Biosphäre und Klimawandel

Biosphäre und Klimawandel
Ausbildungsseminar „Wetter und Klima“ – WS 2012/2013
Martin Hohlneicher
31.02.2013
Inhaltsverzeichnis
1.
Einleitung
2.
Die Photosynthese
2.1
2.2
2.3
Ort der Photosynthese
Die Lichtreaktion
Die Dunkelreaktion
3.
Die Bedeutung der Photosynthese
4.
4.1
4.2
Rückkopplungsprozesse
Biogeochemische Rückkopplungsprozesse
Biogeophysikalische Rückkopplungsprozesse
5.
5.1
5.2
5.3
Einfluss des Klimawandels auf die Biosphäre
Einfluss auf die Meere
Einfluss auf das Festland
Baumsterben durch den Klimawandel
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1 Einleitung
Die meisten der Planeten in unserem Sonnensystem haben wie die Erde eine „Lithosphäre“
(Gesteinshülle) und eine „Atmosphäre“ (Gashülle). Auch Wasser in flüssiger (Hydrosphäre)
und gefrorener Form (Kryosphäre) kann man noch in geringen Ausmaßen finden, wie zum
Beispiel seit einiger Zeit auf dem Mars nachgewiesen.
Nach bisherigem Kenntnisstand einzigartig auf der Erde ist jedoch die sogenannte Biosphäre.
Wie der Name (von gr. Bios = Leben) schon andeutet, handelt es sich hierbei um die Schicht,
die die Gesamtheit allen Lebens auf der Erde darstellt. Die Biosphäre umfasst jegliche Art
von lebender Biomasse, also alle Pflanzen, Tiere und natürlich auch die Menschen. Diese
Schicht lässt sich jedoch nicht genau abgrenzen, weil sich Leben auf der Erde in alle vorher
genannten Sphären ausgebreitet hat. So findet man in über 5000 Meter Höhe in Gebirgen wie
den Anden genau noch so Lebensformen, wie in 11000 Metern Meerestiefe im
Marianengraben.
Die gesamte Energie, die zur Bildung von Biomasse benötigt wird, hat letztendlich ihren
Ursprung in der Sonneneinstrahlung. Hierbei bilden nun überwiegend Pflanzen das erste
Glied in der Nahrungskette, weil sie diese Strahlungsenergie durch Photosynthese direkt
nutzen können. Für die Leistung dieses Prozesses stellen die Umweltbedingungen, wie zum
Beispiel die Temperatur oder die CO2-Konzentration in der Atmosphäre einen wichtigen
Faktor dar.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Photosynthese erklärt und aufgezeigt in welchem
Zusammenhang die Biosphäre mit Klimaveränderungen steht, die zum Beispiel durch den von
Menschen hervorgerufenen Klimawandel verursacht werden.
Abbildung 1: Die Biosphäre ist auf der Erde verbreitet in die Lithosphäre,
Hydrosphäre, Atmosphäre und Kryosphäre.
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2 Die Photosynthese
Der Brockhaus bezeichnet die Photosynthese als „Grundlegende Stoffwechselreaktion
chlorophyllhaltiger Organismen, die nach Absorption von Licht zur Synthese einer
energiereicheren organischen Verbindung führt. (…)“
Dies ist also ein biochemischer Vorgang, der die Lichtenergie der Sonne in chemische
Energie in Form von organischen Molekülen (Zucker) umwandelt. Photosynthese wird von
allen Pflanzen und Algen und zum Teil auch von manchen Bakterienstämmen (z.B.
Cyanobakterien) betrieben.
Photosynthetische Lebewesen zählen zu den autotrophen Organismen (= Selbsternährer), da
sie in der Lage sind ihre Nahrung aus anorganischen Verbindungen der Umgebung selbst
herzustellen. Sie bilden die Quelle sämtlicher organischer Verbindungen für nicht autotrophe
Lebewesen (Mensch, Tier, Pilze) und ernähren daher letztlich die gesamte Biosphäre.
Die einzigen Stoffe, die die Pflanzen zum Überleben benötigen, sind Wasser (sowie darin
gelöste Mineralien aus dem Boden) und Kohlendioxid aus der Umgebungsluft. Mithilfe der
Lichtenergie der Sonne können sie daraus Zucker herstellen. Des Weiteren entsteht noch
Sauerstoff als "Abfallprodukt“.
