Hintergrund Information zum Thema: Kohlenstoffkreislauf, CO2 und Kalkstein
Diese Seite ist in Vorbereitung (Januar 2008). Sie wird ständig ergänzt/korrigiert! Mehr Information ist unterwegs.
Inhalt:
Der Kohlenstoff (C)-Kreislauf
Der geologische C-Kreislauf
Aus dem Artikel “CO2 und Gesteinsarchive”
CO2 Löslichkeit
CO2, CaCO3 und pH
Der Kohlenstoff (C)-Kreislauf
Kohlenstoff (Element C) ist das viert-meist vorhandene Element im Universum und unabdingbar für jegliches Leben auf den Erde. Man kann fast sagen, Kohlenstoff = Leben. Sein Vorhandensein oder Fehlen definiert, ob ein Molekül als “organisch” oder “anorganisch” betrachtet wird. Jedes Lebewesen auf der Erde braucht Kohlenstoff: Entweder für Zellstruktur, Energie, oder (wie für den Menschen) beides. Abgesehen von Wasser bestehen wir zur Hälfte aus Kohlenstoff.
Kohlenstoff gibt es in verschiedenen Formen, als Gase (CO2), Festkörper, wie Kalkstein (CaCO3), Holz, Plastik, Diamant, Grafit (Bleistiftmine).
Kohlenstoff ist grundsätzlich ein wichtiger Bestandteil der Atmosphäre, der Ozeane, des Erdinnern und allen Lebens auf der Erde. Kohlenstoff-Atome in unserem Körper können einmal in den Ozeanen, in der Atmosphäre, in einer Pflanze oder einem Tier gewesen sein. Der Austausch findet am Schnellsten über die CO2-Verbindungen als Gase statt, die wir mit jedem Atemzug in unsere Lunge befördern. Dieser komplexe Pfad des Kohlenstoffs in der Atmosphäre, Erde, Pflanzen und Tier (Menschen) nennt man den “Kohlenstoff-(C)-Kreislauf”. Dieser Zyklus enthält ein sogenanntes Kohlenstoff-Reservoir (Vorratspeicher) und -Senke (das Gegenteil). Falls mehr Kohlenstoff in ein Reservoir eintritt als austritt, nennt mann dies ein “netto C-Speicher”. Falls mehr Kohlenstoff ein Reservoir verlässt als hineinkommt, nennt man dies “netto C-Quelle”. Der Zyklus besteht aus C-Speicher, C-Senke und den Prozessen, bei welchen die Senke und Speicher Kohlenstoff austauschen. (Figur–> NASA/UN IPC)
Der globale C-Kreislauf hat biologische und geologische Komponenten. Der geologische C-Kreislauf ist tätig über ein Zeitmasstab von Millionen von Jahren, der biologische Kreislauf operiert auf einr Zeitskala von Tage bis Tausende von Jahren.
Jedes Kohlenstoffatom in unserem Körper, in unseren Bleistiften, in der Druckertinte, in den Pflanzen und Bäumen kommt aus den Sternen, vor allemvon unserer Sonne. In der unvorstellbaren Hitze im inneren Teil der Sonne wird Kohlenstoff aus einr “Suppe” von Elektronen, Protonen, Neutronen “gekocht”. Danach wird es herausgeworfen ins All und einige Kohlenstoffatome waren dabei, als unsere Erde geformt wurde; damals, vor 4.5 Millarden Jahren. Danach haben kleine Himmelskörper, die aus Sonnennebel entstanden sind, und Meteoriten mit Kohlenstoffinhalt unsere Erdoberfläche bombardiert, und der Kohlenstoffinhalt hat unsere feste Erde vergrössert.
