Atmosphäre
Hier liegt Kohlenstoff unter anderem als CO₂ vor; auch Methan enthält Kohlenstoff. Für den Einstieg verfolgen wir vor allem CO₂.
Biologie · Verstehen und üben
Kohlenstoffkreislauf
Verfolge Kohlenstoff durch Luft, Lebewesen, Boden und Wasser. Unterscheide Speicher und Flüsse und entdecke, warum ein Vorrat trotz laufender Aufnahme wachsen kann.
Das kannst du danach
Kohlenstoffwege verständlich erklärenSpeicher, Quellen und Senken unterscheidenEine Kohlenstoffbilanz auswerten
Ein Kohlenstoffatom kann viele Wege nehmen
Ein Kohlenstoffatom kann heute Bestandteil von CO₂ in der Luft sein, später in einem Blatt stecken und danach über die Nahrung in ein Tier gelangen. Bei der Zellatmung kann es wieder Teil eines CO₂-Moleküls werden. Es kann aber auch lange in Holz, Boden oder Gestein bleiben.
Der Kohlenstoffkreislauf beschreibt diese Übertragungen zwischen Speichern. Die Atome wechseln ihren Aufenthaltsort und ihre chemische Verbindung. Sie werden bei diesen chemischen Vorgängen nicht verbraucht oder in Energie verwandelt.
Kohlenstoff ist nicht dasselbe wie CO₂
Kohlenstoff (C) ist ein chemisches Element. Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist eine Verbindung aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen. Kohlenstoff steckt außerdem in Zucker, Fetten, Proteinen, Holz, fossilen Brennstoffen und Carbonaten.
Der Kreislauf hat keinen vorgeschriebenen Startpunkt und keine feste Route. Ein Atom muss weder zuerst ein Tier erreichen noch einmal durch alle Speicher wandern.
Speicher und Flüsse unterscheiden
Lebewesen und Böden
Lebende Biomasse enthält organische Kohlenstoffverbindungen. Im Boden kommen Kohlenstoff in Organismen, abgestorbenen Resten, Humus und je nach Boden auch in Carbonaten vor.
Ozeane
Kohlenstoff befindet sich im Wasser unter anderem als gelöstes CO₂, Hydrogencarbonat und Carbonat sowie in Organismen und organischem Material.
Gesteine und fossile Lagerstätten
Carbonatgesteine wie Kalkstein sowie Kohle, Erdöl und Erdgas enthalten langfristig gebundenen Kohlenstoff. Diese Speicher sind stofflich unterschiedlich.
Ein Vorrat ist keine Änderungsrate
Ein Speicher enthält eine bestimmte Menge Kohlenstoff, etwa in Tonnen C. Ein Fluss beschreibt eine übertragene Menge pro Zeit, etwa Tonnen C pro Jahr. Ein großer Speicher muss nicht gerade wachsen. Eine Senke nimmt im betrachteten Zeitraum netto Kohlenstoff auf; eine Quelle gibt netto Kohlenstoff ab.
Den biologischen Kreislauf Schritt für Schritt lesen
Stoffwege im Schaubild hervorheben
Wähle einen Prozess. Die zugehörigen Pfeile werden im Schaubild hervorgehoben.
Alle dargestellten Wege sind sichtbar. Verfolge zuerst den grünen Pfeil von CO₂ in der Atmosphäre zu den Pflanzen.
- 1 · FotosyntheseLandpflanzen nehmen CO₂ auf. Sein Kohlenstoff wird in organische Stoffe eingebaut. Dazu benötigen sie Wasser und Lichtenergie.
- 2 · NahrungEin Tier frisst pflanzliches Material und nimmt damit Kohlenstoffverbindungen auf. Über weitere Nahrungsbeziehungen kann der Kohlenstoff weitergegeben werden.
- 3 · ZellatmungPflanzen, Tiere und viele Zersetzer bauen organische Stoffe mithilfe von Sauerstoff ab. Dabei entsteht CO₂. Kohlenstoff gelangt zurück in Luft oder Wasser.
