En enkel boksmodell for Karbonsykelen

Transkript

1 En enkel boksmodell for Karbonsykelen Oppgave i GEF2210 Inneholder: oppgaven + README.tex carbon_cycle.m loop.m human_emissions.m f_and_f.m utslipp.dat og utslipp2.dat I 2007 kom IPPC ut med en rapport, AR4, som blant annet tar for seg fremtidige scenarier for hvordan menneskelig påvirkning vil påvirke de naturlige syklene på jorden. I denne oppgaven skal vi se nærmere på karbonsykelen og endel av de mekanismene som styrer den. Tallene er basert på boksmodellen i figur 6 10 i Jacob s bok samt endel resultater fremlagt i AR4. Det er antatt en boksmodell med de tallene som er oppgitt i fig Oppgave 1 Historisk utvikling Kjør modellen som den er. Med tilfellet a=0 og n=300 år a) Hvilke bokser i fig 6 10 er ikke i balanse? Hva er gjort for å rette opp dette i modellen? Kjør modellen uten menneskelig påvirkning. Er alle boksene i balanse?. b) To av utvekslingene mellom reservoarene i modellen er antatt å ikke være lineære, hvorfor? Vis at massebalansen for dyphavet blir som i loop.m. c) Beregn levetiden for karbon i havet mhp sedimenter i fig Beregn også levetiden i biosfæren. Hva sier resultatene deg? For å se på effekten av antropogene utslipp gjort fra 1850 til i dag kan vi sette a=1. Da henter human_emissions.m inn data og de antropogene utslippene blir lagt til i modellen. d) Hvordan blir utviklingen av konsentrasjonen av co2 i atmosfæren i ? Hvordan stemmer dette med målingene på Mauna Loa? Hvor mye karbon er blitt sluppet ut av mennesker totalt i atmosfæren i modellen? Stemmer dette overens med IPCC figur 7.3 (vedlagt) e) Hva har de økte karbonutslippene i atmosfæren gjort med biosfæren i modellen siden Hvordan tror du dette stemmer med virkeligheten? 1

2 f) Hvor mange prosent av menneskelig utluppet karbon ligger per 2010 i havet i modellen. Kan dette betraktes som en stabil tilstand? Det er i modellen antatt en omvendt proporsjonal sammenheng mellom mengden co2 i overflatehavet og ph. ph(t=i)=ph(t= 1) M(t=1) M(t=i) g) Beskriv prosessene som styrer havets ph? Hva er skjedd med havets ph fra 1850 til i dag som følge av menneskelige utslipp? Er en lineær antagelse om ph naturlig? Oppgave 2 Fremtidig utvikling a) Hvor mye av den utsluppede karbonen vil være tilbake i sedimentene etter rundt år? b) Argumenter hvorfor det tar mye lenger tid for atmosfæren å bli kvitt ekstra karbon enn det den atmosfæriske levetiden skulle tilsi. c) For hvilke ph verdier kan man uten store problemer tilnærme F lineært? Er vi innenfor dette området i modellen? Du kan diskutere ut fra figur 6 8 i læreboka. Tall fra IPCC: Pg Pg Subset (A1Fl= fossil fuel intensive, A1T= non fossil energy A1B =balanced different energy sources) A1 very rapid economic growth and introduction of new technologies, global population peaking A2 world emphasizing self reliance and preservation of local identities and economic growth, with global population slowly increasing continuously, and slower, more fragmented technological change. B1 rapid change to service and information economy, cleaner, more efficient technologies, global population peaking 2050, emphasizing global solutions to sustainability, improved equity. Det er lagt ved to utlippsscenarier i programmet utslipp.dat (a=2) og utslipp2.dat (a=3) kjør modellen for disse. d) Hva skiller disse to utslippscenariene? Hvilke scenarier er de ment å representere? Hva blir forskjellen i min ph, maks konsentrasjon i at 2

