Klimaendringer! Climate Change. Hvordan vil økningen av karbondioksid i atmosfæren påvirke vannmiljøet?

Transkript

1 Klimaendringer! Climate Change Hvordan vil økningen av karbondioksid i atmosfæren påvirke vannmiljøet? 2Laa Sandefjord Videregående Skole Eirik Haraldsen Skjellerud, Hjalmar Andreas Fredriksen, Anette Nordmo Haugen og John Mario Viken Veileder: Tore Nysæther 1

2 Forord Økning av karbodioksid i atmosfæren fører til forsuring av havet som langt overgår de endringene vi kjenner til de siste 25 millioner år. Anslagene over hvor mye forsuring som har vært de siste 200 årene, er basert på beregninger, men for Nordsjøen, Norskehavet og Barentshavet finnes presise målinger av karbonsystemet i sjøvann som viser forsuringen de siste 30 årene. Etter den industrielle revolusjonen som startet for ca 200 år siden, har karbonholdig fossilt materiale blitt brent i stadig høyere tempo. Klimaet på jorden blir påvirket av drivhuseffekten som igjen påvirkes av blant annet konsentrasjonen av karbondioksid. I dette prosjektet har vi valgt å ta for oss en av virkningene av økt atmosfærisk innhold av CO 2. Mange dyregrupper har kalkskall og vi vil undersøke hvordan økt konsentrasjon av CO 2 påvirker kalk. Sammendrag Karbondioksid er en av gassene som bidrar til forsuring av både ferskvann og saltvann. Økning av CO 2 innholdet i atmosfære og hydrosfære fører til lavere ph og større løselighet av kalk. Mange dyrearter er avhengige av å ha et beskyttende kalkskall. Dersom dyrene får redusert denne beskyttelsen, vil det påvirke den økologiske ballansen. Kanskje det også vil påvirke produksjonen i vann og derigjennom påvirke menneskenes matforsyning. Vår gruppe har prøvd å se om det er en sammenheng mellom innholdet av CO 2 i vannet og evnen som dette vannet har til å løse opp kalk. I prosjektet har vi laget både ferskvann og saltvann med ulikt innhold av CO 2. Som testmateriale har vi brukt både skjellsand og skall fra krabber. Hovedforsøket vårt gikk ut på å la vann renne gjennom et lag med kalk og analysere forskjellene mellom vann som ikke hadde passert kalken og vann som hadde passert kalken. Vi var ute etter alle mulige slags forandringer som vi kunne måle med vårt skoleutstyr. Derfor har vi målt endringer i vannprøvenes ph, ledningsevne, kalsiuminnhold og magnesiuminnhold. Før forsøket ble kalken tørket og veid. 2

3 Etter gjennomstrømming av vannprøvene, ble kalken tørket og veid på nytt for eventuelt å kunne finne vektreduksjon pga oppløsning. Et annet forsøk gikk ut på å lage tidskurver som viser hvordan ph og ledningsevne forandrer seg når man bobler ren CO 2 gjennom ferskvann og saltvann. Våre forsøk viser at det er en klar sammenheng mellom konsentrasjonen av CO 2 i vannet og evnen som vannet har til å løse opp kalk. Så vidt vi vet er det ingen som har gjort slike forsøk tidligere og vi måtte selv utvikle metodene som vi brukte. I vårt forsøk har vi nok brukt ekstreme CO 2 mengder, men resultatene er veldig illustrerende for å vise hvordan klimaendringene også gir utslag for vannlevende organismer. Dersom disse forsøkene kan gi vanlige mennesker forståelse for at CO 2 - innholdet i atmosfæren må reduseres, vil det være et bidrag til å skape en bedre verden. I løpet av prosjektet har vi fått hjelp og tips av vår faglærer når det gjelder analysemetoder og bruk av analyseinstrumenter. Vi har selv utført alle analysene med det utstyret som vi har på vår skole. Effekter av at sjøvannet tar opp karbonsdioksid ph synker Konsentrasjonen av karbonat går ned Løselighet av kalk øker Studier ved havforskningsinstituttet ved Universitetet i Bergen UiB) (Raport om havforsuring TA 2575) har gjort beregninger på hvordan phen i vannet og mengden CO 2 i luften henger sammen. Figur 1 3

