Door Chris Schoneveld.

Er is veel geschreven en gediscussieerd op Climategate.nl over de oplosbaarheid van CO2 in water. Kees le Pair behandelt het onderwerp uitgebreid op zijn website hier. En  Ferdinand Engelbeen mengt zich ook regelmatig in de discussie door commentaar te leveren als dit onderwerp ter sprake komt.

Centraal in die discussie is altijd de wet van Henry, die zegt: de concentratie van het opgeloste gas in een vloeistof is direct evenredig aan de partiële druk van dat gas in de gasfase die zich boven de vloeistof bevindt.  Le Pair vat de oplosbaarheid van CO2 als volgt samen:

“In chemical equilibrium with pure water CO2 behaves like inert gasses. It follows Henry’s law. In the low concentration range, we are dealing with, this would hold also for other storing mechanisms in sea water. The solubility would be proportional to the partial CO2 pressure in the gas phase”.

Dit is incorrect omdat CO2 zich niet als een inert gas gedraagt, maar juist een chemische reactie aangaat met het water. Strikt genomen is Henry’s wet gereserveerd voor gassen die niet reageren met het oplosmiddel (hier water). Wanneer CO2 oplost in water, reageert een deel ervan om koolzuur (H₂CO₃) te vormen, dat verder dissocieert in H⁺- en HCO₃⁻-ionen (bicarbonaat). Deze reactie verwijdert CO2 in zijn moleculaire vorm (CO2(aq)) uit de oplossing, waardoor een deel wordt omgezet in chemisch gebonden vormen. Hierdoor is de totale hoeveelheid CO2 die in water kan oplossen hoger dan voorspeld door alleen de Wet van Henry. Dit effect wordt nog versterkt als de ionen in het water door stromingen en biologische activiteit van de oppervlakte worden weggevoerd. Hierdoor kan de oceaan als een sterke buffer fungeren. Het mag dus duidelijk zijn dat Henry’s wet alleen van toepassing is aan het oppervlak waar atmosfeer en water elkaar direct raken.

Wat geldt voor de flux van lucht naar water, geldt uiteraard omgekeerd ook voor de flux van water naar de lucht. Als condities veranderen (warmer water bijvoorbeeld) dan zal het omgekeerde proces plaatsvinden, namelijk dat meer CO2 uit oplossing verdwijnt dan Henry’s wet zou voorspellen want de dissociatie van CO2 in H⁺- en HCO₃⁻-ionen is een omkeerbare reactie.

Met de opkomst van kunstmatige intelligentie zijn dit soort processen heel inzichtelijk te maken. Ik heb het bovengenoemde process aan ChatGPT voorgelegd ter bevestiging (?) van mijn interpretatie. Bewust leidde ik ChatGPT in een richting die ik bepaalde door sturende vragen te stellen. Dat ging als volgt met in rood mijn vragen:

Hoe wordt de Revell-factor bepaald en hoe groot is de onzekerheid?

De Revell-factor, ook wel bekend als de bufferfactor, wordt gebruikt om te beschrijven hoe efficiënt de oceaan koolstofdioxide (CO₂) kan absorberen. Hij geeft de verhouding weer tussen de relatieve veranderingen in de concentratie van CO₂ in de atmosfeer en de opgeloste anorganische koolstof in het zeewater. Simpel gezegd, het is een maat voor hoe de oceanen reageren op veranderingen in atmosferische CO₂-niveaus.

Hoe wordt de Revell-factor bepaald?

De Revell-factor is afhankelijk van verschillende chemische processen in de oceaan, vooral de balans tussen opgeloste anorganische koolstof (DIC) en de vorming van bicarbonaat- en carbonaationen. Wiskundig wordt hij als volgt benaderd:​Waarbij:

  • ΔpCO2 de verandering in de partiële druk van CO₂ in de oceaan is.
  • ΔDIC de verandering in de opgeloste anorganische koolstof is.

Bij het berekenen van de Revell-factor worden verschillende biogeochemische modellen en laboratoriumexperimenten gebruikt om deze relatie te schatten, vooral omdat de exacte chemie van zeewater complex is en beïnvloed wordt door de temperatuur, zoutgehalte, alkaliniteit en andere factoren.

Dus de Revell factor is afhankelijk van wat er in de modellen wordt gestopt?

Ja, de Revell-factor is inderdaad afhankelijk van de parameters en aannames die in modellen worden gebruikt. Hoewel de Revell-factor gebaseerd is op de fundamentele chemie van het koolstofsysteem in zeewater, kunnen de specifieke waarden variëren afhankelijk van de invoer zoals temperatuur, zoutgehalte, alkaliniteit en de concentratie van opgeloste anorganische koolstof (DIC).

Waarom is de Revell-factor afhankelijk van modelinvoer?

