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Kohlenstoffkreislauf: Speicher und Flüsse verstehen
Im Kohlenstoffkreislauf wechselt Kohlenstoff ständig zwischen Luft, Lebewesen, Boden, Wasser und Gestein. Fotosynthese bindet Kohlenstoff aus Kohlenstoffdioxid, während Zellatmung, Zersetzung und Verbrennung ihn wieder freisetzen.
Auf dieser Seite lernst du, Kohlenstoffspeicher und Stoffflüsse zu unterscheiden, ein Kohlenstoffatom durch ein Ökosystem zu verfolgen und menschliche Zusatzflüsse in einer Bilanz zu erkennen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Speicher und Flüsse unterscheiden
Stell dir den Kohlenstoffkreislauf als Netz aus Vorratsbehältern und Pfeilen vor. Die Behälter sind die Speicher, die Pfeile sind die Flüsse.
Kohlenstoffspeicher
Ein Kohlenstoffspeicher enthält Kohlenstoff für eine bestimmte Zeit. Beispiele sind die Atmosphäre, Pflanzen, Tiere, Böden, Gewässer, Sedimente und Gesteine.
Ein Kohlenstofffluss transportiert Kohlenstoff von einem Speicher in einen anderen. Fotosynthese, Nahrungsaufnahme, Zellatmung, Zersetzung und Verbrennung sind solche Prozesse.
Eine Kohlenstoffsenke nimmt innerhalb eines festgelegten Zeitraums insgesamt mehr Kohlenstoff auf, als sie abgibt. Eine Kohlenstoffquelle gibt insgesamt mehr ab, als sie aufnimmt. Derselbe Speicher kann seine Rolle wechseln: Ein Wald kann Kohlenstoff aufnehmen, aber durch Rodung und Verbrennung zu einer Quelle werden.
Ein Speicher ist ein Ort oder Bestand. Ein Fluss ist ein Vorgang. Quelle und Senke beschreiben die Bilanz eines Speichers in einem bestimmten Zeitraum.
Der kurze biologische Kreislauf
Der gut beobachtbare Teil des Kreislaufs beginnt mit der Fotosynthese. Pflanzen und Phytoplankton nehmen Kohlenstoffdioxid aus ihrer Umgebung auf und bauen daraus energiereiche organische Stoffe auf.
Die vereinfachte Reaktionsgleichung lautet:
$$6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2$$
Dabei wird Kohlenstoff aus dem atmosphärischen oder gelösten $CO_2$ in Glucose und anschließend in weitere Bestandteile der Biomasse eingebaut.
Bei der aeroben Zellatmung läuft die Stoffbilanz in umgekehrter Richtung:
$$C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O$$
Pflanzen, Tiere und viele Mikroorganismen betreiben Zellatmung. Pflanzen atmen auch nachts; ohne Licht findet dann keine Fotosynthese statt.
Verfolge ein Kohlenstoffatom:
- Es befindet sich als Teil eines $CO_2$-Moleküls in der Atmosphäre.
- Eine Pflanze nimmt das $CO_2$ bei der Fotosynthese auf und baut den Kohlenstoff in Zucker und weitere Biomasse ein.
- Ein Tier frisst Pflanzenteile. Der Kohlenstoff wird Bestandteil seines Körpers oder zur Energiegewinnung genutzt.
- Durch Zellatmung kann er als $CO_2$ wieder in die Atmosphäre gelangen.
- Bleibt er zunächst in Ausscheidungen oder totem Material, bauen Destruenten dieses Material ab. Dabei wird ebenfalls Kohlenstoff freigesetzt.
Unter Sauerstoffabschluss kann beim Abbau auch Methan ($CH_4$) entstehen.
Destruenten
Destruenten sind zersetzende Organismen, vor allem Bakterien und Pilze. Sie bauen Ausscheidungen und abgestorbene Biomasse ab und führen darin gebundenen Kohlenstoff in den Kreislauf zurück.
Wasser und Gestein speichern Kohlenstoff
Zwischen Atmosphäre und Gewässern wird $CO_2$ in beide Richtungen ausgetauscht. Ob ein Gewässer überwiegend aufnimmt oder abgibt, hängt unter anderem vom Unterschied des $CO_2$-Drucks zwischen Luft und Wasser sowie von der Temperatur ab.
Gelöstes Kohlenstoffdioxid kann mit Wasser reversibel Kohlensäure bilden:
$$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$$
Aus diesem System entstehen auch Hydrogencarbonat- und Carbonat-Ionen. Carbonat kann sich mit Calciumionen zu Calciumcarbonat ($CaCO_3$) verbinden. Daraus bestehen unter anderem Kalkschalen. Sinken solche Schalen ab und werden zu Sediment, kann der Kohlenstoff lange gespeichert bleiben.
Auch Phytoplankton bindet gelöstes $CO_2$ durch Fotosynthese. Ein Teil des organischen Materials wird wieder zersetzt; ein anderer Teil gelangt in tiefere Wasserschichten oder Sedimente.