Die pflanzliche Photosynthese lässt sich daher in folgender Reaktionsgleichung
zusammenfassen:
hν
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Kohlenstoffdioxid und Wasser wird mit Lichtenergie in Zucker (Glucose) und Sauerstoff
umgewandelt.
2.1 Ort der Photosynthese
Im Prinzip kann man sagen, dass die Photosynthese überall dort stattfindet, wo Pflanzen grün
sind, also meist in den Blättern. Deren Sinn besteht unter Anderem darin eine möglichst große
Oberfläche zur Aufnahme von Sonnenenergie zu schaffen.
In Abbildung 2 sieht man den Querschnitt eines typischen Pflanzenblattes. An der
Blattunterseite befinden sich Spaltöffnungen über die der Gasaustausch (Sauerstoff und
Kohlenstoffdioxid) geschieht. Darüber befindet sich das Schwammgewebe, in dem die
Leitungen für Wasser und Nährstoffe eingelagert sind. An der meist sonnenzugewandten
Oberseite bilden die sogenannten Palisadenzellen eine dichte Schicht. Vor allem in diesen
Zellen befinden sich die Chloroplasten, das sind diejenigen Organelle in denen die
Photosynthese stattfindet.
Abbildung 2: Schematischer und mikroskopischer Querschnitt eines Pflanzenblattes
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In jeder Zelle sind zwischen 30 und 40 dieser Chloroplasten eingelagert. Pro
Quadratmillimeter Blattfläche befinden sich in etwa eine halbe Million dieser Organellen.
Ein Chloroplast besitzt als äußere Hülle eine doppelte Membranschicht, die einen mit
Flüssigkeit gefüllten Raum, das sogenannte Stroma, einschließt. Die innere der Membranen
weist zum Zweck der Oberflächenvergrößerung vielerorts tiefe Einstülpungen auf, so dass
sich ein System aus miteinander verbundenen Membransäckchen, den sogenannten
Thylakoiden, ausbildet. Die einzelnen Thylakoiden wiederum stapeln sich zu sogenannten
Grana auf. Der sich innerhalb der einzelnen Thylakoiden befindliche Raum wird als
Thylakoidlumen bezeichnet. In den Thylakoidmembranen befindet sich der grüne
Blattfarbstoff Chlorophyll. Die Chlorophyllmoleküle absorbieren das eingestrahlte
Sonnenlicht, welches die Photosynthese antreibt.
Abbildung 3: Aufbau eines Chloroplasten
Obwohl die der Photosynthese zugrunde liegende Reaktionsgleichung sehr einfach aussieht,
handelt es sich dabei um einen höchst komplexen biochemischen Prozess, der aus einer
Abfolge zahlreicher Teilreaktionen besteht. Im Wesentlichen lässt sich der Prozess jedoch in
zwei nebeneinander ablaufende Schritte aufteilen, die man als Lichtreaktion und CalvinZyklus (oder auch Dunkelreaktion) bezeichnet.
2.2 Die Lichtreaktion
Als Lichtreaktion bezeichnet man die lichtabhängige Primärreaktion, die in den
Thylakoidmembranen abläuft. Die von den Chlorophyllmolekülen absorbierte Lichtenergie
wird aufgewendet, um Wasser zu spalten. Der dabei frei werdende Sauerstoff verlässt als
Nebenprodukt die Zelle, während die Elektronen und Protonen dazu benutzt werden,
ein Molekül NADP+ (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat) zu NADPH zu reduzieren,
welches die Elektronen für die nachfolgenden Reaktionen zwischenspeichert. Des Weiteren
wird energiearmes ADP (Adenosindiphosphat) zu energiereichem ATP (Adenosintriphosphat)
phosphoryliert. ATP stellt die universelle chemische Energiewährung lebender Zellen
(sowohl pflanzlicher als auch tierischer) dar und dient der kurzfristigen Versorgung der Zelle
mit Energie.
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Die Absorption von Licht geschieht hauptsächlich über die Pigmente Chlorophyll a und b,
und verschiedene Carotinoide, welche in den Thylakoidmembranen verankert sind.
Abbildung 4: Absorptionsspektren der Pigmente Chlorophyll a, Chlorophyll b und der
Carotinoide. Die meiste Absorption erfolgt im blauen und roten Wellenlängenbereich,
Licht im grünen Bereich wird reflektiert, wodurch Pflanzen grün erscheinen.
