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.
Kohlendioxid – ein farb- und geruchloses Gas
Kohlendioxid [1], auch Kohlenstoffdioxid genannt, ist eine chemische Verbindung, die aus einem Atom Kohlenstoff (Symbol C) und zwei Atomen Sauerstoff (Symbol O) besteht und daher die Strukturformel CO2 hat (Abb. 1). Es ist ein farb- und geruchloses und nicht brennbares Gas, das in unserer Atmosphäre natürlich vorkommt. Kohlendioxid (Abb. 1) darf nicht verwechselt werden mit Kohlenmonoxid.
Abb. 1: Carbon dioxide Structural Formula V1, Wikipedia Commons, gemeinfrei.
Abb. 2: CO2-Bläschen in einem Sektglas (Foto: Mikes-Photography/Pixabay)
CO2 wird vielfältig angewendet, zum Beispiel als Rohmaterial für chemische Synthesen, als Feuerlösch- oder Kältemittel, als Schutzgas und in der Lebensmittelverarbeitung. Als Trockeneis sorgt es für den Nebel, der bei Konzerten oder anderen Aufführungen über die Bühne wabert.
Getränke wie Limonade, Cola oder Sekt enthalten CO2, was man an den perlenden Gasbläschen erkennt (Abb. 2). Viele Menschen stellen sich ihr eigenes Mineralwasser her, in dem sie ihr Leitungswasser mit Kohlendioxid, das in kleinen Gasflaschen verkauft wird, versetzen. Wer einen Kuchen backt, nutzt ebenfalls CO2, denn sowohl Hefe als auch Backpulver entwickeln beim Verarbeiten Kohlendioxid-Bläschen, die für das Aufgehen des Teigs sorgen.
Zusammensetzung von Luft
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.
Kohlendioxid im menschlichen Stoffkreislauf
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.
Nur in sehr hohen Konzentrationen giftig
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]
Pflanzen benötigen Kohlendioxid zum Wachsen
Weiter oben in diesem Beitrag ist beschrieben, wie bei unserer Atmung Sauerstoff aufgenommen und Kohlendioxid ausgeschieden wird. Auch Pflanzen „atmen“, nur sie tun es andersherum. Unter Einfluss von Licht und Wasser verbrauchen sie Kohlendioxid, um Kohlenhydrate wie Zucker aufzubauen, von dem sie sich ernähren und den sie zum Wachsen benötigen. Dieser Vorgang wird Photosynthese genannt und die chemische Gleichung dazu ist Folgende:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
(Kohlendioxid und Wasser → Glucose + Sauerstoff)
Daher sind Wälder, aber auch alle anderen Pflanzen so wichtig für unser Klima. Sie speichern Kohlendioxid und produzieren den für uns lebensnotwendigen Sauerstoff. Geht eine Pflanze kaputt, wird sie über viele Zwischenstufen, an denen z. B. Insekten, Bakterien und andere Mikroorganismen beteiligt sind, zu Humus, CO2 und Wasser abgebaut.
Abb. 3. Regenwald in Thailand (Foto: Stéphane Bidouze / stock.adobe.com)
Erdgas, Erdöl und Kohle
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 in der Atmosphäre
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.
Kohlendioxid als Treibhausgas
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]
Was ist das Problem?
Das Problem besteht darin, dass wir seit Beginn der Industrialisierung, also seit etwa 250 Jahren, einen stetig steigenden Energiebedarf haben. Dieser wurde und wird noch heute im Wesentlichen durch die Verbrennung von Erdgas, Erdöl und Kohle gedeckt. Dabei entsteht wie oben erwähnt, Energie und als Abfallprodukte Wasser und Kohlendioxid.
Die Prozesse, die CO2 durch die Bildung von Erdgas, Erdöl oder Kohle gebunden haben, sind im Verlauf von Millionen von Jahren erfolgt. Aber die Freisetzung von CO2 durch die Verbrennung von Erdgas, Erdöl oder Kohle findet innerhalb von wenigen Jahrhunderten, also in einem geologisch gesehen sehr, sehr kurzem Zeitraum statt. Dadurch ist das natürliche Gleichgewicht von Entstehung und Verbrauch von CO2 in der Atmosphäre gestört und der CO2-Anteil in der Atmosphäre nimmt zu (Abb. 4).
