Biogeochemische Zyklen

Es gibt einige Arten von Atomen, die eines Tages Teil einer Pflanze sein können, eines Tieres am nächsten Tag und dann stromabwärts als Teil des Wassers eines Flusses am nächsten Tag. Diese Atome können sowohl Teil von Lebewesen wie Pflanzen und Tieren als auch von nicht lebenden Dingen wie Wasser, Luft und sogar Felsen sein. Dieselben Atome werden in verschiedenen Teilen der Erde immer wieder recycelt. Diese Art von Kreislauf von Atomen zwischen lebenden und nicht lebenden Dingen wird als biogeochemischer Kreislauf bezeichnet.,

Alle Atome, die Bausteine von Lebewesen sind, sind Teil biogeochemischer Zyklen. Die häufigsten davon sind die Kohlenstoff-und Stickstoffkreisläufe.

Winzige Atome aus Kohlenstoff und Stickstoff können sich durch diese Zyklen auf dem Planeten bewegen. Zum Beispiel wird ein Kohlenstoffatom aus der Luft in das Meerwasser absorbiert, wo es von wenig schwimmendem Plankton verwendet wird, das Photosynthese durchführt, um die Nahrung zu erhalten, die sie benötigen., Es besteht die Möglichkeit, dass dieses kleine Kohlenstoffatom Teil des Planktonskeletts oder eines Teils des Skeletts des größeren Tieres wird, das es frisst, und dann Teil eines Sedimentgesteins, wenn die Lebewesen sterben und nur Knochen zurückbleiben. Kohlenstoff, der Teil von Gesteinen und fossilen Brennstoffen wie Öl, Kohle und Erdgas ist, kann lange Zeit vom Rest des Kohlenstoffkreislaufs ferngehalten werden. Diese Langzeitlagerplätze werden „Waschbecken“genannt. Wenn fossile Brennstoffe verbrannt werden, wird unterirdischer Kohlenstoff als Kohlendioxid, ein Treibhausgas, in die Luft geschickt.,

In letzter Zeit haben Menschen diese biogeochemischen Zyklen verändert. Wenn wir Wälder fällen, mehr Fabriken bauen und mehr Autos fahren, die fossile Brennstoffe verbrennen, verändert sich die Art und Weise, wie sich Kohlenstoff und Stickstoff auf der Erde bewegen. Diese Veränderungen fügen mehr Treibhausgase in unserer Atmosphäre hinzu und dies verursacht den Klimawandel.

Der Kohlenstoffkreislauf

Das Element Kohlenstoff ist ein Teil des Meerwassers, der Atmosphäre, Gesteine wie Kalkstein und Kohle, Böden sowie aller Lebewesen., Auf unserem dynamischen Planeten kann sich Kohlenstoff als Teil des Kohlenstoffkreislaufs von einem dieser Bereiche in einen anderen bewegen.

• Kohlenstoff bewegt sich von der Atmosphäre zu Pflanzen. In der Atmosphäre wird Kohlenstoff in einem Gas namens Kohlendioxid (CO2) an Sauerstoff gebunden. Durch den Prozess der Photosynthese wird Kohlendioxid aus der Luft gezogen, um Nahrung aus Kohlenstoff für das Pflanzenwachstum zu produzieren.
• Kohlenstoff bewegt sich von Pflanzen zu Tieren. Durch Nahrungsketten bewegt sich der Kohlenstoff in Pflanzen zu den Tieren, die sie fressen. Tiere, die andere Tiere essen, erhalten den Kohlenstoff auch aus ihrer Nahrung.,
• Kohlenstoff bewegt sich von Pflanzen und Tieren auf Böden. Wenn Pflanzen und Tiere sterben, zerfallen ihre Körper, Holz und Blätter und bringen den Kohlenstoff in den Boden. Einige sind begraben und werden in Millionen und Millionen von Jahren zu fossilen Brennstoffen.
• Kohlenstoff bewegt sich von Lebewesen in die Atmosphäre. Jedes Mal, wenn Sie ausatmen, geben Sie Kohlendioxidgas (CO2) in die Atmosphäre ab. Tiere und Pflanzen müssen Kohlendioxidgas durch einen Prozess namens Atmung loswerden.
• Kohlenstoff bewegt sich von fossilen Brennstoffen in die Atmosphäre, wenn Brennstoffe verbrannt werden., Wenn Menschen fossile Brennstoffe verbrennen, um Fabriken, Kraftwerke, Autos und Lastwagen zu betreiben, gelangt der größte Teil des Kohlenstoffs schnell als Kohlendioxidgas in die Atmosphäre. Jedes Jahr werden fünfeinhalb Milliarden Tonnen Kohlenstoff durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzt. Von dieser massiven Menge verbleiben 3,3 Milliarden Tonnen in der Atmosphäre. Der Rest wird größtenteils im Meerwasser gelöst.
• Kohlenstoff bewegt sich von der Atmosphäre in die Ozeane. Die Ozeane und andere Gewässer absorbieren etwas Kohlenstoff aus der Atmosphäre. Der Kohlenstoff wird im Wasser gelöst.,

