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Der Kohlenstoff-Carbonat-Kreislauf

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Der Kurzzeitkreislauf

Diese Art des Kohlenstoff-Kreislaufs lernt man bereits in der Orientierungsstufe (Klasse 5 und 6) kennen. Die grünen Pflanzen nehmen Kohlendioxid und Wasser auf und produzieren daraus ihre Biomasse, als "Abfallprodukt" entsteht dabei Sauerstoff:

Kohlendioxid + Wasser ----> Traubenzucker + Sauerstoff

Das aus der Orientierungsstufe bekannte Reaktionsschema zur Photosynthese

Diesen elementaren Vorgang haben wir in der Orientierungsstufe als "Photosynthese" kennengelernt. Die Umkehrung der Photosynthese ist bekanntlich die Atmung. Tiere nehmen organische Nahrung auf und atmen Sauerstoff ein, damit sie die organische Nahrung "verbrennen" können. Dabei entstehen als "Abfallprodukte" Wasser und Kohlendioxid. Das Hauptprodukt der Atmung ist die gewonnene Energie.

Traubenzucker + Sauerstoff ----> Kohlendioxid + Wasser

Das einfache Reaktionsschema der Atmung

Fasst man die beiden Reaktionen zusammen, kommt man automatisch zum einfachen Kohlenstoff-Kreislauf:

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Ein sehr einfacher Kohlenstoff-Kreislauf für die Orientierungsstufe

In der 8. oder 9. Klasse wird das Thema im Biologie-Unterricht noch einmal vertieft. Hier werden dann richtige chemische Gleichungen benutzt, und der Kreislauf wird etwas komplexer, aber nicht allzu sehr:

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Ein Kohlenstoff-Kreislauf, wie er etwa in der Klasse 8 oder 9 behandelt wird

In der Oberstufe wird es dann ein wenig komplexer. Begriffe wie Produzenten, Konsumenten und Destruenten tauchen auf, und es wird zwischen freiem Kohlendioxid in der Atmosphäre und gebundenem Kohlendioxid im Meerwasser und Gesteinen unterschieden. Ein Schema des Kurzzeitkreislaufs aus der Oberstufe könnte vielleicht so aussehen:

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Ein Kohlenstoffkreislauf aus dem Biologie-Unterricht der Oberstufe

In den gängigen Biologiebüchern der Oberstufe findet man natürlich viel schönere Kohlenstoff-Kreisläufe. Auch die deutsche Wikipedia stellt ein schönes Schema zum Kohlenstoffkreislauf zur Verfügung, und das Bild steht sogar unter einer public domain-Lizenz, so dass ich es hier bereitstellen und besprechen kann.

Diagramm des Kohlenstoffkreislaufes. Die schwarzen Zahlen zeigen wie viele Milliarden Tonnen Kohlenstoff (Gt C) in den verschiedenen Resevoiren vorhanden sind. Die blauen Zahlen zeigen an, wie viel Kohlenstoff zwischen den einzelnen Speichern pro Jahr ausgetauscht wird.

Quelle: Deutsche Wikipedia, Artikel "Kohlenstoffzyklus". Dieses Bild steht unter der Public domain - Lizenz. Autor: Wikipedia-User FischX.

Dieses schöne Bild enthält sehr viele Informationen, die wir jetzt mal analysieren wollen. Wo ist denn der "Anfang" dieses Kreislaufs?

Beginnen wir ganz links in dem Schema. Durch Photosynthese verbrauchen die grünen Landpflanzen jährlich 121,3 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid. Im aktuellen Linder Biologie (2019) wird eine ähnliche Zahl angegeben, nämlich 120 Milliarden Tonnen.

Neben der Photosynthese betreiben die Pflanzen aber auch eine aerobe Dissimilation (Atmung). Die Landpflanzen setzen dabei jährlich 60 Milliarden Tonnen Kohlenstoff wieder frei, welches dann in die Atmosphäre gelang. Der Linder gibt die gleiche Zahl an.

Der Boden gibt jährlich ebenfalls 60 Milliarden Tonnen CO2 in die Atmosphäre ab. Wie kann das denn sein? Schauen wir uns dazu noch einmal das einfache Schema in Abbildung 5 an. Im Boden leben die Destruenten, die organische Abfälle, tote Tiere und tote Pflanzen zu Mineralstoffen und anderen Verbindungen verarbeiten und dabei CO2 freisetzen.

