Kohlenstoffzyklus: Kreislauf, Definition + Erklärung

4.2.4
Kohlenstoffzyklus
Das Klimasystem ist extrem komplex und wird von einer Vielzahl
Faktoren beeinflußt. Nachfolgend sind einige Zusammenhänge
dargestellt (Sellers 1993)

climod4

Dabei spielen das absorbierte Sonnenlicht,
die Temperatur, die emittierte IR-Strahlung, der latente
Wärmefluß
(latent heat flux durch Wasserdampf), die
fühlbare Wärme
und Meersströmung eine wichtige
Rolle. Beim Faktor Strahlungsabsorption sind die IR-Strahlung absorbierenden
Komponenten der Atmosphäre H2O und CO2 wichtig.
Kohlenstoffdioxid ist ein Teil des Kohlenstoffzyklus, der kurz besprochen
werden soll.

Nachfolgend ist der Kohlenstoffkreislauf
des IPCC (UNEP) 1998 dargestellt. Dieser dient den meisten offiziellen
Stellen als Grundlage. Er bildet jedoch nur einen Teil der Realität
ab. Es fehlen folgende wesentliche Elemente:

ccipcc98C-Aufnahme/Abgabe der Bodenorganismen (ca.
55 Gt/Jahr)
Vulkanische und nichtvulkanische Bodenausgasungen.
(0,6 Gt C/Jahr; derzeit sind 24 der 550 aktiven Vulkane ca. 3% der
Böden vermessen)
effektive Größe unbekannt!!!

Vulkanische Eruptionen ( 0,6 GT C/Jahr; derzeit
sind 24 der 550 aktiven Vulkane vermessen)
effektive Größe unbekannt!!!

Gashydratvorkommen der Meeresböden (ca.
10 000 GT C); effektive Größe
unbekannt!!!

Auch bei allen anderen offiziellen C-Zyklen wie
NASA, NOAA usw. fehlen die Bodenausgasungen und Gashydratlager.

 

Wegen
dieser wesentlichen Mängel sind alle Schlußfolgerungen daraus
spekulativ und Berechnungen nicht schlüssig.

Ein
Schaubild mit allen Quellen findet man am Ende der Seite!

Kohlenstoff
kommt anorganisch im Boden als Kohle, in verschiedenen Carbonaten
(Salzen der Kohlensäure) z.B. als Kalziumcarbonat (Kalk),
als im Wasser gelöstes Kalziumhydrogencarbonat und in der
Atmosphäre als gasförmiges CO2 und Methan
vor. In organischer Form findet man C-Verbindungen als Erdgas oder
Erdöl. Der Kohlenstoffzyklus stellt die Umwandlung in seine
verschiedenen Formen dar.
Insgesamt kann man global 3 Teilzyklen feststellen:

  1. Biosphäre/Atmosphären-Zyklus
  2. Lithosphären/Platten-Zyklus
  3. Gesteinszyklus

1. Biosphäre/Atmosphären-Zyklus
Die obige Abbildung zeigt das System bestehend aus Land,
Organismen, Wasser und Atmosphäre in dem CO2 und seine
Umwandlung eine wichtige Rolle spielt.

Aktuell ist CO2 in der
Atmosphäre mit 0,037% vertreten. CO2 wird von Organismen
ausgeatmet und von Pflanzen (Land/wasser) zur Photosynthese (ca. 550
GT/Jahr)
aufgenommen. Dieselbe Menge CO2 ( ca.
550 GT/Jahr
) wird durch die Zellatmung der Organismen zu Land
und zu Wasser an die Atmosphäre abgegeben. Der Fehler beträgt
dabei +- 37 GT CO2. Dies stellt als Photosynthese/Zellatmung
eines der beiden wichtigen Teilgleichgewichte der Biospäre dar.
Das 2. wichtige Teilgleichgewicht ist das
Lösungsgleichgewicht
von CO2 in
den Ozeanen. Dieses wird von der physikalischen Löslichkeit
von CO2 im Zusammenhang mit dem Kalkgleichgewicht, also
dem Zerfall und der Löslichkeit von CaCO3 bestimmt.
Betrachtet man einfach die Grenzfläche Atmosphäre – Land/Wasser
(71%) so kann man die beiden Gleichgewichte als Photosynthese/Zellatmung
Land mit ca.420 GT/Jahr CO2-Austausch (= 130 GT C/Jahr) und der CO2-Austausch
im Ozean
(ca. 330 gT CO2/Jahr = 90 GT C/Jahr) darstellen.