- 4 · Tote Reste und AusscheidungenAbgestorbene Teile und Ausscheidungen enthalten Kohlenstoff. Dieser Weg entsteht auf allen Trophiestufen.
- 5 · Abbau und AufnahmeZersetzer nutzen organische Reste. Ein Teil des Kohlenstoffs wird in ihre eigene Biomasse eingebaut; ein Teil wird durch ihre Zellatmung als CO₂ frei.
Pflanzen geben ebenfalls CO₂ ab
Pflanzen betreiben Zellatmung. Bei ausreichend Licht kann ihre CO₂-Aufnahme durch Fotosynthese größer sein als die Abgabe durch Zellatmung. Im Dunkeln fällt die Fotosynthese weg, die Zellatmung läuft weiter.
Fotosynthese und Zellatmung: Wohin geht der Kohlenstoff?
Für den Kohlenstoffweg reichen zunächst die Stoffnamen. Die Reaktionsgleichungen darunter sind die üblichen vereinfachten Gesamtbilanzen.
Fotosynthese
Kohlenstoffdioxid + Wasser → Glucose + Sauerstoff
Die nötige Energie kommt vom Licht. Der Kohlenstoff der Glucose stammt aus dem CO₂, bei Landpflanzen überwiegend aus der Luft.
Aerobe Zellatmung
Glucose + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser
Ein Teil der frei werdenden Energie wird für Zellprozesse nutzbar gemacht; Wärme wird abgegeben. Der Kohlenstoff aus Glucose findet sich im CO₂ wieder.
Fotosynthese, mit Lichtenergie:
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
Aerobe Zellatmung:
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O
Zähle die Kohlenstoffatome: Auf beiden Seiten jeder Gleichung sind es sechs. In der Zelle laufen viele Einzelschritte ab; die Gleichungen sind keine Beschreibung eines einzigen Reaktionsschritts. Die Ähnlichkeit der Gesamtbilanzen bedeutet auch nicht, dass Fotosynthese einfach rückwärts laufende Zellatmung ist.
Der Baum wächst nicht hauptsächlich aus „Erde“
Den Kohlenstoff für sein Holz gewinnt ein Baum überwiegend aus CO₂. Wasser und Mineralstoffe nimmt er über die Wurzeln auf. Die Stoffe aus dem Boden sind nötig, erklären aber nicht allein den Aufbau seiner organischen Masse.
Schnelle Wege, langsame Wege und lange Speicherung
„Schnell“ und „langsam“ beschreiben unterschiedliche Austauschprozesse. Fotosynthese, Nahrung und Zellatmung übertragen Kohlenstoff häufig auf kurzen biologischen Zeitskalen. In Holz und manchen Böden kann er viel länger gespeichert bleiben. Geologische Prozesse wirken oft über sehr lange Zeiträume. Nicht jedes Kohlenstoffatom bleibt gleich lang in einem Speicher.
Organisches Material kann erhalten bleiben
Wenn tote Reste nicht vollständig abgebaut werden, kann Kohlenstoff im Boden oder in Sedimenten gespeichert werden. In nassen, sauerstoffarmen Moorböden kann sich Torf ansammeln. Das ist keine automatische Garantie dauerhafter Speicherung.
Fossile Brennstoffe entstehen nur unter besonderen Bedingungen
Ein kleiner Teil früherer organischer Substanz wurde überdeckt und über geologische Zeiträume umgewandelt. Kohle entstand vor allem aus Pflanzenresten; Erdöl und Erdgas häufig aus organischem Material in Sedimenten. Nicht jedes tote Blatt wird zu Kohle.
Carbonate gehören ebenfalls zum Kreislauf
Kohlenstoff wird auch anorganisch gespeichert, etwa in Calciumcarbonat. Kalkschalen können zu Sedimenten beitragen. Über lange Zeit können daraus Carbonatgesteine entstehen.
