Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre
Contents
1. d h zumindest solange die Massenbilanz in Kapitel 5 korrekt bleibt 2 B einfacher genauer schneller zu messen weniger nat rliche Hintergrundkonzentration keine che mischen Reaktionen 12 wichtig f r die Schmidtzahl Skalierung Es existiert bislang kein Modell welches den Gasaustausch f r alle nat rlichen Bedingungen einheitlich und angemessen beschreibt Dies ist auch nicht unbedingt zu erwarten da die Anzahl der Einflussgr en gro ist Durch Laborexperimente kann man gezielt untersuchen unter welchen Bedingungen einzelne Modelle das beobachtete Verhalten widerspiegeln 3 Chemische Grundlagen 3 1 bersicht der relevanten chemischen Stoffe und Bezeichnungen Symbol Name auch bekannt als Co Kohlendioxid H O Wasser H CO Kohlens ure HCO Hydrogencarbonat Bicarbonat H Abk rzung f r H30 H Ion Oxonium lon 09 Carbonat lon OH Hydroxid lon NaOH Natriumhydroxid Natronlauge Tabelle 1 Chemische Symbole und Namen 3 2 Schreibweise der Konzentrationen Wenn es um Konzentrationen verschiedener Stoffe geht werden diese wie in der Che mie blich durch eckige Klammern gekennzeichnet Zum Beispiel bezeichnet CO die Konzentration von CO Um die Gleichungen bersichtlich zu halten wird jedoch im Rahmen der physikalische Modellierung des Austauschprozesses in Abschnitt 5 1 die Konzentration von CO in Luft mit ca und in Wasser mit c bezeichnet 3 3 Massenwirkungsgesetz2. ger Frage f r jeden Zeitpunkt treffen F r das VE Wasser Modell soll aus dem Verlauf der Leitf higkeit die Transferge schwindigkeit k bestimmt werden Die Zeitbereiche ber die gefittet wird soll ten dokumentiert sein Wenn die Kurve der Leitf higkeitsmessung Knicke auf weist kann gegebenenfalls ber mehrere k rzere Zeitabschnitte gefittet werden Bestimmen sie f r die entsprechenden Zeitbereiche auch Mittelwerte und Stan dardabweichungen der Wasserh he der Mittleren Quadratischen Neigung mss der Windgeschwindigkeit und aller anderen Gr en die Sie f r wichtig zur Inter pretation der Daten erachten Die Vorauswertung des Spektren Bildes der pH Indikatormethode erfolgt mitdem Heurisko Skript Windm hle_Auswertung_Studenten ws Die Zeitbereiche f r die Mittelung der Referenzsprektren Dunkelspektrum Lampenspektrum S u respektrum Basespektrum k nnen am Anfang des Skripts gem Ihren Mes sungen angegeben werden Die Vorgehensweise ist schrittweise im Skript erl u tert Wenden Sie sich bei Unklarheiten an Ihren Betreuer Verschaffen Sie sich einen Eindruck von der Qualit t der Daten und w hlen Sie einen oder mehre re geeignete Wellenl ngenbereiche aus ber die d gemittelt wird Bei jeder Skript Ausf hrung erhalten Sie die Ergebnisse in Form von mehreren Texttabel len die Sie mit dem Programm Ihrer Wahl wie bei der Leitf higkeitsmethode weiter auswerten k nnen Speichern oder Drucken Sie die Plots der Referenz
3. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 4 5 2 1 Gasaustausch zwischen Luft und Wasser 2 2 22 2 2220 5 2 1 1 Bedeutung der Grenzschicht 2 22 2222 222 5 2 1 2 Transferwiderstand und Analogie zum Ohmschen Widerstand 5 2 1 3 DasFilmmodelll 2 2222 Co Coon 7 2 1 4 Netto Fluss und Transfergeschwindigkeit 7 2 1 5 Antreibende Konzentrationsunterschiede und L slichkeit 7 2 1 6 Transfergeschwindigkeit und Transferwiderstand 8 2 1 7 Transfergeschwindigkeit und Richtung des Flusses im Filmmodelll 8 2 1 8 Wichtige Einflussgr en f r den Gasaustausch 10 2 1 9 Einfluss der Wahl des Gasaustausch Modells 12 13 Lees 2B EE 13 EES 13 3 4 pK Werte und der pH Wert 2 222 Co Coon 14 ee ar ee Ma aA are et ae eee 2 15 3 6 __VE Wasser und das Meer Modell Wasserl 16 3 6 1 Ladungserhaltungl 2 2222 2 22mm nn 16 17 ee ee Ge Be ee Boe az 17 SAW ade Gc oe Eee A eer eed a er 18 4 2 1 Absorptionsspektroskopie mit pH Indikator 19 5 Massenbilanzmethode zur Bestimmung der Transfergeschwindigkeit S 5 1 Boxmodell f r eine Evasionsmessung mit hoher Sp lrate 22 6 1 Der kleine ringf rmige Wind Wellen Kanal 22 6 1 1 Wasserrinne 24 6 4 2 tram amp 4 25 288 MEN Sr ner Bra dg 24 6 1 3 _ Wind Generator a aoa oaoa a a 24 6 1 4 Begasungseinheit aaoo aa eee ee eee es 24 6 1 5 Skimmer 4 oe Ge EN 222 Ee e E EO ee 25 ee ae ee N
4. spektren und der Absorbanz Dokumentieren Sie die gew hlten Zeitbereiche und Wellenl ngen Bins Bestimmen Sie aus dem Verlauf von E die Transfergeschwindigkeit f r verschie dene Zeitabschnitte des Evasionsexperiments analog zum oben geschilderten Vorgehen bei der Auswertung der Leitf higkeitsmethode Beachten Sie die unter schiedlichen Zusammenh nge zwischen dem pH Wert und der CO Konzentration f r die beiden Versuchsteile Der Messfehler oder zeitliche Schwankungen aller relevanten Daten und deren Einfluss auf die Genauigkeit der ermittelten Transfergeschwindigkeiten sollte be stimmt werden Interpretieren Sie Ihre Daten und gegebenenfalls Abweichungen in den Transfer geschwindigkeiten 35 e Bereiten Sie die Diagramme z B Referenzspekten Zeitserien so auf dass man leicht einen berblick den Versuch erlangen kann und z B die Wahl der Zeit abschnitt f r die Fits oder die Wahl des Wellenl ngenbereichs f r die Mittelung von H einfach nachvollziehbar sind e Sichern sie Ihre Endergebnisse und die Ausgabedateien des Skripts Windm hle_Auswertung_Studenten ws Literatur 1 2 3 a 4 5 6 7 8 9 10 11 36 S Bartels R Karcher and S Nagel editors Lexikon der Chemie 2 Teil Gest bis Pere Spektrum Akademischer Verlag 2007 K Degreif Untersuchungen zum Gasaustausch Entwicklung und Applikation ei nes zeitlich aufgel sten Massenbilanzverfahrens D
5. 2 A ca beitragen Das Spektrum wird am Ende der Absorptionsstrecke in diesem Fall zu I A alkalisch Io A exp a2 A x Io A exp e2 A c2 I0 A exp e2 A cx 36 diesmal mit Gleichung im Falle von c 0 Im Verlauf eines Experiments wird sich das Mischungsverh ltnis zeitlich ndern Das Spektrum ist somit ebenfalls zeitabh ngig I X t Io A exp e1 A c t z exp e2 A c t z Ip A exp fei cy 2 C2 x 37 Wenn wir zu bestimmten Zeitpunkten I A atkatisch und I A sauer Messen k nnen wir f r jeden Zeitpunkt des Experiments und f r fast jede Wellenl nge A folgendes Ver h ltnis berechnen In Isauer u In Ialkalisch C a 38 In t Ss In Isauer C2 Mit Gleichung folgt dann das gesuchte Verh ltnis aus HI Oa 39 I In Verbindung mit den Gleichungen f r VE Wasser oder f r das Meerwasser Modell kann daher das zeitliche Verhalten der CO Konzentration im Wasser bestimmt werden ohne dass o A 1 2 coder der pH Wert explizit bestimmt werden m ssen 10Der Unterschied zwischen nat rlichem n und dekadischem d Extinktionskoeffizienten w re nur ein Faktor en In 10 ea 1 Machen Sie sich klar in welchen F llen Gleichung nicht funktionieren kann 20 In diesem Versuch wird ein digitales Spektrometer verwendet Diese haben im Allge meinen einen von Null verschiedenen Offset Daher muss ein Spektrum qunke bei Dun kelheit aufgenommen werden und b
6. Die Beziehung zwischen den Konzentrationen der Produkte Endstoffe und Edukte Aus gangsstoffe einer chemischen Reaktion wird Massenwirkungsgesetz MWG genannt Das Massenwirkungsgesetz lautet Das Produkt aus den Konzentrationen der Endstoffe dividiert durch das Produkt der Konzentrationen der Ausgangsstoffe im chemischen Gleichgewicht ist eine Konstante 1 Seite 287 vi Das Lexikon ist auch in der Windkanalbibliothek mit der Nummer 035 zu finden Ein Beispiel Die Reaktion K A B C D 10 13 HCO3HH k Too quivalentleitf higkeiten X 2 min Mol Temperatur C Temperatur C Abbildung 7 links Temperaturabh ngigkeit der Dissoziationskonstante K nach f r die Reaktion in Gleichung 17 rechts Temperaturabh ngigkeit der quiva lentleitf higkeiten Quelle J hne 6 1980 f hrt im Gleichgewicht zu einem konstanten Verh ltnis der Konzentrationen welches durch _ c 0 en A B beschrieben wird wobei hier K eine st chiometrische also mengenbezogene Disso ziationskonstante ist Die Dissoziationskonstante ist f r jede chemische Reaktion eine charakteristische Konstante die nicht von den Mengen und Mischungsverh ltnissen abh ngt sich aber mit der Temperatur und dem Druck ndert 1 Ein Beispiel f r die Temperaturabh ngigkeit einer der in diesem Versuch wichtigen Reaktion ist in Abbil dung 7 gezeigt 3 4 pK Werte und der pH Wert Die Gleichgewichtszust
7. 0254 25400 ppm zu erhalten wobei hier der Druck p 1013 mbar die ideale Gaskonstante R 8 314J Kmol und die Temperatur T 293 K eingesetzt wurden Die Umrechnung der L slichkeit in andere Einheiten wird beispielsweise von Sander erl utert 2 1 6 Transfergeschwindigkeit und Transferwiderstand Die Transfergeschwindigkeit k mit Einheit L nge pro Zeit charakterisiert die Geschwin digkeit des Gasaustauschs und spiegelt die fluiddynamischen Bedingungen an der Was seroberfl che wieder Die Transfergeschwindigkeit ist quivalent zur Leitf higkeit ei nes elektrischen Leiters Formal l sst sie sich mit der effektiven Diffusionskonstante D K z verkn pfen wobei D die molekulare Diffusionskonstante und K z die tiefenabh ngige turbulente Diffusionskonstante ist siehe Gradientenansatz zur turbu lenten Diffusion z B in Roedel Kapitel 6 4 3 Gleichung 6 156 Setzt man die effektive Diffusionskonstante in das erste Fick sche Gesetz ein d h Oc j KO SE 3 dann folgt mit Gleichung 1 f r den Transferwiderstand 1 1 E Is ER 4 beziehungsweise fiir die Transfergeschwindigkeit 1 k __ SC 5 ara a Als integrale Gr e ist k relativ einfach messbar w hrend K z experimentell nur schwer zug nglich ist Durch Integration ber verschiedene H henbereiche z zp kann man den Transferwiderstand bei bekanntem K z auch f r verschiedene Zonen ge trennt berechnen 2 1 7 Tr
