Es ist bekannt, dass die Temperatur der Erde um 30°C niedriger wäre, wenn es keine Treibhausgase geben würde. Sie sind deshalb unerlässlich für unsere Existenz. Eins der Treibhausgase ist in der Zeit der Industrialisierung jedoch enorm gewachsen. Wir sprechen hier von Kohlendioxid (CO2).
Vor Beginn der industriellen Revolution betrug die CO2-Konzentration in der Atmosphäre etwa 280 Anteile pro Million (ppm), aber in letzter Zeit wurden bereits 400 ppm überschritten. Die CO2-Konzentration wird deshalb als Hauptverursacher des gegenwärtigen Klimawandels betrachtet.
Unabhängig von den Emissionen, die der Mensch durch den Einsatz fossiler Brennstoffe verursacht, gibt es zwei wichtige Zyklen, die die Menge von CO2 in der Atmosphäre regulieren. Zum einen der kurzfristige Zyklus bestehend aus der Photosynthese, Atmung, Zersetzung, Verbrennung und dem Vergraben organischen Materials (organischer Zyklus) und zum anderen der langfristige Zyklus aus Ablagerung, Erosion und Vulkanismus von Gesteinen (anorganischer Zyklus).
Wenn CO2 mit Wasser reagiert, bildet sich Kohlensäure:
CO2 + H2O <=> H2CO3
was beim Zersetzen von Gesteinen sehr effektiv ist, insbesondere der Silikate, die in der Erdkruste reichlich vorkommen:
CaSiO3(Silikatgestein) + 2 CO2 + 3 H2O => Ca2+ + 2 HCO3– + Si(OH)4
Bei dieser Reaktion kommt das CO2 sowohl aus dem Regenwasser als auch aus der Verfaulung organischer Stoffe, d.h. aus der mikrobiellen Atmung.
Die aus Calcium und Bicarbonat freigesetzten Ionen werden von den Flüssen in den Ozean getragen. In den Ozeanen verwenden Organismen diese Ionen, um Calciumcarbonat-Muscheln zu bilden:
Ca2+ + 2 HCO3– => CaCO3 (Calciumkarbonat) + CO2 + H2O
Wenn der Prozess mit zwei CO2-Molekülen plus Erosion beginnt, entstehen daraus zwei Bicarbonate, die eine karbonisierte Schale bilden und dabei nur ein CO2-Molekül in die Atmosphäre abgeben. Der Prozess der Erosion und Ablagerung entfernt also ein CO2-Molekül aus der Atmosphäre.
Es gibt zahlreiche Meerestierarten, die Kalkschalen und andere Schutzskelette aus Calciumcarbonat ausbilden. Obwohl wir dabei zuerst an Muscheln, Austern und andere große Organismen denken, sind es vor allem mikroskopisch kleine Algen wie das Phytoplankton (Haptophyta) und Zooplanktonarten (Foraminiferen und Thecosomata), die für das Vorkommen von Calciumcarbonat im Ozean verantwortich sind. Sie bilden ihre Skelette und Schutzschalen aus Kalzit oder Aragonit.
Im Gegensatz dazu bilden Diatomeen, eine wichtige Unterart der Phytoplankton-Algen und Radiolarien, die wiederum eine Unterart von Zooplankton sind, kieselhaltige und nicht kalkhaltige Schalen.
Auf diese Weise hat sich Kohlenstoff während der gesamten geologischen Geschichte in dicken Kalkgesteinsschichten angesammelt, die heute das größte Kohlenstofflager der Erde darstellen.
Der Kalzit erreicht jedoch nicht immer den Meeresgrund, da sich Calciumcarbonat in einer bestimmten Tiefe wieder in Calcium- und Bicarbonat-Ionen und CO2 spaltet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in bestimmter Tiefe das Meerwasser angesäuert ist. Die Tiefe variiert je nach Ozean und reicht von 3.000 m bis 5.000 m. Deshalb sind die Ablagerungen in den tiefsten Bereichen nicht aus Kalkstein, sondern aus Ton, da sich der Kalzit spaltet, bevor er den Meeresboden erreicht. Nur wenn der Meeresboden weniger tief liegt, setzen sich die planktonischen Muscheln ab und bilden weißliche Kalkschlämme, deren anschließende Verdichtung Kalkschichten bilden.
Aufgrund der Plattentektonik reagiert das Calciumcarbonat durch sehr hohe Temperaturen und hohen Druck irgendwann mit der Kieselsäure:
CaCO3 (Calciumcarbonat) + SiO2 (Quarz) -> CaSiO3 (Silicatgestein) +CO2
Der Vulkanismus setzt wieder ein Molekül CO2 frei.
Eine vereinfachte Gleichung für den Gesteinszyklus wäre:
CaSiO3 (Silikatgesteine) +CO2 <=> CaCO3 (Calciumcarbonat) + SiO2
(erosion) (Metamorphismus)
Die Ablagerung und chemische Erosion der Silikatgesteine rückt die Gleichung nach rechts und verbraucht ein CO2-Molekül aus der Atmosphäre. Der Vulkanismus drängt die Gleichung nach links und setzt ein CO2 Molekül aus der Atmosphäre. Der Vulkanismus drängt die Gleichung nach links und setzt einCO2 Molekül in die Atmosphäre frei.
Viele glauben, dass die Erosion von Silikatgesteinen Teil einer negativen Rückkopplungsschleife ist: Wenn die Temperatur steigt, nimmt die Zersetzung der Gesteine zu und verbraucht mehr CO2 aus der Atmosphäre, so dass der Treibhauseffekt sich verringert und die Temperatur sinkt. Im Gegensatz dazu wird bei niedrigeren Temperaturen die Erosion verringert, es wird weniger CO2 verbraucht, das sich in der Atmosphäre ansammelt und es wird ein stärkerer Treibhauseffekt erzeugt, der mehr Wärme erzeugt. So reguliert der Kohlenstoffkreislauf die Temperatur der Erde.
