200 years ago change 8200 years ago Thanks to: J. Schwander J. Flückiger B. Stauffer
-
Upload
swanhilda-schubert -
Category
Documents
-
view
110 -
download
5
Transcript of Renato Spahni [email protected] Klima- und Umweltphysik Physikalisches Institut Universität...
Renato [email protected]
Klima- und UmweltphysikPhysikalisches InstitutUniversität Bern
The attenuation of fast atmospheric trace gas The attenuation of fast atmospheric trace gas variations as recorded in polar ice cores:variations as recorded in polar ice cores:
A case study for the CHA case study for the CH44 concentration change concentration change
8200 years ago8200 years ago
Thanks to: J. SchwanderJ. FlückigerB. Stauffer
1. Einleitung
2. CH4 Messungen zum Kalterreigniss 8200 Jahre vor Heute
3. Gaseinschluss im Eis
4. Diffusions- und Einschlussmodel
5. Dämpfung von schnellen CH4 Schwankungen
6. Schlussfolgerungen
MethanquellenMethanquellenHouweling et al. (1999)Houweling et al. (1999)
Energiegewinnung16%
Feuchtgebiete25%
Deponien9%
Termiten4%
Wiederkäuer16%
Wildtiere1%
Vulkane1%
Ozeane3%andere Quellen
4%
Reisanbau14%
Verbrennung organischen
Materials7%
Fakten über Methan (CHFakten über Methan (CH44))
• Hauptquellen sind Feuchtgebiete
• Hauptquellen befinden sich in der Nordhemisphäre
• Global gleichverteilte CH4-Senke durch Reaktionen mit OH in der Troposphäre
• Interhemisphärische CH4- Differenz
• Atmosphärische Lebenszeit im Holozän: 9.9 yr
• Interhemisphärische Austauschzeit: ~1 yr
Chappellaz et al. (1997), IPCC (2001)Chappellaz et al. (1997), IPCC (2001)
Bohrorte: Grönland und AntarktisBohrorte: Grönland und Antarktis
-31°C, 20.9 cm(H2O)/yr
-54°C, 2.7 cm(H2O)/yr
Treibhausgase im HolozänTreibhausgase im Holozän
Flückiger et al. (2002)Flückiger et al. (2002)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000age [yr B P ]
250255260265270275
N2O
[pp
bv]
575
600
625
650
675
700
CH
4 [p
pb
v]
260265270275280285
CO
2 [p
pm
v] Dome C
Kaltereigniss vor 8200 JahrenKaltereigniss vor 8200 Jahren
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000age [yr B P 1950]
570
590
610
630
650
670
690
CH
4 [p
pb
v]7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000
D om e C
Kaltereigniss vor 8200 JahrenKaltereigniss vor 8200 Jahren
Blunier et al. (1995), Chappellaz et al. (1997)Blunier et al. (1995), Chappellaz et al. (1997)
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000age [yr B P 1950]
570
590
610
630
650
670
690
CH
4 [p
pb
v]7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000
G RIP
D om e C
Kaltereigniss vor 8200 JahrenKaltereigniss vor 8200 Jahren
Leuenberger et al. (1999)Leuenberger et al. (1999)
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000age [yr B P 1950]
570
590
610
630
650
670
690
CH
4 [p
pb
v] -37
-36
-35
-34
GR
IP
18
O [‰
]
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000
G RIP
D om e C
G reenland
7.4°C
Kaltereigniss vor 8200 JahrenKaltereigniss vor 8200 Jahren
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000age [yr B P 1950]
570
590
610
630
650
670
690
710
CH
4 [p
pb
v]
0 .24
0.28
0.32
0.36
0.4
0.44
15
N [‰
]C H 4
15N
GRIP
Kaltereigniss vor 8200 JahrenKaltereigniss vor 8200 Jahren
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000age [yr B P 1950]
570
590
610
630
650
670
690
CH
4 [p
pb
v] -37
-36
-35
-34
GR
IP
18
O [‰
]
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000
G RIP
D om e C
G reenland
Kaltereigniss vor 8200 JahrenKaltereigniss vor 8200 Jahren
Stenni et al. (2001)Stenni et al. (2001)
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000age [yr B P 1950]
570
590
610
630
650
670
690
CH
4 [p
pb
v] -37
-36
-35
-34
GR
IP
18
O [‰
]
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000
-54
-52
-50
-48
Do
me
C
18
O [‰
]
G RIP
D om e C
Antarctica
G reenland
Depth(m)
0
14 24
63 89
71 101
0.1
150
Density
(kg/m3)
550
340 335
786 811
811 836
905
Bubbles closed off(%)
0
0
0
10
100
100
200
GRIPDome C
Firn
(ope
np
ores
)
Clo
seo
ffzo
