Ökologie

Der Kohlenstoffkreislauf ist hauptsächlich ein CO2 – Kreislauf und besteht aus mehreren Teilschritten. Welche Schritte das genau sind und wie der Mensch in den Kohlenstoffkreislauf eingreift, erfährst du hier. %Du hast lieber jemanden, der dir die Inhalte erklärt, anstatt sie selbst zu lesen? Dann schau dir unser kurzes Video zu dem Thema an!

Inhaltsübersicht

Kohlenstoffkreislauf einfach erklärt

Das Element Kohlenstoff (Symbol C) kommt auf unserer Erde in verschiedenen chemischen Verbindungen wie zum Beispiel CO2 vor. Die kohlenstoffhaltigen Verbindungen können chemisch umgewandelt werden. Außerdem können sie zwischen den Schichten der Erde (Sphären) ausgetauscht werden. Dazu zählen die Lithosphäre (Gesteine), die Hydrosphäre (Wasser), die Atmosphäre (Luft), die Biosphäre (Lebewesen) und die Pedosphäre (Boden). Diesen Kreislauf nennst du Kohlenstoffkreislauf oder Kohlenstoffzyklus.

Da es sich bei den kohlenstoffhaltigen Verbindungen meistens um Kohlenstoffdioxid, also CO2, handelt, nennst du ihn auch den CO2-Kreislauf. Der Kohlenstoffzyklus ist ein Stoffkreislauf, der aus mehreren Teilschritten besteht.

%<img class="alignnone  wp-image-120477" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/kohlenstoffkreislauf-300x218.png" alt="" width="404" height="294" /> %Beschriftung: Der Kohlenstoffkreislauf %alt.Text: biologischer Kohlenstoffkreislauf, CO2 Kreislauf, Kohlenstoffkreislauf Meer, Kohlenstoffkreislauf See, Kohlenstoffkreislauf Wald, Kohlenstoffzyklus %@animation: es reicht eine vereinfachte Darstellung also die ganzen Pfeile + Zahlen können weggelassen werden.

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Der Kohlenstoffkreislauf

Normalerweise gleichen die verschiedenen Sphären den Kohlenstoff-Gehalt untereinander aus. Nachdem wir Menschen aber in die Umwelt und damit auch in den natürlichen Kreislauf eingreifen, verschiebt sich dieses Gleichgewicht.

Kohlenstoffkreislauf Definition

Der Kohlenstoffkreislauf (auch Kohlenstoffzyklus, Kohlenstoffdioxidkreislauf) findet in und zwischen den verschiedenen Erdsphären statt. Es werden kohlenstoffhaltige Verbindungen chemisch umgewandelt und zwischen den Erdsphären ausgetauscht.

Kohlenstoffkreislauf Biologie

Der Kohlenstoffkreislauf findet also in den unterschiedlichen Erdsphären statt. Konkret heißt das, dass in allen Lebensbereichen kohlenstoffhaltige Verbindungen wie CO2 vorkommen: im Wasser (Hydrosphäre), im Boden (Pedosphäre), in Gesteinen (Lithosphäre), in der Luft (Atmosphäre) und auch in Lebewesen (Biosphäre). 

Die kohlenstoffhaltigen Verbindungen werden in den einzelnen Erdsphären umgewandelt und können auch zwischen ihnen ausgetauscht werden. Der Austausch passiert über sogenannte Kohlenstoffsenken und Kohlenstoffquellen.

Unter Kohlenstoffsenken verstehst du einen natürlichen Speicher, der vorübergehend Kohlenstoff aufnimmt und eben abspeichert. Ein Beispiel dafür sind Bäume. Kohlenstoffquellen sind das Gegenteil von Kohlenstoffsenken. Sie stellen also den Ökosystemen Kohlenstoff zur Verfügung. Die derzeit wichtigste Kohlenstoffquelle ist der wachsende Verbrauch fossiler Brennstoffe (Erdöl, Erdgas, Kohle).

Damit du das besser verstehst, gehen wir jetzt die einzelnen Teilschritte des Kohlenstoffzyklus durch.

