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Kohlenstoff ist ein Element, das an vielen Orten der Erde in unterschiedlichen chemischen Verbindungen gespeichert wird. Es nimmt an zahlreichen chemischen Reaktionen und physikalischen Prozessen teil, verändert dabei seine Form und wird an andere Orte verfrachtet. Diese Vorgänge bilden den wichtigen, globalen Kohlenstoffkreislauf.
Kohlenstoff ist zwar ein relativ seltenes Element in der Erdkruste, doch er ist von entscheidender Bedeutung. Was ihn so besonders macht, ist, dass er in allen Bereichen der Erde vorkommt (man nennt diese Bereiche auch Sphären): in Gesteinen (Lithosphäre), im Boden (Pedosphäre), in der Luft (Atmosphäre), im Wasser (Hydrosphäre) und in Lebewesen (Biosphäre). Die Sphären sind einerseits Speicher von Kohlenstoff, aber es fliessen auch Stoffe zwischen ihnen.
Gestein als Kohlenstoffspeicher
95,95% des Kohlenstoffs ist fest in Gesteinen gespeichert, oft über viele Millionen Jahre. Zu einem grossen Teil ist er als Kalkstein gebunden, chemisch Kalziumkarbonat (CaCO3), oder auch in Form von Kohle oder Erdöl, die wir als fossile Energieträger kennen. Im Wasser, vor allem in den Ozeanen und im Eis der Pole, ist rund 0,045% des gesamten Kohlenstoffs gespeichert, etwa in Form von gelöstem Karbonat.
Biosphäre und Atmosphäre sind die kleinsten Kohlenstoffspeicher mit jeweils 0,001% des Gesamt-Kohlenstoffs. In der Biosphäre ist vor allem organischer Kohlenstoff gespeichert, in der Atmosphäre gibt es vor allem anorganisches Kohlenstoffdioxid (CO2). In Böden befindet sich geschätzt mehr als viermal so viel Kohlenstoff wie in der Atmosphäre, sowohl in anorganischen Formen (Mineralien) als auch in organischen (z. B. zerfallene pflanzliche Materie).
Quellen und Senken von Kohlenstoff
Die verschiedenen Sphären sind nicht nur Kohlenstoffspeicher, sondern auch Quellen und Senken vom Kohlenstoff. Zwischen Atmosphäre und Wasser gibt es einen Austausch von CO2. Je nach seiner Konzentration im Wasser und in der Luft steigt das CO2 als freies Gas auf oder löst sich im Wasser.
Das CO2 der Luft und gelöstes CO2 im Wasser sind eine Kohlenstoffquelle für Pflanzen und Mikroorganismen, welche das CO2 aufnehmen und daraus organische Verbindungen herstellen. Dieses organische Material dient ihnen und allen anderen Lebewesen zum Energiegewinn und wird dabei teilweise wieder in CO2 umgewandelt. Sterben Lebewesen ab, zersetzt sich ihre Biomasse. Dabei wird entweder ebenfalls CO2 freigesetzt oder es entstehen andere stabile organische Verbindungen.
Meeresorganismen, die sterben und absinken, bringen viel Kohlenstoff an den Meeresgrund. Dieser kann durch Meeresströmungen entweder wieder an die Oberfläche gelangen oder sich am Meeresgrund dauerhaft ablagern. Wenn sich immer mehr solches Material sammelt und über lange Zeit Druck darauf wirkt, wandelt es sich in Sedimentgestein um. Neue Gesteine können auch entstehen, wenn Wasserflächen (wie zum Beispiel Seen) austrocknen und ausgefallenes Kalziumkarbonat zurückbleibt.
Der vom Menschen gestörte Kohlenstoffkreislauf
Der natürliche Kohlenstoffkreislauf befindet sich in einem Fliessgleichgewicht, bei dem die verschiedenen Sphären anteilsmässig stets etwa gleich viel Kohlenstoff enthalten. Doch dieses Gleichgewicht verschiebt sich durch den Einfluss des Menschen. Die Verbrennung von fossilen Energieträgern und Wäldern wandelt viel gebundenen Kohlenstoff in CO2 um und setzt ihn in die Atmosphäre frei. Die steigenden CO2-Konzentrationen bewirken, dass die Ozeane zunehmend eine Senke für CO2 werden, wodurch das Wasser saurer – bzw. weniger basisch – wird (gelöstes CO2 verschiebt das chemische Gleichgewicht im Wasser in Richtung Hydrogencarbonat- und Oxonium-Ionen; letztere senken den pH-Wert). Viele Meereslebewesen haben Mühe, sich diesem Wandel anzupassen.
Das zusätzliche CO2 der Atmosphäre erwärmt durch den Treibhauseffekt auch das Klima, was zum Auftauen von Polareis und gefrorenen Böden führt, wodurch noch mehr gebundener Kohlenstoff freigesetzt wird. Das veränderte Klima führt zu häufigeren Dürren und Stürmen. Um die gefährlichen Auswirkungen des gestörten Kohlenstoffkreislaufs aufzuhalten, müsste der Ausstoss von CO2 in die Atmosphäre so rasch wie möglich verringert werden. Ausserdem müsste wieder mehr CO2 aus der Atmosphäre gebunden werden, etwa durch die Wiederaufforstung von Wäldern.
Kalkstein, Kalkablagerungen aus dem Leitungswasser und Kohlensäure kennen wir aus dem Alltag. Aber was haben sie miteinander zu tun? Viel Wissenswertes über die Wege des Kalks erfährst du in diesem Artikel.