Pfad: Home > Biosphäre > Kreisläufe > Kohlenstoffkreislauf
www.biosphaere.info
Magazin für Umwelt- und Tierschutz
Der biochemische Kohlenstoffkreislauf
Titel
Der biochemische Kohlenstoffkreislauf
Themen
Social Bookmarking
Wer Mitglied bei einem solchen Dienst ist, kann seine Bookmarks (Lesezeichen, Favoriten) im Internet speichern und weltweit darauf zugreifen. Dies sind Links zu den bekanntesten Diensten:
 |  |  |  |  |
 |  |  |  |  |
 |  |  |  |  |
 |  |  |  |  |
 |  |
Inhalt
3 CO2 Kreislauf der Biosphäre (Luft - Boden)
3.1 Einleitung
3.2 Photosynthese
3.3 Nahrungskette
3.4 Zellatmung
3.4.1 Zwei Komponenten
3.4.2 Verteilung im Organismus
3.4.3 Verbrennung im Altag und in der Zelle
3.4.4 Ausstoß als Abgas
3.5 Tote Lebewesen oder: Die Kohlenstoffsenken der Biosphäre
3.5.1 Vollständiger Abbau toter Lebewesen
3.5.1.1 Die Destruenten
3.5.1.2 Beitrag der Mikroben zum Klimawandel
3.5.2 Unvollständiger (anaerober) Abbau toter Lebewesen
3.5.2.1 Unvollständiger Abbau von Pflanzen (Inkohlung)
3.5.2.1.1 Einleitung
3.5.2.1.2 Sümpfe
3.5.2.1.3 Biochemische Inkohlung (Vertorfung)
3.5.2.1.4 Biochemische Inkohlung (Braunkohle)
3.5.2.1.5 Geochemische Inkohlung (Steinkohle)
3.5.2.2 Unvollständiger Abbau von Tieren im Meer (Methanhydrat)
3.5.2.3 Unvollständiger Abbau von Tieren (Polykondensation)
3.5.2.3.1 Die Organismen
3.5.2.3.2 Erdöl und Erdgas entstehen
3.5.2.3.3 Das Öl sammelt sich in Fallen
3.5.2.3.4 Die Antiklinale
3.5.2.3.5 Stratigraphische Falle
3.5.2.3.6 Verwerfungen
3.5.2.3.7 Durchbrechendes Salz
3.5.2.3.8 Schichtung von Erdgas, Erdöl und Wasser
3.6 Zahlen
3.6.1 Betrag der Wälder zum Kohlenstoffkreislauf
3.6.1.1 Wälder weltweit
3.6.1.2 Der deutsche Wald
3.6.2 Biochemischer Kohlenstoffkreislauf
3.7 Schlußwort
3.7.1 Ein Geben und Nehmen
3.7.2 Kohlendioxid schadet dem Menschen
Einige Quellen
Aktualisierungen
3 CO2 Kreislauf der Biosphäre (Luft - Boden)
Abbildung 1: Mit Hilfe der Sonnenenergie (1) bauen Pflanzen, Blaubakterien und Phytoplanton organische Materie auf (2). Diese Materie nimmt dann ihren Weg durch die Nahrungskette (3). Sterben Tiere und Pflanzen, werden sie wieder zu Kohlendioxid und anderen Stoffen abgebaut. Doch auch über die Zellatmung (3) setzen Tiere und nachts auch Pflanzen Kohlendioxid frei. Diesen verwenden wiederum die Pflanzen.
3.1 Einleitung
Die Lebewesen der Erde haben einen eigenen Kohlenstoffkreislauf aufgebaut. Über ihn werden weit weniger Masse ausgetauscht als über den geochemischen Kreislauf: 60 Gigatonnen sind zwischen der kontinentalen Biosphäre und der Atmosphäre im Umlauf, 90 Gigatonnen zwischen der ozeanischen Biosphäre und der Atmosphäre. Ein Teil des Zyklus läuft durch die Atmosphäre, der andere durch den Stoffwechsel der Lebewesen. Bei den Lebewesen muss hier zwischen zwei Kreisläufen unterscheiden: Der Zellatmung und der Photosythese.
nach oben
3.2 Photosynthese
Wenn man vom Stoffwechsel spricht, muss man dort beginnen, wo alle Nahrung ihren Anfang nimmt. Cyanobakterien und Pflanzen sind die einzigen Lebewesen auf der Erde, die Sonnenlicht direkt nutzen können. Damit sind sie der Anfang aller Nahrungsketten an der Erdoberfläche.Daneben gibt es auch Nahrungsketten, die ohne Sonnenstrahlung auskommen, zum Beispiel am Grund des Meeres, an den Schwarzen Rauchern des Mittelatlantischen Rückens.
Photosynthese. Das Sonnenlicht ist für die Pflanzen Energiequelle der Photosynthese. Es kann nicht gespeichert werden. Daher laufen diese Prozesse nur tagsüber ab. Bei den meisten Pflanzen finden sie in den Blättern statt, aber auch in Teilen der Blüten. Blätter haben deshalb eine große Oberfläche, um viel Strahlung einzufangen. Sie besitzen aber auch Poren, die Stomata oder Spaltöffnungen genannt werden und sich öffnen und schließen lassen. Über die Stomata entnehmen sie der Atmosphäre das Kohlendioxid (CO2). Für Wasser (H2O) dagegen sind sie undurchlässig. Das soll vor Austrocknung schützen. Wasser entnehmen sie dem Boden über die Wurzeln und einen Teil des Leitungssystems, das Xylem.