Abbildung 5: Chlorophyll a und b unterscheiden sich nur durch einen Rest am
Porphyrinring, was zu einem leicht unterschiedlichen Absorbtionsvermögen führt. Über
die Phytolkellte sind die Pigmente an der Thylakoidmembraninnenseite verankert.
Diese Pigmente schließen sich zu hunderten zu sogenannten Lichtsammelkomplexen (oder
auch Lichtsammelfallen) zusammen. Wird ein Farbstoffmolekül durch ein einfallendes
Photon in einen angeregten Zustand gebracht, so kann es seine Energie strahlungsfrei auf
benachbarte Moleküle übertragen. Die Anregungsenergie kann so in Form eines Exzitons
durch den Komplex wandern, bis es auf ein Reaktionszentrum trifft. Dort befindet sich ein
spezielles Paar Chlorophyll a-Moleküle, das schließlich nicht nur die bloße
Anregungsenergie, sondern auch ein Elektron an einen primären Elektronenakzeptor
weitergibt.
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Abbildung 6: Schematische Darstellung des Lichtsammelkomplexes und des
Reaktionszentrums
Lichtsammelkomplex und Rekationszentrum werden zusammen als Photosystem bezeichnet.
In Pflanzen treten zwei verschiedene Photosysteme auf, die bei verschiedenen Wellenlängen
Absorptionsmaxima aufweisen. Das zuerst entdeckte Photosystem I absorbiert bei 700nm am
stärksten, Photosystem II bei 680 nm.
Die Reaktionen beginnen mit der Absorption eines Photons im Photosystem II. Das Pigment
im Reaktionszentrum P680 wird daraufhin oxidiert, indem es ein Elektron an einen primären
Elektronenakzeptor abgibt. Das so oxidierte Chlorophyll wird dadurch zu einem starken
Oxidationsmittel, das bestrebt ist, die elektronische Fehlstelle wieder aufzufüllen. Sein hohes
Redoxpotential liefert somit die Triebkraft für die Spaltung von Wassermolekülen. Die dabei
frei werdenden Elektronen werden auf das Reaktionszentrum übertragen, wo sie den Platz
derjenigen Elektronen einnehmen, die an den primären Elektronenakzeptor abegeben wurden.
Die bei der Spaltung entstandenen Sauerstoffatome verbinden sich zu O2-Molekülen und
werden als Nebenprodukt der Photosynthese freigesetzt. Die vom Wasser noch
übriggebliebenen H+-Ionen verbleiben im Chloroplast. Sie werden später noch zur Synthese
von ATP und NADPH gebraucht.
Die durch die Lichtabsorption angeregten Elektronen werden nun vom primären Akzeptor des
PSII über eine Elektronentransportkette zum Photosystem I transportiert. Die Funktionsweise
dieser Transportkette beruht darauf, dass die Elektronen in einer Abfolge von
Redoxreaktionen auf immer stärker wirkende Reduktionsmittel übertragen werden. Während
die Elektronen die Kette passieren, wird ein Teil ihrer Energie benutzt, um ATP zu erzeugen,
welches später in der Zuckererzeugung gebraucht wird.
Wenn die Elektronen das PSI erreichen, füllen sie Elektronenlücken im Reaktionszentrum
P700 auf, welches vor ihrer Ankunft analog zum Reaktionszentrum P680 aufgrund der
Absorption eines Photons Elektronen an einen primären Akzeptor abgegeben hat. Diese
Elektronen werden wiederum über eine Elektronentransportkette weitergeleitet und an das
Protein Ferredoxin übertragen. Ein Enzym übergibt dann je zwei Elektronen und ein Proton
(aus der Wasserspaltung) an ein Molekül NADP+, welches somit zu NADPH reduziert wird.
Auf diese Weise werden die energiereichen Elektronen im NADPH gespeichert. Dieses
Reduktionsmittel wird dann zusammen mit ATP in der nun folgenden Dunkelreaktion zur
Zuckersynthese benötigt.
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Abbildung 7: Das Zusammenspiel der beiden Photosysteme während der Lichtreaktion
2.3 Die Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus)
Der Calvin-Zyklus ist eine lichtunabhängige, aber temperaturabhängige Reaktion, welche nun
außerhalb der Thylakoide im Stroma der Chloroplasten stattfindet. Die Produkte der
Lichtreaktion, ATP als Energiequelle und NADPH als Reduktionsmittel, werden hier
verwendet, um aus Kohlenstoffdioxid organisches Material zu bilden. Dabei handelt es sich
hauptsächlich um Glucose (Fruchtzucker) oder Stärke, die als Energiespeicher fungiert.
