Kohlenstoff-Kreislauf


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

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:

1. 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 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. 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.

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).

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.

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) CO2(g) DH°=+22 J/Mol

  • das Photosynthese/Dissimilations-Gleichgewicht der Organismen ca. 120 GT C/Jahr

6 CO2 + 6 H2O 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).

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).


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)

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)

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/CO2CH4Etiope.pdf.


Schlammvulkan in Taiwan (10)

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.

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:

   

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:

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/GC04.Schedule.html
(5) http://www.syd.dem.csiro.au/research/hydrothermal/jo/abstracts/AGU1996.htm(Stand 2002) und http://www.aslo.org/forms/survey2004.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://volcanoes.usgs.gov/Products/Pglossary/MudVolcano.html
(11) http://www.milkov.homestead.com/files/Milkov_et_al_2003.pdf
(12) http://www.fedarene.org/events/Fedarene_events/Workinggroups/WG_ClimateChange/Lione_Zabot%2015_11_03.doc