Lexikon der Geowissenschaften: Kohlenstoffkreislauf
Kohlenstoffkreislauf, Kohlenstoffzyklus, geochemischer Kreislauf des Kohlenstoffs,die Gesamtheit aller Prozesse,durch die Kohlenstoff und seine chemischen Verbindungen in der Geosphäre umgesetzt werden ( Abb. 1 ). Die zentrale Bedeutung des Kohlenstoffs gründet sich darauf, daß er Bestandteil aller organischen Verbindungen ist. Somit stellt der Kohlenstoffkreislauf einen der wichtigsten Kreisläufe des Lebens dar. In der Atmosphäre befinden sich die Kohlenstoffvorräte in gasförmigem Zustand (CO2, CO = ca. 0,7·1012 t C). In der Hydrosphäre kommt Kohlenstoff in gelöstem Zustand vor, in anorganischen (CO2, HCO3, CO32 = ca. 37·1012 t C) und organischen Verbindungen (ca. 1,0·1012 t C). Fest gebunden ist der Kohlenstoff in der Pedosphäre (Humus, Biomasse ca. 2,6·1012 t C) und in der Lithosphäre (Kohle, Erdgas, Erdöl, Carbonatgesteine). Der Kohlendioxidanteil der Luft beträgt etwa 3,2·10-2 Vol.-%. CO2 wird von den autotrophen Organismen zum Aufbau ihrer Trockenmasse durch Photosynthese genutzt (ca. 0,12·1012 t C pro Jahr). Respirationsprozesse, die gleichzeitig in den Pflanzen parallel stattfinden, setzen CO2 frei (ca. 0,05·1012 t C pro Jahr). Es verbleibt ein Überschuß, der zur Ernährung von heterotrophen Organismen dient und damit der Ausgangspunkt verschiedener Nahrungsketten ist. Heterotrophe Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) bewirken in erster Linie den Umsatz der organischen Kohlenstoffverbindungen aus abgestorbenen Organismen. Der vollständige Abbau des Pflanzenmaterials kann zur Freisetzung von CO2, Energie und H2O führen sowie langlebige Huminstoffe mit mittleren Verweilzeiten in Böden von mehr als 1000 Jahren hervorbringen. Die Humusanreicherung hängt dabei vom Klima und von edaphischen Bedingungen ab (z.B. Sümpfe bzw. Moore 86,6 kg C/m2, Taiga 14,9 kg C/m2, sommergrüner Laubwald 11,8 kg C/m2, Savanne 3,7 kg C/m2). Durch die in den Wurzeln ablaufenden Respirationsprozesse sowie bedingt durch die Mineralisierungs- und Respirationsprozesse der Bodenorganismen, der Bodenfeuchte und der Textur des Bodens variiert der CO2-Gehalt der Bodenluft um bis zu 0,2 Vol.-%. Dabei stammen etwa 1/3 des CO2 aus den Pflanzenwurzeln und etwa 2/3 von Bodenorganismen. Von den assimilierenden Pflanzen werden bis zu 80% des CO2, das durch den Gasaustausch in die Atmosphäre abgegeben wurde, direkt wieder aufgenommen. Der in kalkhaltigen Böden (z.B. Rendzinen, Pararendzinen, Kalkmarschen) in anorganischer Form gebundene Kohlenstoff kann in Folge von sauren Niederschlägen und der dadurch bedingten pH-Wert-Absenkung gelöst werden. In humiden Klimabereichen werden die Carbonate aus dem Boden ausgewaschen (Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht). Eine weitere CO2-Quelle stellt der Vulkanismus dar, der jedoch genauso wie die chemische Freisetzung aus Carbonaten nur zu einem geringen Prozentsatz am Kohlenstoffkreislauf beteiligt ist. Bei der Verbrennung fossiler Energieträger (fossiler Kohlenstoff) wird CO2 freigesetzt, wobei dies ca. 0,005·1012 t C pro Jahr bzw. 4% des im Kohlenstoffkreislauf emittierten CO2 entspricht. Diese Primärenergieträger entsprechen dem in früheren erdgeschichtlichen Epochen festgelegten Kohlenstoff, der damit dem kurzfristigen Kohlenstoffkreislauf entzogen wurde. Eine wesentliche Rolle bei der Regulation des Kohlenstoffkreislaufes spielen die Ozeane; ca. 97% des Kohlenstoffs liegen hier in anorganischer Form vor. Insgesamt befindet sich in den Ozeanen etwa 50-70 mal mehr Kohlenstoff als in der Atmosphäre. Der CO2-Austausch zwischen Atmosphäre und Wasser wird stark durch die Temperatur (Partialdruck) beeinflußt. In wärmeren Regionen ist der CO2-Transfer in die Atmosphäre größer als der CO2-Eintrag in das Wasser, während in kälteren Regionen die Lösung von CO2 im Oberflächenwasser überwiegt. In Form von Kohlendioxid hat der Kohlenstoff in der Erdatmosphäre einen Massenanteil von etwa 0,013% und im Meerwasser gelöst einen Massenanteil von ca. 0,014%. Im oberflächennahen (0-75 m) Bereich wird die Kohlenstoff-Konzentration durch Diffusion und Windtätigkeit bzw. im Tiefseebereich durch auf- und abwärtsgerichtete Strömungen verändert, so daß die vollständige Durchmischung der tiefen Ozeane einige Jahrhunderte dauert (Zirkulationssystem der Ozeane). Ebenso beeinflußt die Photosynthese lebender Organismen und die abwärts gerichteten Bewegungen von toter organischer Substanz sowie carbonatischen Bestandteilen die Verteilung des Kohlenstoffs im Wasser ( Abb. 2 ).
Das natürliche Gleichgewicht des atmosphärischen Kohlenstoffkreislaufs wird insbesondere durch die ansteigenden CO2-Emissionen in Höhe von 6,1·1015 g Kohlenstoff/ Jahr (1990) als Folge des zunehmenden Verbrauchs fossiler Brennstoffe gestört. Die Rodung der Tropenwälder sowie die Verbrennung von Biomasse führt zu einem zusätzlichen indirekten Anstieg des atmosphärischen CO2, da diese Pflanzen nicht mehr an der Photosynthese teilnehmen. Obwohl ein Großteil dieser CO2-Menge wieder in den Ozeanen aufgenommen wird, steigt der Kohlenstoffgehalt (in Form von CO2) in der Atmosphäre jährlich um etwa 3,0·1015 g an (Treibhauseffekt). Carbonatsysteme. [AHW, USch]
Kohlenstoffkreislauf 1: die wichtigsten Flüsse im Kohlenstoffkreislauf. Die Zahlen an den Pfeilen geben die Umsätze in Pg/Jahr an (Pg = 1015 g). Die Zahlen in den Kästen geben die in den Reservoiren vorhandenen Mengen in Pg an. Kohlenstoffkreislauf 1:
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Kohlenstoffkreislauf 2: systematische Darstellung des Kohlenstoffkreislaufs. Kohlenstoffkreislauf 2:
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