Geologische Rückwege
Verwitterung, Transport durch Wasser, Sedimentation, Versenkung und geologische Umwandlungen verbinden die Speicher. Durch Entgasung, unter anderem an Vulkanen, gelangt CO₂ zurück in die Atmosphäre. Diese Wege schließen den schnellen menschlichen Ausstoß nicht kurzfristig ausgleichend ab.
Der Ozean tauscht Kohlenstoff mit der Luft aus
An der Wasseroberfläche kann CO₂ aus der Luft ins Wasser übertreten – und umgekehrt. Die Richtung der Nettobilanz hängt davon ab, welcher Teilfluss größer ist. Temperatur, Durchmischung und chemische Bedingungen beeinflussen diesen Austausch.
Gelöstes CO₂ steht mit anderen Kohlenstoffformen im chemischen Gleichgewicht. Ein großer Teil des gelösten anorganischen Kohlenstoffs liegt als Hydrogencarbonat vor. Algen und andere fotosynthetische Organismen nutzen anorganischen Kohlenstoff zum Aufbau organischer Stoffe. Ein Teil des organischen Materials sinkt ab; vieles wird unterwegs wieder abgebaut.
Aufnahme hat Folgen
Wenn zusätzliches CO₂ im Meerwasser aufgenommen wird, verändert sich die Carbonatchemie und der pH-Wert sinkt. „Ozeanversauerung“ bedeutet eine Verschiebung zu niedrigeren pH-Werten; das Meer muss dafür nicht unter pH 7 fallen. Die Aufnahme von CO₂ ist daher keine folgenlose, unbegrenzte Entsorgung.
Wie Menschen die Bilanz verändern
Verbrennung fossiler Brennstoffe: Kohlenstoff, der über sehr lange Zeiträume gespeichert war, gelangt beim Verbrennen vor allem als CO₂ in die Atmosphäre. Entscheidend ist die schnelle Verlagerung zwischen den Speichern.
Veränderung von Wäldern und Böden: Wenn Biomasse verbrannt oder abgebaut wird, kann gespeicherter Kohlenstoff frei werden. Eine veränderte Vegetation beeinflusst außerdem die künftige Aufnahme. Entwässerung von Mooren kann den Abbau zuvor geschützter organischer Substanz verstärken.
Weitere Prozesse: Bei der Zementherstellung wird CO₂ auch chemisch aus Kalkstein freigesetzt. Nicht jede zusätzliche CO₂-Quelle ist deshalb ausschließlich eine Verbrennung.
Der Kreislauf garantiert keine ausgeglichene Atmosphäre
Land und Ozean nehmen einen Teil des zusätzlich freigesetzten Kohlenstoffs auf. Wenn die gesamte Zufuhr zur Atmosphäre dennoch größer ist als die Abfuhr, wächst ihr Kohlenstoffvorrat. CO₂ verstärkt als Treibhausgas die Erwärmung. Pflanzenaufnahme gleicht einen zusätzlichen Ausstoß nicht automatisch vollständig oder dauerhaft aus.
Bilanz-Labor: Warum steigt ein Speicher?
Ein Speicher wächst, wenn mehr hineinfließt als heraus. Die Größe beider Flüsse allein reicht nicht: Du musst ihre Differenz vergleichen.
Änderung des Speichers = Zufluss − Abfluss
Ein vereinfachtes Modell mit zwei Speichern
Zu Beginn enthält die Atmosphäre 1.000 Modelleinheiten Kohlenstoff, alle anderen Speicher zusammen 3.000. Ein angenommener Grundumsatz überträgt pro Zeitschritt 100 Einheiten in jede Richtung; er ist ausgeglichen. Dazu kommen die beiden veränderbaren Zusatzflüsse.
Flüsse: Modelleinheiten Kohlenstoff pro Zeitschritt. Die Zeitschritte sind keine konkreten Jahre; die Zahlen sind keine globalen Messwerte.