Battle et al. (2000) bestimmten im Jahr
2000 die Aufnahmegeschwindigkeit der Biosphäre mit 1.4±0.8
Gt C /Jahr und die Rate der Ozeane mit 2.0±0.6 GT C /Jahr basierend
auf Messungen zwischen 1991 and 1997. (Quelle: http://www.ocean.washington.edu/research/sil/anthroco2.htm)

Durch die Zivilisation werden jährlich
ca. 22GT CO2 emittiert. Dies sind ca. 4% des Gesamtgleichgewichts
von ca. 550 GT CO2/Jahr.

2. Lithosphären/Platten-Zyklus
Darunter versteht man die Verschiebung
der Kontinentalplatten der Erdkruste. Neben Magnesium, Eisen und Silizium
bestehen diese auch aus Kalzium, was für den Kohlenstoffzyklus
wichtig ist. Da sich die Platten samt Sediment untereinander schieben
und schmelzen kommen diese als Lava (CO2, Kalzium, Wasserdampf)
durch vulkanische Eruptionen und Bodenausgasungen an die Oberfläche
bzw. in die Ozeane.

3. Gesteinszyklus
Durch die Kollision der Platten werden
Gebirge gebildet. Durch Verwitterung gelangen bestandteile wie Sandkörner,
Lehm und Kalkstein in die Flüsse und Meere. Dort sinken Sie an den
Boden, bilden Sediment, das von den marinen wirbellosen Organismen aufgenommen
wird und in deren Kalkschalen gespeichert wird, die beim Tod wieder Sediment
bilden.

litges

Aus der nachfolgenden Abbildung des Kohlenstoff-Kreislaufs
können die teilweise geschätzten umgeschlagenen Mengen an CO2
1994 entnommen werden, wie sie offiziell angegeben werden. (Quelle:
Dave
Bice, Dept. of Geology, Carleton College, Northfield, MN 55057;

verändert; 1Gt = 109 To).

carbcy7

Damit
sind die Ozeane die wichtigsten CO2-Speicher der Erde!

CO2 reagiert innerhalb ca. 1 Jahres
zum Gleichgewicht. Die Vermischung im gesamten Ozean dauert allerdings
ca. 1000 Jahre.( Quelle: http://www.geo.arizona.edu/geo4xx/geos478/GC2002.Ocean1.html)
Im Seewasser steht CO2 im Gleichgewicht mit CO32-,
HCO3-. Bei pH ~8, findet man an DIC ca. 1% CO2,
89% HCO3, and 10% CO32-.

Die Methanemission
beträgt übrigens pro Jahr ca. 0,9 GT.

cmodb


Grundsätzliche
Analyse des globalen C-Gleichgewichts:

In der öffentlichen Diskussion sind
besonders der Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration (2002=
0,037%). Die atmosphärische C-Konzentration wird durch 2 dynamische
Teilgleichgewichte bestimmt (siehe IPCC-Schaubild oben):

  • das Lösungsgleichgewicht der Ozeane
    (71% der Erdoberfläche ist Wasser) – ca. 90
    GT C/Jahr


CO2(aq)ukp
CO2(g) DH°=+22 J/Mol

  • das Photosynthese/Dissimilations-Gleichgewicht
    der Organismen ca. 60 GT C/Jahr

6 CO2 +
6 H2O
ukp
C6H12O6
+ 6 O2
DH°=+2882
KJ/Mol

Insgesamt findet also ein ständiger
Austausch von ca. 210 GT C/Jahr zwischen
Boden/Wasser und der Atmosphäre statt.

Dazu
kommen die nichtvulkanischen und vulkanischen Bodenausgasungen
und die Schlammvulkane die bisher weltweit kaum vermessen sind.
Von den ca. 550 aktiven Vulkanen sind derzeit nur 24 und deren Umgebung
vermessen worden. Bisherige Messungen zeigen einen C-Fluß im Gigatonnenbereich.
Diese Menge wird sich durch weitere Messungen bald enorm erhöhen.
Bie Bodenausgasungen und Schlammvulkane sind in den bisherigen C-Zyklen
deutlich unterschätzt und deswegen als geologische C-Quelle ignoriert
worden. Deshalb sind alle bisher veröffentlichten C-Flux-Modelle
unvollständig und lassen keine eindeutigen Schlußfolgerungen
zu.