ne
Ice
with
air
bub
ble
s
GaseinschlussGaseinschluss
1. Mischungsprozess in Firnluft
• Konvektion nahe der Oberfläche - Wind - Druckschwankungen
• Molekulare Diffusion - Konzentrationsgradienten - Gravitationsfeld - Temperaturgradienten
2. Bubble close off process
• Firnverdichtung - Neuanordnung - plastische Deformation - Neubildung durch Wasserdampfdiffusion
von Eiskristallen
z
T
T
C
Tk
Cgm
z
C
zD
t
C T
C: Concentrationt: TimeD: Diffusion coefficientz: Depth below surfacem: Mass of gas moleculeg: Acceleration of gravityk: Boltzman constantT: Mean TemperatureT: Thermal diffusion factor
Mischung durch molekulare DiffusionMischung durch molekulare Diffusion
Profil der geschlossenen PorositätProfil der geschlossenen Porosität
Schwander e t a l. (1993)B ern data
G renoble data
spline through G renoble data
spline through date from S ip le S tationS chw ander and S tauffer (1984)
co
cococ
zs
zz
ss
)(,
)(0,1)(
75exp
s: Total porositysc: Closed porostyso: Open porosity(z): Density at depth zco: Close off densityice: Pure ice density
PorositätsprofilePorositätsprofile
co sss
ice
zs
)(
1:
Schwander (1989)Schwander (1989)
Diffusions- und EinschlussmodellDiffusions- und Einschlussmodell
Firndiffusionsmodel von J. Schwander
• 1-dimensionales Boxmodel
• Die oberen 110m des Eisschildes sind durch 2000 Boxen repräsentiert
• Dichteprofil nach dem empirischen Model von Herron and Langway (1980)
• Diffusion wird mit der Crank-Nicholson Methode berechnet
• Profil der Diffusionskoeffizienten ist parametrisiert
• Vereinfachung: - keine Konvektionszone- keine kleinräumigen Dichteschwankungen
Modellanpassung
• Blasenabschluss nach dem Profil der geschlossenen Porosität
Dichteprofil für GRIP und Dome CDichteprofil für GRIP und Dome C
Schw ander e t a l. (1993)Bern dataG renoble datam odel run
0 20 40 60 80 100 120depth be low surface [m ]
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
bu
lk d
en
sity
[g/c
m3
]
F IR ETR AC C 98/99m odel run
0 20 40 60 80 100 120depth be low surface [m ]
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
GRIP Dom e C
Tortuosität von verschiedenen BohrortenTortuosität von verschiedenen Bohrorten
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
tort
uo
sity
fact
or
De
ff/D
0
MeasurementsSip le S tation (O 2), Schw ander et a l., 1988
Sip le S tation (CO 2), Schwander e t a l., 1988
Vostok, Fabre et a l., 2000C ol du Dom e, Fabre et a l., 2000
ModelG RIP , = 0.78, = 2.5,Schwander et a l., 1993
D om e C , = 0.90, = 2.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
open porosity
S ite T [°C ] acc. ra te [kg/m 2/yr]C ol du Dom e -11 3000S ip le -24 500G RIP -31 209D om e C -54 30Vostok -56 22
))1(()1(5.010
oo
effss
DD
Modellierung der Zusammensetzung der Dome C Firnluft Modellierung der Zusammensetzung der Dome C Firnluft
= 0.90, = 2.5, co = 836 kg/m3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110depth be low surface [m ]
280
300
320
340
360
380
CO
2 [p
pm
v]
F IRETR AC C 98/99m odel run
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110depth be low surface [m ]
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
CH
4 [p
pb
v]
Bräunlich et a l. 2001m odel run
1800 1900 2000tim e [yr A D ]
600
900
1200
1500
1800
CH
4 [p
pbv]
1800 1900 2000tim e [yr A D ]
280
310
340
370
CO
2 [p
pbv]
Modellparameter für die Zeitperiode von Modellparameter für die Zeitperiode von 9000 bis 7000 Jahren vor Heute9000 bis 7000 Jahren vor Heute
Parameter Einheit
Mittel Unsicherheit Mittel UnsicherheitAkkumulationsrate [kg/m2/yr] 31.5 0.5 202.3 7.2Temperatur [°C] -53.5 0.5 -31.2 1.8Tortuosität () 0.90 0.04 0.78 0.16
Dome C GRIP
Einfluss von auf
Akkumulationsrate, TemperaturDichte und Porosität => Offene und Geschlossene Porosität => Blasenabschluss und Diffusion
Tortuosität (a) Diffusion
Diffusion und BlasenabschlussDiffusion und Blasenabschluss
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110D epth be low surface [m ]
0
4
8
12
16
20D
iffu
sio