Die Dunkelreaktion lässt sich in drei Phasen unterteilen (siehe auch Abbildung 8):
1. Fixierungsphase (Carboxylierung):
Ein Molekül Kohlenstoffdioxid bindet enzymatisch an einen sogenannten C5-Zucker,
Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP), welcher schon im Chloroplasten vorhanden ist. Dadurch
kommt es zur Bildung eines C6-Körpers. Dieses Produkt ist ein instabiles Intermediat aus
sechs Kohlenstoffatomen, das sofort in zwei C3-Körper 3-Phosphoglycerinsäure zerfällt.
2. Reduktionsphase:
Durch ATP (Phosphorilierung) und NADPH (Reduktion) entsteht Glycerinaldehyd-3phosphat (G3P) aus dem in weiteren Schritten Zucker und Stärke aufgebaut werden kann.
3. Regenerationsphase:
Unter ATP-Verbrauch werden fünf von sechs hergestellten G3P-Molekülen wieder zu RuBP
regeneriert.
Für den Gewinn von einem Molekül G3P zur Zuckerherstellung werden schließlich drei
Kohlenstoffdioxid-Moleküle fixiert, neun ATP-Moleküle und sechs NADPH-Moleküle
werden verbraucht.
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Abbildung 8: Die drei Phasen des Calvinzyklus
Abbildung 9: Anschauliche Zusammenfassung der Photosynthese
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3 Die Bedeutung der Photosynthese
Um die Bedeutung der Photosynthese zu verstehen, muss man sich die Auswirkungen auf die
Umwelt vor Augen führen. Nahezu der gesamte in der Atmosphäre vorhandene Sauerstoff
wurde durch die Pflanzen, vor allem Wälder, und durch das Phytoplankton in den Meeren
freigesetzt. Erst dadurch wurde Leben auf dem Festland möglich. Ein weiterer wichtiger
Punkt ist, dass erst durch die Anreicherung von Sauerstoff in der Stratosphäre die
lebenswichtige Ozonschicht gebildet werden konnte, die einen Großteil der UV-Strahlung
abschirmt.
Abbildung 10: Falschfarbenbild zur Verteilung von Chlorophyll a auf der Erde: Sowohl
die Vegetation der Kontinente, als auch das ozeanische Phytoplankton sind dargestellt.
Zur Verdeutlichung der Photosyntheseleistung seien hier noch ein Paar Zahlen genannt:
Jährlich werden mehr als 100 Milliarden Tonnen Kohlenstoffdioxid photosynthetisch
fixiert
• Daraus resultiert eine Produktion von ca. 250 Milliarden Tonnen Zucker/Kohlehydrate
pro Jahr
Ca. die Hälfte davon wird in Biomasse umgewandelt, der Rest wird zur
Energiegewinnung von den Pflanzen, ähnlich wie auch beim Menschen, wieder zu
Kohlenstoffdioxid veratmet (Autotrophe Respiration).
Der Rest der gebildeten Biomasse wird durch heterotrophe Respiration, das heißt
durch Fremdveratmung in der Nahrungskette oder Verbrennung wieder freigesetzt.
• Insgesamt verbleibt etwa eine Gt Kohlenstoff als schwer abbaubare Biomasse durch
Ablagerung im Boden zurück und führt zur Bildung fossiler Rohstoffe (z.B.
Holzkohle, Torf, Erdgas usw.)
•
In untenstehender Abbildung ist dieser Kreislauf noch einmal anschaulich dargestellt.
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Abbildung 11: Schematische Darstellung des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs. Die
Werte geben Kohlenstoffflüsse in Gt C/Jahr an.
4 Rückkopplungsprozesse
In Zeiten des Klimawandels wird es immer wichtiger zu verstehen wie die Biosphäre mit der
Umwelt wechselwirkt. Die Photosynthese, damit die Vegetation und die gesamte Biosphäre
reagieren zum Teil sehr empfindlich auf Veränderungen in der
Kohlenstoffdioxidkonzentration der Atmosphäre, auf Temperaturanstieg und Wassermangel.
Es gibt nun verschiedene Rückkopplungsprozesse die solche Wechselwirkungen beschreiben.