Kohlendioxid ist ein Treibhausgas und fängt Wärme in der Atmosphäre. Ohne Sie und andere Treibhausgase wäre die Erde eine gefrorene Welt. Aber seit dem Beginn der industriellen Revolution vor etwa 150 Jahren haben die Menschen so viel Treibstoff verbrannt und so viel Kohlendioxid in die Luft freigesetzt, dass das globale Klima über ein Grad Fahrenheit gestiegen ist. Die Atmosphäre hat nach Angaben von Eiskernen seit mindestens 420.000 Jahren nicht mehr so viel Kohlenstoff gehalten., Der jüngste Anstieg der Mengen an Treibhausgasen wie Kohlendioxid hat erhebliche Auswirkungen auf die Erwärmung unseres Planeten.

Kohlenstoff bewegt sich auch über längere Zeitskalen durch unseren Planeten. Zum Beispiel kann über Millionen von Jahren die Verwitterung von Gesteinen an Land dem Oberflächenwasser Kohlenstoff hinzufügen, der schließlich zum Ozean abfließt. Über lange Zeiträume wird Kohlenstoff aus dem Meerwasser entfernt, wenn sich Muscheln und Knochen von Meerestieren und Plankton auf dem Meeresboden sammeln. Diese Schalen und Knochen bestehen aus Kalkstein, der Kohlenstoff enthält., Wenn sie sich auf dem Meeresboden ablagern, wird Kohlenstoff für einige Zeit aus dem Rest des Kohlenstoffkreislaufs gespeichert. Die Menge an Kalkstein, die sich im Ozean ablagert, hängt etwas von der Menge an warmen, tropischen und flachen Ozeanen auf dem Planeten ab, da hier produktive kalksteinproduzierende Organismen wie Korallen leben. Der Kohlenstoff kann zurück in die Atmosphäre freigesetzt werden, wenn der Kalkstein schmilzt oder in einer Subduktionszone metamorphosiert wird.

Der Stickstoffkreislauf

Stickstoff ist ein Element, das sowohl im lebenden Teil unseres Planeten als auch in den anorganischen Teilen des Erdsystems vorkommt., Stickstoff bewegt sich langsam durch den Kreislauf und wird auf dem Weg in Reservoirs wie der Atmosphäre, lebenden Organismen, Böden und Ozeanen gespeichert.

Der größte Teil des Stickstoffs auf der Erde befindet sich in der Atmosphäre. Ungefähr 80% der Moleküle in der Erdatmosphäre bestehen aus zwei miteinander verbundenen Stickstoffatomen (N2). Alle Pflanzen und Tiere benötigen Stickstoff, um Aminosäuren, Proteine und DNA herzustellen, aber der Stickstoff in der Atmosphäre ist nicht in einer Form, die sie verwenden können., Die Stickstoffmoleküle in der Atmosphäre können für Lebewesen nutzbar werden, wenn sie bei Blitzeinschlägen oder Bränden, durch bestimmte Arten von Bakterien oder durch Bakterien, die mit Hülsenfrüchten assoziiert sind, auseinandergebrochen werden. Andere Pflanzen erhalten den benötigten Stickstoff aus den Böden oder dem Wasser, in denen sie meist in Form von anorganischem Nitrat (NO3 -) leben. Stickstoff ist ein begrenzender Faktor für das Pflanzenwachstum. Tiere erhalten den Stickstoff, den sie benötigen, indem sie Pflanzen oder andere Tiere konsumieren, die organische Moleküle enthalten, die teilweise aus Stickstoff bestehen., Wenn Organismen sterben, zersetzen sich ihre Körper und bringen den Stickstoff in den Boden an Land oder in die Ozeane. Wenn sich tote Pflanzen und Tiere zersetzen, wird Stickstoff durch einen Mineralisierungsprozess in anorganische Formen wie Ammoniumsalze (NH4+ ) umgewandelt. Die Ammoniumsalze werden auf Ton im Boden absorbiert und dann chemisch durch Bakterien in Nitrit (NO2-) und dann Nitrat (NO3 -) verändert. Nitrat ist die von Pflanzen häufig verwendete Form. Es wird leicht in Wasser gelöst und aus dem Bodensystem ausgelaugt., Gelöstes Nitrat kann durch bestimmte Bakterien durch einen Prozess namens Denitrifikation in die Atmosphäre zurückgeführt werden.

