Kohlenstoffspeicher einfach erklärt: Der geologische Kreislauf

Stell dir vor, das Kohlenstoffatom in der Mine deines Bleistifts hat schon eine unglaubliche Reise hinter sich. Vielleicht war es vor Millionen von Jahren tief im Inneren der Erde gefangen, wurde von einem gewaltigen Vulkan in den Himmel gespuckt, schwebte mit den Wolken über die Ozeane und wurde schließlich Teil einer Muschelschale am Meeresgrund.

Kohlenstoff verschwindet nie, er wandert nur von einem Ort zum anderen. In diesem Artikel sehen wir uns an, wo die Erde ihren Kohlenstoff versteckt hält und welche chemischen Reaktionen dafür sorgen, dass Gesteine, Ozeane und Vulkane diesen lebenswichtigen Baustein im geologischen Kohlenstoffkreislauf ständig austauschen.

Schnellantwort

Der gesamte Kohlenstoff der Erde ist auf vier große Kohlenstoffspeicher verteilt: Sedimente (Lithosphäre), Ozeane (Hydrosphäre), Biomasse (Biosphäre) und die Atmosphäre. Im geologischen Kohlenstoffkreislauf wird Kohlenstoffdioxid in einem ständigen Kreislauf über Millionen von Jahren zwischen festem Gestein und der Atmosphäre durch chemische Reaktionen wie Verwitterung und Vulkanismus ausgetauscht.

Vorwissen

• Chemisches Gleichgewicht (Prinzip von Le Chatelier): Ein System im Gleichgewicht weicht einem Zwang (wie Temperaturänderung) aus.
  • Beispiel: Gase lösen sich schlechter in warmem Wasser. Erwärmt man Sprudelwasser, verschiebt sich das Gleichgewicht und das gelöste Kohlenstoffdioxid gast aus.
• Ionen in Lösung: Salze zerfallen in Wasser in geladene Teilchen.
  • Beispiel: Calciumcarbonat (Kalkstein) ist schwer löslich, aber wenn es reagiert, entstehen in Wasser gelöste Calciumionen ($\text{Ca}^{2+}$) und Hydrogencarbonat-Ionen ($\text{HCO}_3^-$).

Aufgabentyp 1: Die Kohlenstoffspeicher

Der gesamte Kohlenstoff der Erde ist auf vier große „Lagerhallen“, die sogenannten Kohlenstoffspeicher, verteilt. Diese Speicher sind extrem unterschiedlich groß:

• Sedimente (Die Lithosphäre): Hier lagern gigantische 99 % des gesamten Kohlenstoffs! Er ist fest im Gestein eingeschlossen, meist als Carbonate (wie Kalkstein oder Dolomit) oder als Kerogen (wachsartige Ablagerungen, aus denen Erdöl entsteht).
• Der Ozean (Die Hydrosphäre): Das Meerwasser speichert große Mengen an Kohlenstoff, hauptsächlich in Form von gelöstem Kohlenstoffdioxid und Hydrogencarbonat-Ionen.
• Die Biomasse (Die Biosphäre): Alle lebenden Pflanzen und Tiere sowie totes Material (wie Humus oder Torf) enthalten Kohlenstoff. Überraschenderweise macht dies global gesehen nur einen winzigen Bruchteil aus.
• Die Atmosphäre: Die Lufthülle der Erde ist der kleinste aller Speicher. Hier liegt der Kohlenstoff als gasförmiges Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) vor.

Warum ist das wichtig? Weil die Atmosphäre ein so winziger Speicher ist, reagiert sie extrem empfindlich. Wenn auch nur ein kleiner Teil des Kohlenstoffs aus den riesigen Sedimenten oder dem Ozean in die Atmosphäre gelangt, steigt der $\text{CO}_2$-Gehalt in der Luft sofort dramatisch an.

Aufgabentyp 2: Der geologische Kohlenstoffkreislauf

Im geologischen Kohlenstoffkreislauf wird Kohlenstoffdioxid in einem ständigen Kreislauf zwischen festem Gestein und der Atmosphäre ausgetauscht. Dieser Prozess dauert Millionen von Jahren und wird durch vier chemische Hauptreaktionen angetrieben.