8. auch erste und zwei te Dissoziationskonstante von Kohlens ure genannt Die Dissoziationskonstanten sind 6 S 68 W ll un K p 10 mol l 17 aa K Ho 10 mol l 18 Die zweite Reaktion hat eine um 3 Gr enordnungen geringere Dissoziationskon stante und kann f r praktische Zwecke in reinem Wasser in erster N herung vernach l ssigt werden da der pH Wert kleiner gleich 7 ist Dies ist auch in Abbildung 8 verdeut licht In dieser Abbildung kann man ablesen dass der Anteil von Kohlenstoff in Form von LO f r saures Wasser mit pH lt 7 geringer als 1 ist F r alkalisches Wasser mit pH gt 8 ist der Anteil in Form von physikalisch gel stem CO wiederum geringer als 1 Der Anteil von Hydrogencarbonat HCO 1 w re nur f r sehr saures oder sehr alkalisches Wasser vernachl ssigbar 3 6 VE Wasser und das Meer Modell Wasser Aus praktischen Gr nden werden Gasaustausch Experimente h ufig mit entionisier tem vollentsalztem Wasser durchgef hrt Dieses sogenannte VE Wasser hat unter an derem den Vorteil geringerer Kalk Ablagerungen im Windkanal Des Weiteren ist die Leitf higkeitsmethode zur Messung der CO Konzentration in Wasser siehe Abschnitt nur mit anf nglich entionisiertem Wasser durchf hrbar Bei Verwendung von VE Wasser f hrt die Begasung mit CO zu relativ niedrigen pH Werten d h das Wasser ist immer s uerlich Der Ozean ist hingegen leicht alkalisch pH 8 2 0 3 9 und reich
9. gegen t bestimmen Ein entscheidender Vorteil dieser Methode besteht darin dass die Kon zentration c nur in relativen Einheiten gemessen werden muss 6 Versuchsaufbau 6 1 Der kleine ringf rmige Wind Wellen Kanal Der Versuch wird in einem ringf rmiger Wind Wellen Kanal mit einem Durchmesser von einem Meter durchgef hrt Der Kanal besteht aus einer Edelstahlrinne in die Was ser eingelassen wird und einem abgeschlossenen Luftvolumen 22 CO2 Sensor Skimmer auf Austrittsiochgges 5 En f r Sp lung Seite Spritzen Zugang Potentiometer Druck f r Windgesch Sensor Wasser Zulauf Ablau Oxygenato Schalter f r Pumpen Wind Diode Flussregler Abbildung 10 Anordnung einiger Bestandteile des Versuchsaufbaus 23 CO Messger t Thermometer Reinstluft generator Haus Druckluft I eicht Ba gt Abluft ne regler Anemometer Abbildung 11 Luftraum des Wind Wellen Kanals 6 1 1 Wasserrinne Ein Bild der Wasserrinne ist auf dem Titelblatt dieser Anleitung zu sehen Die Wasser rinne ist ringf rmig mit einem u eren Radius von 30cm und einer Breite von 10 cm Die Rinne ist ca 10 cm tief und sollte bis ca 8 cm mit Wasser gef llt werden Das Was servolumen in der Rinne entspricht dann ca 12 6 Liter Fur die Versuche wird vollent salztes VE Wasser aus der Hausleitung verwendet welches zus tzlich mit einem lo nentauscher aufbereitet wird und idealerweise ber eine Restlei
10. kann Man spricht in diesem Fall von was serseitig kontrolliertem Gasaustausch bzw einem wasserseitig kontrolliertem Tracer Dass wir die Transferwiderst nde im Luftraum in der luftseitigen Grenzschicht und im Wasserk rper gegen ber dem Transferwiderstand in der wasserseitigen Grenzschicht vernachl ssigen ist gleichbedeutend mit der Annahme dass au er in der wassersei tigen Grenzschicht die Konzentrationen in den Bereichen jeweils konstante Werte an nehmen Wenn in der wasserseitigen Grenzschicht ausschlie lich tiefenunabh ngige molekulare Diffusion stattfindet h ngt die Konzentration im station ren Fall linear von der Tiefe z ab Diese denkbar einfachste Beschreibung des Gasaustauschs entspricht dem Filmmodell welches in Abbildung B skizziert ist Obwohl die Darstellung der Was seroberfl che als eine flache feste Grenzfl che und die Anwesenheit von einer einheit lichen d nnen Schicht physikalisch unrealistisch sind ist dieses Modell ein guter weil einfacher Startpunkt f r die weitere Diskussion 2 1 4 Netto Fluss und Transfergeschwindigkeit Der Netto Fluss 7 eines Gases durch die wasserseitige Schicht ist gegeben durch das Produkt des antreibenden Konzentrationsabfalls oc cy s Abschnitt 2 1 5 und der Transfergeschwindigkeit k s Abschnitt 2 1 6 j kAc k Log cw 1 Wir gehen vereinfachend davon aus dass es keine Gradienten der Konzentration in horizontaler Richtung gibt Der Netto Fluss hat folglic
11. rliche pH Wert liegt dann vor wenn das Wasser insgesamt ladungsneutral ist d h wenn H OH Der ladungsneutrale Fall l sst sich auch schreiben als pK pH log g OH 2 pH Im neutralen Fall folgt also pH 7 dies ist der nat rliche pH Wert F r eine L sung mit pH lt 7 spricht man von einer sauren L sung f r pH gt 7 ist die L sung basisch 3 5 Das Karbonatsystem Im Ozean existiert Kohlenstoff haupts chlich in drei verschiedenen anorganischen For mert Erstens als physikalisch im Wasser gel stes Gas CO ag Zweitens als Hydrogen carbonat HCO Und drittens als Carbonat lon CO37 Eine vierte Form n mlich die ladungsneutrale Kohlens ure H CO existiert nur in sehr Bon lt 0 3 Hier wie im Folgenden wird daher die Sum me der Konzentration der ladungsneutralen und chemisch nicht trennbaren Formen geringer Konzentration SEnglisch alkaline 7Die Beschreibung des Karbonatsystems lehnt sich weitestgehend an das Buch CO in seawater equilibri um kinetics isotopes von Zeebe und Wolf Gladrow an welches auch in der Windkanalbibliothek mit der Nummer 063 zu finden ist 15 CO aq und H CO mit CO abgek rzt d h c0 CO aq H C0 15 Das Karbonatsystem im Wasser kann durch das Gleichgewicht K K CO H O HCO HI CO 2Ht 16 beschrieben werden Es handelt sich hierbei um Gleichgewichtszust nde und nicht um Reaktionspfade Die Gleichgewichtskonstanten K und Ka werden
12. Ablenkungswinkel ist also ei ne Funktion der Wellenneigung an einem Punkt Durch ein Fenster im Kanalboden ge langt der abgelenkte Strahl wieder in die Luft und wird dort mit einer Linse auf eine Mattscheibe abgebildet Die Anordnung von Linse und Mattscheibe ist telezentrisch d h die Mattscheibe befindet sich genau in der Brennebene der Linse Dadurch gibt es einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Strahlwinkel vor der Linse und der Position auf der Mattscheibe Die Position auf der Mattscheibe wird durch eine Kamera aufgenommen Insgesamt l t sich dann aus der Pixelposition x y des Laserpunktes im Bild der Kamera die Wellenneigung s al L gl h berechnen wobei h die Oberfl chenauslenkung am Durchsto punkt des Lasers bezeichnet Durch die telezen trische Anordnung von Mattscheibe und Linse ist der Zusammenhang unabh ngig von der Wellenh he siehe Abbildung 15 a Die Umrechnung von Strahlablenkung in Ein heiten von Pixeln in Wellenneigung Einheit Prozent wird mittels einer Kalibrierkurve durchgef hrt die von Weber aufgenommen wurde Einer der einfachsten Parameter zu Charakterisierung des kleinskaligen Wellenfeldes ist die mittlere quadratische Neigung englisch mean squared slope kurz mss Die mittlere quadratische Neigung ist die Summe der Varianzen der beiden Neigungskom ponenten Die Varianzen werden in unserem Fall durch zeitliche Mittelung berechnet d h Mss Sx 5r Sy Sol 46 Ocean Optic
13. COs bestimmt Der erste Teil wird mit reinem Wasser durchgef hrt im zweiten Teil wird mit dem im Abschnitt 3 6 beschriebenen Meerwasser Modell gearbeitet Die Versuchsabl ufe finden sich in der folgenden Tabelle Der Versuch kann erst dann gestartet werden wenn Sie ber die allgemeinen Sicher heitsbestimmungen f r das Labor informiert wurden Dazu erfolgt eine Einweisung durch einen Mitarbeiter bzw den Betreuer Lassen Sie sich zeigen welche Wasserh hne in welcher Reihenfolge zu bedienen sind um Wasser in den Kanal zu f llen oder wieder daraus abzulassen Vorsicht es besteht die Gefahr dass Sie andere Experimente im Labor zer st ren wenn Sie die Wasser h hne und Absperrh hne falsch bedienen Der Betreuer wird mit Ihnen alle Messger te zeigen und die Datenaquisition f r den PC besprechen Dabei wird Ihnen auch der Umgang mit der Software Heurisko gezeigt Die Aufnahme der Absorptionsspektren der Windgeschwindigkeit der Lufttempera tur der Wassertemperatur der F llh he der CO gt Luft Konzentrationen der Wellennei gung des Begasungsdrucks und der Leitf higkeit erfolgt mithilfe des Heurisko Skript gt Die Messger te werden ca alle 8 s ausgelesen Bei Fragen zur Datenaufnahme werden Ihnen die Mitarbeiter gerne weiter helfen Der Computer nimmt Ihnen die Arbeit der Datenprotokollierung ab Die Datenpunkte erhalten eine laufende Nummer Zeilennummern im Spektrometerbild bzw erste Spal te im Ausgabefenster und in der ta