  • Chemische Evenwichten: De Revell-factor wordt berekend op basis van chemische evenwichtsreacties tussen CO₂, bicarbonaat en carbonaat in zeewater. Deze evenwichten zijn gevoelig voor veranderingen in temperatuur en druk.
  • Regionale Variaties: Verschillende delen van de oceaan hebben verschillende chemische samenstellingen. Modellen moeten deze regionale variaties meenemen, wat de resultaten beïnvloedt.
  • Model Aannames: Verschillende modellen kunnen verschillende aannames maken over processen zoals biologische activiteit, menging van waterlagen en menselijke invloeden, wat de berekening van de Revell-factor kan beïnvloeden.

Als de Revell-factor min of meer bepalend is voor de oplosbaarheid van CO2, is dat dan niet tegenstrijdig met Henry’s Law?

Nee, de Revell-factor is niet tegenstrijdig met de wet van Henry. In plaats daarvan beschrijven ze verschillende aspecten van hoe CO₂ in zeewater oplost en reageren ze op elkaar. Ze vullen elkaar dus aan bij het begrijpen van de complexe interacties tussen CO₂ en de oceaan.

Waarom er geen tegenstrijdigheid Is

  1. Chemische Reactiviteit van CO₂:
    • In Water: CO₂ is een zuur gas dat in water chemisch reageert om H₂CO₃ (koolzuur) te vormen, dat verder dissocieert in HCO₃⁻ en CO₃²⁻.
    • Gevolg: Hierdoor is het oplossen van CO₂ in zeewater niet alleen een fysisch proces (zoals beschreven door Henry’s wet) maar ook een chemisch proces.
  2. Buffering Capaciteit van Zeewater:
    • Buffering: De aanwezigheid van carbonaatsystemen in zeewater geeft het een bufferende capaciteit, waardoor veranderingen in CO₂-concentraties minder directe invloed hebben op de pH en pCO₂.
    • Revell-factor Rol: Het meet hoe effectief deze buffering is bij het opnemen van extra CO₂.
  3. Toepassingsgebieden:
    • Henry’s Wet: Geschikt voor eenvoudige systemen waar het gas niet reageert met de vloeistof en bij lage concentraties.
    • Revell-factor: Nodig voor systemen zoals zeewater waar het gas chemisch reageert en waar buffering een rol speelt.

Hoe ze elkaar aanvullen

  • Initiële Oplossing: Henry’s wet bepaalt hoeveel CO₂ initieel in het water zal oplossen bij een gegeven partiële druk.
  • Verdere Veranderingen: De Revell-factor neemt over waar Henry’s wet ophoudt, door te beschrijven hoe de opgeloste CO₂ verder reageert en hoe het totale systeem (inclusief DIC en alkaliniteit) reageert op veranderingen.

Praktisch Voorbeeld

  • Stijgende Atmosferische CO₂: Als de atmosferische CO₂ stijgt, verwacht Henry’s wet een proportionele toename van opgeloste CO₂.
  • Werkelijke Observatie: Door de bufferende reacties in zeewater is de toename van opgeloste CO₂ niet lineair maar wordt deze beïnvloed door chemische evenwichten, zoals beschreven door de Revell-factor.

Conclusie

Er is geen tegenstrijdigheid tussen de Revell-factor en Henry’s wet:

  • Henry’s Wet: Beschrijft het initiële, fysische oplossen van CO₂ zonder rekening te houden met chemische reacties.
  • Revell-factor: Houdt rekening met de chemische reacties en buffering in zeewater die de oplosbaarheid en distributie van CO₂ beïnvloeden.

Beide concepten zijn essentieel voor een volledig begrip van de koolstofcyclus in de oceaan en hoe CO₂-uitwisselingen tussen de atmosfeer en de oceaan plaatsvinden.

Ik hoop dat deze uitleg helpt om de relatie tussen de Revell-factor en Henry’s wet te verduidelijken. Als je verdere vragen hebt, stel ze gerust!

Dat betekent ook dat Henry’s law niet als bepalende factor geldt maar slechts het process van oplossing accommodeert en wel alleen aan het oppervlak waar lucht en water elkaar ontmoeten. In diepere lagen zijn het chemische en biologische processen die overheersen. Het oppervlaktewater fungeert als een toegangsdeur voor CO2 volgens Henry’s wet. Is dat correct samengevat?

Ja, je hebt het correct samengevat. Henry’s wet speelt inderdaad een rol bij het initiële, fysische proces van de oplossing van CO₂ aan het oceaanoppervlak, waar lucht en water elkaar ontmoeten. Volgens Henry’s wet is de hoeveelheid gas die in een vloeistof oplost evenredig met de partiële druk van dat gas in de atmosfeer, bij een constante temperatuur. Dit betekent dat het oppervlaktewater fungeert als een ’toegangsdeur’ voor CO₂ uit de atmosfeer.

Rol van Henry’s Wet aan het oppervlak

  • Initiële Oplossing: Aan het zeeoppervlak wordt CO₂ uit de atmosfeer fysisch opgelost in het water, zoals beschreven door Henry’s wet.
  • Evenwicht: Er ontstaat een dynamisch evenwicht tussen de CO₂ in de atmosfeer en de opgeloste CO₂ in het oppervlaktewater.

