Mit Carbon um die Welt

Kohlenstoff mit dem chemischen Symbol C ist ein nichtmetallisches Element an der 6. Position im Periodensystem.

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Es ist nahezu allgegenwärtig und in unserem Leben lebenswichtig – die Körper von Tieren und Pflanzen überall auf der Welt bestehen daraus;

Daxinganling Herbstwald Bildquelle: Tuchong Creative

Atemberaubende Karstlandschaften entstehen daraus;

Nandan-Karstgipfel in Hechi, Guangxi Fotoquelle: Tuchong Creative

Es ist auch in den fossilen Brennstoffen (Kohle, Öl usw.) vorhanden, die die industrielle Revolution unterstützten;

Kohle auf Hochseefrachtschiffen verladen. Bildquelle: Tuchong Creative

Das Element Kohlenstoff hat auf einzigartige Weise seine Spuren in den vier großen Sphären der Erde hinterlassen: Biosphäre, Lithosphäre, Atmosphäre und Hydrosphäre und beeinflusst alle Aspekte der Umwelt der Erde tiefgreifend.

1. Von der Atmosphäre zur Biosphäre

Bevor es Pflanzen gab, befanden sich Kohlenstoff- und zwei Sauerstoffatome (O) in unmittelbarer Nähe und bildeten eine Gruppe namens Kohlendioxid (CO₂).

Molekularmodell von Kohlendioxid. Bildquelle: Visual China

Das Schicksal des Kohlendioxids änderte sich nach dem Aufkommen der Pflanzen.

Kohlendioxid gelangt durch die Stomata in die Pflanze und unter Einwirkung des Sonnenlichts findet die bekannte Photosynthese statt, die aus zwei Phasen besteht.

Stomata von Pflanzenblättern unter dem Mikroskop. Bildquelle: Visual China

Die erste ist die Lichtreaktionsphase, in der die in den Chloroplasten der Pflanzenzellen vorhandenen photosynthetischen Pigmente Lichtenergie absorbieren, hochenergetische Elektronen im Körper anregen und diese innerhalb des Körpers übertragen, um Energie für die Photolyse von Wasser im Körper bereitzustellen. Dabei wird Lichtenergie letztendlich in chemische Energie umgewandelt, die in Form von ATP (Adenosintriphosphat) und NADPH (reduziertes Coenzym II) gespeichert wird, und Sauerstoff (O₂) produziert, der in die Luft abgegeben wird.

Illustration der beiden Phasen der Photosynthese in pflanzlichen Chloroplasten: He Lin

Die zweite ist die Dunkelreaktionsphase, in der kein Licht erforderlich ist, aber ATP und NADPH, die Produkte der Lichtreaktion, benötigt werden, um Kohlendioxid zu Zucker zu reduzieren.

Durch die Photosynthese der Pflanzen wird das Kohlendioxid, das die Tiere ursprünglich ersticken ließ, in Sauerstoff und Energiequellen (Zucker) umgewandelt, die für ihr Überleben unerlässlich sind.

Landschaft des Kalajun-Graslandes in Yili, Xinjiang (vertikales Bild, horizontale Bildschirmansicht) Bildquelle: Tuchong Creative

Nachdem Kohlendioxid im Pflanzenkörper in Zucker umgewandelt wurde, hat es einen physischen Körper, kann sich jedoch nur innerhalb der Pflanze bewegen. Wenn Pflanzen von Pflanzenfressern gefressen werden, werden die organischen Stoffe (Polysaccharide) im Körper der Tiere in Monosaccharide zerlegt, die unter Einwirkung von Sauerstoff Kohlendioxid und Wasser sowie für die Tiere nutzbare Energie produzieren.

Kaninchen und Mäuse auf dem Qinghai-Tibet-Plateau ernähren sich von Pflanzen. Bildquelle: Tuchong Creative

Die Gottesanbeterin verfolgt die Zikade, ohne den Pirol hinter sich zu bemerken. In der Natur gibt es eine vollständige Nahrungskette. Während Pflanzenfresser unbeschwert das Buffet genießen, verstecken sich Fleischfresser in der Ferne und beobachten sie hungrig. Die Pflanzenfresser können dem Schicksal der Jagd nicht entgehen und die organische Substanz und Energie in ihrem Körper wird im Räuber-Beute-Verhältnis auf diesen übertragen.

Der Tibetfuchs jagt Kaninchen und Mäuse. Bildquelle: Tuchong Creative

Der Ausgangspunkt der Energie dieser Nahrungskette ist Kohlendioxid in der Luft, und der Endpunkt ist ebenfalls Kohlendioxid. Das Element Kohlenstoff durchläuft in der Biosphäre einen langen Kreislauf.

