Wer hat den größten Kreislauf der Erde geschaffen? Es ist direkt neben Ihnen!

In den letzten Jahren sind die Begriffe „Kohlenstoffneutralität“ und „Kohlenstoffspitzen“ zu Begriffen geworden, die in verschiedenen Medien häufig auftauchen und denen die Menschen, insbesondere die Ölarbeiter, immer mehr Aufmerksamkeit schenken. Wie also verstehen wir ihre wahre Bedeutung? Auf welchen Wegen kann dies erreicht werden? Dies muss mit dem Kohlenstoffpool und dem Kohlenstoffkreislauf auf der Erde beginnen.

Der Kohlenstoffpool der Erde

Kohlenstoff ist eines der Hauptelemente lebender Materie und ein wichtiger Bestandteil organischer Materie. Es gibt vier große Kohlenstoffpools auf der Erde, nämlich den atmosphärischen Kohlenstoffpool, den ozeanischen Kohlenstoffpool, den Kohlenstoffpool der terrestrischen Ökosysteme und den lithosphärischen Kohlenstoffpool. Das Element Kohlenstoff zirkuliert ständig zwischen großen Kohlenstoffspeichern wie der Atmosphäre, dem Land und dem Ozean.

Atmosphärischer Kohlenstoffpool. Der atmosphärische Kohlenstoffpool hat eine Größe von etwa 730 Milliarden Tonnen und ist damit der kleinste der großen Kohlenstoffpools. Er ist jedoch groß genug, um als Bindeglied und Brücke zwischen dem Kohlenstoffpool der Ozeane und dem Kohlenstoffpool der terrestrischen Ökosysteme zu dienen. Der Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre beeinflusst direkt den Stoffkreislauf und die Energieflüsse des gesamten Erdsystems. Die wichtigsten kohlenstoffhaltigen Gase in der Atmosphäre sind Kohlendioxid, Methan und Kohlenmonoxid. Im Vergleich zu marinen und terrestrischen Ökosystemen lässt sich die Kohlenstoffmenge in der Atmosphäre am einfachsten und genauesten berechnen. Da Kohlendioxid das häufigste und wichtigste dieser Gase ist, kann die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre oft als wichtiger Indikator für den Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre angesehen werden. Dies ist der Hauptschwerpunkt der sogenannten „Kohlenstoffneutralität“ und des „Kohlenstoffpeaks“.

Kohlenstoffpool des Ozeans. Der Ozean hat die Fähigkeit, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu speichern und aufzunehmen. Sein Gehalt an löslichem anorganischem Kohlenstoff beträgt etwa 37,4 Billionen Tonnen, was mehr als dem 50-fachen des Kohlenstoffgehalts in der Atmosphäre entspricht. Die Ozeane bestimmen die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre. Kohlendioxid in der Atmosphäre wird ständig mit der Meeresoberfläche ausgetauscht, sodass schnell ein Gleichgewicht zwischen der Atmosphäre und der Meeresoberfläche erreicht wird. 30 bis 50 Prozent der durch menschliche Aktivitäten verursachten Kohlenstoffemissionen werden vom Ozean absorbiert, doch die Fähigkeit des Ozeans, Veränderungen der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre abzupuffern, ist nicht unbegrenzt. Da die Kohlendioxidemissionsrate aufgrund menschlicher Aktivitäten um mehrere Größenordnungen höher ist als die Kationenzufuhr, wird die Fähigkeit der Ozeane, Kohlendioxid aufzunehmen, mit der fortschreitenden Zunahme der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre zwangsläufig allmählich abnehmen.

Kohlenstoffpools in terrestrischen Ökosystemen. Die in terrestrischen Ökosystemen gespeicherte Kohlenstoffmenge beträgt etwa 2 Billionen Tonnen. Die in den organischen Kohlenstoffpools der Böden gespeicherte Kohlenstoffmenge ist dabei etwa doppelt so hoch wie die der Vegetation. Die Kohlenstoffanreicherung in terrestrischen Ökosystemen erfolgt hauptsächlich in Waldgebieten. Waldökosysteme spielen eine wichtige Rolle als „Puffer“ und „Ventil“ in den biogeochemischen Prozessen der Geosphäre und Biosphäre. Etwa 80 % der oberirdischen und etwa 40 % der unterirdischen Kohlenstoffansammlung finden in Waldökosystemen statt, der Rest ist hauptsächlich in Ackerland, Feuchtgebieten, Tundra, alpinen Graslandschaften, Wüsten und Halbwüsten gespeichert. Die Kohlenstoffansammlung erfolgt hauptsächlich in tropischen Regionen. Mehr als 50 % des weltweiten Kohlenstoffs aus der Vegetation und fast ein Viertel des organischen Kohlenstoffs im Boden sind in tropischen Wäldern und tropischen Graslandökosystemen gespeichert. Etwa 15 % des Vegetationskohlenstoffs und fast 18 % des organischen Kohlenstoffs im Boden sind in gemäßigten Wäldern und Graslandschaften gespeichert. Die verbleibende terrestrische Kohlenstoffansammlung findet hauptsächlich in nördlichen Wäldern, der Tundra, Feuchtgebieten, Ackerland, Wüsten und Halbwüstengebieten statt.