Etwas weiter rechts sehen wir einen umgeknickten Baum. Offensichtlich geben abgestorbene Pflanzen auch noch etwas Kohlendioxid an die Atmosphäre ab, in dem Bild ist von 1,6 Milliarden Tonnen jährlich die Rede. Diese Zahlen beziehen sich auf die Austausch von Kohlendixoid. Tatsächlich ist aber sehr viel mehr Kohlendioxid in den Pflanzen gespeichert, nämlich 610 Milliarden Tonnen.

Was aber in dem Schema in Abbildung 6 offensichtlich fehlt, sind die Tiere. Laut Linder (2019) geben die Tiere und Mikroorganismen pro Jahr 55 Milliarden Tonnen CO2 durch Atmung an die Atmosphäre ab. Wahrscheinlich steht der Pfeil, der in dem Schema aus dem Boden kommt und mit 60 beschriftet ist, für die Atmung der Tiere und Mikroorganismen (Destruenten). Von den eingezeichneten Tieren weiter rechts geht in dem Schema kein Pfeil in die Atmosphäre. Das Schema ist also alles andere als perfekt; das merkt man aber erst, wenn man sich ernsthaft mit dem Bild beschäftigt.

Die Atmosphäre selbst speichert 750 Milliarden Tonnen Kohlenstoff, natürlich in Form von CO2.

In der Mitte des Schemas ist ein kleiner Nadelwald zu sehen, der 0,5 Milliarden Tonnen CO2 aus der Atmosphäre entnimmt. Diese Zahl wird leider nicht weiter erklärt, und im Linder findet sich nichts Vergleichbares.

Durch menschliche Tätigkeit wie zum Beispiel Verbrennung fossiler Brennstoff, Zementproduktion, Straßen- und Flugverkehr etc. werden jährlich 5,5 Milliarden Tonnen CO2 in die Atmosphäre entlassen. Da sagt das entsprechende Schema im Linder aber etwas ganz anderes. Laut Linder werden 6,3 Milliarden Tonnen durch Verbrennung fossiler Brennstoffe und Zementproduktion freigesetzt, außerdem 4 Milliarden Tonnen durch Verbrennung von Biomasse und zusätzlich 1,7 Milliarden Tonnen durch veränderte Landnutzung wie zum Beispiel Brandrodung. Durch den Menschen werden also insgesamt 12 Milliarden Tonnen CO2 in die Atmosphäre freigesetzt.

Das Meer wurde bisher noch gar nicht erwähnt. Laut dem Schema in Abbildung 6 sind in der Meeresoberfläche 1.020 Milliarden Tonnen CO2 gespeichert, in der Tiefsee 38.100 Milliarden Tonnen und in den Sedimenten 150 Milliarden Tonnen.  Die letzte Zahl stimmt mit der im Linder genau überein. Die Werte für Meeresoberfläche und Tiefsee werden im Linder zusammengefasst zu 38.000 Milliarden Tonnen, das passt also auch ungefähr.

Die Meereslebewesen verbrauchen jährlich etwa 50 Milliarden Tonnen, setzen aber auch 50 Milliarden Tonnen wieder frei. Davon gelangen 40 Milliarden Tonnen an die Meeresoberfläche (dort findet die Photosynthese statt), 4 Milliarden Tonnen gelangen in die Tiefsee und 6 Milliarden Tonnen nehmen den Umweg über gelösten organischen Kohlenstoff. Von den 38.100 Tonnen Kohlenstoff, die in der Tiefsee gespeichert sind, gelangen jährlich 0,2 Milliarden Tonnen in die Sedimente.

Zwischen Tiefsee und Meeresoberfläche besteht ein reger Austausch an Kohlenstoff. Aus der Tiefsee gelangen jedes Jahr 100 Milliarden Tonnen an die Oberfläche, und von der Oberfläche gelangen jährlich 91,6 Milliarden Tonnen wieder in die Tiefsee.

Im Linder wird nicht zwischen Tiefsee und Meeresoberfläche unterschieden. Aber die Angaben zur Atmung und Photosynthese unterscheiden sich erheblich von dem Wikipedia-Schema. Laut Linder werden jährlich 103 Milliarden Tonnen Kohlenstoff durch Photosynthese in Biomasse verwandelt und die gleiche Menge wird durch Atmung wieder in das Meereswasser abgegeben.