Damit steht ihnen Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H) zur Verfügung. Aus diesen Grundstoffen bauen sie lange Ketten von Kohlenstoffatomen auf, an die außen Wasserstoff- und Sauerstoffatome angehängt sind. Diese Ketten nennt man Kohlenwasserstoffe. Hier sind es die Kohlenhydrate Zucker und Stärke. Dabei haben sie mehr Sauerstoff, als sie brauchen. Der überschüssige Teil wird als Abgas in die Luft entsorgt. Er stammt vom Wasser.
Endprodukt Zucker. Nun hat man eine Reihe von Kohlenwasserstoffen in Form von Zuckermolekülen. Aus Sicht des Kohlenstoffkreislaufs kann man den Vorgang hier noch einmal zusammenfassen. Die Pflanze hat dem Kohlendioxid der Luft Kohlenstoff entnommen und ihn in ein neues Molekül, den Kohlenwasserstoff Zucker eingebaut. Dieser dient als Energiespeicher (Tiere verwenden dazu Fett) bzw. als Baumaterial für Stängel, Blätter, Wurzeln und Stämme.
Andere Photosynthese betreibende Organismen. Nicht nur die Pflanzen an Land, auch die Meeresbewohner nehmen tagsüber Kohlendioxid auf und geben einen Teil davon nachts wieder ab. Dies geschieht durch das Phytoplankton, das wie die Pflanzen Photosythese betreibt.
Pflanzen als Kohlendioxidsenke. Aus Sicht des Klimaschutzes bauen die Pflanzen das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) mit Hilfe von Sonnenlicht in Zuckermoleküle um. Durch diesen Umbau nehmen sie jährlich 16 Prozent des Gases auf der Atmosphäre auf. Doch Pflanzen sind nur eine Station, nicht aber ein dauerhaftes Kohlenstofflager (Senke).
Düngeeffekt. Wenn aber Pflanzen Kohlendioxid zum Leben brauchen, sollte dann nicht ein erhöhter Kohlendioxidgehalt in der Luft zu mehr Pflanzenwachstum führen, zu einer Art Düngeeffekt? Einige Gemüsebauern aus den Niederlanden versuchen, auf diese Art ihren Ertrag zu steigern.
- Untersuchungen am Forschungszentrum Jülich zeigen, dass das zusätzliche Angebot kaum von Pflanzen genutzt wird.
- In der Erforschung vorzeitlichen Klimas gibt es die Methode, die Spaltöffnungen (Stomata) der Blätter zu zählen. Je geringer ihre Zahl, desto höher ist die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre. Sie verschmähen den „Dünger“ nicht nur, sie verschließen sich sogar davor.
Weniger Wasserverlust. Die Stomata atmen nicht nur Kohlendioxid ein, sie lassen auch Wasser entweichen. Öffnen nun die Pflanzen als erste Anpassung ihre Poren weniger weit, verlieren sie auch weniger Wasser, was ein Vorteil sein könnte.
3.3 Nahrungskette
Tiere können Zucker nicht selbst erzeugen und müssen ihn ihrem Körper über die Nahrung zuführen. Er stammt also von den Pflanzen. Über die Nahrungskette gelangt der Zucker in die Tiere, die damit ihre eigenen Stoffwechsel betreiben. Sie bauen ihn um und verwenden die veränderten Kohlenwasserstoffe (Eiweiße), um ihre Zellen aufzubauen (Proteine) oder Energie zu speichern (Fette). Diese Vorgänge finden in der Zellatmung statt. Ein anderes Tier kann diese Kohlenwasserstoffe weiterverwenden, indem es sich von diesem Tier ernährt. Das ist ein Sinn der Nahrungskette. Es muss aber nicht nur von der Pflanze zu Tier gehen. Manche Pflanzen ernähren sich auch von Insekten und deren Protein. Damit hat man schon die wesentlichen Bestandteile der Nahrung zusammen: Zucker (Kohlenhydrate), Proteine und Fett. Sie alle enthalten Kohlenstoff.
nach oben
3.4 Zellatmung
3.4.1 Zwei Komponenten
Die Zellatmung läuft bei Tieren und Pflanzen im Prinzip gleich ab. Grundlage sind hier Kohlenwasserstoff- und Sauerstoffmoleküle. Pflanzen benötigen Zucker. Der Sauerstoff stammt aus der Luft, der Zucker letztlich aus der Produktion der Pflanzen.
3.4.2 Verteilung im Organismus
Nun wird der Zucker im Körper verteilt. Pflanzen haben dazu Leitungsbahnen in Stengeln oder unter der Rinde, Tiere Adern, in denen Blut fließt. Über dieses weit verzweigte System gelangen die beiden Komponenten in jede Zelle des Organismus.
3.4.3 Verbrennung im Altag und in der Zelle
Zucker läßt sich in einer sauerstoffhaltigen Umgebung verbrennen. Dabei können sich die Atome der beiden Komponenten voneinander trennen, neu verbinden und auf andere Weise anordnen. Der Chemiker spricht von einer Reaktion. Verbrennungen sind Oxidationsvorgänge, also Reaktionen mit Sauerstoff. Bei der Verbrennung von Zucker bleiben Kohlendioxid und Wasser zurück. Die Energie wird als Wärme frei. Deshalb wärmt auch ein Lagerfeuer in einer kalten Nacht.
