Abgas und Abgasreinigung

Abbildung oben links:

Das biologische Gleichgewicht zwischen der Kohlenstoffdioxidabgabe bei der Dissimilation der Menschen und Tiere und der Kohlenstoffdioxidaufnahme bei der Photosynthese der Pflanzen führte zu einer etwa gleichbleibenden CO₂-Konzentration in der Atmosphäre.
Pflanzen als autotrophe Lebewesen stellen ihre energieliefernden Nährstoffe selbst her. Sie nutzen die Sonnenenergie, um in dem endothermen Photosyntheseprozess aus Wasser und Kohlenstoffdioxid energiereiche Kohlenstoffverbindungen herzustellen, unter Abgabe von Sauerstoff an die Atmosphäre. Besonders in den Nachtstunden gewinnen sie die in den Brennstoffen gespeicherte Energie durch die Oxidation mit Hilfe des Luftsauerstoffs für ihre Stoffwechselvorgänge zurück. Pflanzen stellen jedoch deutlich mehr Kohlenwasserstoffverbindungen her, als sie zu ihrer eigenen Versorgung benötigen. Der Überschuss kommt den heterotrophen Lebewesen, den Menschen und Tieren zugute, die auf fertige, energiereiche Nährstoffe angewiesen sind. Im Prozess der Zellatmung werden die Nährstoffe, wie in der Pflanze selbst, wieder zur Energiegewinnung verbrannt.

Abbildung unten links:

Wir sind heute so daran gewöhnt, Kohlenstoffdioxid als „gefährliches Klimagas“ zu betrachten, dass wir fast vergessen, dass es sich dabei um ein ungiftiges Gas handelt, das nicht nur für den beschriebenen Kreislauf unverzichtbar ist. Man hat errechnet, dass unsere Erdoberfläche ohne Atmosphäre eine sehr ungemütliche Durchschnittstemperatur von –18 °C hätte. Die Erdoberfläche würde die eingestrahlte kurzwellige Sonnenenergie teilweise absorbieren, sich dabei aufheizen und längerwellige Wärmestrahlung abgeben. Das Gleichgewicht von Ein- und Abstrahlung würde sich bei der angegebenen, niedrigen Durchschnittstemperatur einpendeln. Selbst eine Atmosphäre aus Stickstoff und Sauerstoff, den Hauptbestandteilen unserer Luft, würde daran so gut wie nichts ändern, weil diese Gase die kurzwellige Strahlung nicht absorbieren.

Nun ist die CO₂-Konzentration der Erdatmosphäre in den letzten zwei Jahrhunderten, besonders aber den letzten Jahrzehnten, von 280 ppmv auf 381 ppmv (parts per million bezogen auf das Volumen) gestiegen (s. Abbildung oben rechts). Damit wird mehr Sonnenlicht absorbiert, die emittierte Wärmestrahlung heizt die Erde weiter auf. Da die CO₂-Konzentration weiterhin steigt, ist noch kein neuer Gleichgewichtszustand erreicht, die Jahresdurchschnittstemperaturen steigen weiterhin langsam, aber stetig an.

Die Abbildung Mitte rechts zeigt, welche Gase neben Kohlenstoffdioxid an diesem Vorgang beteiligt sind. Wenn wir heute von Treibhausgasen sprechen, meinen wir in der Regel nur die Gase, deren Konzentration in der Atmosphäre wir Menschen durch unsere Lebensweise in den letzten Jahrhunderten verändert haben und sprechen deshalb vom anthropogenen Treibhauseffekt.
Man sieht, dass Kohlenstoffdioxid mit über 50 % den Hauptanteil am Treibhauseffekt einnimmt. Das liegt jedoch nicht an der besonderen Wirksamkeit von CO₂ als Treibhausgas, sondern an seinem mengenmäßigen Vorkommen in der Atmosphäre. Methan ist ein mehr als zwanzig Mal wirksameres Treibhausgas als Kohlenstoffdioxid, kommt aber in viel geringerer Konzentration vor, Lachgas ist sogar etwa 300 mal wirksamer und Fluorchlorkohlenwasserstoffe ca. 14.000 mal. Diese Zahlen geben das Treibhauspotenzial an, d. h. die Erwärmungswirkung einer bestimmten Menge des Gases über einen bestimmten Zeitraum (meist 100 Jahre) im Vergleich zur gleichen Menge CO₂.

99,95 % des Kohlenstoffs sind also in der Erde im Sediment gespeichert [als Calciumcarbonat = Calcit, CaCO₃ oder Calciummagnesiumcarbonat = Dolomit, CaMg[CO₃]₂. Die Mengen an Kohlenstoffdioxid, die aus diesem Speicher z. B. als Folge von Vulkanausbrüchen zurück in die Atmosphäre gelangen, sind jedoch verschwindend gering.
Der Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre in Form von Kohlenstoffdioxid macht fast den geringsten Anteil aus. Dabei darf man aber nicht übersehen, dass bei einem CO₂-Gehalt der Luft von nur 0,037 Volumenprozent das Gleichgewicht schon durch absolute Kohlenstoffmengen erheblich gestört werden kann, die uns im Vergleich zum Kohlenstoffgehalt der Erde gering vorkommen. Außerdem belastet CO₂ als gasiger Stoff naturgemäß zuerst die Luft.
Ein nicht unerheblicher Teil des Kohlenstoffdioxids wird im Meerwasser gelöst, bzw. reagiert zu Kohlensäure und ihren Dissoziationsprodukten (siehe Kopiervorlage 27, Versuch 1b). Natürlich kann man diesen Versuch auch mit CO₂ aus der Druckgasflasche (abgemessen in Kolbenprobern) durchführen, wenn einem der Umweg über die Brausetablette zu weit hergeholt scheint. Andererseits hat man auf diese Weise für Schülerübungen problemlos gleich portionierte Mengen an CO₂, wenn man von der im Wesentlichen zutreffenden Annahme ausgeht, dass jede Brausetablette unter gleichen Bedingungen die gleiche Gasmenge produziert.
Die Kohlenstoffbindung des Meerwassers hat sogar mit der steigenden CO₂-Belastung der Luft zugenommen, sodass der CO₂-Konzentrationsanstieg in der Atmosphäre geringer ist, als bei der vermehrten Emission zu erwarten wäre. Dazu trägt auch die durch die höhere CO₂-Konzentration verstärkte Assimilation der Pflanzen bei (erhöhte Photosyntheserate). Dennoch spricht die Mauna-Loa-Kurve eine deutliche Sprache.