3 mosfæren og de stabile tilstandene etter minst 1000 år? e) Hvordan utvilkler ph i dyphavet seg i forhold til ph i overflaten frem til år 3000 for scenarie a=3? Diskuter særlig tidsskalaene og legg ved et plott. Bruk formelen som er brukt for ph i overflatelaget. f) Hvis f.eks overflatehavet ble varmere som følge av mer co2 i atmosfæren, ville dette påvirke dets evne til å holde på co2, hva er gjort i modellen for å representere slike effekter? Oppgave 3 Ditt eget scenario for fremtiden a) Lag ditt eget utslippsscenarie for fremtiden som du tror er sannsynlig. Dette gjør du ved å gå inn i human_emissions.m og legge inn kode i if testen der eller lage en datafil med utslipp per år fremover. Kommenter resultater og legg ved noen forklarende grafer om havets ph, co2 i atmosfæren og biosfærens respons samt hvordan du har laget utslippsscenariet. Se på utviklingen frem til år 3000 og sammenlign med figur 2 i denne oppgaven. Begrunn ditt valg av scenario. F representerer den atmosfæriske andelen av karbon av all karbonen i hav og atmosfære ved likevekt. For å regne ut og se plott av F kan du bruke funksjonen F_and_f.m b) Ved hvilken ph vil det være like mye co2 i atmosfæren som havet? Hvor stor var F i 1850 i modellen? c) Hva forteller f deg? og hva sier Jacob s om tiden det tar for likevekt mellom hav og atmosfære, og hvordan ser dette ut for modellen i år 2200 og 2400? d) Lag et plott som viser hvordan F utvikler seg over tid for modellen med ditt eget utslippscenarie. Hvordan samsvarer det med ph verdien i overflatelaget og det F skulle tilsi? e) Kjør modellen langt frem i tid. Ifølge modellen, hvor lang tid tar det før vi er tilbake på et preindustrielt nivå av karbon i atmosfæren, virker dette realistisk? Hvilke prosess er det som tar lengst tid? f) Gjør om fluksen inn til biosfæren slik at den er konstant og biosfæren ikke vil vokse som en følge av mer co2 i atmosfæren. Hva kan ligge til grunn for en slik antagelse? Hvordan endrer dette dynamikken i modellen? 3

4 Ligningen S(1 a)πr 2 = ǫσt 4 (4πr 2 ) bør du huske fra GEF1000. Den viser den enkleste formen for jordas energibalanse. Her er S = 1367[W/m 2 ] solarkonstanten, f = 0.31 albedoen til jorda, r jordas radius, ǫ = emissiviteten til jorda for langbølget stråling, σ = Stefan Boltzmans konstant[w/(m 2 K 4 )] og T jordas gjennomsnittstemperatur i K. Dette for en likevektstilstand med innkommende solstråling. For økteco 2 mengder kan vi aproksimereǫ=0.642 ( )P co2 derp co2 er atmosfærens innhold av co2 gitt i ppm. g) Hva blir jordas likevektstemperatur: Med et preindustrielt konsentrasjon av co2 i atmosfæren? Med dagens konsentrasjon? Og med ditt utslippscenaries maksimale konsentrasjon? 4

5 From Ipcc report AR4 Carbon Cycle There is unanimous agreement among the coupled climatecarbon cycle models driven by emission scenarios run so far that future climate change would reduce the effi ciency of the Earth system (land and ocean) to absorb anthropogenic CO2. As a result, an increasingly large fraction of anthropogenic CO2 would stay airborne in the atmosphere under a warmer climate. For the A2 emission scenario, this positive feedback leads to additional atmospheric CO2 concentration varying between 20 and 220 ppm among the models by Atmospheric CO2 concentrations simulated by these coupled climate carbon cycle models range between 730 and 1,020 ppm by Comparing these values with the standard value of 836 ppm (calculated beforehand by the Bern carbon cycle climate model without an interactive carbon cycle) provides an indication of the uncertainty in global warming due to future changes in the carbon cycle. In the context of atmospheric CO2 concentration stabilisation scenarios, the positive climate carbon cycle feedback reduces the land and ocean uptake of CO2, implying that it leads to a reduction of the compatible emissions required to achieve a given atmospheric CO2 stabilisation. The higher the stabilisation scenario, the larger the climate change, the larger the impact on the carbon cycle, and hence the larger the required emission reduction. Ocean Acidification Increasing atmospheric CO2 concentrations lead directly to increasing acidification of the surface ocean. Multi model projections based on SRES scenarios give reductions in ph of between 0.14 and 0.35 units in the 21st century, adding to the present decrease of 0.1 units from preindustrial times. Southern Ocean surface waters are projected to exhibit undersaturation with regard to calcium carbonate for CO2 concentrations higher than 600 ppm, a level exceeded during the second half of the century in most of the SRES scenarios. Low latitude regions and the deep ocean will be affected as well. Ocean acidifi cation would lead to dissolution of shallow water carbonate sediments and could affect marine calcifying organisms. However, the net effect on the biological cycling of carbon in the oceans is not well understood. 5