Auch in den Zellen wird Zucker in Gegenwart von Sauerstoff „verbrannt“ und damit abgebaut. Biologen sprechen von einer Verbrennung von Zucker in einem wässrigem Medium bei Raumtemperatur. Die Unterschiede sollen hier näher untersucht werden. Um chemische Vorgänge in Gang zu setzen, braucht man eine Aktivierungsenergie. Das kann beispielsweise die Wärmeenergie sein, die in einem Feuer steckt. Steinzeitliche Jäger verwendeten Feuerstein, um Funken zu schlagen. Moderne Menschen benutzen Streichhölzer oder Feuerzeuge. Pfadfinder bohren stattdessen einen Holzstab in ein anderes Stück Holz und erzeugen damit Wärme durch Reibung. Stets wird dabei Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Energie wird dann investiert, um noch mehr Energie zu erhalten. Der Chemiker spricht von einer exothermen Reaktion. Im Körper brennt kein Feuer. Hier sind es Enzyme, körpereigene Werkzeuge, die wie Maschinen die Atome neu verbinden. Nur ein Teil der Energie geht dabei als Wärme verloren wie beim Lagerfeuer. Den größten Teil speichern die Enzyme in speziellen Molekülen, dem Adenosintriphosphat (ATP). Wie eine Batterie speichert es die Energie. Es kann transportiert und an jeder Stelle des Körpers genutzt werden.
Nun gibt es unterschiedliche Geschwindigkeiten bei diesen Reaktionen. Ein Lagerfeuer verbrennt das Holz allmählich, im Zylinder eines Motors oder bei Explosionen reagiert der gesamte Brennstoff schlagartig. Wie sieht das in der Zelle aus? In der Frühzeit des Lebens auf der Erde sind Pupurbakterien in die Zellen eingewandert und haben ihre Selbstständigkeit teilweise verloren. Diese halbautonomen Bakterien werden Mithochondrien genannt. In ihnen laufen vor allem komplexe Kreisläufe statt, durch die eine Zelle Energie gewinnt. In mehreren, hintereinandergeschalteten Reaktionen wird das Molekül schrittweise verändert. Wie an einem Fließband sind die Änderungen am Produkt jeweils nur geringfügig. Viele Zwischenverbindungen entstehen dabei, von denen nur wenige Energie freisetzen. Doch auch die Nebenprodukte sind wichtig, weil sie Grundlage anderer Reaktionen und Kreisläufe sind, die für das Leben des Organismus notwendig sind.
nach oben
3.4.4 Ausstoß als Abgas
In diesem Zyklus bleibt Kohlendioxid als Abfallstoff übrig. Es wird als Abgas entsorgt. Tiere machen das über den Blutkreislauf und die Lungen, die den Gehalt von Sauerstoff und Kohlendioxid im Blut regeln. Pflanzen haben kein solches Regelsystem. Sie besitzen große Hohlräume. Durch diese, aber auch von Zelle zu Zelle, durch Poren und Oberflächenzellen bewegt sich das kohlenstoffhaltige Gas per Diffusion. Nachts nehmen also Pflanzen wie Tiere Sauerstoff auf und geben CO2 ab. So ist der Kohlenstoff aus Tieren, Pflanzen und all den anderen Lebewesen wieder an die Luft gelangt. Der Kreislauf ist geschlossen.
Das heißt: Sobald Pflanzen Energie brauchen, nehmen Pflanzen Sauerstoff auf, verarbeiten damit den Zucker in der Zellatmung, gewinnen Energie und atmen Kohlendioxid aus. Im Energiespeicher hält sich das Treibhausgas demnach nicht lange.
nach oben
3.5 Tote Lebewesen oder: Die Kohlenstoffsenken der Biosphäre
Abbildung 2: Normalerweise werden Pflanzen und Tiere zu Kohlendioxid und anderen Stoffen abgebaut. Unter gewissen Umständen geschieht das nicht vollständig. Dann lagern sich die Lebewesen als Kohle oder Öl im Boden ab und bilden langfristige Reserven.
3.5.1 Vollständiger Abbau toter Lebewesen
3.5.1.1 Die Destruenten
Alle Lebewesen bestehen aus Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Formen. Sterben sie, dienen sie zunächst anderen Lebewesen als Nahrung. Von Tieren ernähren sich beispielsweise Aasfresser wie Säugetiere, Vögel oder Insekten. Doch sie spielen nur eine untergeordnete Rolle. Die Reste werden von Pilzen und Bakterien zerlegt, den sogenannten Destruenten. Sie wandeln in ihrem Stoffwechsel die Zellen durch Gärung in andere organische Verbindungen um. Solch ein Stoffwechsel ist bereits oben bei der Zellatmung beschrieben. Bei der Gärung ist kein Sauerstoff beteiligt. Eine Reihe spezieller Reaktionen übernehmen seine Rolle. Auf diese Art läßt sich wenig Energie gewinnen. Daher nehmen diese Organismen viel Nahrung zu sich. Ein Beispiel: Hefen erzeugen unter Luftabschluß Äthanol, den Aceobakter-Bakterien zu Essigsäure weiterverarbeiten. Der zweite Schritt: Die entstandenen organischen Verbindungen weiter verarbeitet. Andere Mikroorganismen nehmen die Essigsäure zu sich und zerlegen sie weiter zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). Am Ende werden alle diese Kohlenwasserstoffe abgebaut, ihre Kohlenstoffgerüste stets zu Kohlendioxid. Eine große Rolle spielen dabei die Mikroorgansimen im Boden.
Das heißt: Das CO2, das in der Zellstruktur der Pflanzen steckt, hält sich länger in den Pflanzen. Es bleibt dort zwar nicht dauerhaft, aber immerhin ein bis 100 Jahre. Doch wenn die Pflanze stirbt oder gegessen wird, zerlegen Organismen sie in ihre Zellen und Grundbausteine. Dabei wird auch das CO2 wieder frei.