n c
oe
ffici
en
t [m
m2
/s]
0
0 .2
0.4
0.6
0.8
1
Scl
ose
d /
Sto
tal
D om e CG R IP
CHCH44 Altersverteilung in den Blasen von Eisbohrkernen Altersverteilung in den Blasen von Eisbohrkernen
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
ag
e d
istr
ibu
tion
[yr-
1]
0 100 200 300 400 500 600 700age [yr]
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
ag
e d
istr
ibu
tion
[yr-
1]
GRIP
Dome C
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000
GR IP age [yr B P 1950]
560
580
600
620
640
660
680
700
CH
4 [p
pbv
]Modellierte CHModellierte CH44 Schwankung 8200 Jahre vor Heute Schwankung 8200 Jahre vor Heute
Modellierte CHModellierte CH44 Schwankung 8200 Jahre vor Heute Schwankung 8200 Jahre vor Heute
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000GR IP age [yr B P 1950]
560
580
600
620
640
660
680
700
CH
4 [p
pbv
]
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000
GR IP age [yr B P 1950]
560
580
600
620
640
660
680
700
CH
4 [p
pbv
]Modellierte CHModellierte CH44 Schwankung 8200 Jahre vor Heute Schwankung 8200 Jahre vor Heute
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000
GR IP age [yr B P 1950]
560
580
600
620
640
660
680
700
CH
4 [p
pbv
]
- 41 %
- 89 %
- 100 %
Modellierte CHModellierte CH44 Schwankung 8200 Jahre vor Heute Schwankung 8200 Jahre vor Heute
Vergleich zwischen Modell und MessungVergleich zwischen Modell und Messung
7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000D om e C age [yr B P 1950]
580
600
620
640
660
680
700
CH
4 [p
pbv
]
7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400 8600 8800 9000GR IP age [yr B P 1950]
Signalverzögerung und Dämpfung in EisbohrkernenSignalverzögerung und Dämpfung in Eisbohrkernen
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000tim e [yr]
600
620
640
660
680
700
CH
4 [p
pb
v]
A tm osphereG R IPD om e C
95 %
60 yr500 yr
SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen• Schnelle atmosphärische CH4-Schwankungen sind gedämpft festgehalten in polaren Bohrkernen, mit einem Dämpfungsfaktor von 41% für Dome C für das Kaltereignis vor 8200 Jahren
• Die Dämpfung wird mit einem Diffusions- und Einschlussmodel berechnet und stimmt gut mit den CH4
Messungen überein
• Die CH4-Altersverteilung in den Blasen des Dome C Eisbohrkerns ist 7 mal breiter als im GRIP Eisbohrkern
• Für kalte Bohrorte mit kleiner Akkumulationsrate (Dome C) ist die Breite der Altersverteilung bestimmt durch den Blasenabschlussprozess, hingegen für warme Gebiete mit hoher Akumulationsrate (GRIP) ist der Diffusionsprozess für die Breite der Altersverteilung ebenso wichtig
Tortuosity of various sitesTortuosity of various sites
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
open porosity
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
tort
uo
sity
fa
cto
r D
eff/
D0
M easurementsS ip le S ta tion (O 2), S chw ander e t a l., 1988
S ip le S ta tion (C O 2), S chw ander e t a l., 1988
V ostok, Fabre e t a l., 2000
C ol du D om e, Fabre e t a l., 2000
M odelsG R IP , S chw ander e t a l., 1993
V ostok, R om m elaere , 1997
D E 08, R om m elaere , 1997
D om e C , = 0 .90 , = 2 .5
S ite T [°C ] acc. ra te [kg /m 2/yr]C o l du D om e -11 3000D e08 -19 1200S ip le -24 500G R IP -31 209D om e C -54 30V ostok -56 22
Kaplan, GRL 2001
8 0 4 0 0 - 4 0 - 8 0Latitude
0
4
8
12
16E
stim
ated
glo
bal n
atur
al C
H4
sour
ces
net o
f the
soi
l CH
4 si
nk (
Tg/
yr)
Kap lan, G R L 2001
in Tg CH4/yrBands Modern LGM Last millenniumLGM90 to 30 31 21 58 1430 to -30 103 83 128 81-30 to -90 6 4 15 12
140 108 201 107
Kaplan, 2001 Dällenbach et al., 2000
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
CH
4 [p
pb
v]
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
CH
4 [p
pb
v]
50000 40000 30000 20000 10000 0
A lte r [Jahre vor heute ]
GRIP
Dom e C
Byrd
500
550
600
650
700
750
800C
H4
[pp
bv]
500
550
600
650
700
750
800
CH
4 [p
pb
v]
10000 8000 6000 4000 2000 0
A lte r [Jahre vor heute ]
GRIP
Dom e C
Byrd