Der größte Kohlenstoffpool der Erde ist der lithosphärische Kohlenstoffpool, der bekannte fossile Brennstoffe wie Öl, Erdgas und Kohle enthält und etwa 99,9 % des gesamten Kohlenstoffgehalts der Erde ausmacht. Der Kohlenstoff in diesen beiden Becken bewegt sich langsam und fungiert tatsächlich als Speicherbecken.

Kohlenstoff kommt in der Lithosphäre hauptsächlich in Form von Karbonaten vor, mit einer Gesamtmenge von etwa 2,7 Billiarden Tonnen; in der Atmosphäre kommt es in Form von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid vor; in der Hydrosphäre kommt es in verschiedenen Formen vor; und im Biorepository gibt es Hunderte von organischen Substanzen, die von Organismen synthetisiert wurden. Die Existenzformen dieser Stoffe werden durch verschiedene Faktoren reguliert.

Die verschiedenen Kohlenstoffkreisläufe

Der Kohlenstoffkreislauf bezeichnet das Phänomen, dass Kohlenstoffelemente zwischen der Biosphäre, Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre auf der Erde ausgetauscht werden und mit der Bewegung der Erde kontinuierlich zirkulieren. Da Kohlenstoff die Grundlage der meisten Substanzen auf der Erde ist, ist sein Kreislauf der größte Kreislauf der Erde.

Der Kohlenstoffkreislauf auf der Erde manifestiert sich hauptsächlich darin, dass grüne Pflanzen in natürlichen Ökosystemen Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen, es durch Photosynthese in Kohlenhydrate umwandeln und Sauerstoff freisetzen. Gleichzeitig wird durch biogeochemische Kreislaufprozesse und menschliche Aktivitäten Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt.

Grüne Pflanzen in natürlichen Ökosystemen wandeln das absorbierte Kohlendioxid durch Photosynthese im Pflanzenkörper in Kohlenhydrate um und wandeln es dann über die Nahrungskette im Tierkörper in Kohlenhydrate um. Durch die Atmung von Pflanzen und Tieren wird ein Teil des Kohlenstoffs in ihrem Körper in Kohlendioxid umgewandelt und in die Atmosphäre freigesetzt. Es dauert etwa 20 Jahre, bis das Kohlendioxid in der Atmosphäre auf diese Weise zirkuliert. Ein anderer Teil des Kohlenstoffs besteht aus den Organismen der Lebewesen und ist in ihnen selbst gespeichert. Nach dem Tod von Tieren und Pflanzen werden die meisten ihrer Überreste schließlich durch die Zersetzung von Mikroorganismen in Form von Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt. Ein kleiner Teil wird in Sedimenten vergraben, bevor er von Mikroorganismen zersetzt und nach langer Zeit in fossile Brennstoffe (Kohle, Öl, Erdgas usw.) umgewandelt wird. Wenn diese fossilen Brennstoffe verwittern oder als Brennstoff verbrannt werden, wird der darin enthaltene Kohlenstoff in Kohlendioxid umgewandelt und in die Atmosphäre freigesetzt. Der menschliche Verbrauch großer Mengen fossiler Brennstoffe hat erhebliche Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf.

Der Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre manifestiert sich hauptsächlich darin, dass grüne Pflanzen Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbieren, es durch Photosynthese unter Beteiligung von Wasser in Glukose umwandeln und Sauerstoff freisetzen, und dass Organismen die Glukose dann zur Synthese anderer organischer Verbindungen verwenden. Organische Verbindungen werden durch die Nahrungskette weitergegeben und werden Bestandteil anderer Organismen wie Tiere und Bakterien. Ein Teil der Kohlenhydrate in Organismen wird durch die Atmung zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, um Energie für den Stoffwechsel der Organismen zu gewinnen und die darin gespeicherte Energie freizusetzen.

Der überwiegende Teil des Kohlenstoffs in der Natur ist in Gesteinen der Erdkruste gespeichert. Der Kohlenstoff in den Gesteinen zersetzt sich aufgrund verschiedener natürlicher und vom Menschen verursachter chemischer Reaktionen und gelangt in die Atmosphäre und die Ozeane. Gleichzeitig gelangen abgestorbene Organismen und andere kohlenstoffhaltige Substanzen kontinuierlich in Form von Sedimenten zurück in die Erdkruste und sind somit Teil des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Der geobiochemische Kohlenstoffkreislauf steuert die Bewegung von Kohlenstoff zwischen Oberflächen- oder oberflächennahen Sedimenten und der Atmosphäre, Biosphäre und dem Ozean.