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Unterteilt werden diese Prozesse in negative und positive Rückkopplungen. Negativ bedeutet,
dass sich ein Vorgang, der einer Störung unterlieg, von selbst wieder abschwächt, positiv
bedeutet, dass die vorhandene Störung noch verstärkt wird.
4.1 Biogeochemische Rückkopplungsprozesse
Der wichtigste biogeochemische Rückkopplungsprozess wird durch das Zusammenspiel der
Vegetation mit der CO2-Konzentration der Atmosphäre verursacht. Je nach dem wie stark die
Abweichung vom Gleichgewichtszustand ist, kann die Rückkopplung negativ oder auch
positiv sein.
Abbildung 12: Rückkopplung der Vegetation über den CO2-Gehalt der Atmosphäre
Negative Rückkopplung x
Eine negative Rückkopplung kann eintreten, wenn sich die Erdoberfläche nur wenig
erwärmt. Durch das bei höheren Temperaturen begünstigte Pflanzenwachstum wird
von der Vegetation vermehrt CO2 aus der Luft aufgenommen. Die geringere CO2Konzentration der Atmosphäre hat einen schwächeren Treibhauseffekt zur Folge, so
dass sich die Atmosphäre wieder abkühlt und das Pflanzenwachstum gebremst wird.
Positive Rückkopplung x
Eine starke Erwärmung der bodennahen Atmosphäre kann eine positive
Rückkopplung verursachen. Bei sehr hohen Temperaturen kann die Respiration der
Vegetation (= Freisetzung von CO2) so stark zunehmen, dass sie mehr
Kohlenstoffdioxid an die Atmosphäre abgibt, als sie aufnimmt. Die erhöhte CO2Konzentration führt zu einem verstärkten Treibhauseffekt, was die Atmosphäre
zusätzlich aufheizt.
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4.2 Biogeophysikalische Rückkopplungsprozesse
Abbildung 13: Rückkopplung der Vegetation über den Albedo und den Wasserhaushalt
Albedo-Vegetation-Rückkopplung
Die Albedo-Vegetation-Rückkopplung ist positiv, d.h. sie verstärkt ursprünglich
vorhandene Störungen des Gleichgewichts. Sie stellt einen wichtigen
biogeophysikalischen Rückkopplungsprozess dar und ist unter anderem für die
Ausbreitung von Wüsten mitverantwortlich.
Mit Vegetation bedeckte Flächen besitzen eine geringere Albedo als nackter Boden.
So haben Wälder beispielsweise eine Albedo von etwa 10% und Savannen von
ungefähr 20%. Zum Vergleich: Helle Sandwüsten haben ein Reflexionsvermögen von
rund 50%; eine frische Schneedecke wirft bis zu 90% der eintreffenden
Sonnenstrahlung zurück. Die geringe Albedo der Vegetation hat zur Folge, dass ein
großer Teil des Sonnenlichts absorbiert wird und in Form von Wärmestrahlung an die
unmittelbare Umgebung abgegeben werden kann. Dies führt zu einer Erwärmung der
bodennahen Luftschichten, was in der Regel zusätzliches Pflanzenwachstum
stimuliert, so dass sich die Vegetation verdichten und ausbreiten kann. Besonders
effektiv ist dieser Rückkopplungsprozess in Gebieten mit hohen Albedodifferenzen,
wie man sie z.B. bei verschneiten Wäldern in hohen nördlichen Breiten vorfindet.
Im Gegensatz hierzu weisen vegetationsarme Gegenden eine hohe Albedo auf. Durch
die starke Reflexion der Sonnenstrahlung kann es zu einer Abkühlung der bodennahen
Atmosphäre kommen, was in Extremfällen die umgebende Vegetation weiter
zurückdrängen kann. Dieser Effekt wird durch die hydrologischen Wechselwirkungen
der Vegetation mit der Atmosphäre zusätzlich unterstützt.
