Eingabe CO2 Partialdruck (Gasaustausch)

aqion_pCO2_input

Zur Berechnung des DIC in einem offenen System muss der CO2-Partialdruck vorgegeben werden. Im blauen 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 bekanntlich 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 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 Gl. (1) ein pCO2-Wert von

(2) pCO2  =  – log P  =  – log 0.00039  =  3.408

Dieser Wert entspricht genau 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 und 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 kann aber CO2 durch Abbau organischen Materials produziert werden. 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:

  • 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.

  • 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.

[last modified: 2016-02-14]