1. Carbonatverwitterung (Gestein löst sich auf)

Regenwasser nimmt $\textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2}$ aus der Luft auf. Trifft dieser leicht saure Regen auf festen Kalkstein ($\text{CaCO}_3$), löst er das Gestein auf. Es entstehen wasserlösliche Ionen, die von Flüssen weggespült werden:

$\text{CaCO}_3 + \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} + 2 \text{HCO}_3^-$

Wichtig: Dies ist eine Gleichgewichtsreaktion. Wenn die Temperatur des Wassers steigt, kann es weniger Gas halten. Das Gleichgewicht verschiebt sich nach links: Festes Carbonat fällt wieder aus und $\textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2}$ wird in die Atmosphäre freigesetzt.

2. Silicatverwitterung

Ein ähnlicher Prozess passiert bei silikathaltigen Gesteinen. Auch hier wird $\textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2}$ aus der Luft verbraucht, um das Gestein zu zersetzen. Zusätzlich entsteht hierbei gelöstes Siliciumdioxid ($\text{SiO}_2$):

$\text{CaSiO}_3 + 2 \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{Ca}^{2+} + 2 \text{HCO}_3^- + \text{SiO}_2$

3. Marine Kalkbildung (Schalenbau im Ozean)

Die Flüsse spülen die gelösten Ionen ins Meer. Dort nutzen Meeresorganismen (wie Korallen oder Muscheln) das Calcium und das Hydrogencarbonat, um ihre festen Schalen ($\text{CaCO}_3$) zu bauen. Bei diesem Vorgang wird wieder $\textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2}$ an das Wasser (und letztlich an die Luft) abgegeben:

$\text{Ca}^{2+} + 2 \text{HCO}_3^- \rightleftharpoons \text{CaCO}_3 + \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} + \text{H}_2\text{O}$

4. Magmatische Zersetzung (Rückkehr in die Luft)

Wenn Meeresorganismen sterben, sinken ihre Schalen zu Boden und bilden dicke Sedimentschichten. Durch die Plattenverschiebung der Erde taucht der Meeresboden irgendwann tief in das heiße Erdinnere ab (Subduktion). Unter extremer Hitze reagiert der Kalkstein mit Quarz ($\text{SiO}_2$). Dabei entsteht Silicatgestein und das $\textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2}$ wird freigesetzt, welches später durch Vulkane wieder in die Atmosphäre entweicht:

$\text{CaCO}_3 + \text{SiO}_2 \longrightarrow \text{CaSiO}_3 + \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2}$

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Aufgabe entscheiden musst, welcher geologische Prozess beschrieben wird, gehe so vor:

1. Identifiziere die Ausgangsstoffe (Edukte): Startet der Prozess mit festem Gestein ($\text{CaCO}_3$ oder $\text{CaSiO}_3$) an der Erdoberfläche? Dann ist es Verwitterung. Startet er mit gelösten Ionen ($\text{Ca}^{2+}$ und $\text{HCO}_3^-$) im Wasser? Dann ist es Kalkbildung. Startet er tief in der Erde mit Gestein und Quarz ($\text{SiO}_2$)? Dann ist es magmatische Zersetzung.
2. Prüfe die Rolle von Kohlenstoffdioxid: Wird $\text{CO}_2$ aus der Luft verbraucht (steht es links vom Pfeil)? Das passiert bei der Verwitterung. Wird $\text{CO}_2$ freigesetzt (steht es rechts vom Pfeil)? Das passiert beim Schalenbau der Muscheln oder beim Vulkanausbruch.
3. Beachte Temperatureffekte (Le Chatelier): Wenn in der Aufgabe von Erwärmung die Rede ist, denke daran: Gase lösen sich schlecht in warmem Wasser. Bei der Carbonatverwitterung/Kalkbildung verschiebt Hitze das Gleichgewicht immer auf die Seite, auf der das gasförmige $\text{CO}_2$ steht.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Sedimente sind der mit Abstand größte Kohlenstoffspeicher (99 %), die Atmosphäre ist der kleinste, aber empfindlichste.
• Verwitterung (von Carbonaten und Silicaten) verbraucht $\text{CO}_2$ aus der Luft und spült Ionen ins Meer.
• Marine Kalkbildung und magmatische Zersetzung (Vulkanismus) setzen $\text{CO}_2$ wieder in die Atmosphäre frei.
• Bei Erwärmung von Wasser verschiebt sich das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht so, dass $\text{CO}_2$ in die Luft ausgast.