4 Kalsitt og aragonitt Kalk inngår i skallet til mange marine organismer. Det finnes 2 typer kalsiumkarbonat (CaCO 3 ) som marin flora og fauna bruker til å bygge skall og andre strukturer med. Disse kalkformene heter Aragonitt og kalsitt. Aragonitt er omtrent dobbelt så løselig som kalsitt. Kalsitt har en tetthet på 2.71 g/cm 3, mens aragonitt har en tetthet på 2,947 g/cm 3. De har den samme kjemiske formelen, men forskjellig krystall struktur kalsitt har en trigonal krystallstruktur, mens aragonitt har en orthorombisk krystallstruktur. Ved en temperatur på 470 o C endrer aragonitt krystallstruktur fra orthorombisk til trigonal og blir til kalsitt. Dyr som danner kalkskall lager ikke rene mineraler. Skallene har ofte innslag av organisk materiale og andre kationer enn Ca 2+, for eksempel magnesium. Analysemetoder Vi har utført følgende analyser: Konduktivitet : Konduktivitet (ledningsevne) måler løsningenes ledningsevne. Dette er en analysemetode som bli brukt for å finne ut hvor høy ledningsevne en løsning har Ledningsevnen avhenger av hvor mye ioner som det er i løsningen og av hvilke ioner som det er der. Dersom sammensetningen av ioner forandres, vil dette kunne vises på ledningsevnen. Små ioner leder bedre strøm enn store ioner. Ioner med flere ladninger leder bedre strøm enn ioner med en/få ladninger. Vi bruker konduktometeret Thermo Orion 105. ph: ph måles med Thermo Orion TriStar. Det kalibreres med 2 buffere (4,01 og 6,87). Det kontrolleres med en kontrolløsning. 4

5 Atomabsorpsjonsspektrofotometri (AAS): Spektroskopi er en fellesbetegnelse på målemetoder som baserer seg på at atomer kan ta opp og sende fra seg elektromagnetisk energi. Grunnstoffer kan identifiseres fordi hvert grunnstoff har sin egen karakteristikk over hvilke bølgelengder av elektromagnetisk stråling stoffet kan ta opp eller sende fra seg. Innholdet av kalsium og magnesium i vannprøvene ble analysert med AAS. Instrumentet var en Varian AA 400 Kalkoppløsningsforsøket : En av utfordringene i forsøket var å tilberede vannprøver med forskjellig innhold av CO 2. Dette gjorde vi ved først å boble CO 2 gjennom ferskvann (springvann) og saltvann (springvann tilsatt 3% havsalt). Når dette vannet var mettet, kunne det brukes til å lage de fortynningene som vi ønsket. Vannprøvene skulle inneholde 0, 5, 10, 50 og 100% av det CO 2 - mettede vannet. Vi har ennå ikke beregnet det nøyaktige innholdet av CO 2 i vannet, men vi regner med at det er ekstremt høyt i forhold til hva som kan forventes i naturen. 500 ml av dette vannet ble langsomt filtrert gjennom en innveid kalkmengde. Vi lot vannet passere kalken i løpet av ca 2 timer. 5

6 Havets evne til CO 2 -opptak: Vannet i havet har faktisk evne til å absorbere all CO 2 som vi har i atmosfæren, men for at CO 2 en skal komme i kontakt med dypvannet, må det gjennom overflatevannet. Dette overflatevannet skiftes ikke lett ut. Og derfor er det vanskelig å utnytte denne muligheten. Alger: Algene i havet er noe av det mest effektive skapningene som finnes på denne planeten når det kommer til fotosyntesen, de står for nesten 60 % av CO 2 omdanningen bare ved hjelp av sollys. 6

7 Utførelse: Når prosjektet startet ble det først testet om det var karbonat (CO 2-3 ) i krabbe skall. Dette ble testet ved å putte noe av skallene i syre og det ble observerte at det begynte å bruse. Det ble utviklet karbondioksid. Noe som er et bevis på at kalkskallene inneholdt karbonat. Så ble det testet hvilken effekt som CO 2 holdig vann hadde på skjellsand og krabbeskall. CO 2 ble produsert ved hjelp av tørris og en akvariepumpe ble brukt for å boble CO 2 gjennom vannprøvene. Dette ble gjort inntil vannet var mettet med CO 2. Så ble det CO 2 holdige vannet fortynnet til ulike grader av CO 2 innhold og løsningen ble filtrert gjennom kalk (oppveid) for å finne oppløsnings evnen til vann med ulike CO 2 innhold. Det ble brukt kromatografikolonner til filtrering og utstyr beregnet på analyse av suspendert tørrstoff til å finne ut hvor mye av kalken som ble løst opp i vannet. I denne analysen ble det brukt både springvann og springvann med tilsatt 3,0 % havsalt for å etterligne sjøvann Hver gang noe ble filtrert ble det målt ledningsevne og ph før og etter filtreringen gjennom kalk. Ut fra tabellen Figur 2 kan du se at det har blitt tatt opp mye kalsium i løsningene siden ph en har gått opp opptil 2,5 ph enheter noen steder Figur 2 Filtreringens virkning på vannets ph. Med saltvann og skjellsand 0% 5% 10% 50% 100% Rør 1 Rør 2 Rør 3 Rør 4 Rør 5 ph før 7,43 5,88 5,56 4,89 4,54 ph etter 8,38 8,03 8,01 7,57 7,13 Med ferskvann og krabbeskal ph før 7,23 6,58 6,14 5,07 4,74 ph etter 9,4 9,01 8,53 7,32 6,99 7

