Kurt Buch (1881-1967) – The historic development of the physico-chemical basics of the marine CO2 system

• Main Authors: Schneider, Bernd, Matthäus, Wolfgang
• Format: Text
• Language: English
• Published: Leibniz Institute for Baltic Sea Research (IOW) 2021
• Subjects: Bogen; Carbonic acid
• Online Access: https://dx.doi.org/10.12754/msr-2021-0117; http://doi.io-warnemuende.de/10.12754/msr-2021-0117

Meereswissenschaftliche Berichte No 117 2021 - Marine Science Reports No 117 2021 : Der Rückblick auf die Geschichte der marinen CO2-Forschung umfasst die Zeitspanne von der Mitte des 19. Jahrhunderts bis in die ersten Jahre nach dem Zweiten Weltkrieg. Dabei beginnen wir mit den ersten Versuchen, die Konzentration von Luftbestandteilen im Meerwasser zu bestimmen und spannen den Bogen zur abschließenden physiko-chemischen Charakterisierung des marinen CO2-Systems. Letztere Entwicklung wurde während der ersten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts maßgeblich von den theoretischen und experimentellen Arbeiten des finnischen chemischen Ozeanographen KURT BUCH (1881 – 1967) geprägt. Um seine herausragenden Verdienste für die Chemische Ozeanographie zu würdigen, widmen wir ihm, der zu jener Zeit als Chemiker am Finnish Institute of Marine Research in Helsinki tätig war, diese Rückschau. Unsere Betrachtungen bewegen sich entlang der charakteristischen Variablen des marinen CO2- Systems, so wie sie Schritt für Schritt während der historischen Entwicklung der marinen CO2- Forschung erkannt wurden. Es beginnt mit der Extraktion von CO2 aus angesäuertem Meerwasser und anschließender gasometrischer Bestimmung des CO2-Gehalts, nachdem zuvor Versuche gescheitert waren, CO2 im Meerwasser in gleicher Weise wie Sauerstoff und Stickstoff zu bestimmen. Die erhaltenen Resultate repräsentierten die Gesamt-CO2 Konzentration und stellten somit die erste wichtige Variable des CO2-Systems dar. Die Prozedur des Ansäuerns wurde auch genutzt, um den Bedarf an Säure zu ermitteln, der erforderlich war, um CO2 vollständig aus dem Meerwasser freizusetzen. Das entsprechende CO2-Äquivalent wurde als „neutral carbonate“ betrachtet und entspricht der nächsten Variablen des CO2-Systems, der Alkalinität. Weiterhin ermöglichten Messungen des CO2-Partialdrucks in Verbindung mit Löslichkeitskonstanten die Bestimmung des ungebundenen „free“ CO2. Schließlich wurde auch die zentrale Bedeutung der Wasserstoffionen erkannt und es wurden Methoden zur pHBestimmung entwickelt. Somit waren etwa um die Wende zum 20. Jahrhundert alle Größen verfügbar, die für die Bestimmung der Dissoziationskonstanten der Kohlensäure erforderlich sind. Auf dieser Basis begann KURT BUCH etwa um 1911 mit Laborexperimenten und Feldstudien, um den Zustand des marinen CO2-Systems in der nördlichen Ostsee zu charakterisieren und zu hydrographischen und biogeochemischen Prozessen in Beziehung zu setzen. Er verfolgte dabei die Idee, nur die Alkalinität und den pH-Wert zu messen, um sodann mit Hilfe der Dissoziationskonstanten Gesamt-CO2 und den CO2-Partialdruck zu berechnen. Allerdings konnten die Berechnungen aufgrund ungeeigneter Dissoziationskonstanten nicht durch direkte Messungen verifiziert werden. Auf Initiative von KURT BUCH wurde deshalb 1930 eine sogenannte ICES „Arbeits-Kommission“ zur experimentellen Überarbeitung der Thermodynamik des marinen CO2-Systems gebildet. In Zusammenarbeit mit H. WATTENBERG (Deutschland), H. W. HARVEY (Großbritannien) und unterstützt von S. GRIPENBERG (Finnland) wurden die erste und zweite Dissoziationskonstante der Kohlensäure als Funktion von Temperatur und Salzgehalt neu bestimmt. Diese stellten auch noch ein Jahrzehnt nach dem Zweiten Weltkrieg die Basis für die marine CO2-Forschung dar. : The review of the research on the marine CO2 system spans the time between the middle of the 19th century and the first years after World War II. We start with the first attempts to determine the amount of air dissolved in seawater and finish with the final physico-chemical characterization of the marine CO2 system. The development of the latter was significantly influenced by the theoretical and experimental work of the Finnish chemical oceanographer KURT BUCH (1881 – 1967) during the first half of the last century. To appreciate his outstanding achievements in Chemical Oceanography, our retrospect is therefore dedicated to him, at that time chemist at the Finnish Institute of Marine Research in Helsinki. Our review is aligned along the characteristic variables of the marine CO2 system which were identified step by step during the historic development of the marine CO2 research: The acidic extraction with subsequent gasometric measurement of the CO2 content was introduced after different attempts to determine CO2 in seawater in the same way as for oxygen or nitrogen had failed. The obtained results which represented the total CO2 concentration, constituted thus the first major variable of the CO2 system. The acidification procedure was also used to determine the amount of acid that was required to release CO2 completely from seawater. Its CO2 equivalent was called “neutral carbonate” and corresponds to the next variable of the CO2 system, the alkalinity. In a further step, CO2 partial pressure measurements in combination with the determination of solubility constants facilitated the determination of the “free CO2”. Last but not least the importance of hydrogen ions was recognized and methods were developed to determine the pH. Thus all ingredients for the determination of dissociation constants for carbonic acid were available at the turn of the 19th/20th century. On this basis KURT BUCH started lab experiments and extensive field studies around 1911 in order to characterize the state of the marine CO2 system in the northern Baltic Sea and to relate it to hydrographic and biogeochemical processes. He followed the idea to measure only alkalinity and pH, and to use the dissociation constants for the calculation of total CO2 and the CO2 partial pressure. However, due to inadequate dissociation constants the calculations could not be verified by direct measurements. Therefore, upon the initiative of KURT BUCH, a so-called ICES “Working” Commission was set up in 1930 for the revision of the thermodynamics of the marine CO2 system. In cooperation with H. WATTENBERG (Germany) and H. W. HARVEY (United Kingdom) and assisted by S. GRIPENBERG (Finland) the first and second dissociation constants were determined as functions of temperature and salinity. These constituted the basis for studies of the marine CO2 system still during the first decade after World War II.