14. F54 Gasaustausch Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosph re im Aeolotron Labor Arbeitsgruppe Prof Dr Bernd J hne Institut f r Umweltphysik Uni Heidelberg Hier finden Sie das Labor Institut f r Umweltphysik Im Neuenheimer Feld 229 1 Stock Raum 165 Falls die Flurt r verschlossen ist k nnen Sie anrufen von extern 06221 54 6403 und von intern z B im Fahrstuhl 6403 Stand 20 Oktober 2015 Kurzbeschreibung Anhand des Versuchs soll ein Einblick in die grundlegenden Mechanismen des Gasaus tauschs zwischen Atmosph re und Ozean erm glicht werden Dazu werden an einem ringf rmigen Wind Wellen Kanal die Austauschgeschwindigkeit von Kohlenstoffdioxid zwischen Luft und Wasser durch Leitf higkeits und pH Messungen gemessen Der pH Wert wird mittels optischer Absorptionsspektroskopie und pH Indikatoren bestimmt Mit dem Versuchen sind folgende Lernziele verkn pft 1 Grundlegendes Verst ndnis der Austauschgeschwin digkeit von Gasen zwischen Luft und Wasser e der Einfluss von Wind Wellen und Oberfl chen filmen 2 Einblicke in die Karbonatchemie im Ozean e der Einfluss des pH Werts e Beeinflusst die Reaktivit t von Kohlendioxid die Austauschgeschwindigkeit 3 Erlernen von modernen optischen Messmethoden in der Umweltphysik e Leitf higkeitsmethode versus Absorptionsspek troskopie mit pH Indikator e Wellenmessung 4 und nat rlich die computergest tzte Versuchs durchf hrung und Auswertung
15. Wasserkreisl ufe Der Wasserkreislauf teilt sich auf in die Kanalrinne und ein angeschlossenes Rohr und Schlauchsystem siehe Abbildung 13 Zur Begasung des Wassers dient ein Kreislauf in dem mit der Pumpe P1 Wasser durch den Oxygenator gepumpt wird siehe Abschnitt In einem weiteren Kreislauf betrieben mit Pumpe P2 wird das Wasser sowohl durch den Spektrometeraufbau als auch an der Leitf higkeitssonde vorbei gepumpt Zur Reinigung der Wasseroberfl che ist ein Skimmer vorgesehen der mit Pumpe P3 betrieben wird siehe Abschnitt 6 1 5 6 1 7 Effektive Wassers ule Wie in Abschnitt 5 1 erl utert nimmt das Wasser in den Schlauchleitung am Gasaus tausch teil Daher ist die effektive Wassers ule gegen ber der gemessenen Wassers ule um einen Offset erh ht Volumen in den Schlauchleitungen Fl che der Rinne heff gemessene Wassers ule 44 Das Verh ltnis des Volumens in den Schlauchleitungen zur Fl che der Rinne ist Volumen in den Schlauchleitungen Fl che der Rinne 6 89 0 04 mm 45 wobei nur Pumpe P2 betrieben wurde d h wie unter Bedingungen w hrend des Eva sionsexperiments Obwohl nur Pumpe P2 betrieben wird findet eine Umw lzung des Wassers in den Leitungen des Begasungskreislaufes statt weil Begasungs und Spek trometerkreislauf miteinander verbunden sind Daher wird der Offset nicht signifikant erh hrt wenn man w hrend des Evasionsexperiments vergisst die Pumpe P1 auszu schalten Eine Messun
16. an lonen Man kann sich nat rlich fragen ob die Alkalinit t und Anwesenheit zu s tzlicher Ionen einen wesentlichen Einfluss auf die Austauschgeschwindigkeit von CO hat Wenn sich CO in Meerwasser l st ndert sich CO nur geringf gig da das Sys tem durch co lonen gepuffert ist Der Einfluss kann im Praktikumsversuch durch VE Wasser unter Zugabe von Natronlauge NaOH ca 1074 mol l modelliert werden Diese L sung wollen wir das Meer Modell Wasser oder kurz MM Wasser nennen Na t rlich ist die Zusammensetzung unseres Meer Modell Wassers g nzlich verschieden von echtem Meerwasser aber immerhin ndern sich die Ladungsbilanzen siehe un ten in realistischer Weise 3 6 1 Ladungserhaltung Neben den Massenwirkungsgesetzen spielen die Ladungsbilanzen eine entscheidende Rolle Die Ladungsbilanzen sind f r reines VE Wasser und f r das Meer Modell Wasser verschieden 16 VE Wasser Da insgesamt die Ladung erhalten bleiben muss und im VE Wasser au Rer H OHT HCO und 005 n herungsweise keine Ionen vorhanden sind lautet die Ladungsbilanz H OH HCO CO 19 Im sauren Fall mit pH lt 7 vereinfacht sich bei vernachl ssigbaren Konzentration von OH und CO d h im sauren Fall zu Ht HCO f r pH lt 7 20 Mit dieser N herung folgt aus 17 dass die CO Konzentration direkt proportional zum Quadrat der H Konzentration ist Meerwasser Modell In einer etwa 1074 molaren NaOH L sun
17. ansfergeschwindigkeit und Richtung des Flusses im Filmmodell Im oben eingef hrten Filmmodell ist die Intensit t der Turbulenz eine stufenartige Funk tion Innerhalb der Grenzschicht wird K z 0 und au erhalb der Grenzschicht wird K z co angenommen Im Integral von z o bis z 00 aus Gleichung 4 bleibt dann nur noch der Beitrag aus der wasserseitigen Grenzschicht zwischen lt z lt 0 bestehen T Aco 4 molle Aco P tatm Sen CO niit ER EIER ii crat H mol L crt em i D wou Ti Bender MAH h d A ER D D a a GA Qo Go ta SOOO Oe a he BRUM He aoe oo Pe pat b jod jah pee ee ken ee Ee OO fe ee fe ee ay s F Po GE zz Rind Ch Gd 8 85017 8 84855 D Bd Cp 8 84553 O 84412 8 84276 G 84149 9 84027 YP Po pa po oo ind me LEE LER SEPI i ea e Fy fs a Di e du me on SE Paral ence ee EE ee ee uae Gc Ceres BEER D fea he Pe ELSE E Tu ARR 8 83918 0 0379 IR pa po Po Dia D i 2 3 4 5 SE se GEES Retr Po ho hs Po ho he EE ford PS Po rs gh Oo Sew fiae ES 3 PO Ro 00 00 Da D Poo ey my b GEET moe Mi Or IT FORT rer inian Ua Sib me ieee ee eee be E ee Po Pot GG ogee oe E63 Oo en cat Go 4 85 0 01953 Abbildung 4 Temperaturabh ngigkeit der quivalenzleitf higkeiten und L slichkeiten Quelle J hne 6 Die Spalte f r o die mit der Einheit mol Liter gekenn zeichnet is
18. bellarischen Ausgabedatei Ihr Me protokoll mu unbedingt die Zeitr ume erfassen in denen Sie Arbeitsschritte am Experiment durch f hren oder Besonderheiten beobachten Es wird empfohlen dazu die entsprechenden Zeilennummern zu notieren 8 1 Versuchsablauf Der Ablauf beider Versuchteile ist fast identisch achten Sie bitte auf die Unterschiede in der folgenden Tabelle Versuchsteil 1 mit VE Wasser Versuchsteil 2 mit Meermodellwas ser 1 Die Diode des Spektrometers wird ber den Kippschalter an der Steckerleiste eingeschaltet 2 Die Abl ufe des Skimmers und des Bypasses werden geschlossen Der Skimmer wird versenkt und der Wasserzulauf in die Kanalrinne wird ge ffnet 1 Jindm hle_Me ssung ws 30 Versuchsteil 2 mit Meermodellwas ser Versuchsteil 1 mit VE Wasser Frisches Wasser vom lonentauscher wird bis zu einer F llh he von 8cm 2 Strich von oben eingelassen Lassen Sie sich vom Betreuer zeigen welche Ven tile dazu in welcher Reihenfolge zu ffnen oder zu schliessen sind Um eventu elle Wasserreste und Verunreinigungen in den Rohrleitungen Bypass 1 und 2 von vorhergehenden Versuchen zu entfernen sollten w hrend des Bef llvor gangs kurzzeitig die Abl ufe der Byp sse ge ffnet werden Sobald der Wasser stand ca 4cm betr gt kann Pumpe P2 angeschaltet und mit der Anzeige des Leitf higkeitsmessger tes gepr ft werden ob die Leitf higkeit unter 0 5 uS cm f llt Wenn die
19. dende Parameter f r die Transfergeschwindigkeit ist Es ist experimentell schwierig Oberfl chenfilme zu vermeiden Selbst gereinigtes Was ser enth lt einige oberfl chenaktive Substanzen die sich mit der Zeit als Film an der 3d h eine einzige Schicht von Molek len 10 Oberfl Atmosph rische W rme Fluss Stabilit t Wind gt Richtung Fetch Oberfl z S Oberfl T PA Wellen lt gt ilme oberfl nahe Transfer Turbulenz lt gt KEMA lt Blasen k EES SS Gas Fluss Modellierung AC Hydrographie Abbildung 5 Faktoren die den Gasaustausch beeinflussen Quelle McGillis http solas int org resources downloads airseaflux pdf ins Deut sche bertragen Oberfl Temperatur 80 Pal VER TE Sr WEN RR Te VA PR EN TE On I EN JA ER ER s 70 Triton A H o None 4 3 60 003uM Ze m bi Q 0 10uM E O g E 50 3 0 30 uM H H Q 1 00 uM S Ke F o f 2 40 Te A F L 2 30 A DN P E E 2 s oO WE H C 20 7 2 a F x t Fr F ze Ei ap Wu E e EN SC 8 A S 8 o 0 see ISS RASSEL 012 3 4 5 6 7 8 9 10 Wind Speed m s Abbildung 6 Beispiel f r den Einfluss von Oberflachenfilmen auf den Gasaustausch Quelle Frew et al 4 11 Oberfl che ansammeln Die Oberfl chenfilme in dem Praktikumsversuch k nnen von Zeit zu Zeit mit einem Skimmer siehe Abschnitt 6 1 5 abgesaugt werden Durch den Einsatz des Skimmers wird jedoch zus
20. der Indikator ein geeignetes Referenzspek trum liefert siehe voriger Punkt Notieren Sie den Zeitbereich der sich f r die Mittelwertsbildung ca 20 Messungen des alkalischen Referenzspektrums eignet 14 Die Diode wird f r mindestens 5 Messungen ausgeschaltet In dieser Zeit wer den Dunkelspektren aufgenommen 15 Danach kann die Messung in Heurisko beendet werden indem sie das Dia logfeld Stop measurement nklicken Das schlie t beide heurisko Fenster Die Messdaten werden im Ordner D Messungen automatisch gespeichert No tieren Sie sich den Dateinamen Ihrer Messung der aus Datum und Uhrzeit zu Messbeginn generiert wurde 16 Das Wasser wird ber den Ablauf der Wasserrinne entleert und der Kanal wird einmal gesp lt Beim Sp len sollten Sie die Pumpen erst dann anschal ten wenn die Kanalrinne fertig gef llt ist da sonst Luft in den Spektrometer kreislauf gelangen kann Schalten Sie die Pumpen ab bevor Sie das Wasser ablassen Ende 9 Versuchsauswertung e Vor der Auswertung sollten Sie Ihre Messdaten einmal sichern es Die Auswertung der beiden Versuchsteile erfolgt am PC Achten Sie bei dem Ein lesen der Messdaten auf die korrekte Interpretation des Dezimaltrennzeichens e Alle zeitlichen Verl ufe Wind Temperatur CO Luftseite sollten geplottet wer den Tipp nutzen Sie die Messnummern an Stelle von Zeitangaben in Sekunden dies erleichtert die Zuordnung zu den Spektren e Kennz