Hydrologische Wechselwirkungen
Die Vegetation hat einen entscheidenden Einfluss auf den Wasserhaushalt der
bodennahen Atmosphäre. Ist keine Vegetationsdecke vorhanden, so wird fallender
Regen ungehindert ablaufen und im Boden versickern. Die Pflanzen jedoch sind in der
Lage den Niederschlag über ihre Wurzeln aufzunehmen und im Pflanzenkörper zu
speichern. Bei einer Erwärmung bodennaher Luftschichten verdunstet Bodenwasser
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(= Evaporation) und es tritt vermehrt Wasser aus den Spaltöffnungen der
Pflanzenblätter aus (= Transpiration). Auf diese Weise steigt die Luftfeuchtigkeit an
und sensible Wärme wird in latente Wärme umgewandelt; die Luft kühlt wieder ab,
die Rückkopplung ist negativ. Die gestiegene Luftfeuchtigkeit hat außerdem weitere
positive und negative Rückkopplungseffekte zur Folge. Da Wasserdampf ein
Treibhausgas ist, erhöht sich die Wirkung des Treibhauseffektes und die Temperatur
kann zunehmen. Andererseits ist durch den erhöhten Wasserdampfgehalt in der
Atmosphäre die Wolkenbildung begünstigt. Durch die Bildung einer Wolkendecke
nimmt die Albedo zu, was sich kühlend auf die Umgebung auswirkt.
5 Einfluss des Klimawandels auf die Biosphäre
5.1 Einfluss auf die Meere
Da Meere etwa 70% der Erdoberfläche bedecken, ist es hierbei besonders wichtig den
Einfluss des Klimawandels auf die Hydrosphäre und die Folgen für die dortige Biosphäre zu
verstehen.
Bei Temperaturanstieg und CO2-Zunahme können folgende Veränderungen im maritimen
Ökosystem auftreten:
Der Temperaturgradient in thermischen Wasserschichtungen kann sich verkleinern. Dies kann
dazu führen, dass der Auftrieb von Nährstoffen aus tieferen Meeresschichten (Upwelling)
abnimmt, was dann direkt alle Lebewesen betrifft, die über die Nahrungskette in den
verschiedenen Stufen davon abhängig sind.
Des Weiteren führt erhöhte Temperatur zum zunehmenden Abschmelzen von Meereis in den
Polarregionen, was wiederum eine Vielzahl von Lebewesen beeinflusst.
Der Wichtigste Aspekt ist jedoch, dass der pH-Wert der Meere durch die Aufnahme von
Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre immer weiter sinkt. Dieser Effekt kommt dadurch
zustande, dass der CO2-Partialdruck der Atmosphäre größer ist als der des Meerwassers. Es
wird also so lange CO2 aus der Atmosphäre aufgenommen bis sich die Partialdruckdifferenz
ausgeglichen hat.
Auf diese Weise werden jährlich etwa neun Milliarden Tonnen CO2 von den Meeren
absorbiert, was ca. einem drittel der globalen Emission entspricht. Aus diesem Grund werden
Meere auch als sogenannte Kohlenstoffsenken bezeichnet. Die Senkenfunktion wirkt als
Puffer und wirkt daher dem Treibhauseffekt in der Atmosphäre entgegen.
Messungen haben gezeigt, dass sich der pH-Wert seit der Industrialisierung um etwa 0,11
abgesenkt hat (wobei zu beachten ist, dass es sich hierbei um ein logarithmisches System
handelt).
All diese genannten Effekte aber vor allem die Versauerung der
Meere durch den sinkenden pH-Wert haben einen entscheidenden
Einfluss auf die Dauer und den Zeitpunkt der Blüte von
Phytoplankton, welches am Anfang der maritimen Nahrungskette
steht. Zudem wird geschätzt, dass Phytoplankton für etwa 50 bis
80 % des vorhandenen Sauerstoffs in der Atmosphäre
verantwortlich ist. Seit 1950 wurde jedoch ein Rückgang des
Phytoplanktons um ca. 40% festgestellt.
Abbildung 14: Phytoplankton
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Abbildung 15: pH-Wert der oberen 50m Wassertiefe (Stand 2006)
Die Versauerung der Meere stellt vor Allem für die zahlreichen kalkskelettbildenden
Lebewesen eine erhebliche Gefahr dar.
Der Grund dafür ist, dass die Aufnahme von CO2 im Wasser zu Hydrogencarbonaten und
freien Protonen (welche den pH-Wert senken) führt. Das Vorhandensein von
Hydrogencarbonaten (auch Bicarbonate genannt) erschwert die Bildung von Kalk und führt
ab einer bestimmten Konzentration sogar zu dessen Auflösung.