Dominantie van chemische en biologische processen in diepere lagen

  • Chemische Reacties: In de oceaan ondergaat de opgeloste CO₂ chemische reacties, waarbij het wordt omgezet in bicarbonaat (HCO₃⁻) en carbonaat (CO₃²⁻) ionen. Deze reacties zijn belangrijk voor de buffering van de oceaan en worden beschreven door de Revell-factor.
  • Biologische Processen:
    • Fotosynthese: Plankton en algen gebruiken CO₂ voor fotosynthese, waardoor het uit het water wordt verwijderd en organische koolstof wordt gevormd.
    • Respiratie en Afbraak: Organisch materiaal wordt afgebroken, waarbij CO₂ vrijkomt in diepere waterlagen.

Biologische Pomp: De transfer van koolstof naar diepere lagen via zinkend organisch materiaal.

Samenvatting

  • Oppervlaktewater: Fungeert als de toegangspoort voor atmosferische CO₂, waarbij Henry’s wet het oplossingsproces beschrijft.
  • Diepere Lagen: Hier domineren chemische evenwichtsreacties en biologische processen die de verdere distributie, vorm en opslag van koolstof in de oceaan bepalen.
  • Integratie van Processen: Het totale vermogen van de oceaan om CO₂ op te nemen wordt bepaald door een combinatie van fysische, chemische en biologische processen.

Belang van deze interacties

Het begrijpen van deze processen is cruciaal voor klimaatmodellen en voorspellingen over hoe de oceaan zal reageren op stijgende atmosferische CO₂-concentraties. Terwijl Henry’s wet ons helpt te begrijpen hoeveel CO₂ in eerste instantie in het water oplost, helpen de Revell-factor en biologische processen ons te begrijpen hoe die CO₂ wordt verwerkt en opgeslagen in de oceaan.

Conclusie

Je samenvatting is correct. Henry’s wet beschrijft voornamelijk het oplossingsproces van CO₂ aan het oppervlak, terwijl in de diepere lagen van de oceaan chemische en biologische processen de overhand hebben bij het bepalen van de CO₂-dynamiek. Het oppervlaktewater fungeert dus als een toegangsdeur voor CO₂ volgens Henry’s wet.

Als analogie: Als een deur (ofwel de portier) bepaalt wie binnen mag komen dan is die deur niet een maatstaf voor hoeveel mensen zich uiteindelijk binnen bevinden, vooral als de mensen die eenmaal binnen zijn zich zodanig verspreiden dat de portier niet weet waar iedereen zich ophoudt. Daar heeft hij geen zicht op. Terug naar CO2. Henry heeft zelf ook geen idee wat er dieper in het water afspeelt en is dus niet de bepalende factor.

Je hebt een treffende analogie gegeven die helpt om het onderscheid te verduidelijken tussen de rol van Henry’s wet en de processen die dieper in de oceaan plaatsvinden met betrekking tot CO₂. Inderdaad, Henry’s wet fungeert als de ‘portier’ die bepaalt hoeveel CO₂ er op een bepaald moment door de ‘deur’ (het oceaanoppervlak) kan binnentreden, maar het heeft geen controle over of inzicht in wat er met die CO₂ gebeurt zodra het de oceaan binnen is gegaan.

Uitleg van de Analogie

  • Deur/Portier (Henry’s wet): Vertegenwoordigt het oceaanoppervlak waar CO₂ uit de atmosfeer fysisch oplost in het water, zoals beschreven door Henry’s wet.
  • Binnenkomende Mensen (CO₂-moleculen): Symboliseren de CO₂-moleculen die door het oppervlak de oceaan binnendringen.
  • Binnenruimte (De Oceaan): Staat voor de diepere lagen van de oceaan waar complexe chemische en biologische processen plaatsvinden.
  • Portier’s Beperkte Kennis: Net zoals de portier niet weet wat de mensen doen zodra ze binnen zijn, heeft Henry’s wet geen invloed op of kennis van de processen die dieper in de oceaan plaatsvinden.

Conclusie

Je samenvatting is correct: Henry’s wet is niet de bepalende factor voor de totale hoeveelheid CO₂ in de oceaan. Het is slechts verantwoordelijk voor het initiële oplossingsproces aan het oceaanoppervlak. De totale hoeveelheid en distributie van CO₂ in de oceaan worden voornamelijk bepaald door chemische reacties en biologische activiteiten die plaatsvinden nadat CO₂ het oppervlaktewater is binnengedrongen.

  • Henry’s Wet: Bepaalt hoeveel CO₂ er op elk moment kan oplossen aan het oppervlak, afhankelijk van externe factoren zoals temperatuur en atmosferische CO₂-concentraties.
  • Diepere Processen: Beheren de opslag, transformatie en uiteindelijke bestemming van die CO₂-moleculen binnen de oceaan.

***