Eingabe CO2 Partialdruck (Gasaustausch)
Das Eingabefeld
Zur Berechnung des DIC in einem offenen System muss der CO2-Partialdruck vorgegeben werden.
Im hellgrauen Listenfeld (siehe Bild rechts) kann man zu dessen Eingabe drei Maßeinheiten auswählen:
| • pCO2 | (Voreinstellung) |
| • atm | (1 atm = 1.0133 ∙ 105 Pa) |
| • Pa | (SI-Einheit: 1 Pa = 1 kg m-1 s-2 = 1 Nm-2) |
Der Zusammenhang zwischen pCO2 und dem Partialdruck P ist gegeben durch:
| (1) | P (atm) = 10-pCO2 | bzw. | pCO2 = - log P (atm) |
Man beachte hier die Ähnlichkeit zur Definition des pH-Werts.
Das sich einstellende Gleichgewicht beim Gasaustausch, CO2(g) ⇔ CO2(aq), gehorcht dem Henry-Gesetz. Danach ist die Menge an gelöstem CO2(aq) dem vorgegeben Partialdruck direkt proportional.
Um ein Gefühl für die Größenordnung des CO2-Partialdrucks zu bekommen – einem ausgesprochen kleinen Wert – betrachte man die typische Zusammensetzung der Luft in unserer Atmosphäre:
Partialdrücke – Trockene Luft in Meereshöhe
Die Zusammensetzung der Luft wird in Form der Partialdrücke (anstelle von Konzentrationen) angegeben. Die folgende Tabelle zeigt die Partialdrücke P der Hauptkomponenten unter Standardbedingungen (trockene Luft in Meereshöhe).
| Vol% | P [Pa] | P [atm] | ||
|---|---|---|---|---|
| Stickstoff | N2 | 78.090 | 79 120 | 0.78090 |
| Sauerstoff | O2 | 20.950 | 21 230 | 0.20950 |
| Argon | Ar | 0.927 | 939 | 0.00927 |
| Kohlendioxid | CO2 | 0.039 | 39 | 0.00039 |
| Luft | 100 | 101 328 | 1.0000 |
CO2 im Gleichgewicht mit der Atmosphäre
Um ein Wasser zu berechnen, das im Gleichgewicht mit der Atmosphäre steht, nehme man lt. oberer Tabelle den CO2-Partialdruck von 0.00039 atm. Daraus ergibt sich nach 1 ein pCO2-Wert von
| (2) | pCO2 = – log P = – log 0.00039 = 3.408 |
Dieser Wert entspricht der Standardvorgabe in aqion’s Eingabefenster (siehe oben).
Wann sollte man das “offene CO2-System” benutzen?
Dies ist gleichbedeutend mit der Frage: Steht das Wasser im thermodynamischen Gleichgewicht mit der Atmosphäre?
Darauf gibt es keine eindeutige Antwort; es hängt von verschiedenen Faktoren ab: der Ausdehnung der Luft-Wasser-Kontaktfläche, der Kontaktzeit und dem Tempo mit der der Gasaustausch zwischen Luft und Wasser vonstatten geht (Diffusion und Durchmischung).
Für die oberflächennahe Grenzschicht in einem See oder Wasserbecken kann man durchaus von Gleichgewichtsbedingungen mit pCO2 = 3.4 ausgehen. Im Tiefenwasser oder Grundwasser ist die Situation etwas komplexer. Dort gibt es zwar keinen Luftkontakt, dafür aber CO2 aus dem Abbau organischen Materials. Im letzten Fall entstehen Wässer, deren CO2-Partialdruck sogar um ein Vielfaches höher liegt als bei den oberflächennahen Grenzschichten.
Vorgehensweise. Oftmals kennt man nicht die genauen Bedingungen zum Luft-Wasser-Kontakt. In einem solchen Fall, empfiehlt sich folgende Vorgehensweise:
Erstens. Man führt eine Rechnung mit und eine Rechnung ohne der Option “offenes CO2-System” durch. Das ergibt zwei Lösungen, die eine obere und untere Grenze für das uns unbekannte Wasser bilden.
Zweitens. Man führt eine Rechnung mit der Option “offenes CO2-System”, aber einem kleinerem Partialdruck durch (begrenzter Gasaustausch). Achtung: Kleinerer Partialdruck heißt, man muss den pCO2-Wert erhöhen (pCO2 > 3.4).
Bei Grund- und Tiefenwässern mit CO2-Produktion durch Abbau organischen Materials gilt das Umgekehrte: pCO2 < 3.4. Die Erhöhung des Partialdrucks um 1 bzw. 2 Größenordnungen ist hierbei nicht ungeläufig: entspricht pCO2 = 2.4 bzw. pCO2 = 1.4.