Folgende Reaktionsgleichungen sind hierbei von Bedeutung:
Die Bildung von Hydrogencarbonationen (HCO3-):
Carbonationen (aus gelöstem Kalk) als chemisches Puffersystem:
Dies führt zur Reaktionsgleichung für die Kalkauflösung:
Die Konzentration der Hydrogencarbonate nimmt natürlicherweise mit der Tiefe des Wassers
zu und ab der sogenannten Karbonatkompensationstiefe ist die Konzentration von CO2 im
Wasser so hoch, dass keine Carbonationen (CO3-) mehr zur Bildung von Kalk (CaCO3)
vorhanden sind. Im Umkehrschluss bedeutet dies auch, dass sich ab dieser Tiefe Kalk
vollständig auflöst.
Durch die Versauerung der Meere steigt nun diese Tiefe immer weiter an (seit der
Industrialisierung bereits um 400 Meter auf etwa 3500 Meter Tiefe)
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Abbildung 16: Schematische Darstellung der Hydrogencarbonatbildung
Abbildung 17: Der aktuelle pH-Wert liegt etwa bei einem Wert von 8, die erwartete
Änderung führt zu einer starken Abnahme der Carbonationenkonzentration
Alle Folgen bei weiterem Absinken des pH-Wertes sind nicht absehbar, aber bereits heute
kann man Schäden zum Beispiel an Korallenriffen feststellen. Da diese auch eine Funktion als
Wellenbrecher haben, kann der Rückgang von Riffen auch vermehrt zu Überflutungen
bestimmter Küstenregionen bei Unwettern führen.
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5.2 Einfluss auf das Festland
Nun zum Einfluss des Klimawandels auf das Leben auf dem Festland.
Allgemein lässt sich sagen, dass die Polregionen stärker vom Klimawandel beeinflusst
werden als die Äquatorialregionen. Schon die immer stärker abschmelzenden Polkappen
zeigen deutlich, welche Ausmaße geringe Temperaturerhöhungen haben. Habitate, z.B. von
Eisbären, werden kleiner und können schließlich zum Aussterben dieser Spezies führen.
Anders ist dies in Tropischen Regionen, welche eher von der jeweiligen Landnutzung
beeinflusst werden.
Die geographische Ausbreitung von Vegetation und Tieren hängt aber dennoch stark von
Temperatur und Feuchtigkeit ab. Je nach Anpassungsvermögen können dabei
Klimaveränderungen in bestimmten Grenzen verkraftet werden.
Man geht davon aus, dass sich Ökozonen pro Grad Temperaturerhöhung um ca. 160
Kilometer nach Norden verschieben. Zudem führt es zu einer Verlagerung in höhere
Regionen (was logischerweise in Flachland nur begrenzt möglich ist).
Solche Verschiebungen machen sich dort am deutlichsten bemerkbar, wo es Übergänge
zwischen Ökozonen gibt.
Sehr gefährdet sind daher weltweit die mediterranen Gebiete, weil dort die Vegetation schon
jetzt an ihre Grenzen stößt. Bei einer Temperaturerhöhung kann es dort dann zur Graslandoder Wüstenbildung kommen.
Eine wichtige Rolle nehmen auf dem Festland die Wälder ein. Diese kann man wie das Meer
als Kohlenstoffsenken bezeichnen. Das Kohlenstoffreservoir sämtlicher Waldgebiete der Erde
beträgt ungefähr 1000 Gt. Die tropischen Regenwälder sind dabei besonders erwähnenswert.
Obwohl die Tropenwälder nur etwa 7 bis 10% der kontinentalen Landmassen bedecken,
speichern sie zwischen 40 und 50% des gesamten organischen Kohlenstoffs.
Die Senkenfunktion auf dem afrikanischen Kontinent ist hierbei gewaltig: Die Wälder
nehmen in etwa genauso viel Kohlenstoffdioxid auf, wie durch die Abholzung freigesetzt
wird.
Wie bei den Rückkopplungsprozessen gezeigt, könnte aber eine zu starke Erwärmung auch
zur Umkehr der Senkenfunktion führen, das heißt, die Wälder würden zu Kohlenstoffquellen
werden.
