Kohlenstoffzyklus
Unter Kohlenstoffzyklus oder Kohlenstoffkreislauf versteht man den Austausch kohlenstoffhaltiger Verbindungen zwischen den globalen Systemen Lithosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre.Die Kenntnis dieser Kreisläufe ermöglicht es, die Eingriffe des Menschen und ihre Auswirkungen auf das globale Klima abzuschätzen und angemessen zu reagieren.
=Systembetrachtung= Das System Erde wird als geschlossenes System betrachtet. Zufuhr von Kohlenstoff z. B. durch Meteorite oder kernchemische Vorgänge und Verlust von Kohlenstoff z. B. durch Raumfahrt wird außer acht gelassen. Auf der Makroebene des Systems Erde ist der Gesamtkohlenstoffgehalt konstant.
Jedes der vier Teilsysteme ist durch Speicher-Kapazität, Verweildauer, Zufluss und Abfluss (Flussrate) und Speicherformen des Kohlenstoffs charakterisiert.
=Kohlenstoffspeicher= Die globale Kohlenstoffmenge beträgt 75 Millionen GtC (Giga-Tonnen Kohlenstoff).
Konzentration in ppm |
Verweilzeit | Zunahme in % pro Jahr | ||
Kohlenstoffdioxid | CO2 | 350 | 1-10 a | 0,4 |
Methan | CH4 | 1,7 | 10 a | 1,5 |
Kohlenstoffmonoxid | CO | 0,05-0,2 | 60…180 d | |
Fluorchlorkohlenwasserstoffe | FCKW | 10-3 | 70…100a | |
Tetrachlorkohlenstoff | CCl4 | 10-4 | ? | |
flüchtige Kohlenwasserstoffe | ||||
Rußpartikel |
a = Jahre, d = Tage, ppm = parts per million
Hydrosphäre
Die Hydrosphäre enthält 38000 GtC in Form von physikalisch gelöstem CO2, sowie gelöster Hydrogencarbonat- und Carbonat-Ionen. Dies entspricht 0,05 % des globalen Kohlenstoffgehaltes. Dazu kommen noch Spuren von physikalisch gelöstem Methan und organischen Schwebstoffen.
Zur Hydrosphäre werden auch die Polkappen, Eisschilde und Gletscher gezählt (Kryosphäre). Das im Eis eingeschlossene Kohlenstoffdioxid nimmt allerdings nicht an den schnellen Austauschprozessen mit der Atmosphäre teil.
Lithosphäre
Mit 99,5 % Anteil am globalen Gesamt-Kohlenstoff stellt sie den größten Kohlenstoffspeicher dar. Allerdings sind die Flussraten gering. Sie ist damit Bestandteil der langfristigen Kohlenstoffkreisläufe.
Carbonate Calcit CaCO3, Dolomit CaMg(CO3)2, 60000000 GtC
Das aus den Lagestätten ausgasende Methan kann von chemoautotrophen Bakterien genutzt werden: methanoxidiernde Methanosarcinales (Archaea) stellen Essigsäure (Ethansäure) aus Methan her:
Man schätzt, dass durch diese Symbiose 300 Millionen Tonnen Methan jährlich verbraucht werdrn, das sind mehr als 80 % des durch Bakterien im Sediment erzeugten Methans.
Biosphäre
Kohlenstoff ist im Universum und auf der Erde ein relativ seltenes Element:
- Häufigste Elemente im Universum: Wasserstoff (92,7 %) und Helium (7,2 %) (Kohlenstoff 0,008 %)
- Häufigste Elemente der Erde: Sauerstoff 49 %, Eisen 19 %, Silizium 14 %, Magnesium 12,5 % (Kohlenstoff: 0,099 %)
- Häufigste Elemente im menschlichen Körper: Wasserstoff (60,6 %), Sauerstoff (25,7 %) Kohlenstoff (10,7 %)
Eine Entwicklung von Leben auf Kohlenstoffbasis ist deshalb nur möglich, wenn sich die Lebewesen die globalen Kohlenstoffkreisläufe zu Nutze machen und selbst wieder einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf erzeugen.