Kohlenstoffflüsse laufen auf sehr verschiedenen Zeitskalen ab. Fotosynthese und Zellatmung wirken innerhalb von Tagen oder Jahren. Speicherung in Sedimenten und der Austausch mit geologischen Speichern können Zehntausende bis Millionen Jahre dauern.
Fossile Brennstoffe verändern die Bilanz
Kohle, Erdöl und Erdgas enthalten Kohlenstoff, der über lange Zeit in geologischen Speichern gebunden wurde. Ihre Entstehung benötigt je nach Ausgangsmaterial unter anderem Sauerstoffabschluss, Druck und sehr lange Zeiträume.
Bei der Verbrennung wird dieser Kohlenstoff schnell freigesetzt, vor allem als $CO_2$. Der Vorgang verbindet damit einen langfristigen geologischen Speicher mit der Atmosphäre.
Verbrennung erzeugt keinen neuen Kohlenstoff. Sie verschiebt bereits vorhandenen Kohlenstoff sehr schnell aus einem langfristigen Speicher in die Atmosphäre.
Das ist ein menschlicher Zusatzfluss: Er kommt zu den natürlichen Austauschprozessen hinzu. Zugleich schwächen Rodungen einen wichtigen Speicher, weil weniger Kohlenstoff in Wald-Biomasse gebunden werden kann. Nimmt die Atmosphäre mehr Kohlenstoff auf, als natürliche Senken im selben Zeitraum entfernen, wächst ihr Kohlenstoffbestand.
Mehr atmosphärisches $CO_2$ kann außerdem zu stärkerer Aufnahme durch Gewässer führen. Dadurch entsteht mehr Kohlensäure und der pH-Wert kann sinken. Das erschwert besonders kalkbildenden Organismen ihre Lebensbedingungen.
Ein unbekanntes Ökosystem bilanzieren
Eine Bilanz zeigt, wie sich der Kohlenstoffbestand eines gewählten Speichers verändert:
$$\text{Änderung des Speichers} = \text{Zuflüsse} - \text{Abflüsse}$$
Ohne Mengenangaben kannst du keine Zahlenbilanz berechnen. Du kannst aber eine qualitative Bilanz erstellen und die Richtung jedes Flusses bestimmen.
Gehe in fünf Schritten vor:
- Systemgrenze festlegen: Entscheide, welches Gebiet und welchen Zeitraum du untersuchst.
- Speicher markieren: Suche Atmosphäre, Biomasse, Boden, Wasser, Sedimente und gegebenenfalls fossile Lagerstätten.
- Natürliche Flüsse einzeichnen: Ordne Fotosynthese, Nahrung, Zellatmung, Zersetzung, Sedimentation und den Luft-Wasser-Austausch zu.
- Menschliche Zusatzflüsse ergänzen: Prüfe Verbrennung, Rodung oder andere Eingriffe.
- Bilanz beurteilen: Vergleiche für jeden Speicher Zuflüsse und Abflüsse. Kennzeichne ihn im gewählten Zeitraum als zunehmend, abnehmend oder nicht entscheidbar.
Ein Wald liegt an einem See. Pflanzen nehmen $CO_2$ auf, Tiere fressen Pflanzen, tote Biomasse wird zersetzt und ein Teil des Materials gelangt in den See. Zusätzlich werden Bäume gefällt und verbrannt.
- Speicher: Atmosphäre, Pflanzen, Tiere, Boden, Seewasser und Sediment.
- Natürliche Flüsse: Fotosynthese zur Pflanzenbiomasse; Nahrung zu Tieren; Zellatmung und Zersetzung zurück zur Atmosphäre; Eintrag in den See und mögliche Sedimentation.
- Menschlicher Zusatzfluss: Verbrennung transportiert Kohlenstoff aus der Biomasse in die Atmosphäre.
- Folgerung: Der Kohlenstoffspeicher der Pflanzen nimmt durch das Fällen ab. Der atmosphärische Speicher erhält einen zusätzlichen Zufluss. Wie groß die Gesamtänderung ist, lässt sich ohne Mengenangaben nicht berechnen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Kohlenstoffkreislauf
- Speicher: Atmosphäre, Biomasse, Boden, Wasser, Sediment und Gestein
- Aufnahme: Fotosynthese und Lösung im Wasser
- Weitergabe: Nahrung und Transport zwischen Land und Wasser
- Rückgabe: Zellatmung, Zersetzung, Ausgasung und Verbrennung
- Langzeitspeicherung: Böden, Sedimente, Kalk und fossile Lagerstätten
- Menschlicher Zusatzfluss: Verbrennung und Verlust von Biomasse
- Bilanz: Zuflüsse mit Abflüssen innerhalb einer Systemgrenze vergleichen
Abschluss-Check
Du hast den Kreislauf verstanden, wenn du bei einem neuen Beispiel zuerst Speicher und Systemgrenze festlegst, danach die natürlichen Flüsse einzeichnest und erst dann menschliche Zusatzflüsse sowie ihre Wirkung auf die Bilanz beurteilst.