Die Rolle von Lachgas und Methan als Treibhausgase · als Treibhausgase Ingeborg Levin und Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Kohlenstoffkreislauf Institut für Umweltphysik der Universität

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1 ppb CH4 = 1 CH4-Molekül pro 109 Luftmoleküle[… and Heidelberg unpublished data]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[… and Heidelberg unpublished data]

Zusätzlicher Strahlungsantrieb seit 1750

[IPCC Report, 2007]

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]

Beobachtete und simulierte Temperatur-entwicklung in den letzten hundert Jahren

[IPCC Report, 2007]

Inhalt:





Das globale atmosphärische Messnetz von NOAA/GMD

[NOAA/GMD http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/]

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

[‰]


Globales Heidelberger Messnetz für CH4 - Isotope

Vergleich von CH4 - Messungen in der Arktis und Antarktis


Mittlere Jahresgänge und Nord – Süd - Gradient

[Dissertation Poß, 2003]

Inhalt:





[Hirsch et al., 2006]

Globale Verteilung von N2O in der Troposphäre

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


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]


Globale Verteilung der N2O - Quellen

[Hirsch et al., 2006]

Die Rolle von N2O imglobalen

Stickstoffkreislauf

[Stein and Young, 2003]

Inhalt:





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

]


Regionale N2O Variationen im Rhein-Neckar-Raum: Heidelberg

[Schmidt et al., 2001]

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

Vielen Dank !

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,

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Die Rolle von Lachgas und Methan als Treibhausgase · als Treibhausgase Ingeborg Levin und Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Kohlenstoffkreislauf Institut für Umweltphysik der Universität