Speicherformen des Kohlenstoffs in der Biosphäre sind zum einen organische Stoffe, zum anderen Karbonate (in der Regel Kalzit, Kalk, Kalziumkarbonat CaCO3), die Baustoffe für Skelette (Beispiele: Säugetiere, Krebse) und Gehäuse (Beispiele: Korallen, Coccolithophoridae) darstellen.
Terrestrische Ökosysteme enthalten 800 GtC, marine 3 GtC, was insgesamt einem Anteil von 0,001 % am globalen Gesamt-Kohlenstoff entspricht. Damit gehört die Biosphäre wie die Atmosphäre zu den kleinsten Kohlenstoffspeichern, ist aber Motor der kurzfristigen Kreisläufe.
=Vorgänge innerhalb der Systeme=
Nur an Orten, die über längere Zeit hinweg vor Wind geschützt sind, kann sich CO2 am Boden ansammeln.
Beispiel: Kohlendioxidseen in Bergwerkstollen oder in Höhlen, die in vulkanisch aktiven Gebieten liegen.
Methan wird im Laufe der Zeit zu CO2 oxidiert.
Änderungen der Bedingungen und der Konzentrationen ändern auch die Gleichgewichtslage.
So würde eine Erhöhung der CO2-Konzentration der Atmosphäre das Gleichgewicht nach rechts verschieben, die Hydrosphäre würde also vermehrt Kohlenstoffdioxid aufnehmen. Andererseits würde eine globale Erwärmung das Gleichgewicht nach links verschieben.
Atmosphäre
Innerhalb der Atmosphäre finden vorwiegend physikalische Transportvorgänge statt. Da durch Wind eine beständige Durchmischung stattfindet, ist die CO2-Konzentration in den unterern Schichten der Atmosphäre überall gleich.Hydrosphäre
Transportvorgänge
Chemische Reaktionen und Gleichgewichte
Zwischen den verschiednen Formen des anorganischen Kohlenstoffs besteht ein chemisches Gleichgewicht: (Die Prozentangaben gelten für die Bedingungen T = 10 °C, pH = 8, Salzgehalt 34, 3 ‰Lithosphäre
Sedimentation
Bei der Sedimentation sinken schwerlösliche anorganische und organische Stoffe langsam zu Boden. Die Sinkgeschwindigkeit hängt von der Teilchengröße und der Dichte des Wassers ab und kann in ungestörtem Wasser sehr niedrig sein. Im Kohlenstoffkreislauf spielt die Sedimentation der Kalkskelette der Coccolithiphoridae eine große Rolle.
Diagenese
Diagenese ist die langfristige Verfestigung loser Sedimente durch biologische, chemische und physikalische Umwandlungen. Dabei wird zum Beispiel aus den Kalk-Skeletten der Mikroorganismen Kalkgestein. Organische Ablagerungen werden unter bestimmten Bedingungen, wie sie in sauerstoffarmen, warmen Flachmeeren herrschen, stufenweise in anorganische Verbindungen umgewandelt. Es entstehen Kerogen (Ölschiefer), Teerstoffe (Bitumen), Kohle, Graphit und Erdöl sowie Methan. Die Diageneserate betägt 0,2 GtC pro Jahr.Metamorphose
Metamorphose ist die langfristige Umwandlung von festem Gestein auf Grund veränderter Druck- und Temperaturverhältnisse: Durch Subduktion von Sedimenten des Meeresbodens werden Druck und Temperatur erhöht. An der Grenzfläche von Kalk- und Silikatsedimenten (Sand) erfolgt die chemische Umwandlung:
Das hierbei freiwerdende CO2 löst sich im flüssigen Magma und wird dann bei einem Vulkanausbruch frei oder entweicht gleich über Klüfte oder Vulkane.
Durch tektonische Veränderungen werden die entstandenen Silikate an die Oberfläche transportiert und der Verwitterung ausgesetzt.