Bestimmte Handlungen des Menschen verursachen Veränderungen des Stickstoffkreislaufs und der Stickstoffmenge, die in Reservoirs gespeichert ist. Die Verwendung stickstoffreicher Düngemittel kann zu einer Nährstoffbelastung in nahe gelegenen Wasserstraßen führen, da Nitrate aus dem Dünger in Bäche und Teiche gelangen. Die erhöhten Nitratwerte führen dazu, dass Pflanzen schnell wachsen, bis sie die Nitratversorgung verbrauchen und absterben., Die Anzahl der Pflanzenfresser nimmt zu, wenn die Pflanzenversorgung zunimmt, und dann bleiben die Pflanzenfresser ohne Nahrungsquelle, wenn die Pflanzen sterben. Auf diese Weise wirken sich Änderungen der Nährstoffversorgung auf die gesamte Nahrungskette aus. Darüber hinaus verändern Menschen den Stickstoffkreislauf, indem sie fossile Brennstoffe und Wälder verbrennen, wodurch verschiedene feste Stickstoffformen freigesetzt werden. Die Landwirtschaft beeinflusst auch den Stickstoffkreislauf. Die mit der Viehzucht verbundenen Abfälle setzen eine große Menge Stickstoff in Boden und Wasser frei. Auf die gleiche Weise fügt Abwasserabfall Stickstoff zu Böden und Wasser hinzu.,

Stickstoff-und Luftverschmutzung

Ein unansehnlicher Smog-Dunst, der vom Mesa-Labor aus sichtbar ist, ruht über Boulder Valley. (Bild: UCAR)

Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) sind zusammen als Stickoxide bekannt. Diese Stickoxide tragen zum Problem der Luftverschmutzung bei und spielen eine Rolle bei der Bildung von Smog und saurem Regen. Sie werden durch natürliche und vom Menschen erzeugte Quellen in die Erdatmosphäre freigesetzt.

Stickoxid ist ein farbloses, brennbares Gas mit leichtem Geruch., Stickstoffdioxid ist ein tiefrot-orangefarbenes Gas, das giftig, aber nicht brennbar ist. Es ist zusammen mit Aerosolen für die rötlich-braune Farbe des Smogs verantwortlich. Bei hohen Konzentrationen ist es hochgiftig und kann schwere Lungenschäden verursachen. Stickstoffdioxid ist ein starkes Oxidationsmittel und daher sehr reaktiv mit anderen Verbindungen.

Wissenschaftler schätzen, dass jedes Jahr zwischen 20 und 90 Millionen Tonnen Stickoxide auf natürliche Weise aus Quellen wie Vulkanen, Ozeanen, biologischem Verfall und Blitzeinschlägen gewonnen werden., Menschliche Aktivitäten fügen unserer Atmosphäre jährlich weitere 24 Millionen Tonnen Stickoxide hinzu.

Sowohl NO als auch NO2 entstehen bei der Hochtemperaturverbrennung in der Atmosphäre, wenn sich Sauerstoff mit Stickstoff verbindet. Die Abgase von PKW und LKW sind Hauptquellen für Stickoxide, ebenso wie die Emissionen aus elektrischen Kraftwerken. Automobilabgase haben mehr NO als NO2, aber sobald das NO in die Atmosphäre freigesetzt wird, verbindet es sich schnell mit Sauerstoff in der Luft, um NO2 zu bilden.

Stickoxide sind zumindest teilweise für verschiedene Arten der Luftverschmutzung verantwortlich., Stickstoffdioxid verleiht dem rötlich-braunen Dunst, den wir Smog nennen, seine Farbe. Die Photodissoziation von Stickstoffdioxid durch Sonnenlicht erzeugt Stickoxid und Ozon in der Troposphäre, die ein weiterer Bestandteil des Smogs ist. Eine Reihe chemischer Reaktionen wandelt flüchtige organische Verbindungen (VOCs) in Substanzen um, die sich mit Stickstoffdioxid verbinden, um PAN (Peroxyacytylnitrat) zu erzeugen, ein weiteres Element im Smog. Stickstoffdioxid in der Luft reagiert auch mit Wasserdampf unter Bildung von Salpetersäure, einer der Säuretypen bei saurem Regen. Die Stickoxidkonzentration in unverschmutzter Luft liegt bei etwa 0,01 ppm., Im Smog steigt die Konzentration zwanzigfach auf etwa 0,2 ppm.

Obwohl Stickoxide als Schadstoffe zweifelhaft an Bedeutung gewonnen haben, werden sie auch in einigen industriellen Prozessen vorteilhaft eingesetzt. Stickoxid wird in großem Maßstab hergestellt und anschließend zur Herstellung von Salpetersäure (HNO3) verwendet. Um Stickoxid für industrielle Zwecke zu erzeugen, kombinieren Chemiker Ammoniak (NH3) mit Sauerstoff (O2) und setzen Wasser (H2O) als Nebenprodukt frei. Stickstoffverbindungen aus Salpetersäure werden verwendet, um chemische Düngemittel, Sprengstoffe und andere nützliche Substanzen herzustellen.