21. dung 2b dann k nnen Letztere f r die Bestimmung des Gesamtwiderstands vernachl ssigt werden auch liebevoll Windm hle genannt a b U turbulenter e Transport Luft RI ATA S 4 N 7 amp N 1 R2 et re e Zonen I t reduzierter e H UN 4 Turbulenz R3 N 7 E 7 Wasser R4 turbulenter Transport Abbildung 2 a Aufteilung der Luft Wasser Grenzfl che in verschiedene Zonen Fern ab der Wasseroberfl che dominiert der turbulente Transport Nahe der Oberfl che existieren Grenzschichten mit reduzierter Turbulenz in de nen molekulare Diffusion gegen ber turbulentem Transport berwiegt b Analogie zu einer Reihenschaltung von Widerst nden siehe Text a b z z aC C ac C turbulent durchmischt 2 IN oO 2 I Luftseite 0 I I I I I Wasseroberfl che j I I I l l IEN Al gt j ty C Grenzschicht le C se oo o o o w EHE ohne Turbulenz 2 p 2 Is turbulent o C C durchmischt C o C kel B AC aC C lt 0 AC aC C gt 0 Abbildung 3 Konzentrationsverlauf im Filmmodell f r Evasion a und Invasion b Die L slichkeit ist in beiden Fallen o 0 5 2 1 3 Das Filmmodell In der Praxis zeigt sich dass der Transferwiderstand durch die luftseitige Grenzschicht f r schlecht l sliche Gase z B CO2 gegen ber dem Widerstand der wasserseitigen Grenzschicht ebenfalls vernachl ssigt werden
22. e ge ae 26 6 1 7 _ Effektive Wassers ulel 2222222 a ee ee 26 6 1 8 Injektionszugang onoo 26 6 1 9 Absorptionsspektrometer 27 6 2 Wellenneigungs Messung 2 222 aa a 27 7 Fragenkatalog 29 8 Versuchsdurchf hrung 30 SI Versuchsablaufl 2 2 20 2 00 a a u a sh Ba EN a 30 9 Versuchsauswertung 34 1 Einleitung Der Ozean spielt im globalen Kohlenstoffkreislauf eine wichtige Rolle sowohl als Sen ke als auch als Quelle f r atmosph risches COs sowie als gr tes Reservoir In Abbil dung 1 aus dem IPCC Bericht 2007 S 515 addieren sich die nat rlichen Fl sse 70 GtC y 70 6 GtC y und anthropogenen Fl sse 22 2 GtC y 20 GtC y zu einer j hrlichen Netto Aufnahme des Ozeans von 1 6 Gtd mit Unsicherheiten von mehr als 20 Wenn man Klimaprognosen machen oder auch nur die Unsicherheiten verste hen will ist es wichtig ein Verstandnis des Gasaustauschs zwischen Ozean und Atmo sph re zu erlangen Atmosphere 597 165 706 70 22 2 20 120 02 119 6 26 Ia G oe pp sink Use Weathering Respiration Change Vegetation Soil amp Detritus N 2300 101 140 MP 04 Intermediate amp Deep Ocean 37 100 100 Reservoir sizes in GtC Surface sediment Fluxes and Rates in GtC yr 150 Abbildung 1 Der Kohlenstoffkreislauf in den 1990er Jahren Quelle IPCC 2007 S 515 Der Gasaustausch d h der Massenfluss eines Gases durch die Wasseroberfl che wird
23. ei allen anderen Spektren zum Abzug gebracht werden Die Gleichungen bis gelten nur f r J Jo exp und nicht f r I Ing exp Idunkei Sie sind also nach Abzug des Dunkelspektrums Jgunkel ZU verstehen Streng genommen ist die CO Konzentration durch das Vorangehende nur bis auf ei nen konstanten Faktor bestimmt Der Faktor ist gegeben durch die Dissoziationskon stanten und daher temperaturabh ngig siehe z B Abbildung 7 Daher ist es schwierig die Faktoren in den Gleichungen und genau anzugeben um absolute Konzen trationen zu bestimmen Dies ist jedoch nicht weiter st rend solange die Temperatur w hrend eines Experiments nur geringf gig schwankt und der Faktor somit keine zeit abh ngige Gr e ist Im folgenden Abschnitt 5 werden wir sehen dass zur Bestimmung der Transfergeschwindigkeit nur das zeitliche Verhalten der CO Konzentration nicht aber deren Absolutwert bekannt sein muss 5 Massenbilanzmethode zur Bestimmung der Transfergeschwindigkeit Zur Bestimmung der Transfergeschwindigkeit kann eine Massenbilanz aufgestellt wer den In der Massenbilanz f r diesen Versuch werden die Massenfl sse von CO zwi schen dem Luftraum und dem Wasserk rper im Kanal sowie der Massenfluss aufgrund der Frischluftsp lung des Kanals ber cksichtigt Die Fl sse werden im folgenden Box modell modelliert Daraus folgt eine einfache Beziehung zwischen der zeitlichen nde rung der Konzentration im Wasser und der Transfergesc
24. eichnen Sie in den zeitlichen Verl ufen die Zeitpunkte oder Zeitr ume in denen die Begasung stattfand das eigentliche Experiment lief Referenzsprektren aufgenommen wurden oder geskimmt wurde etc e Sch tzen Sie aus Dauer Druck und Flussrate der Begasung die wasserseitige CO Anfangskonzentration co zu Beginn des Evasionsexperiments ab 17F r den Druck ist 1 bar anzusetzen wenn der Flussregler auf Massenflu Modus eingestellt ist dies ist die Standard Einstellung ab 19 06 2012 Falls der Flussregler auf Volumenflu eingestellt ist muss mit dem gemessenen Begasungsdruck gerechnet werden 34 Beantworten Sie die Frage Zu welchen Zeiten im Evasionsexperiment ist die An nahme cq lt Cy a f r das einfache Boxmodell erf llt Ber cksichtigen Sie diese Information bei der Auswahl der Zeiten zur Bestimmung der Transferge schwindigkeit Um die Frage zu beantworten nehmen Sie z B f r VE Wasser an dass AT x Cw bzw im Meerwasser Modell dass m X Cy berlegen Sie wie Sie mit der oben abgesch tzten Anfangskonzentration co daraus die wasserseiti ge Absolutkonzentration c f r jeden Zeitpunkt der beiden Evasionsexperi mente berechnen k nnen Plotten Sie dann c a gegen die Zeit in ein ge meinsames Diagramm mit der luftseitig gemessenen Absolutkonzentration Ca in gleichen Einheiten versteht sich Wenn Sie die y Achse logarithmisch w hlen k nnen Sie aus dem Abstand der Kurven direkt eine Aussage zu obi
25. eil f r den Flussregler Analyt MTC in die Steckdose Schalten Sie Pumpe P1 ein Dann drehen Sie den Haupthahn der Gasflasche auf Danach drehen Sie den silbernen Hahn auf Ab diesem Zeitpunkt str mt Gas ber den Flussregler in den Oxygenator Dieser Anfangszeitpunkt ist zu notieren Der Volumenfluss wird von dem Flussregler auf 60 Milliliter Minute geregelt berpr fen und notieren Sie den Volumen fluss Der Druck im Schlauch vor dem Flussregler sollte auf 1 bis 1 5 bar ber druck eingestellt sein Diesen Wert k nnen Sie an der rechten Druckanzeige des Druckminderers der Gasflasche ablesen Zus tzlich wird der Begasungs druck mit einem Druckmesser gemessen und automatisch vom Computer auf gezeichnet Um den Druck zu regulieren kann man gegebenenfalls vorsichtig am Messinghahn in der Mitte des Druckminderers drehen wobei sich der Wert nur ndern wird wenn Gas str mt Fortsetzung siehe 10 b Die Leitf higkeit wird sich anfangs Die Leitf higkeit wird zun chst schnell und dann nur noch langsam schnell fallen und dann in etwa kon steigen Bei einer Leitf higkeit von stant bleiben Das Zeitintervall vom 8 wS cm wird die Begasung been Start der Begasung bis zum Ende det des schnellen Abfalls der Leitf higkeit wird notiert Es wird dann das Doppelte dieses Zeitintervalls weiter begast Nach Ablauf dieser Zeit wird die Begasung beendet Schalten Sie die Pumpe P1 aus Drehen Sie den silbernen Hahn zu ffnen Sie kurzzeit
26. en wir qualitativ besprochen wie sich die Farbe einer Indikatorfarbstoff L sung durch den pH Wert ndern kann Die Farb nderung kommt dadurch zustande dass das Indikatormolek l HI und das deprotonierte Indikatormole k l I unterschiedliche Absorptionseigenschaften haben und sich durch den pH Wert das Mischungsverh ltnis ndert Um die folgenden Gleichungen bersichtlich zu halten k rzen wird die Konzentrationen mit HI c und I c2 ab Wir wissen da c nur blau amp gelb griin 19 zunehmen kann wenn ca abnimmt da die Gesamtmenge des Indikators konstant ist Mit anderen Worten c t ca t c konstant 34 wodurch wir wiederum schreiben k nnen ca t c c t und umgekehrt Betrachten wir nun zun chst den Fall einer sehr sauren L sung pH lt _ pK die prak tisch nur HI Molek le enth lt Sei ay e A c der Absorptionskoeffizient von HI wobei e der stoffspezifische molare nat rlich Extinktionskoeffizient ist Nach einer festen Absorptionsstrecke x in der L sung wird das eingestrahlte Spektrum Jo A nach dem Lambert Beerschen Gesetz abgeschw cht I A sauer Ip A exp a A x Io A exp e A Io A exp e A c x cx 35 wobei im letzten Schritt Gleichung benutzt und dabei ca 0 eingesetzt wurde Als zweiten Extremfall betrachten wir eine sehr alkalische L sung pH gt pf in der praktisch nur I Molek le zur Absorption mit dem Absorptionskoeffizienten ag
27. eses Farbbeispiel war willk rlich gew hlt Im Allgemeinen unterscheiden sich die Ab sorptionsspektren des HI Molek ls und des I Molek ls in definierter Weise Mittels Absorptionsspektroskopie Abschnitt 4 2 1 l sst sich das Verh ltnis I HI und somit der pH Wert bestimmen Der Zusammenhang zwischen pH Wert und CO Konzentration ist abhangig von der Zu sammensetzung des Wassers Zudem sollte der Indikator so gew hlt sein dass der pK Wert dem vorherrschenden pH Wert entspricht um die nderung I HI empfindlich messen zu k nnen Dies erkl rt wieso in den verschiedenen Versuchsteilen verschie dene Farbstoffe zum Einsatz kommen Wir unterscheiden daher im Folgenden wieder zwei F lle erstens das VE Modell und zweitens das Meer Wasser Modell 1 VE Modell Der Zusammenhang zwischen pH Wert und CO Konzentration f r entionisiertes Wasser wurde schon im Abschnitt zur Leitf higkeitsmethode 4 1 behan delt In entionisiertem Wasser gilt die einfache Ladungserhaltung HCO H Gleichung 25 Aus dem Gleichgewicht und folgt dann H _ Kj ay 2 Ky Ky fl 2 Meerwasser Modell Die Ladungserhaltung im Meerwasser Modell Na HCO3_ siehe Gleichung f hrte auf CO H Gleichung 23 Mit dem Indikator Gleichgewicht in Gleichung folgt dann Ki CO K Na IT 33 wobei Na als konstant angenommen werden kann 4 2 1 Absorptionsspektroskopie mit pH Indikator Im vorangegangen Abschnitt hab
