Der Kreislauf des Kohlenstoffs

Kohlenstoff

Das Element Kohlenstoff ist in allen vier Umweltbereichen in Form unterschiedlicher Verbindungen enthalten. Der Hauptanteil, etwa 99,8 % der Gesamtmenge, befindet sich in der Lithosphäre.

Vorkommen von Kohlenstoff in den Umweltbereichen
UmweltbereichKohlenstoff in gebundener Form
Lithosphäre
  • Carbonatgestein (Kalkstein, Dolomit)
  • fossile Rohstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas)
Atmosphäre

Kohlenstoffdioxid

Hydrosphäre
  • in Wasser gelöstes Kohlenstoffdioxid
  • Hydrogencarbonate und Carbonate
Biosphäre

organische Verbindungen, z. B. Fette, Eiweiße und Kohlenhydrate, in lebender und abgestorbener Biomasse

Die Atmosphäre enthält als kleinster Speicher nur etwa 0,001 % der Gesamtmenge an Kohlenstoff. Sie reagiert daher am empfindlichsten gegenüber Veränderungen.

Die chemischen Umwandlungen kohlenstoffhaltiger Verbindungen und den Austausch dieser Verbindungen zwischen den vier Umweltbereichen bezeichnet man als globalen Kohlenstoffkreislauf oder Kohlenstoffzyklus.

Der Austausch des Kohlenstoffs zwischen den Umweltbereichen erfolgt hauptsächlich über Kohlenstoffdioxid.

Kohlenstoffkreislauf: Inhalte in Mrd. Tonnen, Stoffflüsse in Mrd. Tonnen pro Jahr

Kohlenstoffkreislauf: Inhalte in Mrd. Tonnen, Stoffflüsse in Mrd. Tonnen pro Jahr

Teilkreisäufe des Kohlenstoffs
Der Kohlenstoffkreislauf besteht aus mehreren Teilkreisläufen. Im kurzfristigen Teilkreislauf zwischen der Biosphäre (Land) und der Atmosphäre wird Kohlenstoffdioxid durch biochemische Prozesse ausgetauscht. Der Kohlenstoffkreislauf zwischen Landlebewesen und Atmosphäre ist geschlossen und fast ausgewogen.

ProzessBeschreibung
Fotosynthese

Produzenten (grüne Pflanzen) nehmen Kohlenstoffdioxid auf und wandeln es in mehreren Schritten in Glucose (Traubenzucker) um.

6 C O 2 + 6 H 2 O C h l o r o p h y l l L i c h t C 6 H 12 O 6 + 6 O 2

Ernährung und VerdauungProduzenten wandeln Glucose im Stoffwechsel in andere Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße um. Konsumenten ernähren sich von diesen Nährstoffen und wandeln diese im Stoffwechsel in körpereigene Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße um.
Zellatmung

Lebewesen gewinnen Energie durch die Verbrennung energiereicher Stoffe. Bei der Zellatmung wird Glucose in mehreren Teilschritten mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt.

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 E n z y m e 6 C O 2 + 6 H 2 O

MineralisierungDestruenten (Bakterien und Pilze) bauen abgestorbene Biomasse vollständig zu anorganischen Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid, Ammoniak oder Wasser ab.

Die Fotosynthese und Mineralisierung laufen in den einzelnen Jahreszeiten mit unterschiedlicher Intensität ab. Das führt im Jahresverlauf zu Schwankungen des CO2-Gehalts, die auch in Diagrammen sichtbar werden.

Der kurzfristige Teilkreislauf zwischen Hydrosphäre und Atmosphäre ist ebenfalls geschlossen und nahezu ausgeglichen. Die ausgetauschte Stoffmenge beinhaltet die Absorption von Kohlenstoffdioxid in Wasser und dessen Entweichen daraus. Dazu kommt die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid durch Fotosynthese von Algen und Pflanzen in den Meeren und die Abgabe des Gases durch die Atmung von Meeresorganismen.
Abgestorbene Biomasse sinkt auf den Meeresboden und wird dem kurzfristigen Kreislauf entzogen. Im langfristigen organischen Kreislauf entstehen aus verschiedenen Arten von Biomasse unter Sauerstoffabschluss Erdöl, Erdgas und Kohle. Durch Verbrennung der fossilen Energieträger gelangt der Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre zurück.

Im langfristigen anorganischen Kreislauf verteilt sich der Kohlenstoff in Form verschiedener Verbindungen, hauptsächlich Kohlenstoffdioxid und Carbonate, zwischen der Atmosphäre, Hydrosphäre und Geosphäre. Durch Fällung der schwer löslichen Carbonate ist der Kohlenstoff dem Kreislauf dauerhaft entzogen.

Menschlicher Einfluss auf den Kohlenstoffkreislauf
Durch natürliche Prozesse entstand auf der Erde ein stabiles Fließgleichgewicht. Infolge der konstanten Austauschraten zwischen den Umweltbereichen blieb der CO2-Gehalt der Atmosphäre über 400 000 Jahre relativ konstant unter 300 ppm (Bild 2).

Seit dem 19. Jh. verbrennen die Menschen zunehmend fossile Rohstoffe und bringen damit zusätzlich Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre ein. Dadurch steigt der CO2-Gehalt kontinuierlich an und lag im Jahr 2009 bei 390 ppm.

Von den derzeitigen jährlichen Emissionen von etwa 9 Mrd. Tonnen Kohlenstoff werden zwar etwa 25 % zusätzlich von den Meeren absorbiert und etwa 20 % durch verstärktes Wachstum der Pflanzen gebunden. Der Rest verbleibt aber in der Atmosphäre und lässt den Gehlat jährlich weiter steigen. Die Erhöhung der Fotosyntheserate verläuft aber langsamer als der Anstieg des CO2-Gehalts in der Luft.
In der Atmosphäre nimmt der Gehalt an Kohlenstoffdioxid um 3-4 ppm pro Jahr zu (Bild 3) und verstärkt damit den Treibhauseffekt.

CO2-Gehalt der Atmosphäre und Temperaturänderungen auf der Erde seit 400 000 Jahren

CO2-Gehalt der Atmosphäre und Temperaturänderungen auf der Erde seit 400 000 Jahren

CO2-Gehalt der Atmosphäre 0 bis 2010 und 1970 bis 2010

CO2-Gehalt der Atmosphäre 0 bis 2010 und 1970 bis 2010

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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