Die Rate, mit der Pflanzen und photosynthetische Mikroorganismen durch Photosynthese Kohlenstoff aus der Atmosphäre absorbieren, entspricht ungefähr der Rate, mit der Kohlenstoff durch biologische Atmung in die Atmosphäre freigesetzt wird. Der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre war ziemlich stabil, bevor er durch menschliche Aktivitäten gestört wurde. Öl und Kohle sind Nebenprodukte der übermäßigen Kohlenstoffbindung. Sobald sie vom Menschen genutzt werden, werden enorme Mengen Kohlenstoff freigesetzt.

Es gibt auch einen Kohlenstoffkreislauf zwischen Atmosphäre, Ozean und Land. Kohlendioxid kann aus der Atmosphäre ins Meerwasser gelangen und aus dem Meerwasser in die Atmosphäre. Dieser Kohlenstoffaustausch findet an der Schnittstelle zwischen Atmosphäre und Meerwasser statt. Kohlendioxid in der Atmosphäre kann sich auch im Regen- und Grundwasser zu Kohlensäure auflösen und durch Abfluss von Flüssen ins Meer transportiert werden. Diese Karbonate bilden durch Sedimentation Kalkstein, Dolomit und kohlenstoffhaltigen Schiefer. Unter chemischen und physikalischen Einflüssen wird der in diesen verwitterten Gesteinen enthaltene Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt. Vulkanausbrüche können auch dazu führen, dass organischer Kohlenstoff und Kohlenstoff in Karbonaten wieder in den Kohlenstoffkreislauf gelangen. Zwar hat die Zerstörung kohlenstoffhaltiger Gesteine ​​kurzfristig kaum Auswirkungen auf den Kreislauf, für den Kohlenstoffhaushalt über Millionen von Jahren ist sie jedoch von Bedeutung.

Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf den Kohlenstoffkreislauf

Menschliche Aktivitäten beziehen sich hauptsächlich auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung, wobei große Mengen Kohlendioxid freigesetzt werden. Von 1949 bis 1969 stieg die Kohlendioxidproduktion aufgrund der Verbrennung fossiler Brennstoffe und anderer industrieller Aktivitäten um etwa 4,8 % pro Jahr, was zu einem Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre führte. Dies stört das ursprüngliche Gleichgewicht der Natur und führt zu anormalen Klimabedingungen. Ein kleiner Teil des Kohlendioxids, das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht und in die Atmosphäre abgegeben wird, kann im Meerwasser gelöst werden. Der Anstieg des gelösten Kohlendioxids im Meerwasser führt jedoch zu Veränderungen des Säure-Basen-Gleichgewichts und des Karbonatlöslichkeitsgleichgewichts im Meerwasser.

Bei der unvollständigen Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen geringe Mengen Kohlenmonoxid. Auch natürliche Prozesse erzeugen Kohlenmonoxid. Kohlenmonoxid verbleibt nur sehr kurz in der Atmosphäre und wird hauptsächlich von Mikroorganismen im Boden aufgenommen. Es kann auch durch eine Reihe chemischer oder photochemischer Reaktionen in Kohlendioxid umgewandelt werden.

Durch menschliche Aktivitäten wurde eine große Menge Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt, von dem etwa 57 % von natürlichen Ökosystemen absorbiert werden und etwa 43 % in der Atmosphäre verbleiben. Die globale Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre ist im Vergleich zum vorindustriellen Niveau deutlich angestiegen, was zu einer Erwärmung des globalen Klimasystems führt.

Die globale Erwärmung ist die Folge des Klimawandels auf der Erde, der durch menschliche gesellschaftliche Aktivitäten verursacht wird. Mit „Kohlenstoff“ sind natürliche Ressourcen wie Öl, Kohle und Holz gemeint, die aus Kohlenstoffelementen bestehen. Je mehr „Kohlenstoff“ verbraucht wird, desto mehr „Kohlendioxid“ – der Verursacher der globalen Erwärmung – wird produziert. Gleichzeitig verändert (beeinflusst) die globale Erwärmung auch den Lebensstil der Menschen und bringt immer mehr Probleme mit sich.

Der Zweck der Erreichung von „Kohlenstoffneutralität“ und „Kohlenstoffspitzen“ besteht darin, den Schaden zu minimieren, der der Erde und der menschlichen Gesellschaft durch übermäßige Kohlenstoffemissionen entsteht.

Autor: Wang Darui