28. g bei Betrieb beider Pumpen ergab 7 1 0 2mm 5 6 1 8 Injektionszugang Die Zugabe der Indikatorfarbstoffe sowie der Natronlauge erfolgt mit Injektionssprit zen Fragen Sie bitte den Betreuer wo und wie die L sungen eingespritzt werden k n nen 26 Ablauf Diode g Glasrohr mit planen Abschluss Scheiben CS GER Zulauf Spektrometer Abbildung 14 Das Absorptionsspektrometer 6 1 9 Absorptionsspektrometer Das Absorptionsspektrometer befindet sich in dem schwarz wei en Kasten auf dem Praktikums Arbeitsplatz und besteht aus einer konstantstrom betriebenen LED einer 80 cm langen Glasr hre mit optischem Zugang von beiden Seiten und einem handels blichen Spektrometef gt siehe Abbildung 14 Die Glasr hre ist leicht schr g gestellt damit keine Luftbl schen in der R hre verbleiben falls die Spektrometer Pumpe ein mal Luft zieht Sollte Sie dennoch dieses Problem haben schauen Sie in den Kasten insbesondere wenn es im Spektrum unerwarteterweise dunkel wird wenden Sie sich an den Betreuer 6 2 Wellenneigungs Messung Das Wellenfeld im Windkanal wird durch eine sogenannte Laser Slope Gauge LSG sta tistisch erfasst Die LSG besteht aus einem Laser der senkrecht auf die Wasseroberfla che gerichtet ist sowie aus einer Anordnung von Linse Mattscheibe und Kamera un terhalb des Kanals siehe Abbildung 15 An der Wasseroberfl che wird der Laserstrahl gem dem Snell schen Brechungsgesetz abgelenkt Der
29. g ver ndert sich die Ladungsbilanz wir erhalten Nat H HCO OH co 21 ber einen weiten pH Wert Bereich kann die Konzentration Na als konstant betrach tet werden S 29 In der anf nglich alkalischen L sung wird der berschuss an OH lonen aus der NaOH Zugabe w hrend der Begasung durch die Zugabe von CO in HCO lonen umgesetzt S 96 Die Begasung entspricht einer Titration der NaOH L sung mit der schwachen S ure CO Der pH Wert sinkt daher bei der Begasung und im neutralen Bereich gilt dann die stark vereinfachte Ladungsbilanz Na HcoO f r 6 lt pH lt 8 22 da HCO gt CO gt CO siehe Abbildung 8 und Nat 1074 molar gt H Setzt man in ein dann folgt 1 pl r Na H im Meerwasser Modell 23 1 d h dass im Meerwasser Modell ist die Kohlendioxidkonzentration direkt proportional zu H ist 4 Methoden zur Bestimmung der CO gt Konzentration 4 1 Leitf higkeits Methode F r CO Gasaustauschexperimente mit entionisiertem Wasser kann die Leitfahigkeit Methode verwendet werden Wir nehmen an dass das entionisierte Wasser nur noch eine vernachlassigbare Restleitfahigkeit hat Die CO Konzentration kann durch die Messung der elektrischen Leitf higkeit welche proportional zu SS ist bestimmt werden Dies folgt aus dem chemischen Gleichge wicht noo H Ky CO 24 Sund nicht wie im VE Wasser proportional zum Quadrat von H 17 siehe Gle
30. geschwindigkei ten gemessen werden und zwar wenn sich der d mpfende Einfluss eines Oberfl chen films auf die Zentimeter und Millimeter gro en Wellen bemerkbar macht Um Gasaustausch besser erfassen zu k nnen ist es wichtig die physikalischen Mecha nismen genauer zu untersuchen und etwas ber ihre Signifikanz f r den Gasaustausch zu lernen In unserer Arbeitsgruppe Gasaustausch und Wellen werden Laborexperi mente von Zeit zu Zeit auch Feldexperimente zur Erforschung der Physik hinter den Austauschprozessen durchgef hrt Der kleine ringf rmige Wind Wellenkanaf an dem dieser Praktikumsversuch durchgef hrt wird wurde dazu Ende der 1970er bis Ende der 1980er Jahre eingesetzt Es wurde beispielsweise der starke Einfluss von Oberfl chen filmen auf den Gasaustausch entdeckt und der bergang von einer glatten zur rauen Wasseroberfl che d h der Umschlag des Schmidtzahl Exponenten n siehe Abschnitt 2 1 9 untersucht 7 2 Physikalische Grundlagen 2 1 Gasaustausch zwischen Luft und Wasser 2 1 1 Bedeutung der Grenzschicht Der Transport von Gasen aber auch Impuls und W rme in einem Fluid kann im All gemeinen in einen diffusiven Anteil und einen turbulenten Anteil aufgeteilt werden In den meisten F llen ist fernab von Grenzfl chen der turbulente Transport durch gro e und kleine Wirbel sehr viel effektiver als der diffusive Transport durch die Molek lbe wegungen Durch die Grenzfl che zwischen zwei Fluiden mit stark untersc
31. h nur eine von Null verschiedene konstante z Komponente 2 1 5 Antreibende Konzentrationsunterschiede und L slichkeit In Gleichung ist der antreibende Konzentrationsabfall ber die Grenzschicht Ac amp Ca Cw und nicht etwa Ca Cw da Gase im Wasser eine gewisse L slichkeit besitzen Die L slichkeit o eines Gases im Wasser ist das Verh ltnis der Gleichgewichtskonzen trationen 7 a im Gleichgewicht 2 Ca Direkt an der Wasseroberfl che ist die wasserseitig Konzentration quasi immer d h in stantan im thermodynamischen Gleichgewicht mit der luftseitigen Konzentration so dass der Konzentrationsverlauf an der Phasengrenze einen Sprung um den Faktor o macht siehe Abbildung 3 Die L slichkeit ist temperaturabh ngig F r CO ist a f r ver schiedene Temperaturen in Abbildung 4 aufgelistet Da verschiedene Einheiten fir die Konzentrationen gebr uchlich sind gibt es in dieser Tabelle zwei Spalten f r a Es folgt ein Rechenbeispiel F r T 20 C wird in Spalte 7 die L slichkeit mit ay 0 0391 mol Liter und in Spalte 8 mit ag 0 94Liter Liter ange geben Nehmen wir an die wasserseitige Konzentration sei C 1 10 mol Liter Dann folgt f r die luftseitige Gleichgewichtskon zentration Ca Cw a 0 0256 25600 ppm Man kann auch den Wert aus Spalte 8 verwenden und erh lt ca cw a2 1 06 1078 mol Liter Dies kann durch BT N En mol Liter geteilt werden um wieder den Partialdruck ca 1 06 1078 24 0
32. he zu skimmen wird der Skimmer so weit nach oben verschoben da das Wasser nur von der wind zugewandten Seite in die kleine Rinne flie en kann Dazu l st man vorsichtig die Klemmhalterung unterhalb des Kanals und schiebt den Skimmer nach oben Dann dreht man die Klemmhalterung wieder vorsichtig zu um die Dichtung und das Gewinde nicht zu besch digen Fassen Sie den Skimmer nicht am Metallrohr an weil sonst Fett von Ihrer Haut beim n chsten Skimmen ins Wasser gelangen kann Die Pumpe P3 wird eingeschaltet und das Ventil im Schlauch zwischen Pumpe und Abfluss ge ffnet Nach dem Einsatz sollte der Skimmers wieder auf den Kanalboden versenkt werden und das Ventil zwischen Pumpe P3 und dem Abfluss muss wieder geschlossen werden da der Kanal sonst ber diesen Weg allm hlich ausl uft Dies gilt wenn das Ger t in Modus Massenflu reglung betrieben wird so sollte es eingestellt sein siehe Analyt MTC Bedienungsanleitung f r Massenflu regler Serie 358 Seite 15 Falls das Ger t auf Volumenflu reglung eingestellt ist muss der Gasvordruck ber cksichtigt werden 25 Injektionszugang Spektrometer lonen Oxygenator aufbau tauscher Kanalrinne VE Wasser I gt Y Umw lz Gasanschluss Thermometer Skimmer pumpe Umw lz umpe Ul d p Absaug J 2 Leitf hig pumpe Pa Abwasser keitssonde Abbildung 13 Wasserkreisl ufe blau Kanal rot Bypass 6 1 6
33. hiedlichen Dichten wie Luft und Wasser k nnen Wirbel jedoch nicht ohne Weiteres hindurch greifen Die maximale Gr e der Wirbel ist dann durch den Abstand zur Oberfl che limitiert Wenn die Wirbel nahe der Grenzfl che sehr klein werden wird die Viskosit t bedeutsam und ganz in der N he der Grenzfl che ist dann der turbulente Transport nicht mehr effektiv gegen ber dem diffusiven Transport Diese Zonen reduzierter Tur bulenz sind in in Abbildung Bh skizziert Da der diffusive Transport eher langsam ist besitzt die Grenzschicht durch die das Gas diffundieren mu den gr ten Transferwi derstand 2 1 2 Transferwiderstand und Analogie zum Ohmschen Widerstand Eine einfache Veranschaulichung der relativen Bedeutung der Transportregime und de ren assoziierte Transferwiderst nde f r die Konzentrationsprofile folgt aus der Analogie zur Reihenschaltung von Widerst nden siehe Abbildung 2b von der wir im Folgen den Gebrauch machen wollen Es gilt bekanntlich 7 U R wobei die Spannung U der Konzentrationsdifferenz Ac und der Strom dem Netto Fluss j des Gases durch die Oberfl che entspricht Wenn einer der Widerst nde klein ist f llt ber ihn nur ein Bruchteil der Spannung ab Genau so verh lt es sich auch mit dem Abfall der Konzen tration Uber eine Zone mit kleinem Transferwiderstand Wenn die Widerst nde R und Rz in den Zonen der reduzierten Turbulenz sehr viel gr er sind als die Widerst n de R und R4 siehe Abbil
