Kohlendioxid wird inzwischen meist in Verbindung mit dem Klimawandel und als Ursache für die menschenverursachte Erderwärmung genannt. Warum ist eine Verbindung, die natürlich vorkommt, so schädlich für das Klima und ist sie auch für uns und unseren Körper giftig? Das klären wir in diesem Beitrag. Das Titelbild dieses Beitrags, die sogenannten Wärmestreifen, werden am Ende dieser Seite erläutert.

Schauen wir uns zunächst einmal Luft an. Die normale Luft in unserer Umgebung enthält etwa 0.04 Volumen% CO₂. Die wichtigsten Bestandteile von Luft sind Stickstoff N₂ (ca. 78 Volumen%) und Sauerstoff O₂ (rund 21 Volumen%). Außerdem enthält die Luft das Edelgas Argon (ca. 0,9 Volumen%) und weitere Spurengase.

Kohlendioxid spielt eine wichtige Rolle im Stoffkreislauf, sowohl im globalen Stoffkreislauf als auch in unserem Körper. Im globalen Stoffkreislauf ist es ein wesentlicher Faktor der Erderwärmung. Dazu später mehr.

Wenn wir atmen, strömt Luft in unsere Lungen. Der darin enthaltene Sauerstoff wird in das Blut aufgenommen und in die Zellen unseres Körpers transportiert. Gleichzeitig geben die Zellen Kohlendioxid ab, das vom Blut in die Lunge transportiert und von uns ausgeatmet wird. In der von uns ausgeatmeten Luft ist rund 4% CO₂ enthalten und noch etwa 17% Sauerstoff. [2]

Das Kohlendioxid in unseren Zellen entsteht beim Stoffwechsel. Der eingeatmete Sauerstoff reagiert in verschiedenen chemischen Prozessen mit Bestandteilen der Nahrung, zum Beispiel Zucker, und dabei entsteht CO₂.

Vereinfacht lautet die chemische Reaktionsgleichung:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂  → 6 CO₂ + 6 H₂O

(Glucose + Sauerstoff  → Kohlendioxid und Wasser)

Bei diesem Prozess entsteht Energie, die unser Körper zum „Funktionieren“ benötigt, damit also unsere Organe und Muskeln arbeiten und unsere Stoffwechselprozesse ablaufen können.

CO₂ ist also ein natürlicher Bestandteil unseres Stoffwechselprozesses und in diesem nicht giftig. Höhere Konzentrationen von Kohlendioxid, zum Beispiel, wenn sich viele Menschen in einem schlecht gelüfteten Raum aufhalten, können unsere Konzentrationsfähigkeit beinträchtigen oder Kopfschmerzen verursachen. Dann hilft einfach frische Luft durch Öffnen der Fenster oder Verlassen des Raums.

Nur in sehr hohen Konzentrationen ist Kohlendioxid giftig, weil dann nicht mehr genug Sauerstoff durch den Körper transportiert wird. Gefährlich hohe Konzentrationen von CO₂ können zum Beispiel in Weinkellern, Futtersilos oder Jauchegruben entstehen, weil dort durch Gärprozesse hohe Mengen an Kohlenstoffdioxid entstehen können. Weil das Gas schwerer ist als Luft, sinkt es nach unten und es besteht die Gefahr des Erstickens. [3]

Auch Erdgas, Erdöl und Kohle, auch als fossile Rohstoffe bezeichnet, sind vor vielen Millionen von Jahren aus „Resten“ abgestorbener Lebewesen wie Algen oder Kleinstlebewesen entstanden. Unter besonderen Bedingungen, wie sehr hohen Drücken und Temperaturen sowie der Abwesenheit von Sauerstoff wurden diese Reste nur unvollständig abgebaut. Solche Bedingungen können im Verlauf von Jahrmillionen in sehr tiefen Schichten unter der Erde entstehen. [4] 

Wenn wir Erdgas, Erdöl oder Kohle „verbrennen“, weil wir damit heizen oder Strom erzeugen, entsteht CO₂ und Wasser. Die Reaktionsgleichung für die Verbrennung von Erdgas (dessen Hauptbestandteil ist Methan CH₄) lautet zum Beispiel

CH₄ + 2 O₂  →  CO₂ + 2 H₂O + Energie

Kohlendioxid ist also allgegenwärtig. Es ist, siehe oben, ein natürliches „Abfallprodukt“ der Atmung von Mensch und Tier und wird von Pflanzen zur Photosynthese benötigt. Warum ist CO₂ dann als schädliches „Klimagas“ in aller Munde und warum müssen wir alles tun, um den CO₂-Ausstoß drastisch zu reduzieren? Dazu schauen wir uns an, was Kohlendioxid in der Atmosphäre bewirkt.

