Kohlenstoffzyklus

a) Kohlenstoffdioxid

Da das komplizierte Schicksal anderer organischer Verbindungen Gegenstand verschiedener anderer Kapitel ist (Pflanzenemissionen, städtische Emissionen, Troposphärenchemie), soll hier vor allem der Kreislauf des Treibhausgases Kohlendioxids betrachtet werden, das Gegenstand reger Debatten auf den Klimagipfeln von Kyoto, Den Haag und Bonn war.

Aus Analysen von Eisbohrkernen ist belegt, dass die Kohlendioxidkonzentrationen in der Luft über die letzten 400.000 Jahre zwischen Grenzwerten von ca. 180 ppm (parts per million = Millionstel Teile) während Eiszeiten und 280 ppm während Warmzeiten schwankten und erst seit Beginn der Industrialisierung deutlich über diesen Wert hinaus bis auf derzeit ca. 370 ppm stiegen.

Das Kapitel soll nicht nur einen Überblick über diese Entwicklung und die hierzu beitragenden Quellen wie Verbrennung in der Energiegewinnung wie auch bei Wald- und Savannenbränden geben, sowie einen Ausblick in eine mögliche Zukunft erlauben. Es soll auch die hierin einbezogenen Gleichgewichte darstellen. Obwohl CO₂ in der Luft nicht chemisch abgebaut wird, so wird es doch von Pflanzen und Ozeanen aufgenommen. Es wird in der Biosphäre durch Photosynthese zu Biomasse umgewandelt, im Wasser der Ozeane gelöst und durch die Umwälzung der Weltmeere aus den Oberflächenschichten in die Tiefe transportiert. Grob geschätzt sind in den 90er Jahren nur die Hälfte der emittierten CO₂-Menge auch tatsächlich in der Atmosphäre verblieben. Der Rest wurde von Ozeanen und Biosphäre aufgenommen. Letzteres führte zu der auf den Klimagipfeln diskutierten Idee, die Anpflanzung von Wäldern als Kohlendioxidreduktion anrechnen zu lassen. Es sollen allerdings auch die Unsicherheiten in diesen Modellexperimenten gezeigt werden, die offenlegen, dass sowohl Meere wie Biosphäre keine dauerhafte und vor allem keine unerschöpfliche Senke sein müssen.

Die Mengen an emittiertem CO₂ gehören zu den sichersten Daten der Klimatologen und können hier dargestellt werden. Schon heute und mit Sicherheit beim Ausblick in die Zukunft sind aber deutliche regionale Verschiebungen zu erwarten, die mit der wirtschaftlichen Entwicklung z.B. in Südostasien verknüpft sind.

b) Methan

Das einfachste reduzierte Kohlenstoffgas Methan ist ebenfalls ein bedeutendes Treibhausgas und hat bedeutende anthropogene aber auch natürliche Quellen. Die Methangasemissionen sind eng an das Bevölkerungswachstum gekoppelt, da z.B. Wiederkäuer (Viehhaltung) wie auch Reisanbau bedeutende Quellen sind. Als Faulgas entsteht Methan natürlich in Feucht- und Sumpfgebieten. Grosse Mengen sind wahrscheinlich in den riesigen Permafrostgebieten der Nordhalbkugel (ca. 25% der Landfläche) gespeichert. Sie könnten im Fall eines Auftauens zur bedeutenden Methanquelle werden.

Die Chemie des Methans ist über Oxidationen eng mit der von OH, Ozon und Kohlenmonoxid CO verknüpft. Oxidation durch OH ist der Hauptabbauweg. Sie soll kurz erläutert werden.

c) Schwefelzyklus

Schwefelhaltige Verbindungen spielen in der Atmosphäre besonders in Form von Sulfat / Schwefelsäure eine Rolle. Während saurer Regen durch Schwefeloxide in Europa durch Filter in den Kraftwerken drastisch abgenommen hat, sind solche Emissionen z.B. Südostasien ein brisantes und vor allem die Kraftwerke immer noch eine bedeutende Quelle.
Natürlich werden schwefelhaltige Verbindungen vor allem im Plankton der Ozeane als Dimethylsulfid emittiert und in der Luft schrittweise oxidiert. Schwefelsäure in Kombination mit Wasser ist eine Hauptquelle für Aerosole und spielt daher in der Wolkenbildung und Wolkenchemie eine grosse Rolle. Diese Zusammenhänge sollen unter Einbeziehung einfacher chemischer Prozesse illustriert werden.
Eine temporäre Schwefelquelle sind Vulkanausbrüche. Ihre Bedeutung soll kurz abgehandelt werden. Ebenso die des Sulfates in Seesalzaerosolen, die vorwiegend im Kapitel Aerosole erläutert werden.

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