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Naturschutz AusbildungThema: Stoffkreisläufe mit globalemCO2 -Kreislauf

7.2.5.2 Stoffkreisläufe | 2010

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Gliederung

1. Stoffkreisläufe

2. Nährstoffkreislauf

3. Kohlenstoffkreislauf

4. Kohlenstoffvorkommen auf der Erde

5. CO2 Klimaproblematik (globale Erwärmung)

Stoffkreisläufe

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Während die Sonne als Energiequelle

für Lebensprozesse nahezu unerschöpflich ist, sind die für den Aufbau organischer Substanz lebensnotwendigen chemischen Elemente auf der Erde nur in begrenzter Menge vorhanden.

Daher ist das Leben auf der Erde auf die Wiederverwertung essentieller Elemente angewiesen.

Durch fortlaufende Auf- und Abbauprozesse zirkulieren die Elemente in den Organismen, Ökosystemen und der Biosphäre. Dieser Prozess wird als Stoffkreislauf bezeichnet.

Einführung

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Treibende Kraft für die Stoffkreisläufe ist ein Zusammenwirken von biologischen, geologischen und chemischen Prozessen

unter Beteiligung biotischer (belebter) und abiotischer (unbelebter) Komponenten der Ökosysteme.

Man spricht deshalb auch von

Biogeochemischen Stoffkreisläufen.

Biogeochemische Stoffkreisläufe

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Für jedes der in einem Lebewesen vorkommenden Elemente können die spezifischen Stoffkreisläufe isoliert betrachtet werden.

Lebenswichtige Stoffkreisläufe sind z.B. die der Elemente Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Phosphor (P) und Schwefel (S) aus denen alle Lebewesen auf der Erde aufgebaut sind.

Stoffkreisläufe der Elemente

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Die großen Teilsysteme des „Ökosystems Erde“ sind durch Stoffkreisläufe und Energieflüsse miteinander verbunden.

Stoffkreisläufe im Ökosystem Erde

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Stoffkreisläufe

1. Stoffkreisläufe

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An dem lebensnotwendigen "Recycling"-Prozess in den biogeochemischen Stoffkreisläufen sind die Lebewesen durch Nahrungsaufnahme und Stoffwechsel maßgeblich beteiligt.

Lebewesen tauschen durch Nährstoffaufnahme, Atmung und Ausscheidung von Abfallprodukten ständig chemische Bestandteile mit der Umwelt aus.

Lebewesen im Nährstoffkreislauf

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Bei den Organismen lassen sich verschiedene Ernährungstypen und Ernährungsformen unterscheiden, die über die Nahrungskette eine vielfältig vernetzte Ernährungs-gemeinschaft entwickeln und sich entsprechend ihrer Nahrungsquelle verschiedenen Trophiestufen (= Nahrungsstufen) zuordnen lassen:

Produzenten (Hersteller),

Konsumenten (Verbraucher) und

Reduzenten bzw. Destruenten

(Zersetzer).

Trophiestufen

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Nahrungsgrundlage für alle anderen Organismen sind die Produzenten. Dazu gehören grüne Pflanzen, Algen und einige Bakterien, die in der Lage sind, anorganische Verbindungen in organische körpereigene Verbindungen umzuwandeln.

Trophiestufen

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Konsumenten und Destruenten dagegen müssen organische Substanzen aufnehmen, um Energie und lebenswichtige Substanzen für ihren Stoffwechsel zu gewinnen.

Trophiestufen

Die von den Produzenten synthetisierte organische Substanz wird über verschiedene Konsumentenstufen im Nahrungsnetz weitergegeben und schließlich von den Destruenten abgebaut.

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Beispiel für eine Nahrungskette

Nahrungskette

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Die in der organischen Substanz gebundenen Elemente gelan-gen so in pflanzenverwertbarer Form zurück in die abiotische Umwelt (Atmosphäre, Boden, Wasser)

und stehen den pflanzlichen Produzenten wieder für den Aufbau neuer organischer Substanz zur Verfügung.

Damit schließt sich der Nährstoffkreislauf.

Nährstoffkreisläufe

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In einem intakten Ökosystem wird die Stoffbilanz durch die Beteiligung aller darin vorkommenden Lebewesen ausgeglichen und befindet sich in einem biologischen Gleichgewicht.

Dieses dynamische Gleichgewicht reguliert sich bei genügend großer Artenvielfalt selbst.

Die Folgen menschlicher Eingriffe in Ökosysteme sind oft nicht vorhersehbar und oft unumkehrbar (irreversibel).

Nur wenn wir das wechselseitige Zusammenspiel von Lebensgemeinschaften in der Natur verstehen, wird es gelingen, irreversible Umweltschäden langfristig zu vermeiden.