=Kohlenstoff-Teilkreisläufe=
Ein Speicher ist sowohl Quelle als auch als Senke für Kohlenstoff-Flüsse.
Zwischen den Kohlenstoff-Speichern erfolgt ein ständiger Austausch durch chemische, physikalische, geologische und biologische Prozesse.
Erfolgt die Verwitterung von Kalkgestein durch andere Säuren, zum Beispiel Schwefelsäure, die aus dem von Vulkanen abgegebenen Schwefeldioxid entstehen kann, wird CO2 an die Atmosphäre abgegeben:
(CaSO4 = Gips)
Diese Reaktion wird durch hohe Wasserverdunstung und einen hohen pH-Wert (basisch) verstärkt. (Siehe auch: Stalaktit, Stalagmit, Sinterterrasse)
Organismen wie Muscheln, Schnecken und Einzeller führen ebenfalls eine Calcitausfällung durch, um damit Skelette, Gehäuse und Schalen aufzubauen. Besondere Bedeutung haben dabei marine Kleinorganismen (Foraminiferen und Coccolithiphoridae), die Kalksedimente bilden, und Korallen, die Korallenstöcke aufbauen.
Der Kreislauf wird auf zwei Wegen wieder geschlossen:
Biosphäre
Innerhalb der Biosphäre findet ein Kohlenstoff-Fluss von den organische Nährstoffe erzeugenden autotrophen Organismen zu den Näherstoffe verbrauchenden heterotrophen Organismen. Durch Wind und Tiere wird organisches Material verfrachtet. Ein geschlossener Kreislauf ist erst durch die Vermittlung von Atmosphäre und Hydrosphäre möglich.Langfristiger anorganischer Kreislauf
Hierbei handelt es sich um geochemische Prozesse, die in einem Zeitraum von mehreren tausend bis Milliarden Jahren ablaufen können.
Mechanische Verwitterung
Durch thermische Spannungen (Beispiel Frostsprengung), Druck (Beispiel Gletscher) sowie durch |Wind- und Wassererosion können große Gesteinsblöcke in immer kleinere Portionen zerteilt werden. Durch Fließgewässer wird dieses zerkleinerte Material verfrachtet und in den Mündungsgebieten wieder abgelagert. Diese Sedimente können wieder durch Subduktion der Metamorphose unterworfen werden.Chemische Verwitterung
Verwitterung von Kalk- und Silikatgestein entzieht durch Vermittlung von Wasser der Atmosphäre CO2. Das dabei entstehende Hydrogencarbonat ist löslich und verbleibt in der Hydrosphäre.
Ausfällung
Aus einer gesättigten Kalziumhydrogenkarbonat-Lösung kann wieder Calcit ausgefällt werden. Dabei wird wieder CO2 frei:
Vorgang | Flussraten in GtC pro Jahr | |
1 | Diffusion von CO2 | 91,7 |
2 | Diffusion von CO2 | 90 |
3 | Ausfällung von Calcit | |
4 | Verwitterung von Calcit | 0,2 |
5, 9 | Verwitterung von Calcit und Silikat, dafür benötigtes CO2 | 0,2 |
6 | Metamorphose | 0,2 |
7 | Vulkanismus | 0,1 |
8 | Verwitterung von Silikat |
Langfristiger organischer Kreislauf
Hierbei handelt es sich um biochemische Prozesse die zwar zunächst rasch ablaufen, aber mit langfristigen geologischen Prozessen gekoppelt sind. Dabei wird sedimentiertes, organisches Material unter anaeroben Bedingungen nicht mehr vollständig abgebaut. Nur ein geringer Teil wird durch anaerobe Bakterien in CO2 verwandelt. Durch Überschichtung mit weiteren Sedimentdecken und Absinken in größere Tiefen erhöhen sich Druck und Temperatur. Dadurch werden die organischen Bio-Moleküle in Kohlenwasserstoffe (Erdöl) oder Kohlenstoff (Kohle) umgewandelt.
