MINT lernen

AbituraufgabenDer Kohlenstoffkreislauf

Eine Messkurve vom Gipfel eines Vulkans, Schnecken mit schwindender Schale — und die Frage, ob Bäume pflanzen allein genügt.

Dein Fortschritt:
0 / 0 Aufgaben
1

Die Keeling-Kurve

AFB I–III

Seit 1958 wird auf dem Vulkan Mauna Loa (Hawaii, Nordhalbkugel) in 3 400 m Höhe fern von Städten und Wäldern der CO₂-Gehalt der Luft gemessen. M1 zeigt Jahresmittelwerte, M2 die Monatsmittel eines Jahres, M3 weitere Angaben.

M1CO₂-Gehalt der Luft am Mauna Loa (Jahresmittel)
Jahr1960197019801990200020102020
CO₂ in ppm317326339354370390414
ppm: Teilchen pro Million Teilchen Luft; gerundete Messwerte (NOAA). Vorindustrieller Wert: etwa 280 ppm.
M2Monatsmittel am Mauna Loa im Jahr 2023
417 419 421 423 425 J F M A M J J A S O N D CO₂ in ppmMonat 2023
Gerundete Messwerte (NOAA). An der Station am Südpol schwankt der Wert im Jahresverlauf nur um etwa 1 ppm.
M3Umrechnung und Richtwerte

1 ppm CO₂ in der Atmosphäre entspricht etwa 2,13 Gt Kohlenstoff. Emissionen aus fossilen Brennstoffen, Zement und Landnutzung 2010–2019: im Mittel ≈ 11,2 Gt C pro Jahr. Ein junger, wachsender Wald in Mitteleuropa bindet netto etwa 3 t C pro Hektar und Jahr (Modellwert). Die gesamte Landfläche der Erde beträgt rund 13 Mrd. ha, davon sind etwa 4 Mrd. ha bewaldet.

  1. Beschreiben Sie die Entwicklung des CO₂-Gehalts in M1 und den Jahresgang in M2.
  2. Erklären Sie den Jahresgang in M2 und die viel kleinere Schwankung am Südpol.
  3. Berechnen Sie mithilfe von M1 und M3 die mittlere jährliche Zunahme des atmosphärischen Kohlenstoffs zwischen 2010 und 2020 in Gt C/a sowie ihren Anteil an den Emissionen.
  4. Ein Politiker sagt: „Wir pflanzen einfach genug Bäume — dann ist das CO₂-Problem gelöst.“ Beurteilen Sie diese Aussage mithilfe von M3.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Achten Sie in M1 darauf, ob die Zunahme pro Jahrzehnt gleich bleibt; nennen Sie in M2 Maximum, Minimum und Amplitude.
Hinweis zu Aufgabe b)
Wann betreiben die Pflanzen der Nordhalbkugel am meisten Fotosynthese, wann überwiegt die Zellatmung? Wo liegen die großen Landmassen?
Hinweis zu Aufgabe c)
Zunahme in ppm pro Jahr mit 2,13 Gt C/ppm multiplizieren und durch die Emissionen teilen.
Hinweis zu Aufgabe d)
Berechnen Sie die Fläche, die nötig wäre, und bedenken Sie, wie lange ein Wald wächst.Beurteilen: Zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden formulieren und begründen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