3.5.1.2 Beitrag der Mikroben zum Klimawandel
Die Physiologie von im Boden lebenden Mikroorganismen könnte die Menge des Kohlendioxids bestimmen, die Böden ausstrahlen. Das sagt die Studie „Soil Carbon Response to Warming Dependent on Microbial Physiology“, veröffentlicht im April 2010 in der Zeitschrift Nature Geoscience. Beteiligt waren Forscher der UC Irvine, Colorado State University (UCI) und der Yale School of Forestry & Environmental Studies. Als die Temperatur stieg, wurden die Mikroben des Erdbodens im Laufe der Zeit weniger effizient darin, Kohlenstoff in Kohlendioxid umzuwandeln. Die Organismen, die zu den Bakterien und Pilzen gehören, verarbeiten den Kohlenstoff in ihrem Stoffwechsel. Sie nehmen ihn in sich auf, gewinnen daraus Energie und Baumaterial für ihren Körper und atmen Kohlendioxid wieder aus, genau wie mehrzellige Lebewesen beispielsweise Menschen. So können sie leben, defekte Bestandteile ersetzen und wachsen. „Mikroben funktionieren wie Menschen.“, sagt auch Leitautor Steve Allision, Assistenzprofessor für ökologie und evolutionäre Biologie an der UC I. „Sie nehmen kohlenstoffbasierten Kraftstoff auf und atmen Kohlendioxid aus. Sie sind wie Maschinen, die den Kohlenstoffkreislauf im Boden antreiben. Pflanzen deponieren Kohlenstoff im Boden (zum Beispiel durch fallende Blätter) und die Mikroben nutzen ihn, um zu wachsen. Sie stellen Enzyme her, um ihn in atmosphärisches Kohlendioxid umzuwandeln.“ Der Vergleich mit Maschinen ist nur ein anschauliches Bild. Natürlich sind die Einzeller Lebewesen.
Bisherige Modelle sagten aus, dass die Winzlinge bei steigenden Temperaturen auch immer größere Mengen Kohlendioxid freisetzen. Doch sie berücksichtigten nicht die Aktivität der Enzyme. Die neue Studie holt dies nach und widerspricht den Erkenntnissen. Ihr Modell zeigt, dass Mikroben, die in wärmerer Umgebung kurzzeitig Kohlendioxid einatmen, weniger Kohlenstoff (Baumaterial) zum Wachsen bleibt. Bleiben die höheren Temperaturen bestehen, sinkt durch diese Ineffizienz ihre Anzahl. Das bedeutet, dass die nun kleineren Populationen auch weniger Kohlendioxid ausatmen. Mikroben sind nicht die destruktiven Elemente der Erderwärmung, wie Forscher zuvor glaubten, sagt auch Professor Allison. Die neuen Simulationen zeigen ein anderes Bild. Wenn die Leistungsfähigkeit der Kleinstlebewesen in einer wärmeren Welt zurückgeht, sinke auch ihr Kohlendioxidausstoß auf vorindustrielles Niveau. Doch wenn sie es schaffen, sich beispielsweise durch höhere Enzymproduktion an die neuen Bedingungen anzupassen, könnten sich die Emissionen verstärken. Wie Mark Bradford, Assistenzprofessor für Landökosysteme in Yale sagte, gibt es unter Wissenschaftlern eine intensive Debatte zum Beitrag des Kohlenstoffs im Boden an der Erderwärmung. „Die Herausforderung in den Voraussagen besteht darin, dass die verursachenden Prozesse in den Mikroben nur wenig verstanden sind“, erklärte Bradford. „Weitere Forschung wird helfen, diese Unklarheiten zu beseitigen.“
Originalarbeit: Steven D. Allison, Matthew D. Wallenstein, Mark A. Bradford, Soil-carbon response to warming dependent on microbial pysiology, Nature Geoscience, 2010 (Allison et al., 2010)
3.5.2 Unvollständiger (anaerober) Abbau toter Lebewesen
Beim anaeroben Abbau von Zellmaterial entsteht neben Kohlendioxid (CO2) auch Methan (CH4). Auch dieser Vorgang findet in Mikroorganismen statt. Zellulosehaltige Substanzen werden durch Fermentierung zu Essigsäure. Diese wird von Methanbakterien in der Methanogenese nach der Formel CH3COOH -> CO2 + CH4 in Methan und Kohlendioxid aufgespalten. Es gbt andere Bakterien, die dieses Methan wieder verbrauchen und dabei CO2 ausscheiden.
Findet der Abbau unter Luftabschluss statt, wie das unter Wasser oder im Magen von Wiederkäuern geschieht, wird ein Treibhausgas freigesetzt, das noch klimawirksamer ist als CO2.
nach oben
3.5.2.1 Unvollständiger Abbau von Pflanzen (Inkohlung)
3.5.2.1.1 Einleitung
Unter bestimmten Voraussetzungen ist die Zersetzung nicht vollständig. Sterben Pflanzen ab und sind dann vollständig vom Luftsauerstoff getrennt, können sie nicht vollständig verwesen. Herschen dann noch tropische oder feuchtwarme Bedingungen mit einer üppigen Vegetation, kommt auch viel Materie zusammen. Was danach geschieht, kann man wieder an einem Beispiel sehen, das allerdings lang zurückliegt. Bereits im Erdzeitalter des Unterdevon und des Präkambrium gab es solchen üppigen Pflanzenwuchs. Doch erst im Karbon und Perm, später auch im Jura und der Kreidezeit lebten weiterentwickelte Pflanzen wie Bärlappgewächse, Schachtelhalme, Farne und Kordaiten.