Atmosphäre
1.020
Modelleinheiten Kohlenstoff
Übrige Speicher zusammen
2.980
Modelleinheiten KohlenstoffJe Schritt: (100 + 10) − (100 + 6) = +4. Nach 5 Schritten: 1.000 + 5 × 4 = 1.020. Die Atmosphäre wächst, obwohl weiterhin Kohlenstoff aus ihr aufgenommen wird.
Gesamtmenge im Modell: 4.000. Der Kohlenstoff wird zwischen den Speichern verlagert.
Was das Modell kann – und wo seine Grenze liegt
Es erklärt eine Mengenbilanz. Die Flüsse bleiben innerhalb eines Durchlaufs konstant. Es berechnet keine Temperatur, keine CO₂-Konzentration in ppm, keine Rückkopplungen und keine reale Aufnahmefähigkeit von Wäldern oder Meeren. Der Regler „zusätzlicher Abfluss“ behauptet nicht, dass sich natürliche Senken beliebig einstellen lassen.
Vertiefung: Tonnen Kohlenstoff und Tonnen CO₂
Angaben in t C zählen nur die Masse des Kohlenstoffs. Angaben in t CO₂ umfassen zusätzlich die beiden Sauerstoffatome jedes Moleküls. Diese Zahlen darfst du nicht unverändert miteinander vergleichen. Mit gerundeten Atommassen besteht CO₂ aus 12 Massenteilen Kohlenstoff und 32 Massenteilen Sauerstoff.
1 t C entspricht in CO₂ gebunden:
4412 t CO₂ ≈ 3,67 t CO₂
4412 t CO₂ ≈ 3,67 t CO₂
Umgekehrt enthalten 44 t CO₂ genau 12 t C, wenn mit diesen gerundeten molaren Massen gerechnet wird. Die größere CO₂-Masse entsteht durch den mitgezählten Sauerstoff. Es wurde kein zusätzlicher Kohlenstoff erzeugt.
Stoffkreislauf und Energiefluss gehören zusammen
Organische Stoffe übertragen zugleich Kohlenstoff und chemische Energie. Der Kohlenstoff kann erneut eingebaut werden. Die bei Stoffwechselprozessen als Wärme verteilte Energie kehrt dagegen nicht als nutzbares Licht zu den Produzenten zurück. Mehr dazu: Energiefluss und Nahrungspyramiden.
12 Aufgaben: verstehen, anwenden und begründen
Löse zuerst selbst. Ein Tipp hilft beim Einstieg; die Lösung zeigt die fachliche Begründung.
1 · Was unterscheidet Kohlenstoff und CO₂?
Tipp anzeigen
Element und Verbindung.
Lösung anzeigen
Kohlenstoff ist das Element C. CO₂ ist eine Verbindung aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen. Kohlenstoff kommt auch in vielen anderen Stoffen vor.
2 · Woher stammt der Kohlenstoff im Holz eines Baumes überwiegend?
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Welches Gas nimmt die Pflanze für die Fotosynthese auf?
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Er stammt überwiegend aus CO₂ der Luft. Die Pflanze baut dessen Kohlenstoff bei der Fotosynthese in organische Stoffe ein.
3 · Beschreibe einen Weg von der Luft über ein Tier zurück zur Luft.
Tipp anzeigen
Fotosynthese, Nahrung, Zellatmung.
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CO₂ wird von einer Pflanze aufgenommen; der Kohlenstoff gelangt in organische Stoffe. Ein Tier frisst Pflanzenmaterial. Bei seiner Zellatmung wird ein Teil dieses Kohlenstoffs als CO₂ wieder abgegeben.
4 · Muss jedes Kohlenstoffatom ein Tier erreichen?
Tipp anzeigen
Suche einen direkten Rückweg.
Lösung anzeigen
Nein. Ein Atom kann zum Beispiel durch Fotosynthese in eine Pflanze gelangen und bei deren Zellatmung wieder als Teil von CO₂ abgegeben werden.
5 · Warum gehören Zersetzer zum Kohlenstoffkreislauf?
Tipp anzeigen
Aufnahme, eigener Körper und Zellatmung.