34. hwindigkeit 5 1 Boxmodell f r eine Evasionsmessung mit hoher Sp lrate Wir stellen uns den Windkanal bestehend aus zwei Boxen vor siehe Abbildung 9 Die erste Box ist der Wasserk rper mit Volumen V und Konzentration c Die zweite Box ist der Luftraum mit Volumen V und Konzentration c Beide Boxen stehen ber die Wasseroberfl che A in Kontakt Innerhalb der Boxen werden die Konzentrationen als r umlich konstant angenommen Dass hei t im inneren der Boxen gehen wir von einer guten Durchmischung durch Turbulenzen in Luft und Wasser aus Die Konzentration des im Wasser gel sten Gases kann sich nur durch Gasaustausch durch die Wasseroberfla che nderrf Wir wollen die Massenbilanz so einfach wie m glich gestalten und be trachten im Folgenden einen Spezialfall Die gekoppelten Differentialgleichung f r die zeitliche nderung der Konzentrationen im allgemeinen Fall werden beispielsweise in J hne 6 Seite 59 ff behandelt Wir betrachten hier den Fall eines sogenanntes Evasionsexperiments Das bedeutet vor Beginn des Experiments wird der Wasserk rper mit CO begast und der Luftraum ist m glichst frei von CO Der Netto Gasfluss wird also w hrend des Experiments vom Wasser in die Luft stattfinden dies nennt man Evasior Der Luftraum wird w hrend des gesamten Experiments mit CO freier Luft gesp lt Wenn die Sp lrate Va gen gend 12 Hier geht zum Beispiel die Annahme ein dass die chemischen Reaktionen keinen signifikan
35. ichung 18 und der Ladungsneutralit t Ht S HCO 25 bei pH lt 5 5 d h f r die hier betrachteten CO Konzentrationen Die Leitf higkeit A ist proportional zu H und aus und folgt die oben erw hnte Beziehung A x co 26 In entionisiertem Wasser und f r relativ hohe CO Konzentrationen sind die Mengen von Hydrogencarbonat lonen HCO und Carbonat lonen 00 7 gegen ber dem physikalisch gel stem CO vernachl ssigbar und m ssen folglich bei der Bestimmung der Transfergeschwindigkeit nicht weiter beachtet werden Die quivalent Leitf higkeit von CO ist temperaturabh ngig siehe Abbildung 4 und 7 rechts Gleichung gilt nicht im Meerwassermodell mit Natronlauge siehe Abschnitt 3 6 da die Konzentrationen anderer lonen hier Na gro ist und wesentlich zur Leitf hig keit beitragen k nnen Die Leitf higkeitsmethode kann daher bei Verunreinigung durch S uren oder Basen nicht ohne Weiteres angewandt werden 6 S 73 ff und wird daher im zweiten Versuchsteil nicht eingesetzt Eine alternative Methode bietet der Einsatz von pH Indikatoren Dies wird im folgendem Abschnitt erl utert 4 2 pH Indikator Methode Den pH Wert des Wassers kann man mittels Indikator Farbstoffen sicht und messbar machen Da sich mit der CO Konzentration der pH Wert ndert siehe Abschnitt B 5 k nnen pH Indikatoren zur Messung der CO Konzentration verwendet werden Indikator Farbstoffe haben die Eigenschaft leicht H Ionen a
36. ig das Ventil in der Schlauchverbindung zwischen Gasflasche und Fluss regler erst ab diesem Moment versiegt der Gasstrom zum Oxygenator No tieren Sie diesen Zeitpunkt Schlie en Sie auch den Gasflaschen Haupthahn Trennen Sie das Netzteil des Flussreglers Analyt MTC vom Netz 11 32 Der Wind wird eingeschaltet und auf die gew nschte Windgeschwindigkeit eingestellt Die Evasionsmessung beginnt Versuchsteil 1 mit VE Wasser Versuchsteil 2 mit Meermodellwas ser 1 Beobachten Sie den zeitli chen Verlauf im Spektrum und der Leitf higkeit um zu entscheiden wie lange Sie messen m ssen Die Leitf higkeit sinkt stetig Wenn der Leitf higkeits Wert auf etwa ein Viertel des Maximalwer tes gefallen ist dann kann die Evasionsmessung beendet werden 1 Beobachten Sie den zeitlichen Verlauf im Spektrum um zu entscheiden wie lange Sie messen m ssen 2 Beobachten Sie den zeitlichen Verlauf des mss Im Allgemeinen bildet sich w hrend des Versuchs allm hlich ein Oberfl chenfilm Dadurch ver ringert sich der Energie und Impulseintrag vom Wind in das Wellen feld und in Folge verringert sich auch die Transfergeschwindigkeit Um die Transfergeschwindigkeit bei m glichst sauberer Wasseroberfl che zu messen kann der Skimmer eingesetzt werden Dies sollte zumindest einmal im Laufe der Messung erfolgen damit Sie den Unterschied mit und ohne Film erkennen k nnen 3 Notieren Sie die Zeitpunkte
37. issertation Institut f r Um weltphysik Fakult t f r Physik und Astronomie Univ Heidelberg 2006 A Dutzi Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur auf den Gasaustausch Diplomarbeit Institut f r Umweltphysik Fakult t f r Physik und Astronomie Univ Heidelberg 1985 N M Frew E J Bock W R McGillis A V Karachintsev T Hara T M nsterer and B J hne Variation of air water gas transfer with wind stress and surface visco elasticity In B J hne and E C Monahan editors Air water Gas Transfer Selected Papers from the Third International Symposium on Air Water Gas Transfer Hanau 1995 J Heusser and F Feuerstein Auswertung des Versuchs F54 durchgef hrt am 28 11 2011 2011 B J hne Zur Parametrisierung des Gasaustauschs mit Hilfe von Laborexperimen ten Dissertation Institut f r Umweltphysik Fakult t f r Physik und Astronomie Univ Heidelberg 1980 URLhttp d nb info 810123614 B J hne K O M nnich and U Siegenthaler Measurements of gas exchange and momentum transfer in a circular wind water tunnel Tellus 31 321 329 1979 O M Phillips The Dynamics of the Upper Ocean Cambridge University Press 2 edition 1977 Windkanal Bibliothek Nr WK 117 J Raven K Caldeira H Elderfield O Hoegh Guldberg P S Liss U Riebesell S J C Turley and A J Watson Ocean acidification due to increasing atmospheric carbon dioxide policy document 12 05 2005 W Roedel Physik u
38. nde chemischer Reaktionen werden mittels des Massenwir kungsgesetz durch Produkte und Quotienten von Konzentrationen beschrieben sie he Abschnitt 3 3 Zudem umfassen die Konzentrationen viele Gr enordnungen Da her ist es h ufig sehr n tzlich die logarithmierte Form des Massenwirkungsgesetzes zu betrachten Die Produkte und Quotienten werden in dieser Darstellung zu Summen und Differenzen Der negative dekadische Logarithmus der Dissoziationskonstante K im obigen Beispiel Gleichung 11 wird pK Wert genannt pK logo K u c D iog RT logo C log10 D log10 A log o B 12 14 10 107 102 Anteil der Carbonat Spezies 107 pH Abbildung 8 Der prozentuale Anteil der verschiedenen anorganischen Kohlenstoff Spe zies CO CO und HCO dargestellt als Funktion des pH Werts Anders als diese Darstellung suggerieren mag ist der pH Wert im Ozean eher die Konsequenz und nicht die Ursache f r die relativen Anteile Quelle 9 Dies ist in Analogie zum pH Wert der den negative dekadische Logarithmus von H bezeichnet Der nat rliche pH Wert Wasser kann mit sich selbst reagieren und lonen bilden Autoprotolyse H O H O HF OHT 13 wobei H eine abk rzende Schreibweise f r H O ist F r die Konzentrationen der Ionen in reinem Wasser gilt H OH konstant Ky 1 10 4mol2 12 14 Der pK Wert ist demnach gleich log 9 10 14 Der nat
39. nserer Umwelt die Atmosph re Springer Verlag 3rd edition 2000 http books google com books id SD7p lYBJQcC R Sander Compilation of henry s law constants for inorganic and organic species of potential importance in environmental chemistry version 3 1999 http www rolf sander net henry 12 13 14 S Solomon D Qin M Manning Z Chen M Marquis K Averyt M Tignor and H Miller editors PPC Report on Climate Change The Physical Science Basis Cont ribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovern mental Panel on Climate Change Cambridge University Press Cambridge United Kingdom and New York NY USA 2007 URLhttp www ipcc ch R Weber Setup of a laser slope gauge for the measurement of wave slo pe distributions at the small circular wind wave facility Bachelor thesis In stitut f r Umweltphysik Fakult t f r Physik und Astronomie Univ Heidelberg 2010 http hci iwr uni heidelberg de publications dip 2010 Weber_Bachelor arbeit2010 pdf R E Zeebe and D A Wolf Gladrow COs in seawater equilibrium kinetics iso topes Elsevier 2001 37
40. r den Gasaustausch Der Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosph re wird durch eine Reihe von Fakto ren direkt oder indirekt beeinflusst Abbildung 5 zeigt eine schematische Ubersicht ver schiedener Einflu gr en Wellen haben einen entscheidenden Einfluss auf die Trans fergeschwindigkeit da kleinskaliges Wellenbrechen microscale breaking wesentlich zur oberfl chennahen Turbulenz beitragen kann Auch die Blasenwolken durch das Bre chen gr erer Wellen whitecaps k nnen einen signifikanten Effekt haben Einerseits findet Gasaustausch dann direkt an der Blasenoberfl che statt andererseits erzeugen die Blasenwolken Turbulenz durch ihren Auftrieb Sowohl Blasen als auch kleinskalige Wellen werden stark durch Oberfl chenfilme beeinflusst da diese die hydrodynami schen Randbedingungen entscheidend beeinflussen k nnen Das Wellenfeld h ngt pri m r vom Wind ab Dabei ist nicht nur die Windgeschwindigkeit sondern auch die Dau er und berstreichl nge Fetch des Windes sowie die Windrichtung wichtig In Abbil dungl6lsind gemessene Transfergeschwindigkeiten als Funktion der Windgeschwindig keit dargestellt Selbst mono molekulard JOberfl chenfilme haben einen entscheiden den Einfluss auf das Wellenfeld und damit indirekt auf den Gasaustausch An den un terschiedlichen Kurven die bei Zugabe einer oberfl chenaktiven Substanz Triton X100 gemessen wurden ist deutlich zu erkennen dass die Windgeschwindigkeit nicht der al les entschei