nach oben
3.5.2.1.2 Sümpfe
Durch Heben und Senken des Bodens, durch Anstieg und Fall des Meeresspiegels wurde das Land teils von Wasser bedeckt, teils lag es trocken. Bei Trockenheit zerlegten die Pilze und Bakterien die toten Pflanzen wie gewohnt. Es blieben nur Mineralstoffe und Kohlendioxid zurück. Heute entdeckt man in diesen Schichten auch nur Gestein. Bergleute nennen es Berg. Fielen die sterbenden Pflanzen aber in ein Gewässer, waren sie vom Luftsauerstoff getrennt. Sie konnten nicht vollständig verwesen. Der feuchte Untergrund sank langsam ab, und zwar so langsam, dass sich an seiner Oberfläche weiter Vegetation ansiedeln konnte. Erde setzte sich auf dem Grund der Sümpfe ab.
nach oben
3.5.2.1.3 Biochemische Inkohlung (Vertorfung)
Unten aber begannen Mikroorganismen mit ihrer Arbeit und zerlegten die Pflanzenreste. Auch hier waren es Bakterien und Pilze. Teils stand ihnen dabei Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung, teils waren sie von ihm abgeschlossen. Dabei wurde das Gas Methan (CH4) und Wasser (H2O) frei. Dies kann man auch heute noch beobachten. Der größte Teil des Methans stammt aus Sümpfen. Was wird dort frei? Kohlenstoff mit dem chemischen Symbol C, wie man aus der Formel CH4 erkennt. So wurden aber auch Sauerstoff und Wasserstoff frei. Der Kohlenstoffgehalt stieg von 50 auf 60 Prozent, der Sauerstoffgehalt aber sank von 44 auf 33 Prozent. Durch ihren Stoffwechsel, aber auch durch Oxidation, vermoderten die Pflanzenteile und wurden schließlich zu Torf. Torf ist ein hellbraunes bis schwarzes, faseriges Material, das auch brennt. Solche Gebiete nennt man Moor. Damals waren es ausgedehnte Wald- und Riedmoore.
Heute entstehen Moore durch Verlandung von Seen und Teichen, aber auch durch Versumpfung von Senken. Niedermoortorf bestehen aus Resten von Weiden, Erlen, Rohrkolben, Seggen und Schilf. Sie sind sehr nährstoffreich. Hochmoore dagegen brauchen hohe Niederschläge und Luftfeuchtigkeit, aber auch niedrige Temperaturen. In heutigen Mooren wird Torf als Pflanzendünger abgebaut, was zu einer Zerstörung dieser Biotope führt. Früher wurde er auch als Brennstoff genutzt. In Irland deckte 1977 30 Prozent seines Energiebedarfs durch Torf.
nach oben
3.5.2.1.4 Biochemische Inkohlung (Braunkohle)
Vertorfung ist der Beginn der sogenannten Inkohlung. Fließend geht sie in die biochemische Inkohlung über, bei der Weichbraunkohle entsteht. Mit der Zeit lagern sich Ton und Sand über dem Torf ab. Sie üben einen Druck auf ihn aus. Dadurch entstehen Prozesse, die den Kohlenstoffgehalt auf 60 bis 65 Prozent steigen lassen. Der Sauerstoffgehalt der Kohlenwasserstoffe sinkt auf etwa 25 Prozent, der Wasserstoffanteil auf etwa 6 Prozent. Die heutige Braunkohle stammt hauptsächlich aus dem Erdzeitalter des Tertiär, das vor 65 Millionen Jahren begann. Sie macht 30 Prozent der gesamten Vorräte aus. Auch hier wird Methan frei. Braunkohle ist noch recht jung und findet sich in 500 Metern Tiefe. Daher wird sie heute im Tagebau gefördert. Die Schichten sind etwa 60 Meter dick.
Sie hat einen Heizwert von 16 MJ/kg.
nach oben
3.5.2.1.5 Geochemische Inkohlung (Steinkohle)
Der wiederum geht fließend in die geochemische Inkohlung über, die Hartbraunkohle und Steinkohle entstehen läßt. Diese Prozesse brauchen Erdwärme und kann daher nur in großen Tiefen oder, wie der Bergmann sagt, Teufen stattfinden. Durch den höheren Druck und die höhere Temperatur entsteht zunächst Hartbraunkohle mit einem Kohlenstoffgehalt von 70 bis 75 Prozent. Der Sauerstoffgehalt sinkt weiter auf 15 bis 18 Prozent, der des Wasserstoffs auf 5 bis 6 Prozent. Sie hat einen Heizwert von 20-30 MJ/kg.
Noch höherer Druck und eine Temperatur von mindestens 300 Grad Celsius läßt Steinkohle entstehen. Der Kohlenstoffanteil steigt nun auf über 75 Prozent, während Sauerstoff und Wasserstoffanteile weiter sinken. Sie hat einen Heizwert von 33 MJ/kg. Steinkohle entstand von etwa 280 Millionen Jahren, ist also älter und liegt daher in tieferen Schichten, in einigen tausend Metern. Das tiefste deutsche Bergwerk erreichte eine Tiefe von 1300 Metern. Steinkohle wird in Bergwerken gefördert. Man findet sie in Kohleschichten, die der Bergmann Flöz nennt. Sie sind nur bis zu einigen Metern dick und wechseln sich mit Gesteinsschichten ab, dem sogenannten Berg. Diese Schichtbildung geht auf die Überschwemmungen und Trockenzeiten vergangener Erdzeitalter zurück. Steinkohle wird nach dem Grad der Inkohlung weiter unterschieden in Flammkohle, Gaskohle, Fettkohle, Eßkohle, Magerkohle bis hin zum Anthrazit mit einem Kohlenstoffanteil von 91,5 Prozent und einem Sauerstoffgehalt von unter 2,5 Prozent und einem Wasserstoffgehalt von unter 3,7 Prozent. Sie hat einen Heizwert von 36 MJ/kg.