Andere Substanzflüsse sind minimal oder
können noch nicht quantifiziert werden

Dynamische Gleichgewichte bestehen
aus einer Hin- und Rückreaktion, die laufend ablaufen, werden über
das Massenwirkungsgesetz berechnet und besitzen eine Gleichgewichtskonstante.
Die aktuellen Konzentrationen in Luft und Wasser geben den derzeitigen
Gleichgewichtszustand an. Dies ist Grundwissen der Chemie seit ca. 150
Jahren.
Gleichgewichte können grundsätzlich durch 4 Faktoren beeinflußt
werden und gehorchen dem Prinzip von LeChatelier:

  1. Temperatur
    Temperaturänderungen verändern die Reaktionsgeschwindigkeit
    und damit die Gleichgewichtskonstante. Dadurch läuft z.B die Hinreaktion
    schneller ab und das Gleichgewicht wird verschoben, es entsteht mehr
    Produkt.
  2. Druck (hier nicht relevant, da 1 bar konstant
    an der Erdoberfläche
    )
    Da chemische Reaktionen auch ein bestimmtes Reaktionsvolumen benötigen,
    bewirkt eine Veränderung des Drucks ebenfalls eine Verschiebung
    in die eine oder andere Richtung.
  3. Konzentrationsänderungen
    Entnimmt man z.B. Produkte einer dynamischen Reaktion aus dem Reaktionsansatz
    so regiert das Gleichgewicht, so daß Produkt nachgebildet wird.
  4. Katalysatoren ( hier nicht relevant)
    verändern ebenfalls die Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion.

In unserem Fall sind die Photosynthese und Dissimilation
(Zellatmung)
der Organismen stark temperaturabhängig. Typischerweise
laufen die biochemischen Reaktionen (durch Enzyme) zwischen 20° und
40° C am besten ab. Eine Temperaturerhöhung um 10° verdoppelt
die Reaktionsgeschwindigkeit (RGT-Regel).

zeitccy

Störung des
Gleichgewichts durch Temperaturänderung

Die Temperaturkurven der letzten 100 Millionen Jahre
zeigt das Bild oben, klein rechts oben die Veränderung in den letzten
150 000 Jahren. Betrachtet man also einen längeren Zeitraum, wird
klar, daß die Temperatur sich immer verändert hat, eine Änderung
der Gleichgewichtslage hat also immer stattgefunden. In den letzten 20
000 Jahren stieg die Temperatur um ca. 10° C, demnach hat sich die
Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt. Da die Lösung von CO2
in Wasser endotherm ist, muß demnach CO2 aus dem Wasser ausgasen.
Und da die Photosynthese ebenfalls endotherm ist, läuft sie bevorzugt
ab. Genau dies stellt man heute fest.

Betrachtet man einen kleinen Zeitraum, z.B.
die letzten 150 Jahre oder sogar nur 1 Tag so kann man ebenfalls zwanglos
feststellen, daß das Gleichgewicht immer gestört wird. Z.B.
nachts ist es kalt, am Tag erwärmt sich die Erde um ca. 15°C.

Störung des
Gleichgewichts durch Konzentrationsänderung
Im globalen Gesamtgleichgewicht werden durch 2 Vorgänge
die Konzentrationen des Gleichgewichts verändert:

  1. Vulkanische Eruptionen (CO2, H2O, SO2) und diffuse
    Ausgasungen des Bodens (
    Größe
    unbekannt;
    ? 50GT)
  2. Anthropogene Emissionen durch Verbrennung fossiler
    Treibstoffe, Waldrohdung usw. (ca. 5,5 GT C/J)

Grundsätzlich führen beide C-Emissionen in die
Atmsophäre nach LeChatelier zu einer Beschleunigung der Rückreaktion
also der Steigerung der Photosynthese und einer verstärkten
Lösung im Wasser
.

Die Emissionen der Vulkane, die
meist mit 0,6 GT C/Jahr angegeben wird entsprechen kaum der Realität,
da bis heute erst 24 von ca. 550 aktiven Vulkanen vermessen sind
und die Bodenausgasungen um die
Vulkane kaum berücksichtigt sind. Hinzu kommen die nichtvulkanischen
Ausgasungen
, die noch höher sind. Allein die gemessenen Bodenausgasungen
in Süditalien von Neapel bis Sizilien betragen in Form von CO2
ca. 0,4 x 108 Tonnen/Jahr. Quelle: http://www.geosc.psu.edu/~jrogie/pubs/AGU1996.html
(Stand 2002) und http://aslo.org/disccrs/200209-2.html.