Schritt 1: 

Kohlenstoffdioxid (CO2) wird aus der Atmosphäre, also aus der Luft, von Pflanzen aufgenommen (Assimilation). Sie können daraus in der  Photosynthese  Glucose (C6H12O6) und Sauerstoff (O2) produzieren. Dazu benötigen sie Lichtenergie (z.B. Sonneneinstrahlung) und Wasser: 

6 CO2 + 6 H2O \longrightarrow C6H12O+ O2

%<img class="alignnone size-medium wp-image-120765" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/Photosynthese-300x298.png" alt="" width="300" height="298" /> %Beschriftung: Schritt 1 im CO<sub>2</sub>-Kreislauf: Photosynthese %alt.Text: Kohlenstoffkreislauf, Kohlenstoffzyklus, Kreislauf der Natur, Stoffkreislauf Ökosystem, biologischer Kohlenstoffkreislauf %@animation: hier dann vielleicht auch noch zwei Pfeile von der Pflanze weg machen und an eine Pfeilspitze Traubenzucker machen und an die andere Sauerstoff symbolisieren (durch Blasen o.ä.)

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Schritt 1 im Kohlenstoffkreislauf: Photosynthese

Schritt 2: 

Aerobe (Sauerstoff benötigende) Lebewesen wie wir Menschen, Hunde oder Weidetiere geben durch die Zellatmung Kohlenstoffdioxid an die Atmosphäre ab. Dafür benötigen wir organische, kohlenstoffhaltige Verbindungen wie Glucose und natürlich Sauerstoff. Das heißt, wir atmen Sauerstoff ein und wandeln ihn bei der Zellatmung zu CO2 um. Das geben wir dann durch Ausatmung wieder an die Atmosphäre ab. Wir können Pflanzen auch essen und so Glucose und Sauerstoff aufnehmen. Auch dann atmen wir COwieder aus.

%<img class="alignnone size-full wp-image-120777" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/C-Kreislauf.png" alt="" width="291" height="251" /> %Beschriftung: Schritt 2 des CO<sub>2</sub>-Kreislaufs %alt.Text: Kohlenstoffzyklus, Kreislauf Pfeile, Kohlenstoffspeicher, Kohlenstoffkreislauf, Kohlenstoffkreislauf Ökologie, Kohlenstoffkreislauf Biologie %@animation: so ähnlich darstellen; also am besten ein kleinen Wald mit einer Kuh die Gras frisst und von den Bäumen Pfeile weg und an die Pfeilspitze O<sub>2</sub> schreiben und dann zeigen wie Kuh ausatmet (mit Pfeil) und CO<sub>2</sub> hinschreiben + in den Wald auch noch einen Menschen stellen und die Atmung symbolisieren (Einatmung O<sub>2</sub> und Ausatmung CO<sub>2</sub>)

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Schritt 2 des Kohlenstoffkreislaufs

Schritt 3: 

Tiere scheiden kohlenstoffhaltige Verbindungen, die sie nicht verwerten können, wieder aus. Von den Überresten können dann Pilze und Bakterien, sogenannte Destruenten („Zersetzer“), leben. Sie können die kohlenstoffhaltigen Verbindungen unter Energiegewinnung abbauen und zerlegen. Dadurch entsteht dann auch wieder CO2. Außerdem kann unter Ausschluss von Sauerstoff Methan, CH4, entstehen. Das produzieren übrigens auch wir Menschen im Darm. Methan wird nach einiger Zeit in der Atmosphäre in CO2 umgewandelt. 

%<img class="alignnone size-medium wp-image-120845" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/Schritt-3-C-244x300.png" alt="" width="244" height="300" /> %Beschriftung: Schritt 3 des CO<sub>2</sub>-Kreislaufs %alt.Text: Stoffkreislauf, Kohlenstoffatom, Kohlenstoffzyklus, Kohlenstoffkreislauf, die Atmosphäre, Biosphäre, Kohlenstoffdioxidkreislauf %@animation: vielleicht so in der Art darstellen, also neben die Ausscheidung der Kuh Pilze und Bakterien zeigen und mit einem Pfeil symbolisieren, dass sie C-Verbindungen aus der Ausscheidung aufnehmen, dann noch zu der Kuh einen Menschen zeichnen und die Methanwolke mit Pfeil zu CO<sub>2 </sub>zeigen; daneben den Wald vom Bild Schritt 2

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Schritt 3 des Kohlenstoffkreislaufs

Schritt 4: 