Gleichgewicht im Stoffkreislauf

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Nährstoffkreislauf und Nahrungsbeziehungen zwischen Produzenten, Konsumenten und Destruenten; nach Campbell 1997.

Nährstoffkreislauf

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1. Stoffkreisläufe

Stoffkreisläufe

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Unter dem sog. Kohlenstoffkreislauf versteht man die zyklische Umsetzung des Kohlenstoffs (C) in der Biosphäre.

Der Kohlenstoffkreislauf wird im wesentlichen durch die lebenden Organismen in Gang gehalten.

Kohlendioxid (CO2)-Molekül

Einführung in den Kohlenstoffkreislauf

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Dabei werden jährlich 6-7% des in der Atmosphäre und im Oberflächenwasser vorhandenen Kohlendioxids (CO2) von Pflanzen (Produzenten) sowie den Tieren (Konsumenten) und Bakterien und Pilzen (Destruenten) umgesetzt.

Dieser weitgehend ausgeglichene Kohlenstoffkreislauf wird besonders durch die zunehmende Verfeuerung fossiler Brennstoffe gestört

Einführung in den Kohlenstoffkreislauf

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Insgesamt werden innerhalb des Kohlenstoffkreislaufes global

drei Teilzyklen beschrieben:

1.) der Biosphäre/Atmosphärenzyklus

2.) der Lithosphären/Plattenzyklus

3.) der Gesteinszyklus

Kohlenstoffkreislauf

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Der Kreislauf des Kohlenstoffs in der Biosphäre beginnt mit der Photosynthese, bei der die grünen Pflanzen und Algen als Produzenten Kohlenstoffdioxid verbrauchen, das in der Atmosphäre oder im Wasser gelöst vorliegt.

Ein Teil des Kohlenstoffes wird im Zellgewebe der Pflanzen in Form von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen eingelagert, der Rest wird durch Atmung wieder an die Atmosphäre oder ins Wasser abgegeben.

Biosphären/ Atmosphärenzyklus

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Der in den Pflanzen gebundene Kohlenstoff wird von Pflanzenfressern (Primär-Konsumenten) aufgenommen,durch deren Stoffwechsel die Kohlenstoffverbindungenin vielfältiger Weise gespalten und umgebaut werden.

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Ein großer Teil davon wird bei der Atmung in Form von Kohlenstoffdioxid als Nebenprodukt des Stoffwechsels freigesetzt, ein kleiner Teil wird jedoch im tierischen Gewebe eingelagert und auf Fleischfresser (Sekundär-Konsumenten), die sich von den Pflanzenfressern ernähren, übertragen.

Stoffkreisläufe

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Beim Absterben der Pflanzen und Tiere werden alle Kohlenstoffverbin-dungen durch die Destruenten (Zersetzer)aufgebrochen und der größte Teil des Kohlenstoffes wird wiederum als gasförmiges Kohlenstoffdioxid frei, um erneut von Pflanzen aufgenommen werden zu können.

Nicht zersetzter oder veratmeter Kohlenstoff bildet fossile Brennstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas) und wird beim Verbrennungsvorgang (gebunden an Sauerstoff) wieder in seine Ausgangsform, das Kohlenstoffdioxid, überführt.

Kohlenstoffdioxid entsteht auch in großem Umfang bei Brandrodungen.

Stoffkreisläufe

(Schwefelporling)

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Da 70% der Erde mit Wasser bedeckt sind, und Wasser eine bemerkenswerte Kohlenstoffdioxid-Löslichkeit hat,

findet auch ein ständiger Austausch von Kohlenstoffdioxid zwischen der Atmosphäre und den Meeren statt.

Zusätzlich findet ein Kreislauf innerhalb der Ökosysteme des Wassers statt, an dem pflanzliches und tierisches Plankton sowie Fische und andere Meereslebewesen beteiligt sind.

Bedeutung des Meeres

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Überschüssige Carbonate können sich z. B. in Form von Kalk ausfällen und in den Bodenschichten absetzen. Auch die Schalen und Krusten vieler Meereslebewesen bestehen aus Kalk, der bei ihrem Tod den Sedimenten zugeführt wird.

Jährlich werden etwa einhundert Milliarden Tonnen Kohlenstoffdioxid zwischen der Atmosphäre und den Meeren ausgetauscht.

Bedeutung von Meereslebewesen

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Übersicht über den Biosphäre/Atmosphären-Zyklus des Kohlenstoffkreislauf; Quelle: http://hypersoil.uni-muenster.de

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Neben Magnesium(carbonat), Eisen und Silizium bestehen diese auch aus Kalzium(carbonat), was für den Kohlenstoffzyklus wichtig ist.

