Sauerstoffkreislauf

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Sauerstoffkreislauf

Unter dem Begriff Sauerstoffkreislauf oder Sauerstoff-Zyklus versteht man den Transport und die Speicherung von Sauerstoff in der Erdatmosphäre, Biosphäre und Lithosphäre. Dieser Kreislauf ist ein biogeochemischer Kreislauf. Der wichtigste treibende Faktor des Sauerstoffkreislaufs ist die Photosynthese, die für die moderne Erdatmosphäre verantwortlich ist (siehe Große Sauerstoffkatastrophe). Der Sauerstoffkreislauf ist durch Oxidationen und Reduktionen mit den anderen Stoffkreisläufen verbunden.[1] Diese laufen mit vielen anderen Elementen wegen der hohen Reaktionsfreudigkeit des Sauerstoffs besonders rasch ab.

Speicher[Bearbeiten]

Der größte Sauerstoffspeicher der Erde ist in den Silikat- und Oxid-Mineralien der Erdkruste und des Erdmantels (99,5 %). Nur ein kleiner Teil wird als freier Sauerstoff in die Biosphäre (0,01 %) und die Atmosphäre (0,36 %) freigesetzt. Die Hauptquelle des atmosphärischen freien Sauerstoffs ist die Photosynthese, die freien Sauerstoff aus Wasser erzeugt:

\mathrm{6 \ CO_2 + 12 \ H_2O + Energie \longrightarrow C_6H_{12}O_6 + 6 \ O_2 + 6 \ H_2O}

Photosynthese betreibende (photoautotrophe) Organismen sind in erster Linie Pflanzen, vor allem die Landpflanzen und das Phytoplankton der Meere. Daneben existieren photoautotrophe Bakterien und Archaeen. Das winzige marine Cyanobakterium Prochlorococcus wird zum Beispiel für mehr als die Hälfte der Photosynthese des offenen Ozeans verantwortlich gemacht.[2] Es wurde erst 1986 entdeckt.

Eine zusätzliche Quelle für freien atmosphärischen Sauerstoff stellt die Photolyse dar, bei der eine hohe energiereiche Ultraviolett-Strahlung atmosphärisches Wasser und Distickstoffmonoxid in Atome bricht. Die freien H- und N-Atome (Radikale) reagieren in der Atmosphäre mit anderen Verbindungen, oder der Wasserstoff entweicht in den Weltraum:

\mathrm{2 \ H_2O + Energie \longrightarrow 4 \ H + O_2}
\mathrm{2 \ N_2O + Energie \longrightarrow 4 \ N + O_2}

Freier Sauerstoff kann aus der Atmosphäre verschwinden durch die Atmung und Verwesung, Mechanismen bei denen heterotrophe Organismen wie z.B. Tiere und Bakterien Sauerstoff verbrauchen und Kohlendioxid freisetzen.

Die Lithosphäre verbraucht auch freien Sauerstoff durch chemische Verwitterung und Oberflächenreaktionen. Ein Beispiel ist Bildung von Eisenoxid (Rost):

\mathrm{4 \ FeO + O_2 \longrightarrow 2 \ Fe_2O_3}

Kapazitäten und Flüsse[Bearbeiten]

Die folgenden Tabellen zeigen Schätzungen der Sauerstoffkreislauf-Speicher und Flüsse.[3]

Tabelle 1: Wichtige Reservoirs, die am Sauerstoffkreislauf beteiligt sind:

Speicher Kapazität Fluss
(kg O2 pro Jahr)
Verweilzeit
Atmosphäre 1.4 * 1018 30,000 * 1010 4,500
Biosphäre 1.6 * 1016 30,000 * 1010 50
Lithosphäre 2.9 * 1020 60 * 1010 500,000,000

Tabelle 2: Jährliche Gewinne und Verluste des Luftsauerstoffs (Einheiten von 1010 kg O2 pro Jahr):

Photosynthese (Land)
Photosynthese (Ozean)
Photolyse von N2O
Photolyse von H2O
16,500
13,500
1.3
0.03
insgesamt ~ 30,000
Verluste – Atmung und Verwesung
aerobe Atmung
mikrobielle Oxidation
Verbrennung von fossilen Brennstoffen (anthropogen)
photochemische Oxidation
Fixierung von N2 durch Blitzschlag
Fixierung von N2 durch Industrie
Oxidation von vulkanischen Gasen
23,000
5,100
1,200
600
12
10
5
Verluste – Verwitterung
chemische Verwitterung
Oberflächenreaktion von O3
50
12
insgesamt ~ 30,000

Ozon-Sauerstoff-Zyklus[Bearbeiten]

Hauptartikel: Ozon-Sauerstoff-Zyklus

Das Vorhandensein des Luftsauerstoffs hat zur Bildung von Ozon (O3) und der Ozonschicht in der Stratosphäre geführt. Die Ozonschicht ist sehr wichtig, da sie die schädliche UV-Strahlungen absorbiert: \mathrm{O_2 + (Strahlung < 240 nm) \longrightarrow 2O}
\mathrm{O + O_2 \longrightarrow O_3}

Literatur[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Sauerstoffkreislauf (Deutsch) GeWeb.de. Abgerufen am 30. Dezember 2012.
  2. Steve Nadis, Scientific American, Nov. 2003 The Cells That Rule the Seas (Englisch)
  3. Walker, J. C. G. (1980): The oxygen cycle in the natural environment and the biogeochemical cycles, Springer-Verlag, Berlin