Die Kohlenstoffverbindungen aus abgestorbenem, organischem Material können aber auch in umliegende Gewässer gelangen. Kohlenstoffdioxid kann sich so als Gas in Wasser lösen. Das CO2 kann dann von Wasserpflanzen und auch von Phytoplankton aufgenommen werden. Beide Lebewesen können Photosynthese betreiben. Im Wasser passiert dann im Grunde genau das gleiche wie auf dem Land: Die Tiere fressen die Pflanzen und das Plankton, atmen CO2 wieder aus und scheiden andere kohlenstoffhaltige Verbindungen aus. Diese werden dann wieder von Destruenten weiter zersetzt und lagern sich schließlich als Sediment (Ablagerungsgestein) ab. %@animation: Beschriftung: Schritt 4 des CO<sub>2 </sub>-Kreislaufs; jetzt neben den Wald ein Gewässer zeigen und Wasserpflanzen und Plankton ins Wasser zeichnen und mit Pfeilen zeigen, wie sie CO<sub>2 </sub>aufnehmen; dann am besten noch einen Hai oder / und andere Fische zeigen wie sie Wasserpflanzen und Plankton essen; + Ausscheidung der Fische zeigen und dann einen Pfeil machen und Sediment an den Meeresboden schreiben %alt.Text: Stoffkreislauf, Kohlenstoffatom, Kohlenstoffzyklus, Kohlenstoffkreislauf, die Atmosphäre, Biosphäre, Kohlenstoffdioxidkreislauf, Hydrosphäre, Kohlenstoffkreislauf See, Kohlenstoffkreislauf Meer

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Schritt 4 des Kohlenstoffkreislaufs

Schritt 5:

Zwischen den Gewässern und dem Land wird auch ständig COausgetauscht. Das passiert zum Beispiel durch Vögel, die Wassertiere fressen oder durch Überschwemmungen. 

%<img class="alignnone size-medium wp-image-121008" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/Schritt-5-C-Kreislauf-300x151.png" alt="" width="300" height="151" /> %Beschriftung: Schritt 5 des CO<sub>2</sub>-Kreislaufs %alt.Text: Stoffkreislauf, Kohlenstoffatom, Kohlenstoffzyklus, Kohlenstoffkreislauf, die Atmosphäre, Biosphäre, Kohlenstoffdioxidkreislauf, Kohlenstoffkreislauf See, Kohlenstoffkreislauf Wald

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Schritt 5 des Kohlenstoffkreislaufs

Schritt 6: 

Kohlenstoffdioxid kann sich als Gas in Wasser lösen. Dabei können über Kohlensäure (H2CO3) auch Carbonat-Ionen (CO32-) gebildet werden. Das passiert über folgende Reaktion:

CO2 + 3 H2O \rightleftharpoons H2CO3 + 2 H2O \rightleftharpoons HCO3 + H20 + H3O+ \rightleftharpoons CO32- + 2 H3O+

Durch Calciumionen (Ca2+) im Wasser kann sich daraus Kalk (CaCO3) bilden und auf den Boden absinken. Auch die Schalen von Meeresbewohnern wie Krebsen oder Muscheln bestehen aus Kalk. Wenn sie also sterben, sinken ihre Schalen an den Meeresboden ab und werden damit ein Teil des Sediments, also des Gesteins. %@animation: Beschriftung: Schritt 6 des CO<sub>2</sub>-Kreislaufs; am besten "leeres" Gewässer zeigen also ohne Fische und Pflanzen und dann Krebse und Muscheln zeigen und einen Pfeil auf deren Schalen mit CaCO<sub>3 </sub>machen (am Meeresboden) %alt.Text: Stoffkreislauf, Kohlenstoffatom, Kohlenstoffzyklus, Kohlenstoffkreislauf, die Atmosphäre, Biosphäre, Kohlenstoffdioxidkreislauf, Lithosphäre, Kohlenstoffkreislauf Meer

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Schritt 6 des Kohlenstoffkreislaufs

Schritt 7: 