Die Entstehung eines Planets. Foto vom Hubble Space Telescope Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) zeigt eine Gas- und Staubschiebe rund um einen jungen Stern herum. [Bild von D. Padgett (IPAC/Caltech), W. Brandner (IPAC), K. Stapelfeldt (JPL) and NASA)]
Aus dem Artikel “CO2 und Gesteinsarchive” von H. Weissert, und J.A. McKenzie, ETH Bulletin, 193, 6-9, 2004.(Google Suchbegriff “Gesteinsarchiv”)
“Das CO2 in der Atmosphäre ist gleichzeitig Teil eines schnellen biosphärischen und eines langsamen geologischen Kohlenstoff(C)-Kreislaufs. Im schnellen C-Kreislauf zirkuliert Kohlenstoff in der Biosphäre zwischen Organismen, der Atmosphäre und dem grossen Meerwasserreservoir. Schwankungen in diesem schnellen C-Kreislauf sind bei Untersuchungen von Klimaschwankungen in geologisch kurzen Zeiträumen (Jahre bis Jahrtausende) wichtig. Die von Klimaforschern in Eisbohrkernen identifizierten CO2-Schwankungen der letzten 500 000 Jahre dürften auf Fluktuationen im biosphärischen Kreislauf zurückzuführen sein. Sucht man nach Ursachen für Klimaschwankungen in geologischen Zeiträumen, dann werden Variationen im langsamen geologischen C-Kreislauf wichtig. Bedeutend für den geologischen Kreislauf, welcher die Biosphäre mit der Geosphäre verknüpft, ist als CO2-Quelle der Vulkanismus und als CO2-Speicher die Gesteinsverwitterung sowie die biogenen Meeressedimente (Abb. 1). Damit der C-Kreislauf über Jahrmillionen in einem Gleichgewicht bleibt, muss die Biosphäre das über Vulkane in die Atmosphäre verfrachtete CO2 wieder in die Geosphäre zurückbringen. Am Anfang steht dabei die Gesteinsverwitterung. Mikroben nutzen Kohlensäure aus der Atmosphäre zur Zerstörung von Mineralien. Als Abfallprodukt dieser chemischen Verwitterung entsteht in Wasser gelöstes Bikarbonat. Dieses Bikarbonat wird über die Flüsse in die Ozeane transportiert und dort von Organismen in ihre Kalkschalen und Skelette eingebaut. Ein Teil dieser Kalkschalen wird später in Sedimente vergraben, und damit wird atmosphärisches CO2 der Biosphäre für Jahrmillionen entzogen. Neben diesem Regelkreislauf spielt die Photosynthese bei der atmosphärischen CO2-Regulierung eine wichtige Rolle. Erhöhte CO2-Gehalte scheinen in geologischen Zeiträumen die Photosynthese angeregt zu haben. Pflanzenreste, die nach ihrem Absterben nicht verbrannten, wurden nach ihrer Vergrabung in Sedimenten als fossile Biomasse zu CO2-Speichern. Erst bei Gebirgsbildungen wird dieses sedimentäre CO2 über Vulkane und hydrothermale Quellen wieder dem schnellen C-Kreislauf zurückgegeben. Die Lektüre der erdgeschichtlichen Klimaarchive lässt vermuten, dass Entzug von atmosphärischem Kohlendioxid über Lebensprozesse und Zufuhr von CO2 über Vulkane über Jahrmillionen in einem Gleichgewicht blieben. Allerdings wurde dieser für das langfristige Klima wichtige C-Kreislauf immer wieder gestört, einerseits durch episodisch verstärkte vulkanische Aktivität, andererseits durch beschleunigte Verwitterung, wenn neue Gebirge entstanden.”
CaCO3 und Klima
Calciumcarbonat (auch Kalziumkarbonat oder Kalk) ist schwerlöslich in Wasser. Das Gleichgewicht in Lösung (mit gelöste Kalziumkarbonate rechts) ist:
CaCO3 ⇋ Ca2+ + CO32–
Ksp ist das Lösungsprodukt [Ca2+][CO32–]. Das Lösungsprodukt gibt an, den Konzentration von den Ionen in Wasser.
Je nach Literaturquelle, Ksp = 3.7×10–9 bis 8.7×10–9 bei 25 °C
Diese Kspist eine sehr kleine Zahl, das heisst, nur eine kleine Menge von CaCO3 wird gelöst.
CaCO3 und pH
Calciumcarbonat (CaCO3, auch Kalziumkarbonat oder Kalk) …noch in Vorbereitung…