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Der langfristige anorganische Kohlenstoffkreislauf
Verschiedene Vorgänge lassen in einem globalen Kreislauf neue Gesteine entstehen oder zersetzen sie. Dabei sind sowohl Luft und Wasser als auch Lebewesen beteiligt.
Anorganische Gesteine mit Kohlenstoff, vor allem Karbonate, sind meist über viele Millionen Jahre als Teil der Lithosphäre gespeichert. Chemische, physikalische und biologische Prozesse können die Gesteine sowohl zersetzen als auch neue entstehen lassen – an der Erdoberfläche, im Wasser oder tief unter der Erde.
Verwitterung an der Erdoberfläche
Karbonatgestein wie Kalk (CaCO3), das sich an der Erdoberfläche befindet, ist der Luft, dem Wetter und der Einwirkung durch Lebewesen ausgesetzt. Verschiedene Vorgänge zersetzen das Gestein nach und nach, was als Verwitterung bezeichnet wird. Dies geschieht zum Teil durch mechanische Einflüsse wie Wind, Sonne, Frost oder Pflanzenwurzeln, welche die Gesteine zerstören. Feste Gesteinsteile lagern sich dann im Boden ab.
Auch die chemische Verwitterung ist ein wichtiger Prozess. Bei Karbonaten ist vor allem die Reaktion mit Wasser von Bedeutung. Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Atmosphäre löst sich zunächst im Wasser und reagiert zu Kohlensäure (H2CO3). Diese wandelt dann den Kalk in Calciumhydrogencarbonat (Ca[CO3]2) um. Dieses liegt aber immer in gelöster Form vor, das heisst als Calcium-Ion (Ca2+) und Hydrogencarbonat (HCO3-). Die Ionen werden zum Beispiel mit dem Grundwasser transportiert oder von Flüssen in die Meere gespült.
Kommt Karbonat mit Schwefelsäure in Verbindung, etwa durch sauren Regen, wird das Karbonat in CO2 umgewandelt, welches in die Atmosphäre entweicht. Zurück bleibt Gips, chemisch Calciumsulfat-Dihydrat (CaSO4 × 2H2O). Saurer Regen kann durch Vulkanausbrüche oder durch Luftverschmutzung der Menschen entstehen.
Der Weg zu neuen Gesteinen
Gelöstes Hydrogencarbonat kann sowohl durch chemische als auch durch biologische Vorgänge zu Gestein werden. Karbonate können chemisch ausfallen, wenn das Wasser mit Hydrogencarbonat übersättigt ist und auch genug Calcium vorhanden ist. Im Grundwasser gelöstes Hydrogencarbonat kann zum Beispiel in Tropfsteinhöhlen mit Calcium reagieren, wenn es an die Luft gelangt. Dadurch entstehen langsam Stalagmiten and Stalaktiten.
Lebewesen spielen für die Entstehung von neuen Karbonaten eine sehr wichtige Rolle. Muscheln, Schnecken oder einzellige Organismen produzieren Skelette, Schalen und andere Strukturen aus Kalk. Wenn sich Kalkteile der abgestorbenen Organismen im Sediment von Meeren ablagern und verdichten, entsteht über einen langen Zeitraum festes Karbonatgestein (daraus besteht zum Beispiel der grösste Teil des Juras).
Der Kreislauf schliesst sich durch tektonische Vorgänge
Wenn Karbonatgestein durch tektonische Prozesse tief unter die Erdoberfläche gelangt, verändert es sich unter den grossen Drücken und Temperaturen chemisch, was auch Metamorphose genannt wird. Calciumcarbonat reagiert dann zum Beispiel mit Silikat (SiO2) zu Calciumsilikat. Dabei entweicht das Gas CO2. Dieses kann sich im Magma lösen und bei Vulkanausbrüchen in die Atmosphäre freigesetzt werden. Ausserdem können Karbonatgesteine durch die Bewegung der tektonischen Platten vom Erdinneren an die Oberfläche gelangen.