Abb. 4. Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre (Monatsmittel) Graphik: Umweltbundesamt [5]
(Quellen: Umweltbundesamt (Schauinsland, Zugspitze), NOAA Global Monitoring Division and Scripps Institution of Oceanography (Mauna Loa, Hawaii), World Meteorological Organization, WDCGG (World Trend))
Anstieg der Kohlendioxid-Konzentration
Der Anstieg der Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre führt also zu einer Verstärkung des Treibhauseffekts und dies wiederum führt zum Anstieg der Temperatur unserer Erde. Und die Folgen der Erderwärmung, auch wenn sie „nur“ wenige Grad beträgt, sind für die ganze Menschheit dramatisch. Durch das Abschmelzen der riesigen Gletschervorkommen in den Polarregionen steigt der Meeresspiegel an. Dann werden Gebiete dauerhaft überflutet, auf denen im Moment Menschen leben oder Lebensmittel angebaut werden.
So droht der steigende Meeresspiegel ganze Inselstaaten im Pazifik zu überfluten und die Menschen aus ihrer angestammten Heimat zu vertreiben. An vielen Stellen der Welt werden extreme Wetterereignisse wie Überflutungen, Wirbelstürme oder Dürren heftiger und häufiger und verursachen große Schäden und viel menschliches Leid.
Selbst in Deutschland mit seinem gemäßigten Klima führt die Erderwärmung bereits zu mehr Hitzetagen und damit mehr hitzebedingten Todesfällen. Weniger Regen führt zu niedrigen Grundwasserständen, zu Wassermangel in einigen Gegenden Deutschlands und zu Ernteausfällen. Abb. 5 (Quelle: Umweltbundesamt) zeigt die Folgen der Erderwärmung in Deutschland.
Abb. 5 Folgen der Erderwärmung in Deutschland (Quelle: Umweltbundesamt) [6]
Pariser Klimaschutzabkommen
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]
Zum Titelbild
Abb. 6. Wärmestreifen (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)
Die Wärmestreifen nach Ed Hawkins [11] zeigen den Temperaturtrend mittels chronologisch geordneter Streifen, so dass das Problem, die globale Erwärmung, schnell erfassbar wird. Der hier gezeigten Version liegen Daten der NASA zugrunde, genauer gesagt die Abweichung der mittleren Oberflächentemperatur relativ zum Wert aus den Jahren 1951-1980.
Der Wärmestreifen zeigt die weltweiten jährlichen Durchschnittstemperaturen der Jahre 1880 bis 2019. Jeder Streifen steht für die Temperatur in Relation zu den Durchschnittstemperaturen zwischen 1951-1980. Dieser “Referenzwert” entspricht im Bild einem hellen Blau. Ist ein Streifen rötlicher, heißt das, das Jahr war im Durchschnitt wärmer; ist der Streifen in einem dunkleren Blau dargestellt, war das Jahr im Durchschnitt kälter. Im letzten Jahr, das in der Graphik dargestellt ist, also im Jahr 2019, wich die Durchschnittstemperatur um 0,98°C nach oben ab. Übertroffen wurde diese Abweichung im Jahr 2016 mit 1,02°C Abweichung nach oben.
Die Streifen zeigen anschaulich, dass wir schon jetzt massiv von der Norm abweichen. Die Klimakrise ist bereits heute deutlich sichtbar. Neunzehn der zwanzig wärmsten Jahre liegen zwischen 2001 und heute.
Die Erläuterung der Klimastreifen-Graphik wurde leicht gekürzt mit freundlicher Genehmigung übernommen von der Webseite von Scientists for Future, Regionalgruppe Köln-Bonn [12].
Dr. Karin J. Schmitz
Leiterin GDCh-Öffentlichkeitsarbeit
Quellen
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]
[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
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