Kohlendioxid

Aus Klimawandel
Version vom 13. Juli 2008, 18:12 Uhr von Sandra Burger (Diskussion | Beiträge) (Reaktionsgleichung für die Verbrennung von fossilen Energieträgern: form)
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1 Entwicklung der Konzentrationen

Hauptartikel: Kohlendioxid-Konzentration

Der CO2-Anteil in der Erdatmosphäre war im Verlauf der Erdgeschichte beträchtlichen Schwankungen unterworfen, die verschiedene biologische, chemische und physikalische Ursachen haben. Seit wenigstens 650.000 Jahren lag der Anteil jedoch immer unterhalb von 280 ppm [1] (ppm = parts per million; millionstel Volumenanteile). Diese Erkenntnis lässt sich mangels direkter Messungen aus so genannten Proxidaten, z.B. Eisbohrkernen gewinnen: Bei der Bildung von Eis auf den großen Inlandeisschilden Grönlands und der Antarktis werden ständig kleine Luftbläschen eingeschlossen, so dass die Zusammensetzung der Luft vergangener Zeitalter aus Bohrungen im Eis abgeschätzt werden kann. Die CO2-Konzentration in den letzten 10.000 Jahren blieb relativ konstant bei 280 ppm. Die Bilanz des Kohlendioxidkreislaufes war somit in dieser Zeit weitgehend ausgeglichen. Mit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert stieg der CO2-Anteil in der Atmosphäre auf bislang 381 ppm (2006) und steigt zur Zeit weiter um durchschnittlich 1,5 bis 2 ppm pro Jahr.[2]

2 Quellen und Senken

Hauptartikel: Kohlenstoffkreislauf

Die anthropogenen, d. h. vom Menschen verursachten, Emissionen von jährlich ca. 9,9 Gt (Gigatonnen; Milliarden Tonnen) Kohlenstoff (8,4 Gt durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe und Zementproduktion, sowie 1,5 ± 0,5 Gt durch Landnutzungsänderungen wie der Abholzung von Wäldern) sind nur ein kleiner Anteil des überwiegend aus natürlichen Quellen stammenden Kohlendioxids von jährlich etwa 120 Gt Kohlenstoff [3].

Dies bedeutet allerdings nicht, dass von Menschen verursachte Emissionen vernachlässigbar wären, denn im Gegensatz zu den natürlichen Quellen werden diese nicht komplett durch Senken kompensiert und reichern sich so in der Atmosphäre an. Die Verbrennung von Biomasse und daraus gewonnenen Kraftstoffen setzt dagegen unter Vernachlässigung des landwirtschaftlichen Energieverbrauchs in der Bilanz nur (CO2)-Mengen frei, die vorher photosynthetisch gebunden worden waren. Das Fördern und Verbrennen fossiler Kohlenstoffvorräte wie Kohle, Öl und Erdgas dagegen, die nur innerhalb von Jahrmillionen aus organischem Material entstehen, stellt somit einen Kurzschluss des Kohlenstoffkreislaufs dar.

3 Reaktionsgleichung für die Verbrennung von fossilen Energieträgern

Die Verbrennung von fossilen Energieträgern[4]. Nachstehend die Verbrennung von Kohlenstoff (vgl.: Kohle).
http://upload.wikimedia.org/math/b/b/f/bbf54ab11863bcf1f1b792ac6077feb7.png
Mol Kohlenstoff (12,01 g) reagiert mit 1 Mol Sauerstoff (32,00 g) zu 1 Mol Kohlenstoffdioxid (44,01 g)
Aus der obigen Reaktionsgleichung geht hervor (Stöchiometrie!), dass – zum Beispiel – eine Verringerung der Kohlenstoffdioxid-Emission um 4,4 Gt CO2 (entsprechend 1,2 Gt Kohlenstoff) korrespondiert bzw. gleichbedeutend ist mit einer Reduzierung der aus dem fossilen Energieträger Kohle zur Energieversorgung gewonnenen Energiemenge um einen Anteil in Höhe von 39,4 Exajoule (vgl. Hess'scher Wärmesatz).
Bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Energieträger hingegen entsteht ungefähr die Hälfte der Energieausbeute durch die Bildung von Wasser (Standard-Bildungsenthalpie pro Molekül H2O = -286 kJ pro Mol); beispielsweise bei Erdgas (Methan: Standardverbrennungsenthalpie = -891 kJ pro Mol) rund 55,78 Prozent der Gesamt-Energieausbeute.