- Erdöl: Die ältesten Erdöllagerstätten sind vermutlich 3 Milliarden Jahre alt. Hauptentstehungszeit des Erdöls war vor 500 bis 1000 Millionen Jahren. Sie entstanden in lagunenartigen, warmen Flachmeeren aus herabsinkenden toten Pflanzen und Tieren. Durch Risse und Spalten im Gestein können die gasförmigen Kohlenwasserstoffe, vor allem Methan (CH4) an die Erdoberfläche treten. Im Meer können Bakterien dieses Gas als Energiequelle nutzen in dem sie es zu CO2 oxidieren:
- Kohle: Kohlelagerstätten entstanden aus den Waldmooren der Karbonzeit vor ca. 350 bis 290 Millionen Jahren. Wird durch tektonische Vorgänge Kohle an die Erdoberfläche verfrachtet kann sie durch Bakterien wieder in CO2 überführt werden.
Vorgang | Flussrate in GtC pro Jahr | |
1 | Diffusion und Photosynthese | |
2 | Sedimentierung | |
3 | Diagenese | |
4 | Ausgasung | |
5 | bakterieller Abbau | |
6 | bakterielle Methanoxidation |
Vorgang | Flussrate in GtC pro Jahr | |
1 | Fotosynthese der Landpflanzen | 120 |
2 | Atmung der Landpflanzen | 60 |
2 | Atmung der Tiere und Destruenten | 55 |
3 | Nettoprimärproduktion der Landpflanzen | 60 |
4 | Detritus | 1 |
1 | Fotosynthese der marinen Primärproduzenten | 103 |
2 | Atmung der marinen Primärproduzenten | 92 |
3 | Atmung der marinen Konsumenten und Destruenten | |
5 | Detritus | |
6 | Diffusion |   |
=Eingriffe des Menschen in den Kohlenstoffkreislauf=
Ursachen der Kohlenstoffdioxiderhöhung
Aus der Analyse von Bohrungen im antarktischen Eis (blau Kurve) ergibt sich, dass die globale Kohlenstoffdioxid-Konzentration in den letzten 400000 Jahren nie 290 ppm überschritten hat. Während der Eiszeiten war sie mit 180 ppm niedriger als während der Warmzeiten. Mit Beginn der Industrialisierung stieg die Konzentration exponentiell an. (Die rote Kurve ergibt sich aus kontinuierlichen Messungen der GAW-Station Mauna Loa auf Hawaii seit 1958.)
Aus diesen Messungen ergibt sich zur Zeit ein Anstieg von 3,2 GtC pro Jahr.
Durch die Verbrennung fossiler (Erdöl, Erdgas, Kohle) kohlenstoffhaltiger Brennstoffe und durch die Zementherstellungherstellung entstehen 6,3 Gt Kohlenstoff pro Jahr. Davon nehmen die Meere 1,7 GtC/a auf, da die erhöhte CO2-Konzentration der Atmosphäre und die globale Erwärmung der Meere das Diffusionsgleichgewicht auf die Seite des gelösten Kohlenstoffs verschiebt. Die durch die selben Effekte verstärkte Photosynthese der Landpflanzen entzieht der Atmosphäre wieder 1,4 GtC/a.
Die Verbrennung rezenter kohlenstoffhaltiger Brennstoffe (Rapsöl, Holz, Brandrodung) sollte als Eingriff in den kurzfristigen biochemischen Kreislauf nicht zur Erhöhung beitragen.
Bei der Zementherstellungherstellung reagiert Kalziumkarbonat mit Ton (Aluminiumsilikat) zu einem Kalziumsilikat. Dabei wird Kohlenstoffdioxid frei. Davon wird nur ein Teil beim Abbinden durch Bildung von Kalziumkarbonat wieder der Luft entzogen.
Der früher verwendete Kalkmörtel stellte einen geschlossenen CO2-Kreislauf dar: Das beim Brennen entstandene CO2 wurde beim Aushärten wieder gebunden.