41. s USB2000 27 principal axis p x air sina nsin water surface h x water glass window sin nsiny lens tan 6 Ax f f focal distance of the lens Camera u ei screen a b AN Abbildung 15 a Aufbau der Laser Slope Gauge LSG zur Vermessung der Wellennei gung Skizze modifiziert nach Dutzi DI b Strahlengang und Prinzip der LSG Die Oberl chenneigung sy tana uh ist durch die Brennwei te der Linse f und den Brechungsindex n von Wasser eindeutig mit der Strahlablenkung Az auf dem Schirm verkn pft Man kann zeigen dass die Energiedichte der kleinskaligen Wellen Kapillarwellen di rekt proportional zur mittleren quadratischen Neigung ist 8 S 37 39 Die Energie im Wellenfeld kann bei gegebener Windgeschwindigkeit noch sehr stark durch Oberfla chenfilme beeinflusst werden Eine zeitliche Abnahme von mss bei konstanter Wind geschwindigkeit ist daher ein Indiz f r die Ansammlung von oberfl chenaktiven Sub stanzen auf der Wasseroberfl che zu einem Film 28 Fragenkatalog Was ist die Transfergeschwindigkeit Wie gelangen Spurengasen von der Luft ins Wasser oder umgekehrt Welche Rolle spielen dabei Turbulenz und Diffusion Wie dick ist die Grenzschicht zwischen Ozean und Atmosph re unter normalen Bedingungen Welche Faktoren beeinflussen die oberfl chennahe Turbulenz Was ndert sich f r den Gasaustausch falls ein monomolekularer Oberfl chen film auf dem Was
42. s nicht der Fall ist wird das Wasser abgelassen und erneut ein gelassen Dies ist manchmal n tig wenn sich zu viele Verunreinigungen im Schlauchsystem befinden ACHTUNG Es ist wichtig alle Pumpen vor dem Ab lassen des Wassers abzuschalten damit keine Luft in den Spektrometerkreis lauf gezogen wird Pr fen Sie dass sich keine Luftbl schen in der K vette des Spektrometers oder an der Leitf higkeitssonde befinden Durch wechselseitiges Ein und Ausschal ten der Pumpen P1 und P2 lassen sich die Luftbl schen zumeist aus den Kreis l ufen entfernen Tipp wenn nur Pumpe P2 l uft dreht sich die Str mungs richtung im Spektrometerkreislauf um Die Leitf higkeitssonde kann man vor sichtig anheben und leicht wenden um eventuelle Bl schen absaugen zu las sen Wenden Sie sich an den Betreuer falls sich die Luft nicht aus dem System entfernen l t W hrend der weiteren Messungen sollte Pumpe P2 durchge hend eingeschaltet bleiben Pumpe P1 sollte hingegen nur w hrend der Bega sung betrieben werden Am PC wird Heurisko Version 6 5 0 ge ffnet und der Workspace Windm h le_Messung ws geladen und mit der Tastenkombination STRG R gestartet Vom Programm werden dann alle Sonden automatisch nacheinander ausge lesen und die Werte im Ausgabefenster angezeigt Vergewissern Sie sich dass alle Sonden ordnungsgem arbeiten d h insbesondere dass sie eingeschal tet und mit Spannung versorgt sind Sobald die Datenaufnahme gestar
43. ser vorhanden ist Was versteht man unter einem Boxmodell und welche Annahmen werden in die sem Versuch f r die Massenbilanz gemacht Wie erh lt man die Transfergeschwindigkeit aus Messung der relativen nderung der wasserseitigen Tracerkonzentration Inwiefern kann man die luftseitige Tracerkonzentration vernachl ssigen Von welchen Parametern h ngt die L slichkeit eines Tracers empfindlich ab Wie wichtig ist es da folgende Gr en w hrend einer Gasaustauschmes sung konstant sind 1 Temperatur 2 Wasserh he in der Rinne 3 Filmbedeckung Wellenrauigkeit 4 Luftdruck 5 Lichtverh ltnisse 6 pH Wert Was ist die Autoprotolyse von Wasser Was ist das Massenwirkungsgesetz Was geschieht mit CO in Wasser Beschreiben sie Abildung Bin Worten Welches Wasser wird im Versuch verwendet Wie unterscheidet es sich von nor malem Brauchwasser Erkl ren Sie die immer noch vorhandene Restleitf higkeit des Versuchswassers Was ist die quivalentleitf higkeit F r welche lonen ist sie am h chsten Haben Sie eine anschauliche Erkl rung daf r Wie ist die prinzipielle Funktionsweise der Absorptions Spektroskopie Was ist ein pH Indikator Kennen Sie einen Erl utern Sie den Begriff Umschlag punkt Wieso werden f r die beiden Versuchsteile verschiedene Indikatoren verwendet 29 8 Versuchsdurchf hrung Der Versuch wird in zwei Teilen durchgef hrt Beide Male wird die Gasaustauschrate k von
44. ssen ist Ein Oxygena tor ist eine k nstliche Lunge und kommt als solche normalerweise in der Medizin zum 24 a b Wind Abbildung 12 a Mit dem Skimmer k nnen Oberfl chenfilme von der Wasserober fl che abgesaugt werden b Der Oxygenator dient zur Begasung des Wassers Einsatz Im Inneren gibt es eine Membran mit sehr gro er Oberfl che die in unserem Fall Gas von Wasser in der Medizin Blut getrennt Auf der Gas Seite der Membran wird in unserem Fall 100 CO mit leichten einem berdruck angelegt Wasser wird mit Pumpe P1 auf der anderen Seite der Membran entlang gepumpt und nimmt CO auf welches kaum Widerstand durch die Membran erf hrt Mit Hilfe eines Flu reglers wird der Volumenstrom V auf typischerweise 60 Milliliter pro Minute einstellen Die ser Volumenfluss ist auf 1 bar Druck und 21 C Temperatur bezogerf Volumenstrom und der Zeitdauer der Begasung k nnen und sollten Sie die Anzahl der Mol bestim men mit der Sie das Wasser begasen Der Flussregler ist nur w hrend der Begasung mit Spannung zu versorgen da das Ger t ohne Gasvordruck Schaden nehmen kann 6 1 5 Skimmer Oberfl chenfilme haben einen starken Einflu auf das Wellenfeld und somit indirekt auf den Gasaustausch Um die Oberfl che frei von Filmen machen zu k nnen wird ein Skimmer eingesetzt Ein Skimmer ist eine Absaugvorrichtung mit der gezielt die Was seroberfl che abgesaugt werden kann siehe Abbildung 12 a Um die Oberfl c
45. t gibt die wasserseitige CO Gleichgewichtskonzentration an die sich bei 100 CO Atmosph re einstellen w rde Die mit cm cm ge kennzeichnete Spalte gibt den Wert der dimensionslosen L slichkeit an und entspricht der Gr e aus Gleichung 2 wenn sowohl cu als auch ca in Einheiten von mol Liter verwendet werden siehe auch das Rechenbei spiel in Abschnitt 1 CS if 0 5e gt 1 f DI 2 6 Die resultierende Transfergeschwindigkeit ist folglich invers proportional zur Dicke 2 der Grenzschicht k aA 7 z Bei gegebenem Konzentrationsunterschied zwischen Luft und Wasser folgt ein erh h ter Fluss wenn die Grenzschicht d nner wird Dieses Ergebnis erh lt man nat rlich auch wenn manin j D I den Konzentrationsgradienten in der Grenzschicht durch NM uw ausdr ckt und dies in Gleichung 1 einsetzt Mit Gleichung 6 wurde der allgemeinere Weg illustriert der auch mit beliebigem Tiefenprofil K z funktioniert Das Vorzeichen von j d h die Richtung des Netto Flusses richtet sich nach dem Kon zentrationsgradienten In Abbildung 3 sind dazu zwei Falle eingezeichnet Im Fall a ist die Konzentration cw im Wasser gr er als die Gleichgewichtskonzentration ac Der Netto Fluss ist also in Richtung vom Wasser zur Luft und wir sprechen von Evasion Im Fall b ist die Situation genau umgekehrt also cy lt ac Gas gelangt dann von der Luft ins Wasser Dies nennt man Invasion 2 1 8 Wichtige Einflussgr en f
46. ten Einfluss auf die Konzentration des physikalisch gel stenCO haben 13 Den umgekehrte Fall eines Netto Flusses von der Luft ins Wasser nennt man Invasion 21 Abbildung 9 Boxmodell des Gasaustauschs gro ist kann die zeitliche Konzentrationszunahme in der Luft vernachl ssigt werden Da wir mit CO freier Luft sp len wollen bleibt die Luftkonzentration zudem immer gen gend klein um annehmen zu k nnen da sie weit von der Gleichgewichtskonzen tration entfernt ist d h es gilt Cy Q Ca 40 wobei o die L slichkeit von CO in Wasser bezeichnet siehe Abschnitt 2 1 5 Die gekoppelten Differentialgleichungen reduzieren sich unter den oben genannten An nahmen auf eine einfache Differentialgleichung f r die Konzentration im Wasser Der Massenfluss durch die Wasseroberfl che ist Vw Gu k A a Ca Cw 41 wobei k die Transfergeschwindigkeit siehe Abschnitt Mit Gleichung verein facht sich dies weiter zu A k neh Cw 7 Cw 42 Vw R Nett mit der L sung k Cw t Cw 0 exp 43 heff Die effektive Wasserh he her Ya kann im Allgemeinen von der F llh he in der Was serrinne des Kanals verschieden sein wenn zum Beispiel das Wasservolumen in den Rohrleitungen am Gasaustausch beteiligt ist und gegen ber dem Volumen in der Rin ne nicht vernachl ssigbar ist Solange herr nicht von der Zeit abh ngt l sst sich die Transfergeschwindigkeit k durch die Steigung der Geraden im Diagramm In c
47. tet ist n chster Punkt reagieren die Fenster nur noch langsam da das Programm mit der Aufnahme und Vorverarbeitung der Daten besch ftigt ist Agieren Sie nicht zu hektisch mit den Fenstern sonst riskieren Sie einen Programmabsturz Die eigentliche Messung kann nun gestartet werden indem Sie das Dialogfeld amp tart measurement nklicken ACHTUNG Klicken Sie niemals aus Versehen auf top measurement da sonst die Messung sofort beendet wird und nicht wei ter fortgesetzt werden kann Es werden mindestens 5 Lampenspektren mit konstanter Intensit t ohne Farb stoff aufgenommen F r das Meerwassermodell wird mit einer Spritze 2 5 ml 1 molares Natri umhydroxid NaOH hinzugegeben Indikatorzugabe 12 ml Bromkresolgr n L sung 2 ml Bromkresolpurpur L sung 31 Versuchsteil 2 mit Meermodellwas ser Versuchsteil 1 mit VE Wasser wird mittels einer Spritze zugegeben Danach ist zu warten bis das Wasser gut durchmischt ist Dies kann man am Echtzeit Plot der Spektrometeraufnahme ispec erkennen Zur schnelleren Durchmischung kann der Wind eingeschal tet werden lt 6 m s Es werden Anfangs und Endzeitpunkt der Zugabe so wie der Zeitpunkt guter Durchmischung notiert Nach ausreichender Durch mischung wird der Wind abgeschaltet und gewartet bis keine Wellen mehr vorhanden sind und die Wasseroberfl che glatt ist 10 a 10 b Beginnen Sie mit der Begasung Stecken Sie das Netzt