Da sich die Platten samt Sediment untereinander schieben und schmelzen, kommen diese als Lava (CO2, Kalzium, Wasserdampf) durch vulkanische Eruptionen und Bodenausgasungen an die Oberfläche bzw. in die Ozeane.

Lithosphären/ Plattenzyklus

Darunter versteht man die Verschiebung der Kontinental-platten der Erdkruste.

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Durch die Kollision der Platten werden Gebirge gebildet.

Durch Verwitterung gelangen Bestandteile wie Sandkörner, Lehm und Kalkstein in die Flüsse und Meere.

Dort sinken Sie an den Boden, bilden Sediment, das von den marinen wirbellosen Organismen aufgenommen wird und in deren Kalkschalen gespeichert werden, die beim Tod wieder Sediment bilden.

Gesteinszyklus

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1. Stoffkreisläufe

Stoffkreisläufe

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Kohlenstoff kommt in Form anorganischer Verbindungen (>99%) im Boden als Kohle, in verschiedenen Carbonaten (Salzen der Kohlensäure) z.B. als Kalziumcarbonat (Kalk), als im Wasser gelöstes Kalziumhydrogencarbonat und in der Atmosphäre als gasförmiges CO2 und Methan (CH4) vor.

Kohlenstoffvorkommen auf der Erde

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In organischer gebundener Form (0,05%) findet man Kohlenstoff-Verbindungen als Erdgas oder Erdöl, in allen lebenden und toten (Detritus) Organismen, aber auch in lebenden Mikroorganismen bis in große Tiefen.

Kohlenstoffvorkommen auf der Erde

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Den mit Abstand größten Kohlenstoffspeicher (> 99%) stellt

das Sediment mit 100 000 000 Gigatonnen (Gt) dar

gefolgt vom Meer (40 000 Gt)

den fossilen Brennstoffen (5 000 Gt)

dem Boden (1 500 Gt)

der Atmosphäre (750 Gt) und

der Vegetation (550 Gt)

Kohlenstoffspeicher

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Inhalte der verschiedenen Kohlenstoffspeicher der Erde, veranschaulicht durch Würfelvolumina; Quelle: Hamburger Bildungsserver

Kohlenstoffspeicher

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Gesamtübersicht über die Kohlenstoffkreisläufe und Kohlenstoffspeicher auf der Erde; Quelle: Hamburger Bildungsserver

Kohlenstoffkreisläufe

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1. Stoffkreisläufe

Stoffkreisläufe

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Durch die Verbrennung riesiger Mengen an fossiler Brennstoffe in Industrie, Verkehr und Haushalten gelangt der darin gebundene Kohlenstoff als CO2 in enormen Mengen wieder in den Kreislauf.

Zusätzlich wird CO2 auch bei Bränden von Wäldern – in jüngster Zeit insbesondere bei Brandrodung von Regenwäldern - in die Atmosphäre freigesetzt und so dieser Kohlenstoffspeicher ebenfalls entleert.

CO2-Klimaproblematik (globale Erwärmung)

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Derzeit werden durch die Zivilisation jährlich ca. 22-28 Gt CO2 durch Rodung, Verbrennung von Kohle und Öl, und Zementherstellung, emittiert. Dies sind ca. 5% des Gesamtgleichgewichts von ca. 550 Gt CO2/Jahr.

Kohlenstoffemissionen

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Durch diese und andere Vorgänge ist der CO2-Gehalt der Luft seit der industriellen Revolution langsam, aber kontinuierlich angestiegen.

Die CO2-Konzentration hat sich von geschätzten 260 ppm bis 300 ppm (ppm = Teile je eine Million Teile)

in der Zeit vor der industriellen Revolution auf heute über 370 ppm erhöht.

Der tatsächliche, durch die Industrialisierung bedingte Kohlendioxidausstoß war jedoch vermutlich etwa doppelt so hoch, da wahrscheinlich 50% des Ausstoßes von den Meeren aufgenommen und dort gespeichert wurden.

Anstieg des CO2-Gehaltes der Luft

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Anstieg der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre im Zeitraum von 1000 n. Chr. bis heute. Quelle Wikipedia.

CO2-Gehalt(ppm)

Jahre n. Chr.

CO2-Gehalt der Luft

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Anstieg der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre im Zeitraum von 1958 bis 2004. Quelle Wikipedia

CO2-Gehalt der Luft

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Kohlendioxid (CO2) bildet zusammen mit anderen Treibhausgasen (Methan, FCKW, Wasser) in der Atmosphäre eine Art Wärmedämmschicht (Treibhauseffekt). Kurzwellige Strahlung der Sonne kann durch diese Schicht bis auf die Erdoberfläche durchdringen, die Abstrahlung langwelliger Strahlen von der Erde wird jedoch vermindert.

