Transcript Climate Change - Den økologiske skolesekken

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
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
CO2 . Mange dyregrupper har kalkskall og vi vil undersøke hvordan økt konsentrasjon av CO2
påvirker kalk.
Sammendrag
Karbondioksid er en av gassene som bidrar til forsuring av både ferskvann og saltvann.
Økning av CO2 – 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 CO2 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 CO2. 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
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 CO2 gjennom ferskvann og saltvann.
Våre forsøk viser at det er en klar sammenheng mellom konsentrasjonen av CO2 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 CO2 – 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 CO2 - 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 CO2 i luften henger
sammen.
Figur 1
3
Kalsitt og aragonitt
Kalk inngår i skallet til mange marine organismer.
Det finnes 2 typer kalsiumkarbonat (CaCO3) 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/cm3, mens aragonitt har en
tetthet på 2,947 g/cm3. 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
470oC 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 Ca2+, 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
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 CO2. Dette
gjorde vi ved først å boble CO2 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 CO2 - mettede vannet. Vi har ennå
ikke beregnet det nøyaktige innholdet av CO2 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
Havets evne til CO2-opptak:
Vannet i havet har faktisk evne til å absorbere all
CO2 som vi har i atmosfæren, men for at CO2en
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 CO2 omdanningen bare ved hjelp av
sollys.
6
Utførelse:
Når prosjektet startet ble det først testet om det var karbonat (CO32-) 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 CO2 holdig vann hadde på skjellsand og krabbeskall. CO2
ble produsert ved hjelp av tørris og en akvariepumpe ble brukt for å boble CO2 gjennom
vannprøvene. Dette ble gjort inntil vannet var mettet med CO2. Så ble det CO2 holdige vannet
fortynnet til ulike grader av CO2 innhold og løsningen ble filtrert gjennom kalk (oppveid) for
å finne oppløsnings evnen til vann med ulike CO2 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
7,23
6,58
6,14
5,07
4,74
9,4
9,01
8,53
7,32
6,99
Med ferskvann og krabbeskal
pH før
pH etter
7
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
1,2
2,6
8,2
5,3
2,7 mS
LE
differanse
Med ferskvann og krabbeskall
LE før
LE etter
104,7
99,2
94,6
101,5
108,6 µS
830
981
1036
1843
1955 µS
725,3
881,8
941,4
1741,5
1846,4 µS
LE
differanse
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
0,9321
0,8313
Med ferskvann og krabbeskall
svinn gram
0,6768
0,5517
8
0,8781
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
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 CO2 . Dette gjelder
generelt. Vi har ennå ikke beregnet om noen av våre løsninger tilsvarer 500 eller 1000 ppm
atmosfærisk CO2 . Det vil komme i neste ”trinn” av dette forsøket.
Tidskurver for pH og ledningsevne (Figur 5 og 6)
Når man bobler CO2 gjennom vann, er det vanskelig å vite når vannet er blitt mettet med CO2.
Derfor gjorde vi et forsøk hvor vi målte pH og ledningsevne samtidig mens vi langsomt
tilførte CO2. Da kunne vi finne ut hvilken pH og ledningsevne som CO2 – mettet vann hadde.
10
Forslag til løsning:
Den løsningen som alle kjenner til og selvfølgelig også det som er målet er jo å minske de
menneskeskapte utslippene av CO2,men dette vil ta tid, og tid er ikke det planeten vår har nå.
Tiltak til å lagre CO2 under havbunnen er allerede påbegynt.
Men, det har kommet mange forslag til hvordan man kan løse problemet med at det er for
mye CO2 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 CO2 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 CO2 i
høy grad og produserer O2.
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 CO2. Når en krabbe eller annet skalldyr dør, vil ikke CO2 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
CO2 – utslipp, det er den eneste langvarige løsningen.
11
Referanser
Havforsuring TA 2575 Raport 2010
Forvaltningsplan for norskehavet Raport LNR 5526-2008
Samtale med Knut Yngve Børsheim (oseanografi ved IMR)
http://www.snl.no/aragonitt
(12 – 01 – 10)
http://no.wikipedia.org/wiki/Aragonitt
(11 – 01 – 10)
http://no.wikipedia.org/wiki/Kalsitt
(11 – 01 – 10)
Og mye samtaler og veiledning fra vår lærer og veileder Tore Nysæther
12