Z. B. im Yellowstone
Park mit seinen vielen heißen Quellen steigen aus dem Boden 0,3
x 108 Tonnen CO2/Jahr aus. (Quelle: http://www.nps.gov/yell/publications/pdfs/iar99/pdfs/geology.pdf)


gasholey

hslgrid

Am Horseshoe Lake, Mammoth
Mountain USA
wurden so hohe Ausgasungen gemessen, daß die Bäume
rund um den See eingingen.
(http://quake.wr.usgs.gov/prepare/factsheets/CO2/)

Die Ausgasungen ( 2,3 Mt/Jahr) am Kratersee
Lake Nyos
, Kamerun, Afrika
töteten 1986 mehr als 1700 Menschen.
Ein künstliches Ausgasungsprojekt der UNESCO schaffte Abhilfe (siehe
unten rechts). (http://perso.wanadoo.fr/mhalb/nyos/)


lnyos

nyosa

Allein in Mittel und Süditalien gasen
ca. 1/3 der bisher gemessenen CO2-Mengen aus dem Boden. Manche
emittieren 100% CO2, ca. 200 Tonnen /Tag und sind tödlich.
(Quelle: http://www.psu.edu/ur/NEWS/SCIENCETECH/italy.html)


Bodenausgasungen
zwischen Florenz und Neapel (Italien)

italy

fall

sign

stream

Es sind also nach Festellung der unter- und
oberirdischen Bodenausgasungen und der vulkanischen Aktivität wesetntlich
höhere Emissionen zu erwarten als zur Zeit angegeben. Deshalb ist
dies DER wirksame Faktor zur Störung neben der Temperatur. Eine
Tabelle aller derzeitigen gemessenen Ausgasungen ist hier
ersichtlich.

evul7


mudvol

Schlammvulkan in Taiwan

mudvol3

(Quelle: http://www.coa.gov.tw/external/preserve/preserve/english/nat_res/wushangting.htm)
und
http://volcanoes.usgs.gov/Products/Pglossary/MudVolcano.html

Die Ausgasungen der Schlammvulkane sind
bisher ebenfalls nur teilweise gemessen worden und werden aufgrund der
bisherigen Messungen (2002) auf global 15 – 20 Megatonnen /Jahr Gas(CH4
und CO2), jeweils überirdisch und submarin hochgerechnet.
(Quelle: ../../../../www.milkov.homestead.com/files/Milkov_et_al_2003.pdf)
Diese Mengen sind bisher auch weit unterschätzt worden.

Nachfolgend die Gegenüberstellung der
natürlichen und menschlichen globalen C-Emissionen/Jahr ohne die
vulkanischen und nichtvulkanischen Bodenausgasungen da nur zu ca. 5% vermessen::

emis41

Die antropogenen Emissionen belaufen sich derzeit
auf ca. 22 GT CO2/Jahr. oder ca. 5,5 GT C/Jahr. Diese Menge ist im Bereich
des statistischen Fehlers der Schätzungen des Gesamtgleichgewichts
von 210 GT C/Jahr und ca. 3%. Eine solch kleine Menge kann
das Gesamtgleichgewicht nicht stören
, da die Gleichgewichte
ohne Umschlagspunkte verschoben werden (Löslichkeit, Photosynthese)
und die Bodenausgasungen wesentlich höher sind.

 

Nachfolgend der um die allgemein ignorierten
und unbekannten C-Quellen ergänzte C-Kreislauf der NASA:

czy03

Weiterführende Quellen:


C-Zyklus: http://www.geo.arizona.edu/geo4xx/geos478/GC2002.Ocean1.html
und http://www.ocean.washington.edu/research/sil/anthroco2.htm

Mammoth Mountain
USA
: http://quake.wr.usgs.gov/prepare/factsheets/CO2/

Kratersee
Lake Nyos, Kamerun
:
http://perso.wanadoo.fr/mhalb/nyos/

Liste aller
Bodenausgasungen :
http://131.128.30.145/ja/CO2CH4Etiope.pdf

Bodenausgasungen in Italien:
http://www.psu.edu/ur/NEWS/SCIENCETECH/italy.htm
l

Yellowstone
Park :
http://www.nps.gov/yell/publications/pdfs/iar99/pdfs/geology.pdf):

Geschichte:
http://www.colby.edu/sci.tech/st215/3.3view/sld010.htm

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