40 Prozent der Kohlevorkommen stammen aus dem Karbon und Perm, der Rest aus Jura und Kreide. Steinkohle macht 70 Prozent der Kohlevorkommen aus. 1996 beinhalteten die Kohlevorkommen 2*102 Joule Energie.
nach oben
3.5.2.2 Unvollständiger Abbau von Tieren im Meer (Methanhydrat)
Mehr dazu im Artikel über Methan.
3.5.2.3 Unvollständiger Abbau von Tieren (Polykondensation)
3.5.2.3.1 Die Organismen
Es gibt Tiere, die grundsätzlich vom Luftsauerstoff abgeschlossen sind, wenn sie sterben: Die Meeresbewohner. Sie sinken auf den Meeresboden und bleiben dort liegen. Betroffen sind unzählige Bakterien, Algen und Plankton. Auch Landpflanzen werden ins Wasser geschwemmt. Mit ihnen lagert sich aber auch feinkörnige Mineralien wie Ton und der Kalk aus dem geochemischen Kohlenstoffkreislauf ab. Auch die Meeresorganismen bestehen aus Kohlenwasserstoffen und damit aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff. Auf Land spielt sich dergleichen nicht ab.
nach oben
3.5.2.3.2 Erdöl und Erdgas entstehen
Normalerweise würden diese Verbindungen mit Hilfe von Sauerstoff zersetzt (Oxidation). Manchmal geschieht das jedoch nicht. Die abgestorbenen Körper sind dann im Sediment eingebettet. Hier zerlegen anaerobe Bakterien ihre Kohlenwasserstoffe.
Aus den löslichen Verbindungen entstehen in ihnen neue, unlösliche. Das nennt man Polykondensation. Lagern sich dann einige hundert Meter Sediment über ihnen ab, entsteht daraus Kerogen. Durch die Plattentektonik der Erdkruste verändern sich die Kontinente. Zeitweise sind sie vom Meer bedeckt, zu anderen Zeiten zieht sich das Wasser wieder zurück. In dem „Trockenzeiten“ bedecken wieder Sedimente aus der Erosion des Landes das Kerogen. Es können sich aber auch die Bedingungen ändern und das Sediment wird arm an Kerogen. So bildet es wie die Kohle Schichten aus. Man nennt sie Erdölmuttergestein. Es besteht noch immer aus Ton und Kalk, vermischt mit Kohlenwasserstoffen. Über ihm lagern sich nun immer mehr Sedimente an. Der Druck steigt und es sinkt tiefer. So steigt auch die Temperatur. Erreicht sie Werte über 50 bis 70 Grad, wird das Kerogen „thermisch abgebaut“. Das heißt: aus der hochmolekularen Substanz spalten sich kleine Moleküle ab. Diese Moleküle sind flüssig oder gasförmig. Die flüssigen nennt man Erdöl, die gasförmigen Erdgas. Beide sind nun in der Lage, ihre Schicht zu verlassen.
nach oben
3.5.2.3.3 Das Öl sammelt sich in Fallen
Das Erdölmuttergestein hat nur kleine Poren, in denen das Kerogen lagerte. Darüber aber befinden sich leitfähige (permeable) Gesteinsschichten mit groben Poren (poröse Gesteine). In all diesen Schichten befindet sich auch Wasser. Öl und Gas sind aber leichter als Wasser. Deshalb schwimmt bei Tankerunglücken auch stets eine Ölschicht auf dem Meer. Leichtere Substanzen steigen in einer Umgebung aus schwereren Substanzen nach oben, wie ein Ballon. Das nennt man Auftrieb. Durch diesen Auftrieb wandern Erdöl und Erdgas nach oben (primäre Migration), bis sie auf eine undurchlässige Schicht treffen (sekundäre Migration oder Akkumulation), die das Öl gefangen hält. Undurchlässig sind zum Beispiel Kalkstein, Sandstein, Salz oder Mergel. Man nennt es Erdölfalle. Es gibt vier solcher Erdölfallen:
nach oben
Abbildung 3
3.5.2.3.4 Die Antiklinale
Die häufigste Form ist die Antiklinale. Wenn Platten der Erdkruste aufeinanderprallen, falten sich ihre Schichten bei der Gebirgsbildung auf. In solchen Falten entstehen Kuppeln, auch Sattel genannt. Das kann zum Beispiel eine Salz- oder Tonschicht sein. Befindet sich das poröse Gestein unter einer solchen Kuppel, sammelt es sich dort an. Hier findet man 80 Prozent des Öls. Die arabischen Vorkommen vom Mittelmeer bis zum Persischen Golf sind in Antiklinalen eingeschlossen.
nach oben
3.5.2.3.5 Stratigraphische Falle
Durch Vorgänge der Kontinentaldrift können Gestinsschichten aber auch schräg im Boden liegen. Die Abtragung von Gestein (Erosion) kann sie so freilegen, dass sie alle an der Oberfläche enden. So kann Erdöl und Erdgas bis an die Erdoberfläche gelangen. Wird dieser Boden aber wieder von einer undurchlässigen Schicht bedeckt, sitzt auch hier das Öl in der Falle. Dies Form macht 10 Prozent der Vorkommen aus.
nach oben
Abbildung 4
3.5.2.3.6 Verwerfungen
Verwerfungen entstehen, wenn die Erdkruste durch hohen Druck an einer Stelle bricht. In dieser Ebene können sich die Teile links und rechts des Bruches unabhängig voneinander heben und senken. So kann die durchlässige Schicht des einen Teils auf eine undurchlässige stoßen, die ohne die Verwerfung eigentlich viel höher gelegen hätte. Auch hier entsteht eine Ölfalle. Ein Prozent der Vorräte lagern in solchen Verwerfungen.