Auch bei der Glasherstellung wird Kohlenstoffdioxid frei. Natriumkarbonat reagiert mit Siliziumdioxid (Sand) zu Natriumsilikat (vergleiche Metamorphose):
Durch die Erniedrigung des pH-Wertes von Regen und Wasser müsste die Verwitterung von Kalkgestein und damit der Verbrauch von CO2 ansteigen. Da geochemische Flussraten sehr gering sind, spielt dieser Effekt kurzfristig keine Rolle.
=Bedeutung für den Klimawandel=
Ohne Eingriffe des Menschen hat sich im Laufe der Erdentwicklung ein relativ stabiles Fließgleichgewicht eingestellt. Jeder Teilnehmer des Kreislaufs gibt Kohlenstoff ab und nimmt welchen auf, ohne dass es dabei zu wesentlichen Änderungen der Verteilung des Kohlenstoffes kommt.
Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe gelangt Kohlenstoff, der über Jahrtausende hinweg eingelagert worden ist, in Form von CO2 in die Erdatmosphäre. Insgesamt "produziert" die Menschheit an der Schwelle zum 21. Jahrhundert ca. 6 GtC pro Jahr. Es gibt nicht genügend schnelle Prozesse, durch die das gesamte durch die Menschheit verbrannte CO2 in anderen Reservoirs aufgenommen werden könnte. Das vormals vorhandene Gleichgewicht wird gestört. Die Folge ist der Treibhauseffekt und die Globale Erwärmung, wozu maßgeblich der wachsende Anteil des Treibhausgases CO2 in der Erdatmosphäre beiträgt.
An dieser Stelle setzt aber auch die menschliche Ingenieurskunst wieder an. Die CO2-Sequestrierung versucht, Verfahren zu entwickeln, um den überschüssigen Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu entziehen und in das Reservoir der Sedimente einzulagern.
=Probleme technologischer Lösungen=
Zur Zeit werden Lösungen des CO2-Problems diskutiert, die zwar technisch bereits realisierbar, aber nicht beherrschbar und in den ökologischen Folgeschäden nicht abschätzbar sind:
=Anmerkungen=
Die Zahlenangaben sind Schätzungen und können je nach verwendeter Literatur stark schwanken. Nicht immer ist klar, was unter den jeweiligen Kohlenstoff-Flüssen zusammengefasst wird. Nicht immer sind die Angaben vollständig. Dadurch entstehen Probleme wie zum Beispiel in der Kohlenstoffbilanz der terrestrischen Biosphäre: Dem Zufluss von 120 GtC/a durch die Assimilation steht ein Abfluss von nur insgesamt 116 GtC/a durch Dissimilation und Detritus-Bildung gegenüber. Damit fehlen in der Bilanz 4 GtC/a.
=Abkürzungen=
Folgen
Auswirkungen auf die Photosynthese
Für die Fotosynthese der Landpflanzen wäre eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration von 1000 ppm optimal. Die Steigerung der Fotosyntheserate fällt allerdings geringer aus als erwartet, da für viele Pflanzen nicht das CO2 begrenzender Faktor ist sondern die Versorgung mit Nährsalzen. So wird zur Zeit darüber nachgedacht, die Meere großflächig mit zweiwertigen Eisenionen zu düngen, um die Photosyntheserate des Phytoplankton zu steigern und durch die biologische Kohlenstoffpumpe (Absinken von organischem Material und biogenen Karbonaten in große Tiefen des Ozeans) dem kurzfristigen Kreislauf zu entziehen.Störung der Kreisläufe
Die Erhöhung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre und die Erwärmung der Meere führt zu einer vermehrten Lösung von CO2. Durch die Bildung von Hydrogenkarbonat wird der pH-Wert des Wassers erniedrigt (saurer). Dadurch wird die biogene und abiogene Ausfällung von Kalk behindert. Dadurch müsste die Menge des Phytoplanktons abnehmen und die Fotosyntheserate sinken.
Diese Version wird von der Bush-Regierung favorisiert. Ein Großversuch im Sommer 2002 vor den Küsten Hawaiis und Norwegens konnte durch den massiven Widerstand der Einwohner und verschiedener Umweltgruppen vorerst gestoppt werden.
=Verwendete Literatur=