M1: Der CO₂-Gehalt steigt von 317 ppm (1960) auf 414 ppm (2020), also um fast ein Drittel; er liegt damit rund 48 % über dem vorindustriellen Wert von 280 ppm. Die Zunahme beschleunigt sich: 1960–1970 etwa 9 ppm pro Jahrzehnt, 2010–2020 etwa 24 ppm. M2: Innerhalb des Jahres 2023 schwankt der Wert um etwa 5,5 ppm. Er steigt von 419,5 ppm im Januar auf ein Maximum von etwa 424 ppm im Mai, fällt bis zum Minimum von etwa 418,5 ppm im September und steigt dann wieder an. Der Dezemberwert liegt über dem Januarwert.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Von Mai bis September betreiben die Pflanzen der Nordhalbkugel viel Fotosynthese; die Laubbäume sind belaubt, die Tage lang. Die Fotosynthese entzieht der Luft mehr CO₂, als Zellatmung von Pflanzen, Konsumenten und Destruenten freisetzt — der Gehalt sinkt. Im Herbst und Winter ist die Fotosynthese gering, während Destruenten Laub und Streu weiter abbauen; die Zellatmung überwiegt und der Gehalt steigt bis zum Frühjahr. Die großen Landflächen mit Vegetation liegen auf der Nordhalbkugel, deshalb prägt ihr Jahresgang die Messung am Mauna Loa. Auf der Südhalbkugel gibt es viel Meer und wenig Landvegetation, die Jahreszeiten sind zudem gegenüber dem Norden verschoben — die Schwankung am Südpol ist daher gering. Der Anstieg von Jahr zu Jahr ist dem Jahresgang überlagert.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Zunahme 2010–2020: \((414 - 390)\ \text{ppm} : 10\ \text{a} = 2{,}4\ \text{ppm/a}\). In Kohlenstoff: \(2{,}4 \cdot 2{,}13\ \text{Gt C} \approx 5{,}1\ \text{Gt C/a}\). Anteil an den Emissionen: \(5{,}1 : 11{,}2 \approx 0{,}46\), also rund 46 %. Knapp die Hälfte des freigesetzten Kohlenstoffs verbleibt in der Atmosphäre; der Rest wird von Ozean und Landvegetation aufgenommen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Rechnung: Um 11,2 Gt C/a = 11,2 · 10⁹ t C/a zu binden, bräuchte man bei 3 t C/(ha·a) etwa \(3{,}7 \cdot 10^9\) ha neuen, wachsenden Wald — fast so viel wie die gesamte heutige Waldfläche und mehr als ein Viertel der Landfläche der Erde. Diese Fläche wird für Landwirtschaft, Siedlungen und natürliche Ökosysteme gebraucht oder ist wie Wüsten und Eisflächen ungeeignet.

Zudem bindet ein Wald nur, solange er wächst; ein ausgewachsener Wald im Gleichgewicht nimmt netto kaum noch Kohlenstoff auf. Brände, Dürre, Schädlinge oder Rodung können den gespeicherten Kohlenstoff wieder freisetzen, und der Klimawandel selbst erhöht dieses Risiko. Die Emissionen aus fossilen Lagern stammen aus dem langfristigen Kreislauf; sie in den kurzfristigen Kreislauf zu verlagern, ist keine dauerhafte Lösung.

Urteil: Aufforstung ist ein sinnvoller Beitrag, reicht aber allein bei Weitem nicht aus; entscheidend ist, die Emissionen selbst zu verringern.

2

Flügelschnecken in saurem Wasser

AFB II–III

Die Meere haben seit Beginn der Industrialisierung etwa ein Viertel des vom Menschen freigesetzten CO₂ aufgenommen. Flügelschnecken sind wenige Millimeter große Meeresschnecken, die mit einer dünnen Kalkschale im Plankton schweben und Phytoplankton fressen. M4 zeigt den pH-Wert des Oberflächenwassers, M5 einen Laborversuch, M6 eine Nahrungskette im Nordpazifik.

M4pH-Wert des Oberflächenwassers der Ozeane
Zeitpunktmittlerer pH-Wert
um 18508,2
um 20208,1
2100, Szenario geringe Emissionen8,0
2100, Szenario hohe Emissionen7,7
Gerundet nach IPCC. Eine Abnahme um 0,1 pH-Einheiten bedeutet etwa 26 % mehr H⁺-Ionen.
M5Laborversuch mit Flügelschnecken

Flügelschnecken wurden 14 Tage in Meerwasser mit unterschiedlichem pH-Wert gehalten (Temperatur, Licht und Futter gleich); gemessen wurde die Veränderung der Schalenmasse.

pH-Wert des Wassers8,17,87,6
Veränderung der Schalenmasse+4 %−9 %−24 %
Modellwerte nach Laborstudien an Flügelschnecken.
M6Nahrungskette im Nordpazifik

Phytoplankton → Flügelschnecken → junge Buckellachse → ausgewachsene Lachse → Bären, Schwertwale, Menschen

Junge Buckellachse fressen zeitweise zu über der Hälfte Flügelschnecken; auch Heringe und Makrelen nutzen sie als Nahrung.