Dadurch heizen sich die unteren Schichten der Erdatmosphäre auf.

Treibhauseffekt

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Da sich aufgrund der Luftverschmutzung der CO2-Gehalt der Luft erhöht hat, wird die unsichtbare Wärmedämmschicht immer undurchlässiger, wodurch immer weniger Wärme ins Weltall abgestrahlt werden kann und es zu einem weltweiten Temperaturanstieg, der globalen Erwärmung, kommt.

Globale Erwärmung

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Der geschätzte weitere CO2-Anstieg durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe lässt einen globalen Temperatur-anstieg von circa 2 bis 6 °C bis Ende des 21. Jahrhunderts möglich erscheinen.

Quelle: www.seilnacht.com/Lexikon/Treibh.ht

Globale Erwärmung

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Klimatische Extremereignisse

Die globale Erwärmung führt zu einer Zunahme der Häufigkeit von klimatischen Extremereignissen wie Stürmen, Gewitter, Hagel und Starkniederschlägen mit entsprechend erhöhten Risiken für alle, die in den Bergen unterwegs sind.

Mögliche Folgen der globalen Erwärmung

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Im Sommer kommt es zu einer Zunahme von Starkniederschlägen mit erhöhter Gefahr von Murenabgängen, Erdrutschen, Hochwasser und Überschwemmungen.

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Sogenannte Jahrhunderthochwasser, deren Name aus ihrer Wahrscheinlichkeit des Auftretens ein Mal in hundert Jahren her rührt, werden künftig vermehrt erwartet, da sich die begünstigenden Großwetterlagen (heftige Schneefälle und Starkniederschläge) häufen.

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Im Winter besonders heftige Schneefälle mit sehr großen Schneemengen innerhalb kürzerer Zeit – dadurch erhöhte Lawinengefahr mit erhöhten Risiken für Touren- u. Schneeschuhgeher, Skifahrer, Bergdörfer u. Straßen).

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GletscherrückgangSzenarien für das 21. Jahrhundert zeigen an, dass bei einer durchschnittlichen Erwärmung um 3 °C bis ins Jahr 2100 die Gletscher der Alpen etwa 80% der noch im Zeitraum zwischen 1971 und 1990 vorhandenen Fläche verloren haben werden.

Eine Erwärmung um 5 °C würde praktisch zum vollständigen Verlust an Gletschereis führen.

z.B. Rhonegletscher

1870 1900 2005

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Auftauen der PermafrostbödenDieser Rückgang der Gletscher führt zu einem Schmelzen von bisher ständig gefrorenen Gebieten (= Permafrost), in denen zerklüftetes Gestein wie Kleber vom Eis zusammengehalten wurde. Eine Temperaturerhöhung von 1 bis 2°C bis Mitte des 21. Jahrhunderts hätte ein Ansteigen der Permafrost-Untergrenze von 200 bis 750 m zur Folge.

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Auftauen der Permafrostböden

Dadurch steigt die Gefahr von Felsabstürzen und Murgängen. Außerdem nimmt die Bodeninstabilität zu, wodurch Installationen in großen Höhen (wie Seilbahnen, Masten etc.) destabilisiert werden, z.B. Felssturz am Eiger, Abbruch des Bonatti-Pfeilers.

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Erhöhte Waldbrandgefahr

Durch die globale Erwärmung kann es zu einem Anstieg der Anzahl, Stärke und Dauer von Waldbränden kommen. Dieser Anstieg hängt eng mit beobachtbaren steigenden Frühlings- und Sommertemperaturen und einer immer früher einsetzenden Schneeschmelze zusammen.

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Am Treibhauseffekt ist nach heutiger Kenntnis CO2 neben FCKW, Wasserdampf, und Methan (das in beträchtlichen Mengen beim Reisanbau entsteht und von Kühen abgegeben wird) und anderen Gasen zu 50% beteiligt.

Treibhauseffekt

Maßnahmen zur Verminderung des CO2 Ausstoßes durch Haushalte, Industrie und Verkehr stehen deshalb an erster Stelle eines globalen Klimaschutzes !!!

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Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit und euer Interesse!

54Naturschutz | 7.1.4 Geologie | 2010

Konzept, Inhalt: Arbeitskreis Naturschutz der Bergwacht-Region Hochland

Ausarbeitung: Dr. Cölestin Allgäuer-Lechner (BW Benediktbeuern) Layout: Georg Schober jun.

1. Auflage: 2010

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