2. Von der Biosphäre zur Lithosphäre

Pflanzen haben eine begrenzte Lebensdauer; sie tauchen aus dem Boden auf und werden schließlich unter der Erde begraben; das gleiche gilt für Tiere.

Das Kohlenstoffelement in den Überresten von Tieren und Pflanzen liegt größtenteils in Form organischer Substanz vor. Bei der vollständigen Zersetzung durch Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen entstehen anorganische Stoffe wie Wasser und Kohlendioxid.

Pilzgemeinschaften, die aus den „Überresten“ von Bäumen wachsen. Bildquelle: Tuchong Creative

Schnell verrottende organische Stoffe werden fast vollständig in anorganische Stoffe zerlegt und bilden Gestein. Durch die Bewegung der Erdkruste wird es zerdrückt und die extrem hohen Temperaturen und Drücke tief unter der Erde führen dazu, dass das Gestein zu Magma schmilzt.

Vulkanausbruch auf La Palma Bildquelle: Tuchong Creative

Wenn sich die Erdkruste aktiv bewegt, bricht Magma aus dem Boden aus und ein neuer Kohlenstoffkreislauf beginnt. Große Vulkanausbrüche können verschiedene Schichten des Erdsystems (Lithosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre und Atmosphäre usw.) durchdringen, den Stoffaustausch und die Zirkulation zwischen den Erdschichten fördern und große Mengen kohlendioxidreicher Vulkangase in die Atmosphäre befördern.

Basaltsäulenfugen im alten Changle-Krater, Stadt Weifang, Provinz Shandong, China. Bildquelle: Tuchong Creative

Das austretende Magma brachte den Lebewesen auf der Erde Unheil und hinterließ nirgendwo, wo es hinkam, Gras oder andere Pflanzen. Allerdings bringt Magma auch eine große Menge an Mineralien aus der Erdkruste mit sich und das abgekühlte Magma bildet eine große Menge an Vulkangestein (wie etwa Basalt). Nach der Verwitterung bilden Vulkangesteine ​​mineralreiche Böden, die das Pflanzenwachstum sehr fördern.

3. Von der Lithosphäre zur Atmosphäre

Die Zersetzung von Pflanzen- und Tierresten erfolgt nicht vollständig aerob. In einigen unter der Erde vergrabenen Mikroumgebungen herrscht fast völliger Sauerstoffmangel. Viele Zersetzungsprozesse laufen unter anaeroben Bedingungen ab. Dieser Prozess ist relativ langsam und produziert viele organische Säuren, Alkohole, Aldehyde und andere Substanzen.

Diese zersetzten kohlenstoffhaltigen organischen Stoffe vermischen sich mit Materialien wie Schluff oder Karbonatsedimenten und bilden Sedimentschichten. Während sich die Sedimente weiter ansammeln und verdicken, steigen Temperatur und Druck. Dieser Prozess setzt sich fort und die Sedimentschichten werden zu Sedimentgesteinen und bilden so Sedimentbecken, die eine grundlegende geologische Umgebung für die Erzeugung fossiler Energie (Öl, Kohle und Erdgas) bieten.

Pflanzenfossilien in Kohleflözen. Bildquelle: Tuchong Creative

Die Kohlenstoffelemente, aus denen Öl, Kohle und Erdgas werden, sind nicht so „gewalttätig“ wie die Kohlenstoffelemente im Magma. Sie verbleiben in den Schichten, bis sie von Menschen abgebaut und genutzt werden.

Eine der Tausenden Ölquellen im kalifornischen Central Valley, wo derzeit Öl gefördert wird. Bildquelle: Visual China

Die extensive Nutzung fossiler Energieträger hat zu einem starken Anstieg der Kohlendioxidproduktion geführt, das sich immer stärker an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre ansammelt.

Ursprünglich war Kohlendioxid in der Lage, Infrarotstrahlung in der Atmosphäre zu absorbieren, wodurch die Erde für den Menschen bewohnbar wurde. Dies ist ein „natürlicher Treibhauseffekt“.