  1. Stellen Sie mithilfe von Reaktionsgleichungen dar, wie gelöstes CO₂ den pH-Wert und die Konzentration der Carbonat-Ionen im Meerwasser verändert.
  2. Werten Sie M5 im Zusammenhang mit M4 aus.
  3. Erläutern Sie mögliche Folgen der Ozeanversauerung für den Stofffluss in der Nahrungskette aus M6.
  4. In einem Leserbrief heißt es: „Mehr CO₂ ist für das Meer sogar gut — das Phytoplankton braucht es für die Fotosynthese, also werden die Nahrungsketten produktiver.“ Diskutieren Sie diese Aussage evidenzbasiert.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Beginnen Sie mit der Bildung von Kohlensäure; wohin wandern die entstehenden H⁺-Ionen?
Hinweis zu Aufgabe b)
Ordnen Sie die pH-Werte des Versuchs den Zeitpunkten und Szenarien in M4 zu.
Hinweis zu Aufgabe c)
Verfolgen Sie die Biomasse Stufe für Stufe — und denken Sie an Arten, die ausweichen müssten.
Hinweis zu Aufgabe d)
Nennen Sie Argumente dafür und dagegen und stützen Sie sich auf die Materialien und Ihr Wissen über Erwärmung und Schichtung.Diskutieren: Zu einer Problemstellung oder These Argumente (Pro und Contra) gegeneinander abwägen und zu einem begründeten Ergebnis kommen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\(\mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3}\) — gelöstes CO₂ bildet Kohlensäure. \(\mathrm{H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}\) — Kohlensäure gibt H⁺-Ionen ab, die H⁺-Konzentration steigt, der pH-Wert sinkt. \(\mathrm{H^+ + CO_3^{2-} \rightarrow HCO_3^-}\) — ein großer Teil der H⁺-Ionen reagiert mit Carbonat-Ionen zu Hydrogencarbonat. Insgesamt nehmen Hydrogencarbonat und H⁺ zu, die Konzentration der Carbonat-Ionen nimmt ab. Da Kalk (CaCO₃) aus Ca²⁺ und CO₃²⁻ gebildet wird, fällt Kalkbildung schwerer und vorhandener Kalk kann sich leichter auflösen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Bei pH 8,1, dem heutigen Wert, nimmt die Schalenmasse in 14 Tagen um 4 % zu; die Schnecken können Kalk aufbauen. Bei pH 7,8 nimmt sie um 9 % ab, bei pH 7,6 um 24 %: Je niedriger der pH-Wert, desto stärker löst sich die Schale auf, statt zu wachsen. Nach M4 liegt der für 2100 bei hohen Emissionen erwartete Wert von 7,7 zwischen den beiden sauren Versuchsbedingungen; Flügelschnecken würden dann voraussichtlich Schalenmasse verlieren. Bei geringen Emissionen (pH 8,0) wäre die Wirkung wahrscheinlich deutlich kleiner. Einschränkend: Laborversuch über nur 14 Tage mit Modellwerten; Anpassung über Generationen ist nicht berücksichtigt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Flügelschnecken mit geschwächter Schale müssen mehr Energie in den Schalenbau stecken, wachsen langsamer, sind anfälliger für Fressfeinde und können in größerer Zahl sterben. Damit gelangt weniger Biomasse von der Stufe der Flügelschnecken zu den jungen Buckellachsen, für die sie zeitweise die Hauptnahrung sind. Die Lachse wachsen schlechter oder müssen auf andere, eventuell energieärmere Beute ausweichen; weniger Lachse überleben. Der verringerte Stofffluss setzt sich bis zu Bären, Schwertwalen und zur Fischerei fort. Weil auch Heringe und Makrelen Flügelschnecken fressen, betrifft der Ausfall weitere Nahrungsketten des Netzes. Das Phytoplankton, das die Flügelschnecken sonst fressen, kann anderen Konsumenten zugutekommen — das Nahrungsnetz verändert sich.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Für die Aussage spricht: CO₂ ist Ausgangsstoff der Fotosynthese; manche Phytoplanktongruppen können bei höherer CO₂-Konzentration etwas schneller wachsen.

Dagegen spricht: Im Meer ist meist nicht CO₂, sondern die Versorgung mit Mineralstoffen wie Nitrat, Phosphat oder Eisen begrenzend. Die Erwärmung verstärkt die Schichtung des Wassers, sodass weniger nährstoffreiches Tiefenwasser an die Oberfläche gelangt; in weiten Teilen der Ozeane wird deshalb eher ein Rückgang der Primärproduktion erwartet. Kalkbildende Produzenten wie Kalkalgen und Konsumenten wie Flügelschnecken werden durch die Versauerung geschwächt (M5), wodurch Glieder der Nahrungskette ausfallen (M6). Mehr Biomasse an der Basis nützt nichts, wenn sie nicht über die Zwischenglieder zu den höheren Stufen fließt.

Ergebnis: Die Aussage greift zu kurz. Sie betrachtet nur einen Faktor und nur eine Trophiestufe; die Belege sprechen insgesamt für einen geringeren und veränderten Stofffluss zu den höheren Trophiestufen, auch wenn regionale Unterschiede und Unsicherheiten bestehen.