Kohlenstoffkreislauf Biologie: Zusammenfassung + Defintion

Kohlenstoff-Kreislauf

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:

ccipcc981. C-Aufnahme/Abgabe der
Bodenorganismen

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

3. Vulkanische
Eruptionen

( 0,6 GT C/Jahr; derzeit sind 24 der 550 aktiven Vulkane vermessen)

effektive Größe unbekannt!!!

4. 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 Erdö
l.
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. 430 GT/Jahr CO2-Austausch (= 120 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.

Durch die Zivilisation werden
jährlich ca. 22GT CO2 emittiert. Dies sind ca. 3%
des Gesamtgleichgewichts von ca. 730 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

Dazu kommen die auf dem Meeresboden
vorkommenden Gashydratvorkommen (Methan), deren Ausmaß
kaum bekannt ist. Schätzungen gehen von ca. 10 000 GT/C aus.


Kohlenstoff-Zyklus

Aus der nachfolgenden Abbildung des
Kohlenstoff-Kreislaufs können die teilweise geschätzten
umgeschlagenen Mengen an CO2 1994 entnommen werden, wie
sie offiziell angegeben werden. (3; 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.(4 ) 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. 120 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
    ) inklusive Schlammvulkane.
  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. 40 x 106 Tonnen/Jahr.
(5)
Hinweis: CO2-Reduktionsziel
in Italien gemäß Kyoto-Protokoll (Ratifizierung Italien
2002): 92,8 x106 Tonnen CO2 bis 2010.

Z. B. im Yellowstone Park mit seinen
vielen heißen Quellen steigen aus dem Boden 0,3 x 108 Tonnen
CO2/Jahr aus (6).


gasholey

hslgrid

Am Horseshoe Lake, Mammoth Mountain USA
wurden so hohe Ausgasungen gemessen, daß die Bäume
rund um den See eingingen. (7)

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). (8)


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.

(9)


Bodenausgasungen
zwischen Florenz und Neapel (Italien)

italy

fall

sign

stream

Es sind also nach Festellung der unter-
und oberirdischen Bodenausgasungen und der vulkanischen Aktivität
wesentlich höhere Emissionen zu erwarten als zur Zeit angegeben
( ca. 0, 6 GT/Jahr CO2 bei 3% Vermessung).

Annahme: Bei gleichem CO2-Fluß
in allen Gebieten mit Bodenausgasung ergibt sich global:

0,6 x 97/3 = 19,4
GT/Jahr CO2
(GT= GigaTonnen = 109)

Deshalb ist dies DER wirksame Faktor
zur Störung neben der Temperatur. Eine Tabelle aller derzeitigen
gemessenen Ausgasungen findet man bei:

.Carbon degassing from the lithosphere.
Glob.Planet.Change, 33, 1-2, 185-203) aus Mörner and Etiope,
2002, CCD-7 “Internal Carbon” INQUA Carbon Commission:
http://131.128.30.145/ja/../../../../../Faecher/Materialien/beck/wplanet/wp/CO2CH4Etiope.pdf.

evul7


mudvol

Schlammvulkan in Taiwan
(10

mudvol3

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. (11) Diese Mengen sind bisher auch weit
unterschätzt worden.
Unten ist die gemessene Methankonzentration der Troposphäre
in den letzten 20 Jahre zu sehen. Seit 4 Jahren ist KEIN Anstieg
zu verzeichnen. Im Vergleich dazu die falschen Computersimulationen
des IPCC.

metan4

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

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. Insgesamt enthält auch er viele
Unbekannte. Z.B. die Zahl 120 GT C aus der Atmung der Lebewesen
muß falsch sein, denn allein eine Blattlauskolonie produziert
in einem Jahr ein CO2-Menge dieser Größenordnung.

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

czy03

Quelle:

(1) http://www.ocean.washington.edu/research/sil/anthroco2.htm

(2) http://ethomas.web.wesleyan.edu/ees123/clathrate.htm
(3) Dave
Bice, Dept. of Geology, Carleton College, Northfield, MN 55057;

(4) http://www.geo.arizona.edu/geo4xx/geos478/GC2002.Ocean1.html
(5)
http://www.geosc.psu.edu/~jrogie/pubs/AGU1996.html
(Stand 2002)
und http://aslo.org/disccrs/200209-2.html.
(6)
http://www.nps.gov/yell/publications/pdfs/iar99/pdfs/geology.pd)
(7)
http://quake.wr.usgs.gov/prepare/factsheets/CO2/
(8) http://perso.wanadoo.fr/mhalb/nyos/
(9)
http://www.psu.edu/ur/NEWS/SCIENCETECH/italy.html
(10)
http://www.coa.gov.tw/external/preserve/preserve/english/nat_res/wushangting.htm)
und
http://volcanoes.usgs.gov/Products/Pglossary/MudVolcano.html

(11) ../../../../../www.milkov.homestead.com/files/Milkov_et_al_2003.pdf

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