Triple oxygen isotope variations in natural and anthropogenic carbon dioxide

Description

Die stabilen Isotopenverhältnisse von Sauerstoff und Kohlenstoff (¹⁸O/¹⁶O und ¹³C/¹²C) in
atmosphärischem Kohlendioxid sind besonders geeignet, um den CO₂ Kreislauf zu
untersuchen. Vor einigen Jahren wurde die Hypothese aufgestellt, dass die 3-
Sauerstoffisotopen-Verhältnisse (¹⁷O/¹⁶O und ¹⁸O/¹⁶O) von troposphärischem
Kohlendioxid ein neuer Isotopenindikator für die terrestrische Bruttoprimärproduktion ist.
In dieser Arbeit wird untersucht, ob und inwieweit dieser neuartige Isotopenindikator
konventionelle stabile Isotopenuntersuchungen von troposphärischem Kohlendioxid
ergänzen kann.
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Die vorliegende Arbeit gliedert sich in vier Teile: (i) Die Entwicklung einer analytischen
Methode, mit der die Sauerstoffisotopie (¹⁷O/¹⁶O, ¹⁸O/¹⁶O) von Kohlendioxid mit höchster
Präzision gemessen werden kann. (ii) Eine experimentelle Untersuchung zum 3-
Sauerstoffisotopen-Austausch zwischen CO₂ und Wasser. Dieser Austauschprozess ist von
grundlegender Bedeutung für die Isotopen-Signatur von troposphärischem CO₂. (iii) Eine
Studie zur 3-Sauerstoffisotopen-Zusammensetzung von Kohlendioxid aus Verbrennung
mit einem besonderen Fokus auf anthropogene CO₂ Emissionen. (iv) Abschließend werden
troposphärische CO₂ Daten vorgestellt und mit einem globalen Massenbilanzmodell
verglichen.
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In Kapitel 2 wird die neuartige Methode zur 3-Sauerstoffisotopen-Analyse von CO₂
beschrieben. Diese Methode ermöglicht es, kleinste Variationen in troposphärischem
Kohlendioxid und den unterschiedlichen CO₂ Quellen zur Troposphäre zu untersuchen.
Die Methode beruht auf Isotopenäquilibrierung zwischen CO₂ und CeO₂ bei erhöhter
Temperatur (T = 685 °C) und anschließender Laser-Fluorinierung des äquilibrierten
Cerdioxids. Der freigesetzte Sauerstoff wird anschließend massenspektrometrisch auf seine
3-Sauerstoffisotopen-Zusammensetzung untersucht. Die Sauerstoffisotopie (¹⁷O/¹⁶O,
¹⁸O/¹⁶O) der Kohlendioxid Probe kann aus der Isotopie des CeO2 berechnet werden. Die
Messgenauigkeit konnte im Vergleich zu früheren Methoden um etwa eine Größenordnung
verbessert werden.
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Die Sauerstoffisotopie (¹⁷O/¹⁶O, ¹⁸O/¹⁶O) von troposphärischem Kohlendioxid wird
hauptsächlich durch den Isotopenaustausch zwischen CO₂ und Wasser in Pflanzenblättern,
Böden und in der obersten Meeresschicht bestimmt. Daher widmet sich Kapitel 3 der
experimentellen Bestimmung der Gleichgewichtsfraktionierung (¹⁷O/¹⁶O, ¹⁸O/¹⁶O)
zwischen CO₂ und Wasser bei drei unterschiedlichen Temperaturen (2 °C, 23 °C und 37 °C). Die experimentellen Ergebnisse stimmen mit theoretischen Berechnungen überein.
Die Kenntnis dieses Gleichgewichtsfraktionierungsprozesses ist eine Grundvoraussetzung,
um die 3-Sauerstoffisotopen-Zusammensetzung der natürlichen CO₂ Quellen aus der Biound
Hydrosphäre abzuschätzen.
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In Kapitel 4 werden die experimentellen Ergebnisse zur 3-Sauerstoffisotopen-
Zusammensetzung von Kohlendioxid aus Verbrennung dargestellt (Propan-Butan-
Verbrennung, Holzverbrennung, Autoabgase und CO₂ aus Atemluft). Die Ergebnisse
zeigen, dass bei Hochtemperatur-Verbrennungsprozessen die Sauerstoffisotopie von Luft-
O2 (¹⁷O/¹⁶O, ¹⁸O/¹⁶O) größtenteils auf das Kohlendioxid übertragen wird. Bei niedrigen
Verbrennungstemperaturen, wie der Holzverbrennung, wird die Sauerstoffisotopen-
Zusammensetzung des freigesetzten Kohlendioxids auch durch CO₂-Wasser
Äquilibrierung und andere Sauerstoffquellen, wie z.B. im Holz gebundener Sauerstoff,
beeinflusst. Die Sauerstoffisotopen-Zusammensetzung von Kohlendioxid aus Atemluft
wird hingegen nur durch den Isotopenaustausch mit Körperwasser bestimmt. Die
experimentellen Daten zeigen, dass man anthropogenes Kohlendioxid anhand seiner
Sauerstoffisotopie (¹⁷O/¹⁶O, ¹⁸O/¹⁶O) eindeutig von Kohlendioxid aus natürlichen Quellen
unterscheiden kann.
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In Kapitel 5 werden die ersten hoch-präzisen 3-Sauerstoffisotopen-Analysen von
troposphärischem Kohlendioxid vorgestellt. Der Datensatz von CO₂ Proben aus Göttingen
zeigt eine deutliche zeitliche Variation in der 3-Sauerstoffisotopen-Zusammensetzung.
Diese zeitliche Schwankung stimmt nur teilweise mit der saisonalen Variation des ¹⁸O/¹⁶O
Verhältnisses von troposphärischem CO₂ überein. Messungen von CO₂ Proben vom
Brocken (1140 m, Harz, Deutschland) stimmen mit den gemessen Daten in Göttingen
überein. Die Massenbilanz Vorhersage für die 3-Sauerstoffisotopen-Zusammensetzung
von troposphärischem CO₂ stimmt nur teilweise mit den gemessenen Daten überein. Die
Modellierung legt nahe, dass die zeitlichen Variationen in der 3-Sauerstoffisotopen-
Zusammensetzung nicht durch saisonale Schwankungen der biologischen Aktivität erklärt
werden können, stattdessen könnte der Zustrom von stratosphärischem CO₂ die zeitlichen

Schwankungen verursachen.
<br/>
Diese Untersuchung bereitet die Grundlage für 3-Sauerstoffisotopen Analysen von
troposphärischem Kohlendioxid und deren aussagekräftige Interpretation. Allerdings
können nicht alle Merkmale der gemessenen Isotopendaten erklärt werden, es werden
künftig weitere Untersuchungen notwendig sein.

Links & Downloads

1. http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0011-5065-A
2. urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0011-5065-A-3
3. 738610321

Tags

910

550

geochemistry

mass spectrometry

stable isotopes

carbon dioxide

carbon cycle

triple oxygen isotopes

Additional Fields

Identifer	oai:union.ndltd.org:uni-goettingen.de/oai:ediss.uni-goettingen.de:11858/00-1735-0000-0011-5065-A
Date	21 September 2012
Creators	Hofmann, Magdalena Else Gabriele
Contributors	Pack, Andreas Prof. Dr.
Source Sets	Georg-August-Universität Göttingen
Language	English
Detected Language	German
Type	cumulativeThesis