Revelle-Faktor

Der Revelle-Faktor ist eine Maßeinheit in der Ozeanographie.

Der Revelle-Faktor beschreibt das Verhältnis der unmittelbaren relativen Änderung des Partialdrucks von Kohlenstoffdioxid (CO₂) in der flüssigen Phase zur relativen Änderung des insgesamt anorganisch darin gelösten Kohlenstoffs DIC (=dissolved inorganic carbon). Unmittelbar meint dies das sich schnell einstellende chemische Gleichgewicht mit gelöstem Karbonat und Hydrogenkarbonat, ohne z. B. den Auf- oder Abbau von Kalkskeletten von Meeresbewohnern. Der Revelle-Faktor beeinflusst die Verteilung von CO₂ zwischen der Atmosphäre und der gemischten Oberflächenschicht und damit die Kinetik der CO₂-Aufnahme durch das Tiefenwasser.

Der Revelle-Faktor wurde nach dem Ozeanographen Roger Revelle benannt, der zu den ersten Wissenschaftlern zählt, der die globale Erwärmung erforschte.

Revelle-Faktor R = ${\frac {\Delta [\mathrm {CO} _{2}]/[\mathrm {CO} _{2}]}{\Delta [DIC]/[DIC]}}$

Thermodynamik

Um in den Ozean zu gelangen, muss Kohlenstoffdioxid-Gas in eine dieser Komponenten von Kohlensäure übergehen: Karbonat-Ion, Hydrogenkarbonat-Ion oder protonierte Kohlensäure; das Produkt dieser chemischen Löslichkeitskonstanten bedingt einen „Gegendruck“, der die Geschwindigkeit begrenzt, mit der Kohlenstoffdioxid in die Ozeanoberfläche gelangen kann.

DIC

Die Art des DIC, die im Ozean-Wasser vorliegt, hängt von der Alkalinität des Systems ab und wird anhand des Bjerrum-Plots unten illustriert. Karbonat dominiert in Umgebungen mit höherem pH-Wert, wohingegen Kohlenstoffdioxid in Umgebungen mit niedrigem pH-Wert vorherrscht (saures Milieu). Hydrogenkarbonat-Ionen sind in Gewässern mit mittlerem pH-Wert im Überschuss vorhanden. Mit sinkendem pH-Wert liegt DIC vermehrt in Form von CO₂ vor, wodurch der Partialdruck von CO₂ (pCO₂) und der Revelle-Faktor steigen.

Ein erhöhter Revelle-Faktor (auch: Puffer-Faktor) entspricht einem abnehmenden Puffer-Effekt, was für eine gegebene Erhöhung des atmosphärischen CO₂-Gehalts nur noch zu einer geringeren Aufnahme von CO₂ aus der Atmosphäre führen würde und somit auch zu einer geringeren Abnahme des pH-Werts. Die Grafik stellt den molaren Anteil von Karbonat-Arten im Meerwasser über die jeweiligen pH-Werte dar, wobei die Salinität auf 5000 ppm und die Temperatur auf 25 °C festgelegt wurden. Zu beachten ist, dass Temperatur und Salinität das Vorliegen von Karbonat-Arten beeinflussen und regional wie auch saisonal variieren können.

DIC und Alkalinität regeln über den pH-Wert die karbonat- und säurebasierte Chemie in den Weltmeeren, einschließlich des Revelle-Faktors: Das Verhältnis des DIC zur Gesamtalkalinität und die Veränderungen in pCO₂ sind die Hauptursachen für die Variabilität des Revelle-Faktors. Höhere Werte des DIC ergeben einen niedrigeren Revelle-Faktor und folglich einen größeren Puffer-Effekt. Höhere Werte von pCO₂ haben einen größeren Revelle-Faktor zur Folge, was eine positive Rückkopplung darstellt, und führen in der Folge zu einem geringeren Puffer-Effekt. Werte des Revelle-Faktors in den Ozeanen liegen gegenwärtig zwischen 8 und 13.

Anthropogenes CO₂

Die Fähigkeit von Ozeanwasser, überschüssiges (anthropogenes) CO₂ aufzunehmen, ist umgekehrt proportional zum Revelle-Faktor. Es ist daher in den Ozeanen von heute möglich, die sich bei Vorliegen von chemischen Gleichgewicht ergebende Konzentration anthropogenen CO₂ durch Bestimmung des Revelle-Faktors zu berechnen; je geringer der Revelle-Faktor, desto größer die Menge an anthropogenem CO₂. Niedrige Revelle-Faktoren können typischerweise in wärmeren tropischen bis subtropischen Gewässern gesehen werden, wohingegen hohe Revelle-Faktoren in den kälteren, in hohen Breiten gelegenen Gewässern des Nordatlantik angetroffen werden. Der Nordpazifik hat höhere Revelle-Faktoren und einen geringeren Anteil an anthropogenem CO₂. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass aufgrund des niedrigeren Salzgehalts die Alkalinität im Nordpazifik um 100 µmol kg⁻¹ geringer als im Nordatlantik ist.

Der Revelle-Effekt

Der Revelle-Effekt beschreibt, wie ein lediglich geringer Teil an pCO₂ in den Ozeanen vorgefunden wird, auch wenn viel größere Mengen in die Atmosphäre eingetragen werden. In Abhängigkeit von der Alkalinität von Wasser ist DIC entweder in Form von CO₃, HCO₃ oder CO₂ vorhanden. Wenn der pH-Wert hoch ist (basisch), ist der Revelle-Faktor niedrig (der Puffer-Effekt groß), weshalb der größte Teil von DIC in Form von HCO₃ oder CO₃ vorliegt und nicht in Form von CO₂. Daher gilt: Je größer der Puffer-Effekt (geringer der Revelle-Faktor) ist, desto mehr liegt DIC in Form von CO₂ oder HCO₃ vor, was letztlich die pCO₂-Niveaus in beiden Reservoirs verringert, in der Atmosphäre, wie auch im Ozean.