6 Figur 1: IPCC Figure 2.3. Recent CO2 concentrations and emissions. (a) CO2 concentrations (monthly averages) measured by continuous analysers over the period 1970 to 2005 from Mauna Loa, Hawaii and Baring Head, New Zealand. Due to the larger amount of terrestrial biosphere in the NH, seasonal cycles in CO2 are larger there than in the SH. In the lower right of the panel, atmospheric oxygen (O2) measurements from flask samples are shown from Alert, Canada (pink) and Cape Grim, Australia (cyan) (Manning and Keeling, 2006). The O2 concentration is measured as per meg deviations in the O2/N2 ratio from an arbitrary reference, analogous to the per mil unit typically used in stable isotope work, but where the ratio is multiplied by 106 instead of 103 because much smaller changes are measured. (b) Annual global CO2 emissions from fossil fuel burning and cement manufacture in GtC yr (black) through 2005, using data from the CDIAC website (Marland et al, 2006) to Emissions data for 2004 and 2005 are extrapolated from CDIAC using data from the BP Statistical Review of World Energy (BP, 2006). Land use emissions are not shown; these are estimated to be between 0.5 and 2.7 GtCyr 1 for the 1990s (Table 7.2). Annual averages of the 13C/12C ratio measured in atmospheric CO2 at Mauna Loa from 1981 to 2002 (red) are also shown (Keeling et al, 2005). The isotope data are expressed as 13C(CO2)(per mil) deviation from a calibration standard. Note 6 that this scale is inverted to improve clarity.

7 Figur 2: Nature: a, Atmospheric CO2 emissions, historical atmospheric CO2 levels and predicted CO2 concentrations from this emissions scenario, together with changes in ocean ph based on horizontally averaged chemistry. b, Estimated maximum change in surface ocean ph as a function of final atmospheric CO2 pressure, and the transition time over which this CO2 pressure is linearly approached from 280 p.p.m. A, glacial/ interglacial CO2 changes13; B, slow changes over the past 300 Myr; C, historical changes1 in ocean surface waters; D, unabated fossil fuel burning over the next few centuries. 7

8 Figur 3: IPCC AR4 Figure 7.3. The global carbon cycle for the 1990s, showing the main annual fl uxes in GtC yr 1: pre industrial natural fluxes in black and anthropogenic fluxes in red (modified from Sarmiento and Gruber, 2006, with changes in pool sizes from Sabine et al., 2004a). The net terrestrial loss of 39 GtC is inferred from cumulative fossil fuel emissions minus atmospheric increase minus ocean storage. The loss of 140 GtC from the vegetation, soil and detritus compartment represents the cumulative emissions from land use change (Houghton, 2003), and requires a terrestrial biosphere sink of 101 GtC (in Sabine et al., given only as ranges of 140 to 80 GtC and 61 to 141 GtC, respectively; other uncertainties given in their Table 1). Net anthropogenic exchanges with the atmosphere are from Column 5 AR4 in Table 7.1. Gross fl uxes generally have uncertainties of more than ±20% but fractional amounts have been retained to achieve overall balance when including estimates in fractions of GtC yr for riverine transport, weathering, deep ocean burial, etc. GPP is annual gross (terrestrial) primary production. Atmospheric carbon content and all cumulative fluxes since 1750 are as of end