Ein Eisberg kalbte am 22. Juni 2012 vom Petermann-Gletscher im Nordwesten Grönlands. Bildquelle: Visual China

Seit dem Beginn des Industriezeitalters hat die exzessive Nutzung fossiler Energieträger durch den Menschen zu einer übermäßigen Kohlendioxid-Freisetzung geführt und so den Kohlenstoffkreislauf gestört: Mehr Infrarotstrahlung wird zum Boden zurückreflektiert, was den „Treibhauseffekt“ verstärkt. Wie ein Dominoeffekt hat dies eine Reihe von Kettenreaktionen ausgelöst: Gletscher ziehen sich zurück, der Meeresspiegel steigt, Wellen schlagen zu, Ernten werden überschwemmt ...

4. Von der Atmosphäre zur Hydrosphäre

Atmosphäre und Hydrosphäre sind untrennbar miteinander verbunden und Kohlenstoff hat hier seine Spuren hinterlassen.

Im Zeitraum vor 4,6 bis 3,8 Milliarden Jahren gab es eine primitive vulkanische Atmosphäre, deren Hauptbestandteile Wasserdampf, Kohlendioxid und stark saure Gase waren, und die Hydrosphäre war noch nicht entstanden.

Schematische Darstellung der ursprünglichen Erde. Bildquelle: Tuchong Creative

Vor 3,8 bis 2,6 Milliarden Jahren entstand die Hydrosphäre, ein stark säurereduzierendes Meerwasser, und die Atmosphäre entwickelte sich zu einer kohlendioxidreduzierenden Atmosphäre. Da das Meerwasser zu sauer war, konnte das Kohlendioxid in der Atmosphäre keine Kohlenstoffquelle für die Hydrosphäre darstellen.

Vor 2,6 bis 1,8 Milliarden Jahren begann der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre zu sinken und das Meerwasser war durch eine säurereduzierende Umgebung mit niedrigem pH-Wert und geringer Sauerstoffflüchtigkeit gekennzeichnet. Kohlendioxid hat in einer stark sauren Flüssigkeitsumgebung eine geringe Löslichkeit und versucht ständig zu entweichen. Die Atmosphäre und die Hydrosphäre können immer noch nicht „glücklich miteinander auskommen“;

Bis vor 1,8 bis 6 Milliarden Jahren erlebte die Umwelt der Erde große Veränderungen. Der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre sank stark, Sauerstoff begann sich anzureichern, der pH-Wert und die Sauerstoffflüchtigkeit des Meerwassers stiegen und es entwickelte sich eine schwach saure und schwach oxidierende Umgebung. Zwischen der Atmosphäre und der Hydrosphäre begann eine stabile Wechselwirkung aufzubauen.

Von vor 600 Millionen Jahren bis vor 10.000 Jahren sank der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre kontinuierlich stark, der Sauerstoffgehalt schwankte und stieg an und der Stickstoffgehalt stieg kontinuierlich an, bis er das heutige Niveau erreichte. Das Meerwasser entwickelte sich zu einer schwach alkalischen, stark oxidierenden Umgebung und die Kohlenstoffelemente in der Atmosphäre und Hydrosphäre konnten frei interagieren.

Korallenriffe in Ägypten Bildquelle: Jonnysek/Adobe Stock/TuChong Creative

Bei starkem Regen wird Kohlendioxid aus der Atmosphäre in die Hydrosphäre getragen. Der Regen fällt auf den Boden und die Kohlenstoffelemente in den Felsen fließen in den Ozean. Sie stellen eine unverzichtbare Kohlenstoffquelle für die Bildung von Korallenriffen dar und ermöglichen so die Bildung von Korallenökosystemen auf der Grundlage riffbildender Korallen.

Kommen wir zur jüngeren Zeit. Seit der industriellen Revolution haben menschliche Aktivitäten zu einem Überschuss an Kohlendioxid in der Atmosphäre geführt. Das Meerwasser hat große Mengen Kohlendioxid aufgenommen, wodurch sein pH-Wert gesunken ist, was wiederum eine Reihe von Auswirkungen auf das ökologische Gleichgewicht des Ozeans hatte. Korallen beispielsweise, die für das marine Ökosystem lebenswichtig sind, sind aufgrund des Verschwindens oder Absterbens der symbiotischen Algen in ihrem Körper ausgebleicht und schließlich an Nährstoffmangel gestorben.

Schematische Darstellung des Korallenbleichprozesses: Xiao Chu

Im Oktober 2016 kam es am australischen Great Barrier Reef zur Korallenbleiche. Bildquelle: Visual China

Kohlendioxid ist die Ursache für Erfolg und Misserfolg. Die Reise des Kohlenstoffs geht noch immer still und leise weiter …

Wenn die Erde ihre Vitalität zurückgewinnen soll, müssen Mensch und Umwelt einen langen Prozess der Versöhnung durchlaufen.