48. tf higkeit von unter 0 05 uS cm verf gt Die F llh he der Wasserrinne wird w hrend des Versuchs mittels eines Drucksensors aus dem hydrostatischen Druck bestimmt 6 1 2 Luftraum Das Volumen des Luftraums ist ca 150 ber einen Schlauchzugang mit Str mungsreg ler wird der Luftraum mit einem bekannten Volumenstrom ca 10 Liter min mit CO freier Luft aus dem Reinstluftgenerator CO2 lt 50 ppm gesp lt siehe Abbildung 11 F r den Druckausgleich kann die Luft ber eine kleines Loch wieder entweichen Durch andauerendes Sp len steht der Luftraum des Kanals relativ zur Umgebung in leichtem berdruck was das Einstr men von mit CO2 oder Staub verunreinigter Umgebungs luft verhindert COo Konzentration und die Temperatur im Luftraum des Kanals werden mittels kommerzieller Sonden gemessen 6 1 3 Wind Generator Als Windgenerator dienen vier motorbetriebene Rotorbl tter Wind Paddel die im Luft raum horizontal kreisen Die Windgeschwindigkeit kann ber die Leistung des Motors reguliert werden Die Windgeschwindigkeit ist kaum abh ngig vom Abstand zur Was seroberfl che und wird daher in einer relativ beliebig gew hlten Referenzh he mit einem Fl gelrad Anemometer gemessen 6 1 4 Begasungseinheit Da Evasionsmessungen durchgef hrt werden sollen wird zu Beginn eines jeden Expe riments eine ziemlich hohe Konzentration von CO ins Wasser gegeben Dies geschieht mit einem Oxygenator der an einer CO Gasflasche angeschlo
49. tliche Turbulenz erzeugt und die Wasserh he im Kanal nimmt Daher ist es nicht angebracht den Skimmer kontinuiertlich einzusetzen Stattdessen kann die Oberfl chenreinheit in den Zeiten zwischen den Skim Vorg ngen durch Beobachtung des Wellenfelds kontrolliert werden Hierzu kann der zeitliche Ver lauf der Energiedichte des Wellenfelds mean squared slope mss mittels eines opti schen Verfahrens gemessen werden siehe Abschnitt 6 2 2 1 9 Einfluss der Wahl des Gasaustausch Modells Im Vorangegangenem haben wir uns auf die Beschreibung des einfachsten Modells f r den Gasaustausch d h des Filmmodells beschr nkt Es existieren noch einige ande re alternative Modelle siehe z B Degreif 2 Kapitel 2 5 S 30ff oder J hne 6 Kapitel 2 3 S 34ff Die Messung der CO Transfergeschwindigkeit in diesem Versuch ist nicht unbedingt Jabh ngig unseren Modellvorstellungen f r die Transportprozesse Die Mo delle haben jedoch Einflu auf die Form der Schmidtzahl Skalierung die angewandt wird um von der Transfergeschwindigkeit eines Tracers A auf die Transfergeschwindig keit eines anderen Tracers B mit verschiedener Diffusionskonstante umzurechnen F r das Film Modell folgt eine Schmidtzahl Skalierung gem CN ke Dee wobei die Schmidtzahl definiert ist als das Verh ltnis der Diffusionskonstanten des Im pulses d h der kinematischen Viskosit t v zur Diffusionskonstante des Tracers D al so Sc ae Bei der Schmidtzahlskalierung k r
50. ufnehmen oder abgeben zu k nnen und dabei ihre Farbe zu ndern Wir bezeichnen das Indikator Molek l mit HI Nach Abgabe eines Protons H liegt das Indikator Molek l als negatives lon I vor Das Gleichgewicht einer stark verd nnten Indikator L sung K HI H O I7 HI 27 wird beschrieben durch den pK Wert des Indikators 7 H Greg 28 pK logio beziehungsweise 7 H mi Zur Veranschaulichung der Ausnutzung der Farbstoffeigenschaft nehmen wir einmal beispielhaft an dass das HI Molek l blau erscheint und das I Molek l gelb Die effek tive Farbe der Indikatorl sung ist abh ngig von dem Verh ltnis der Anzahl der blauen und der gelben Molek le also von I HI Man spricht vom Umschlagpunkt des In dikators wenn dieses Verh ltnis gerade gleich Eins ist d h beide Spezies haben die gleiche Konzentration K 29 HI 17 am Umschlagpunkt 30 18 und die L sung w re in unserem Beispiel gr nlich Setzt man Gleichung in ein 7 H HI pK logio pH am Umschlagpunkt 31 dann sieht man dass am Umschlagpunkt der pK Wert gleich dem pH Wert ist Wenn der pH Wert kleiner als der pK Wert ist d h mehr H lonen dann muss das Verh ltnis I HI nach Gleichung kleiner werden d h die blauen HI Molek le berwiegen Wenn der pH Wert gr er als der pK Wert ist dann tritt der umgekehrte Fall ein und die L sung wird durch den I berschuss gelblich Di
51. wann Sie ins Experiment eingreifen insbe sondere die Zeitintervalle f r jeden Skim Vorgang 12 Um ein Referenzspektrum im Sauren zu ermitteln werden mittels der kleinen Spritze 2 bis 3 5 ml 1 molare Salzs ure HCI in den Kanal eingebracht Warten Sie bis sich das Spektrum nicht mehr ndert lassen Sie sich sp testens jetzt zeigen wie man Spaltenprofile des Spektrenbildes betrachten kann Durch er neute Zugabe einer kleinen Menge von HCI k nnen Sie berpr fen ob sich das Spektrum bei fallendem pH Wert noch weiter ndert Wenn dies der Fall ist ist die L sung noch nicht sauer genug Sie k nnen weiter HCI hinzugeben die Gesamtmenge sollte aber 7 ml 1 molare L sung nicht berschreiten Notieren Sie jeweils Menge und Zeitpunkt aller Zugaben Notieren Sie den Zeitbereich der sich f r die Mittelwertsbildung ca 20 Messungen des sauren Referenz spektrums eignet 33 Versuchsteil 2 mit Meermodellwas ser Versuchsteil 1 mit VE Wasser 13 Danach wird mittels der kleinen Spritze 2 5 bis 5 5 ml 1 molares Natriumhy droxid NaOH zugegeben um ein entsprechendes alkalisches Referenzspek trum zu bestimmen Die Menge sollte mindestens der Gesamtmenge Ihrer HCI Zugabe entsprechend Beachten Sie dass der pH Wert des Wassers je nach verbleibender CO Konzentration zum Ende des Experiments auch schon vor der HCI Zugabe kleiner als der pK Wert des Indikators sein kann Auch hier sollten Sie wieder testen ob
52. zt sich die Viskosit t heraus so dass im Endeffekt in Gleichung 8 das Verh ltnis der Tracer Diffusionskonstanten steht F r das sogenannte Oberfl chenerneuerungs Modell bei dem von sporadischen Erneuerungen des Wassers an der Oberfl che ausgegangen wird folgt die Schmidtzahl Skalierung AU a ke Scp Aus dem Vergleich der Skalierungen sieht man dass der Schmidtzahl Exponent fiir bei de Modelle verschieden ist Dementsprechend ndern sich auch die Vorhersagen die man aus Messung eines Tracers f r einen anderen Tracer gewinnen kann Experimentell und theoretisch hat sich gezeigt dass das Film und das Oberfl chenerneuerungsmo dell die Grenzen darstellen zwischen denen die wirklichen Verh ltnisse liegen m ssen 6 Die Abh ngigkeit des effektiven Schmidtzahl Exponenten von weiteren mebaren Gr en wie z B dem Impulseintrag vom Wind in die Wellen der Energie und Impuls verteilung im Wellenfeld der turbulenten Dissipation kinetischer Energie der Anzahl und Gr enverteilung von Luftblasen im Wasser ist Gegenstand aktueller Forschung Zusammenfassend Auf die direkte Messung der Transfergeschwindigkeit von CO in unserem Versuch hat unsere Modellvorstellung vom Gasaustausch keinen Einfluss zu mindest solange die Massenbilanz stimmt Aus praktischen Gr nder werden aller dings h ufig Ersatz Tracer verwendet und die geeignete Wahl eines Modells ist dann 1 Film Modell 8 0 5 Oberfl chenerneuerungs Modell 9
53. zum einen bestimmt durch die Abweichung der Konzentrationen beidseitig der Grenz fl che vom Gleichgewichtszustand und zum anderen durch die Geschwindigkeit des Gasaustauschs Die Geschwindigkeit des Gasaustauschs auch Transfergeschwindigkeit genannt h ngt insbesondere von der St rke der oberfl chennahen Turbulenz ab die wiederum direkt oder indirekt von Wind Wellen Oberfl chenfilmen Regen und anderem abh ngt Den oben erw hnten Absch tzungen der globalen CO gt Fl sse liegen empirische For meln zugrunde mit denen man aus der Windgeschwindigkeit auf die Transfergeschwin digkeit schlie t Diese auf Windgeschwindigkeit basierenden Parametrisierungen sind ein pragmatischer Ansatz weil Windmessungen von Bojen Schiffen oder Satelliten glo bal verf gbar sind Diese Parametrisierungen sind aber auch sehr ungenau Ein Haupt grund daf r liegt in der Bedeutung des kleinen W rtchens oberfl chennah Hiermit ist der erste Millimeter beidseitig der Wasseroberfl che gemeint denn f r den Aus tausch von Gas ist es entscheidend wie dick die Schicht ist durch die das Gas diffun dieren muss bis es durch Wirbel Turbulenz effektiver verteilt wird Wind hat auf diese Grenzschicht zwar einen starken Einfluss dieser Einfluss ist aber eher indirekt In die sem Praktikumsversuch werden Sie unter Umst nden die Erfahrung machen k nnen 1GtC Gigatonne Kohlenstoff dass bei der gleichen Windgeschwindigkeit sehr verschiedene Transfer
Download Pdf Manuals
Related Search