nach oben
3.5.2.3.7 Durchbrechendes Salz
Es kann aber auch ein Salzdom von unten an die Oberfläche brechen. So kann er alle Schichten um ihn herum nach oben hin aufbiegen und durch sein Salz abdichten. Die Aufbiegung kann man sich vielleicht so vorstellen wie eine Metallplatte, auf die eine Patrone abgeschossen wurde oder wie das gestanzte Loch in einer Platte. Das ist die vierte Form. Solche Salzstöcke fangen 3 Prozent des Öls, zum Beispiel das im Golf von Mexiko.
nach oben
3.5.2.3.8 Schichtung von Erdgas, Erdöl und Wasser
Eines ist aber allen Fallen gemeinsam: Ganz oben sammelt sich das Erdgas, darunter Erdöl und ganz unten Wasser aus den Poren. 40 Prozent der Kontinente sind aus Meeresbecken entstanden. Daher hat es sich zum Teil dort angesammelt. Andere Vorkommen findet man auf dem Kontinentalschelf.
nach oben
3.6 Zahlen
3.6.1 Betrag der Wälder zum Kohlenstoffkreislauf
3.6.1.1 Wälder weltweit
Die großen Wälder bedeckten 2005 ungefähr 30 Prozent der Erdoberfläche. Das sind etwa 4 Milliarden Hektar. Sie sind ein wertvoller Teil des Ökosystems und bieten Tieren und Pflanzen einen Lebensraum. Das gilt besonders für die Regenwälder. Oft sind sie auch verantwortlich für örtliche Klimabedingungen. Gehen sie jedoch verloren, ist es sehr schwierig, sie wiederherzustellen.
Darüber hinaus spielen sie eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf. Sie entziehen der Atmosphäre große Mengen Kohlendioxid und damit auch den Kohlenstoff, indem sie ihn durch die Photosythese in Baumaterial für ihre eigenen Zellen umwandeln. Damit sind sie eine wichtige Senke für den Kohlenstoff. Sie binden einen großen Teil davon über einen langen Zeitraum. Wie wichtig, zeigen folgende Zahlen:
| Gebunden in: | Kohlenstoff in Milliarden Tonnen (Gt) |
|---|---|
| Waldvegetation | 283 Gt |
| totem Holz | 38 Gt |
| Boden und Humus (soil and litter) | 317 Gt |
| Insgesamt (2005) | 638 Gt |
Damit ist im Ökosystem der Wälder mehr Kohlenstoff gebunden als in der Atmosphäre. Das hat Auswirkungen auf das Klima der Erde. Die Werte sind Schätzwerte nach Angaben der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen (UNFCCC).
Weltweit entstehen laut Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND) 20 Prozent der globalen CO2-Emissionen durch die Zerstörung von über 13 Mio. Hektar Wald pro Jahr, insbesondere in den tropischen Regionen. Maßnahmen und Programme zur Vermeidung von Entwaldung und Waldegradation (engl. REDD), über die auf dem Klimagipfel 2009 in Kopenhagen verhandelt werde, seien daher besonders wichtig. Allerdings müsse der REDD-Mechanismus so gestaltet sein, dass tatsächlich die besonders klimarelevanten Urwälder geschützt würden und nicht Baum-Plantagen. Auch dürfe nicht ermöglicht werden, dass sich Industrieländer durch Waldprojekte in Entwicklungsländern von ihren eigenen Reduktionsverpflichtungen freikauften. Effektiver Klimaschutz müsse im eigenen Land stattfinden.(BUND, 2009)
3.6.1.2 Der deutsche Wald
Im deutschen Wald wird immer weniger klimaschädliches CO2 gespeichert. Hauptursache dafür ist nach Angaben des BUND der drastisch gestiegene Holzeinschlag. In den letzten 20 Jahren sank die jährliche Kohlenstoffbindung von 17 Millionen Tonnen Kohlenstoff auf 4,7 Millionen Tonnen. Das geht aus der offiziellen Inventurstudie der Bundesregierung zur Ermittlung der CO2-Speicherung im deutschen Wald im Rahmen des Kyoto-Protokolls hervor. In Westdeutschland nimmt der Wald bereits überhaupt kein weiteres klimaschädliches CO2 mehr auf. Insgesamt sind in der Biomasse von Deutschlands Waldbäumen derzeit 1,23 Milliarden Tonnen Kohlenstoff gespeichert. Das entspricht in etwa dem 5 ½-fachen jährlichen CO2-Ausstoß Deutschlands. Bei den Klimaschutzverhandlungen in Kopenhagen ist der Waldschutz ein zentrales Thema. Der BUND forderte von der Bundesregierung ehrgeizige nationale Ziele. Nur dann seien die berechtigten deutschen Forderungen zum internationalen Waldschutz auch glaubwürdig.(BUND, 2009)
Dazu Hubert Weiger, BUND-Vorsitzender: "In deutschen Industrieanlagen, Haushalten, der Landwirtschaft und im Verkehr entstehen bei der Verbrennung fossiler Rohstoffe jährlich rund 830 Millionen Tonnen CO2. Davon werden nur zwei Prozent von wachsenden Waldbäumen gespeichert. Wesentlich mehr wäre möglich. Derzeit werden 93 Prozent des nachwachsenden Holzes genutzt. Das schadet nicht nur dem Klima, sondern bedroht auch die biologische Vielfalt. Damit mehr CO2 im Wald gebunden werden kann, müssen mehr Bäume und Holz im Wald verbleiben." Entsprechend müsse der Holz- und Papierverbrauch gesenkt werden. Die Grenzen der energetischen Holznutzung in Form von Scheitholz, Hackschnitzeln oder Pellets müssten erkannt und allein nach ökologischen Gesichtspunkten festgesetzt werden.(BUND, 2009)