4 Nachweis des Menschen als Ursache

Der Nachweis, dass die erhöhten CO2-Konzentrationen tatsächlich auf Emissionen durch menschliche Aktivitäten zurückzuführen sind, erfolgt hauptsächlich über zwei Methoden: die Messung der Anteile von Kohlenstoffisotopen, sowie der atmosphärischen Sauerstoffkonzentration. Bei der Isotopenmessung wird das Verhältnis zweier verschiedener Typen von Kohlenstoffatomen (Isotope) bestimmt, die in CO2-Molekülen auftreten können: 13C und 12C, wobei die Zahl die Masse des Atoms charakterisiert. Fossile Brennstoffe zeichnen sich durch ein geringes Verhältnis zwischen 13C und 12C aus. Wenn diese also verbrannt werden, sinkt auch das Isotopenverhältnis in der Atmosphäre, was den Schluss nahelegt, dass der Kohlenstoff nicht aus anderen Quellen (z.B. Vulkanen) stammen kann. Außerdem lässt sich durch genaueste Messungen der Sauerstoffkonzentration zeigen, dass das zusätzliche Kohlendioxid in der Atmosphäre aus Verbrennungsprozessen stammen muss. Bei einer Verbrennung von organischen Materialien wie Kohle, Öl oder auch Biomasse wird reiner Sauerstoff im CO2-Molekül gebunden, die Sauerstoffkonzentration in der Luft nimmt damit in einem festen Verhältnis zur CO2-Zunahme ab. Darüberhinaus lässt sich durch Sauerstoffmessungen nicht nur Aufschluss über die Quellen, sondern auch über die Senken atmosphärischen Kohlendioxids gewinnen. Wäre die Biosphäre die alleinige CO2-Senke, würde durch Photosynthese genausoviel Sauerstoff gebunden, wie bei Verbrennung der gleichen Biomasse frei wurde. Es wird jedoch beobachtet, dass die Sauerstoffkonzentration in der Luft stärker abnimmt also die CO2-Konzentration zunimmt. Dies liegt daran, dass auch der Ozean Kohlendioxid aufnimmt, ohne gleichzeitig Sauerstoff abzugeben. Es handelt sich hierbei also nicht primär um einen biologischen, sondern um einen physikalischen Vorgang.

5 Ausblick

Hauptartikel: Kohlendioxid-Prognosen

Insgesamt verbleiben (im Mittel seit den 50er Jahren) etwa 60% des ausgestoßenen Kohlendioxids in der Luft, der Rest wird von den genannten Senken wieder aus der Atmosphäre entfernt. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass dieser Anteil sich in Zukunft im Zuge des Klimawandels verändern könnte. So würden zum einen etwaige Änderungen der Ozeanzirkulation eine veränderte Aufnahme von CO2 bedeuten, zum anderen könnte die Aufnahmerate durch Pflanzen aufgrund von klimabedingten Stressfaktoren wie Hitze oder Wassermangel beeinträchtigt werden. Es wird daher erwartet, dass die Biosphäre in einem wärmeren Klima nicht mehr als so verlässliche Kohlenstoffsenke wirken wird.

6 Einzelnachweise

  1. Siegenthaler, Urs, Thomas F. Stocker, Eric Monnin, Dieter Lüthi, Jakob Schwander, Bernhard Stauffer, Dominique Raynaud, Jean-Marc Barnola, Hubertus Fischer, Valérie Masson-Delmotte und Jean Jouzel (2005): Stable Carbon Cycle–Climate Relationship During the Late Pleistocene, in: Science, Vol. 310, No. 5752, S. 1313–1317, 25. November, siehe Abstract online
  2. Josep Canadella, Corinne Le Quéré, Michael Raupacha, Christopher Fielde, Erik Buitenhuisc, Philippe Ciaisf, Thomas Conwayg, Nathan Gillettc, R. Houghtonh und Gregg Marland (2007): Contributions to accelerating atmospheric (CO2) growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks, in: Proceedings of the National Academy of Sciences, online (PDF)
  3. Intergovernmental Panel on Climate Change (2007): Climate Change 2007 – The physical science basis
  4. Standardreaktionsenthalpie für die Verbrennung von Erdgas (Methan) und diversen Erdölprodukten vgl. S. 3 ff. in: Herbert Mayr: Vorlesung 9: Erdölverarbeitung, LMU München: Physikalisch-organische Chemie, 2006 (PDF-Datei; ca. 190 kB)

7 Siehe auch

8 Unterricht

  • Der Kohlenstoffkreislauf Arbeitsblatt des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit für jüngere Schüler
  • Das Kohlensäuregleichgewicht Arbeitsblatt des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit für jüngere Schüler

9 Weblinks


10 Lizenzhinweis

Dieser Artikel ist ein Originalartikel des Klima-Wiki und steht unter der Creative Commons Lizenz Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Deutschland. Informationen zum Lizenzstatus eingebundener Mediendateien (etwa Bilder oder Videos) können in einigen Fällen durch Anklicken dieser Mediendateien abgerufen werden und sind andernfalls über Dieter Kasang zu erfragen. CC-by-sa.png
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