Lösung anzeigen
Sie nutzen organische Reste. Ein Teil des Kohlenstoffs wird in ihre Biomasse eingebaut; ein Teil wird bei der Zellatmung als CO₂ freigesetzt.
6 · Wie viele C-Atome stehen auf jeder Seite der Fotosynthesebilanz?
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6 CO₂ und C₆H₁₂O₆ vergleichen.
Lösung anzeigen
Auf beiden Seiten sind es sechs Kohlenstoffatome. Die Atome werden neu angeordnet, aber nicht erzeugt oder vernichtet.
7 · Ein Speicher enthält viel Kohlenstoff. Ist er deshalb eine Senke?
Tipp anzeigen
Vorrat und Bilanz unterscheiden.
Lösung anzeigen
Nein. Eine Senke nimmt im betrachteten Zeitraum netto Kohlenstoff auf. Ein großer Vorrat kann wachsen, konstant bleiben oder schrumpfen.
8 · Warum gleicht der natürliche Kreislauf fossile Verbrennung nicht automatisch aus?
Tipp anzeigen
Zusätzlicher Zufluss und begrenzte Abflüsse.
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Fossile Verbrennung verlagert lange gespeicherten Kohlenstoff rasch in die Atmosphäre. Wenn die zusätzliche Aufnahme kleiner ist als die zusätzliche Freisetzung, wächst der atmosphärische Vorrat.
9 · Im Modell: Zusatz-Zufluss 12, Zusatz-Abfluss 5. Wie ändert sich die Atmosphäre nach vier Schritten?
Tipp anzeigen
Die beiden Grundflüsse von 100 heben sich auf.
Lösung anzeigen
Pro Schritt beträgt die Änderung +7. Nach vier Schritten kommen 28 hinzu: 1.000 → 1.028. Die übrigen Speicher sinken auf 2.972; die Summe bleibt 4.000.
10 · Was passiert bei gleich großem Zu- und Abfluss?
Tipp anzeigen
Nettoänderung und Austausch unterscheiden.
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Der Speicher bleibt konstant, obwohl weiterhin Kohlenstoff ausgetauscht wird. Gleichgewicht bedeutet hier nicht Stillstand.
11 · Warum bedeutet Ozeanversauerung nicht zwingend einen pH-Wert unter 7?
Tipp anzeigen
Eine Änderung mit einem Grenzwert vergleichen.
Lösung anzeigen
Versauerung bezeichnet die Verschiebung zu niedrigeren pH-Werten. Meerwasser kann dabei weiterhin einen pH-Wert über 7 besitzen.
12 · Wie viel Kohlenstoff steckt in 22 t CO₂?
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Mit 12/44 multiplizieren.
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22 × 12/44 = 6 t C. Die übrige Masse entfällt auf Sauerstoff; gerechnet wurde mit gerundeten molaren Massen.
Kurzer Begriffscheck
Was bedeutet „Der Kohlenstoffvorrat der Atmosphäre bleibt konstant“?
Wähle eine Antwort.
Für den Unterricht
Einstieg: „Woher kommt die Masse eines Baumes?“ Vermutungen sammeln und zwischen Kohlenstoff, Wasser und Mineralstoffen unterscheiden.
Partnerarbeit: Verschiedene Wege eines Kohlenstoffatoms beschreiben und die chemische Form an jeder Station nennen.
Transfer: Im Bilanz-Labor zuerst vorhersagen, ob die Atmosphäre wächst, konstant bleibt oder schrumpft; anschließend begründen.
Vertiefung: Angaben in t C und t CO₂ umrechnen und eine Quelle oder Senke immer auf einen Zeitraum beziehen.
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Arbeitsblatt ansehen →Fachliche Vertiefung: OpenStax · Biogeochemical Cycles · NASA · The Carbon Cycle. Eigene Erklärungen, Schaubilder und ausdrücklich vereinfachte Rechenmodelle. Klassenstufen und Vertiefung unterscheiden sich nach Bundesland und Schulart.