Um zu verstehen, warum Wälder als Kohlenstoffsenken fungieren können, andere
Vegetationsarten jedoch nicht, muss an dieser Stelle der Unterschied zwischen sogenannten
C3- und C4- Pflanzen erklärt werden. Eine erhöhte CO2-Konzentration hat nämlich nicht auf
alle Pflanzen die gleichen Auswirkungen. Die Pflanzen lassen sich grob in zwei Gruppen
einteilen, die C3- und die C4-Pflanzen, die sich geringfügig in der Art der Photosynthese
unterscheiden:
C3-Pflanzen:
C3-Pflanzen kommen überwiegend in feuchteren und kühleren Regionen vor. Zu ihnen zählen
alle Bäume, sowie z.B. Weizen, Reis und Kartoffeln. Ihren Namen verdanken sie der
Tatsache, dass sie bei der Photosynthese den Kohlenstoffdioxid zunächst in einer Verbindung
mit 3 Kohlenstoffatomen fixieren. Mit wachsender CO2-Konzentration in der Luft nimmt
ihre Photosyntheseleistung zu.
C4-Pflanzen:
C4-Pflanzen sind in heißeren Regionen anzufinden. Zu ihnen gehören unter Anderem viele
tropische Gräser, Zuckerrohr und Mais. Im Gegensatz zu den C3-Pflanzen entsteht bei der
Kohlenstofffixierung eine Verbindung mit 4 C-Atomen. C4-Pflanzen können ihre Zellen mit
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einer erhöhten CO2-Konzentration anreichern, so dass sie unter normalen Bedingungen eine
höhere Photosyntheserate als C3-Pflanzen aufweisen. Eine Erhöhung der KohlendioxidKonzentration der Luft hat nur eine geringe Wirkung.
Abbildung 18: Abhängigkeit der Photosyntheserate von der CO2-Konzentration in der
Luft bei C3- und C4-Pflanzen. Der CO2-Gehalt der Atmosphäre liegt im Moment bei
rund 0,03 - 0,04 Vol.-%
18
5.3 Baumsterben durch den Klimawandel
Interessant ist es noch die auf den ersten Blick trivial erscheinenden Prozesse zu erwähnen,
die bei Temperatur- und CO2-Anstieg und Wassermangel zum Absterben von Wäldern führen
können.
Da Bäume C3-Pflanzen sind, bewirkt bei ihnen eine Kohlenstoffdioxidzunahme eine
Erhöhung der Photosyntheseleistung.
Um das notwendige Wasser und auch Mineralien vom Boden in die Blätter zu transportieren,
ist es notwendig, dass die Blattspaltöffnungen, die sogenannten Stomata, geöffnet sind. Nur
wenn durch diese Öffnungen Wasser verdunsten kann, wird der notwendige Druck aufgebaut,
damit Wasser durch das Leitungsgewebe (Xylem) über die Wurzeln nach oben zu den
Blättern nachgeführt werden kann. Zudem kann diese Transpiration bei höheren
Temperaturen auch zur Kühlung der Pflanze notwendig sein.
Auch zur Aufrechterhaltung der erhöhten Photosyntheserate müssen die Spaltöffnungen für
den Gasaustausch geöffnet sein. Das bedeutet nun, je höher die Photosyntheserate und die
Temperatur, desto höher wird die Sogwirkung für den Wassertransport im Baum.
Besonders Bäume in ariden Gebieten sind schon unter normalen Bedingungen am Maximum
dieser Sogwirkung für genügend Wassertransport angelangt. Eine weitere Erhöhung z.B.
durch CO2-Anstieg, kann zu einer sogenannten Xylem-Embolie führen. Dabei wird die
Sogwirkung zu stark und es können über feine Poren Luftbläschen in die Wasserleitungen
gelangen, welche dadurch verstopft werden. Als Folge kommt es zum Absterben des Baumes.
Abbildung 19 und 20: Wasserhaushalt eines Baumes (links) und Xylem-Embolie (rechts)
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Ein Institut in Potsdam hat zudem noch folgende Modelle erstellt, die den Vegetationsverlust
bei 2 bzw. 5 Grad Erwärmung darstellen. (siehe Abbildung 20)
Abbildung 21: Darstellung eines Modells zum Vegetationsrückgang bei 2 bzw. 5 Grad
Erwärmung
20
Quellen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Photosynthese
http://de.wikipedia.org/wiki/Versauerung_der_Meere
http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Biosph%C3%A4re_im_Klimasystem
http://www.eike-klima-energie.eu/uploads/media/Versauerung_der_Meere_01.pdf
http://www.dutchelmdisease.org/EXPERT/DED/CORE/00/01/E2.HTML
http://www.williswissensweb.homepage.t-online.de/Biologie/cytologie/18blattDateien/image004.jpg
Verschiedene Papers von Herrn Prof. Wolfgang Gebhardt
Seminarvortrag Biosphäre I, Buchner, im WS 09/10
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