Der BUND forderte mindestens 10 Prozent des öffentlichen Waldes vollständig aus der Nutzung zu nehmen. Es müssten zudem finanzielle Anreize geschaffen werden, damit auch private Waldbesitzer mehr Holz in ihren Wäldern lassen. Ulrich Mergner, BUND-Waldexperte: "Auch Privatwaldbesitzer könnten einen höheren Beitrag für Klima- und Artenschutz leisten. Sie müssen dabei unterstützt werden, damit es gelingt, auch 10 Prozent des Privatwaldes als ,Urwälder von morgen' dauerhaft still zu legen." Die Waldgesetze müssten nachgebessert werden, unter anderem zu den besonders klimarelevanten Punkten wie Kahlschlagsverbot, Bodenschonung und Anhebung der Totholzvorräte. (BUND, 2009)
3.6.2 Biochemischer Kohlenstoffkreislauf
| Quelle | Kohlenstoff in Milliarden Tonnen (Gt) pro Jahr |
|---|---|
| CO2 Ausstoß aus Pflanzenatmung | 119,6 Gt |
| CO2 Ausstoß aus der Landwirtschaft | 1,6 Gt |
| CO2 Verbrauch in Photosynthese | 120 Gt |
| CO2 Verbrauch durch Wiederaufforstung und Düngeeffekte | 2,6 Gt |
Quelle: Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)
3.7 Schlußwort
3.7.1 Ein Geben und Nehmen
Während der Debatte um den Klimawandel wurde gesagt, CO2 diene der Ernährung von Pflanzen. Je mehr sie davon bekommen, desto besser wachsen sie. Das ist auch richtig so. Weiter wurde daraus geschlossen, Kohlendioxid sei doch natürlich und harmlos. Dem kann sich der Autor nicht anschließen. Was harmlos ist oder nicht, liegt an den unterschiedlichen Bedürfnissen von Lebewesen. Jeder hat sich auf eine andere ökologische Nische angepaßt. Der Mensch lebt eben nicht vom Kohlendioxid, genau wie all die anderen Tierarten. Und selbst Pflanzen leben nicht vom Kohlendioxid allein.
Wie der vorige Abschnitt zeigte, ist der Kohlenstoffkreislauf der Biosphäre ein Geben und Nehmen, eine natürliche Luftaufbereitungsanlage. Das Abgas der einen Gruppe ist teils Lebensgrundlage der anderen. Die eigenen Abgase wirken dagegen zum Teil als Schadstoffe. Wer auf der Grundlage der Photosynthese für einen hohen Kohlendioxidausstoß argumentiert, macht es sich vielleicht etwas zu einfach.
nach oben
3.7.2 Kohlendioxid schadet dem Menschen
Kohlendioxid, sagen einige Zweifler am Klimawandel, sei kein Schadstoff, weil man sonst Menschen das Atmen verbieten müßte. Es wurde auch darauf hingewiesen, dass es nicht weiter kritisch sei, wenn in einem Raum die Kohlendioxidkonzentration ansteige. Das ist richtig, hat aber auch seine Grenzen. Am Arbeitsplatz darf die Konzentration 0,5 Volumenprozent nicht überschreiten. Bei den heutigen Kohlendioxidkonzentrationen ist der Grenzwert längst nicht erreicht. Davon ist aber auch nicht die Rede. Kohlendioxid taucht in der Klimadiskussion auf. Dort geht es um den Treibhauseffekt. Der aber ist nicht Thema dieses Artikels.
nach oben
Einige Quellen
Allison et al., 2010: Soil microbes produce less atmospheric CO2 than expected with climate warming, Pressemitteilung, UC Irvine, http://today.uci.edu/, 26.4.2010
BUND, 2009: Waldschutz ist Klimaschutz. Deutschlands Umgang mit seinen Wädern kein Vorbild für Kopenhagener Verhandlungen, Pressemitteilung, Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland, 9. Dezember 2009
Autor
Autor: Jörg Wieprzeck
Copyright: © 2002–2010 Biosphaere www.biosphaere.info
Aktualisierungen
17.07.2007: Artikel angelegt
16.12.2007: Abschnitt über den „Beitrag der Wälder zum Kohlenstoffkreislauf“ hinzugefügt.
19.06.2009: Abschnitt über Methanhydrat hinzugefügt, Abschnitte neu nummeriert.
30.06.2009: Aussage von Dr. Frey im Abschnitt über Methanhydrat hinzugefügt.
09.09.2009: Neue Aussage des GEOMAR zur Entzündlichkeit von Gas aus Methanhydraten.
08.12.2009: Der Beitrag über Methanhydrat steht nun im Artikel über Methan (000292).
08.12.2009: Deutschlands Umgang mit seinen Wäldern ist kein Vorbild für Kopenhagener Verhandlungen.
Verwandte Artikel
Beryllium im Kohlenstoffkreislauf: Die scheinbar schneller verwitternden Gebirge
Der biochemische Kohlenstoffkreislauf
Der geochemische Kohlenstoffkreislauf
Der Kohlenstoffkreislauf der Meere 1 - Von der Luft ins Meer
Der Kohlenstoffkreislauf der Meere 2 - Die Vorgänge im Meer
Copyright: 2002-2010 www.biosphaere.info