8 Figur 3 Filtreringens virkning på vannets ledningsevne Rør 1 Rør 2 Rør 3 Rør 4 Rør 5 Med saltvann og skjellsand LE før 42,6 39,3 36,1 39,1 42,8 ms LE etter 43,8 41,9 44,3 44,4 45,5 ms LE differanse 1,2 2,6 8,2 5,3 2,7 ms Med ferskvann og krabbeskall LE før 104,7 99,2 94,6 101,5 108,6 µs LE etter µs LE differanse 725,3 881,8 941,4 1741,5 1846,4 µs Figur 4: Kalkens vektreduksjon ved filtrering Rør 1 Rør 2 Rør 3 Rør 4 Rør 5 Med saltvann og skjellsand svinn gram 0,077 0,6751 0,0089 0,1101 0,0656 Med ferskvann og krabbeskall 0,6768 0,5517 0,8781 0,9321 0,8313 svinn gram 8

9 Figur 5 Tidskurve for ph Figur 6 Tids kurve for ledningsevne Oppløsning av kalk (Figur 4) Vi håpet at vi skulle kunne måle vektforskjeller på den kalkmengden som ble plassert i kromatografikolonnene. Men de målte vektforskjeller er ikke pålitelige. Det største problemet var å overføre skjellsand/krabbeskall fra kolonnene over til porselensskåler før tørking og veiing. Det var veldig vanskelig å utføre dette likt i alle forsøkene. Det var svært lett å miste noe av materialet. Resultatene viser ingen systematisk endring og det er forståelig. 9

10 ph-endringer (Figur 2) I alle forsøkene var det en ph-økning i oppløsningsvannet. Det er logisk ettersom karbonationet er en svak base. Forsøket viser en god sammenheng mellom ph-verdien før og etter passering av kalklaget. Ledningsevne (Figur 3) I alle forsøkene var det en økning av ledningsevnen i oppløsningsvannet, men endringene var neste mikroskopiske i serien med skjellsand og salt vann i forhold til endringene i serien med krabbeskall og ferskvann, hvor den største endringen var på hele 1700% Magnesiumanalyse Vi hadde store metodiske problemer med magnesiumanalysene. (Dette vil vi fortsette å jobbe med videre i skoleåret). Resultatene viser en delvis god sammenheng med at det forventes høyere magnesiuminnhold i vannet samtidig med at kalsiuminnholdet øker. Imidlertid var det så stor usikkerhet i analysen at disse resultatene har liten verdi. Kalsiumanalyse Resultatene viser at vann kan løse opp mer kalsium når det inneholder mer CO 2. Dette gjelder generelt. Vi har ennå ikke beregnet om noen av våre løsninger tilsvarer 500 eller 1000 ppm atmosfærisk CO 2. Det vil komme i neste trinn av dette forsøket. Tidskurver for ph og ledningsevne (Figur 5 og 6) Når man bobler CO 2 gjennom vann, er det vanskelig å vite når vannet er blitt mettet med CO 2. Derfor gjorde vi et forsøk hvor vi målte ph og ledningsevne samtidig mens vi langsomt tilførte CO 2. Da kunne vi finne ut hvilken ph og ledningsevne som CO 2 mettet vann hadde. 10

11 Forslag til løsning: Den løsningen som alle kjenner til og selvfølgelig også det som er målet er jo å minske de menneskeskapte utslippene av CO 2,men dette vil ta tid, og tid er ikke det planeten vår har nå. Tiltak til å lagre CO 2 under havbunnen er allerede påbegynt. Men, det har kommet mange forslag til hvordan man kan løse problemet med at det er for mye CO 2 i atmosfæren. Et forslag går ut på å pumpe vann fra dypet til overflaten for å skifte ut vannet, denne metoden vil derimot med vår nåværende energiteknologi produsere mer CO 2 bare til energiforbruket enn den endringen som vil merkes på den positive siden. Et annet forslag går ut på å dyrke alger som danner kalk, som for eksempel Emiliania huxleyi. Når disse dør, vil de synke til bunns og forhåpentligvis danne stabile lag som etter hvert omdannes til kalkstein og marmor. dette er en prosess som med tid vil være en selvgående prosess, en prosess som ikke trenger menneskelig hjelp, alger tar jo til seg CO 2 i høy grad og produserer O 2. Men dersom havet er blitt så surt at kalkskallene oppløses igjen, er heller ikke dette en god løsning. Den siste løsningen gruppen vår kom opp med var å dyrke skalldyr, når skalldyr produserer skallet sitt så tar det opp mye CO 2. Når en krabbe eller annet skalldyr dør, vil ikke CO 2 en slippe løs i vannet/atmosfæren igjen, men skallet vil bli liggende i lengre tid. Sannsynligvis er den eneste virkelige løsningen at vi snarest får redusert våre menneskeskapte CO 2 utslipp, det er den eneste langvarige løsningen. 11

12 Referanser Havforsuring TA 2575 Raport 2010 Forvaltningsplan for norskehavet Raport LNR Samtale med Knut Yngve Børsheim (oseanografi ved IMR) ( ) ( ) ( ) Og mye samtaler og veiledning fra vår lærer og veileder Tore Nysæther 12