Was macht CO₂ in der Atmosphäre? Vereinfacht beschrieben absorbiert Kohlendioxid Wärme, die von der Erde ins Weltall abgestrahlt wird und strahlt die Wärme auf die Erde zurück. Auch dieser sogenannte Treibhauseffekt ist ein natürliches Phänomen. Er ist dafür verantwortlich, dass wir auf der Erde moderate Temperaturen haben, bei denen wir Lebewesen existieren können. Weil allerdings der Anteil von CO₂ in der Atmosphäre seit Beginn der Industrialisierung stetig steigt, wird es auf der Erde immer wärmer.

Auch andere Gase, etwa Wasserdampf H₂O, Methan CH₄ und Lachgas N₂O tragen zum Treibhauseffekt bei.  Methan und Lachgas sind sogar stärker wirksam als Kohlendioxid, sie sind in der Atmosphäre aber in erheblich geringerer Konzentration vorhanden als CO₂. Auch die Konzentration dieser Gase steigt in der Atmoshpäre an. Zur Analytik von Methan in der Atmosphäre gibt es einen eigenen Beitrag in diesem Portal.

Tatsächlich spielt Wasserdampf beim natürlichen Treibhauseffekt die wichtigste Rolle. Beim anthropogenen Anteil, also der menschenverursachten Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts ist aber CO₂ der Hauptverursacher. Daher konzentriert sich die Berichterstattung meist auf Kohlendioxid. [13]

Es ist also dringend nötig, den CO₂-Ausstoß zu begrenzen, um eine Katastrophe für die Menschheit zu verhindern. Auf der Pariser Klimakonferenz im Dezember 2015 einigte sich die Staatengemeinschaft erstmals völkerrechtlich verbindlich darauf, die Erderwärmung auf deutlich unter 2 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Konkret wurde vereinbart, dass der weltweite Temperaturanstieg möglichst auf 1,5 Grad Celsius, auf jeden Fall aber auf deutlich unter zwei Grad Celsius im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter beschränkt werden soll, um die verheerendsten absehbaren Folgen des Klimawandels zu verhindern. [7, 8]

Im Moment sieht es allerdings nicht so aus, als ob das 1,5 Grad-Ziel noch erreicht werden kann. Der 6. Sachstandsbericht des Weltklimarats (Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)) von 2021 geht davon aus, dass die 1,5 Grad Erderwärmung (gegenüber dem vorindustriellen Zeitalter) wahrscheinlich schon Anfang der 2030er Jahre erreicht werden. [9] 

Weitere ausführliche Informationen zu den Wirkungen und Auswirkungen von CO₂ sind in der Broschüre Feuerlöscher oder Klimakiller? Kohlendioxid CO2 - Facetten eines Moleküls veröffenticht (GDCh, Dechema, VCI, DBG,  2010) [10]

[1] Kohlenstoffdioxid

[2] Deutsches Rotes Kreuz: Funktionen der Atmung

[3] Kohlenstoffdioxid: Physiologische Wirkungen und Gefahren

[4] Deutsches Erdölmuseum Wietze: Entstehung von Erdöl und Erdgas

[5] Umweltbundesamt: Atmosphärische Treibhausgas-Konzentrationen

[6] Umweltbundesamt https://www.umweltbundesamt.de/presse/downloads/infografiken

[7] Umweltbundesamt: Klimaschutzübereinkommen von Paris

[8] Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ): Klimaabkommen von Paris

[9] Umweltbundesamt: IPCC-Bericht: Klimawandel verläuft schneller und folgenschwerer

[10] Feuerlöscher oder Klimakiller? Kohlendioxid CO2- Facetten eines Moleküls (Broschüre von GDCh, Dechema, VCI, DBG, 2010) www.gdch.de/fileadmin/downloads/Publikationen/Weitere_Publikationen/PDF/co2.pdf

[11] Bildnachweis Klimastreifen: Ed Hawkins, climate scientist at University of Reading, 20181204 Warming stripes (global, WMO, 1850-2018) - Climate Lab Book (Ed Hawkins), CC BY-SA 4.0

[12] Scientists for Future, Regionalgruppe Köln-Bonn Was bedeutet unser Logo?

[13] Umweltbundesamt: Häufige Fragen zum Klimawandel (Treibhausgase und Treibhauseffekt)

Hinweis: Dieser Beitrag soll das Phänomen der Erderwärmung verständlich machen. Daher sind Vorgänge vereinfacht dargestellt. Eine exakte Beschreibung hätte den Rahmen des Beitrags gesprengt.

In der Reihe „Was ist eigentlich…“ stellen wir in leicht verständlicher Form chemische Substanzen vor, die jeder kennt oder fast jeder benutzt. Alle Beiträge der Reihe: https://faszinationchemie.de/chemie-ueberall