Wenn die Sedimente vom Meeresboden sehr lange Zeit nicht von Organismen weiter abgebaut werden, entsteht daraus Erdöl und Erdgas. Aus einem versumpften und verrotteten Wald entsteht nach sehr langer Zeit Kohle. Erdöl, Erdgas und Kohle bezeichnest du als fossile Brennstoffe. Wir Menschen verbrennen sie, wodurch CO2 in die Atmosphäre steigt. Außerdem entsteht dabei zu kleinen Teilen auch das giftige Kohlenstoffmonoxid, CO. Wir greifen also dadurch in den globalen Kohlenstoffkreislauf ein und verschieben das Gleichgewicht. %@animation: Beschriftung: Schritt 7 des CO<sub>2</sub>-Kreislaufs; hier bitte vom Sediment am Meeresboden (von Schritt 4) zwei Pfeile machen zu Erdöl und Erdgas hinschreiben. Daneben einen Baum zeigen, der verrottet ist und einen Pfeil zur Kohle machen. Dann noch einen Menschen zeigen, der die Brennstoffe verbrennt und vom Rauch zwei Pfeile machen: einen zu und CO<sub>2 </sub>einen zu CO (evtl. mit Totenkopf wegen giftig) %alt.Text: Stoffkreislauf, Kohlenstoffatom, Kohlenstoffzyklus, Kohlenstoffkreislauf, die Atmosphäre, Biosphäre, Kohlenstoffdioxidkreislauf, Lithosphäre, Kohlenstoffkreislauf Wald

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Schritt 7 des Kohlenstoffkreislaufs

Kohlenstoffkreislauf See

Wir Menschen können das Gleichgewicht des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs verändern und leisten damit einen Beitrag zum Klimawandel. Durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen gelangt mehr CO2 als normalerweise in die Atmosphäre. Dadurch gelangt auch immer mehr CO2 in die Meere und Seen. Aus diesem Grund verändert das Wasser seinen pH-Wert. Durch mehr CO2 entsteht auch mehr Kohlensäure. Sie ist sauer und senkt den pH-Wert. Viele Meeresbewohner haben Schwierigkeiten, sich an diese Veränderungen anzupassen und sterben. Dadurch kann es zu einem Artenverlust kommen. Du weißt nicht mehr genau, was der pH-Wert ist und wie du ihn einteilen kannst? Dann schau dir unser Video dazu an!

Zum Video: ph-Wert
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Kohlenstoffkreislauf Wald

Nicht nur Luft und Wasser sind negativ von dem Eingriff des Menschen in den Kohlenstoffzyklus beeinflusst. Auch der Wald hat sehr darunter zu leiden. Denn Bäume sind wichtige Kohlenstoffspeicher. Durch eine übermäßige Flächennutzung von uns Menschen nehmen wir dem Ökosystem Wald immer mehr Kohlenstoffspeicher weg. Dadurch steigt der Kohlenstoff-Gehalt in der Atmosphäre immer weiter und kann nicht mehr so schnell gesenkt werden. Das wirkt sich auch wieder negativ auf das Klima aus und trägt zum Klimawandel bei. Damit du lernst, wie wichtig das Ökosystem Wald für den Kreislauf und auch für uns ist, schau dir unser Video dazu an!

Zum Video: Ökosystem Wald
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Kohlenstoffspeicher

Das chemische Element Kohlenstoff (Symbol C) kommt also in allen Sphären vor und wird dort auch gespeichert. Allerdings wird über 90 % des gesamten Kohlenstoffs in Gesteinen, also in der Lithosphäre gespeichert. Der Großteil des Elements ist dabei als Kalkstein (CaCO3) gebunden. Du findest es aber auch in fossilen Brennstoffen wie Kohle und Erdöl. 

In der Hydrosphäre, also im Meer oder im See, werden nur ungefähr 0,045% des ganzen Kohlenstoffs gespeichert. Dort findest du es vor allem in den Ozeanen oder im Eis von Nord- und Südpol.

Das ist aber immer noch deutlich mehr, als in der Luft und in Lebewesen gespeichert ist. Die beiden Sphären zusammen enthalten nämlich nur rund 0,001% des gesamten Kohlenstoffs der Erde! 

Die Pedosphäre, also der Boden, speichert laut Schätzungen ungefähr viermal so viel Kohlenstoff wie Atmosphäre und Biosphäre zusammen. Jetzt weißt du gut über den Kohlenstoffkreislauf Bescheid. Aber nicht nur das Element Kohlenstoff hat einen Kreislauf in der Erdatmosphäre, sondern auch Stickstoff. Schau dir jetzt unser Video zum Stickstoffkreislauf an, um die beiden Stoffkreisläufe in der Erdatmosphäre zu kennen!

Zum Video: Stickstoffkreislauf
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