29

Stoffkreisläufe (Subject) / Kohlenstoff (Lesson)

This lesson was created by whiskeyaiz.

Learn lesson

back  |  next 1 / 1

• GP1: Nennen Sie die beiden stabilen Kohlenstoffisotope und deren ungefähren Anteil am terrestrischen C-Vorrat. Die beiden häufigsten Isotope sind 12C (98,9% Isotopenverhältnis) und 13C(1,1% Isotopenverhältnis)
• GP2: Beschreiben Sie einige physikalische und chemische Eigenschaften von Graphit. Was versteht man unter „Graphen“? Im kristallinen Graphit liegen parallel verlaufende ebene Schichten, die „Basalebenen“oder „Graphen-Schichten“, vor. Eine Schicht besteht aus kovalent verknüpftenSechsecken, deren Kohlenstoff-Atome sp2-hybridisiert sind. Innerhalb dieser Ebenen beträgtdie Bindungsenergie zwischen den Kohlenstoff-Atomen 4,3 Elektronenvolt, zwischenihnen dagegen lediglich 0,07 Elektronenvolt. Aus dieser extremen Richtungsabhängigkeitder Bindungskräfte resultiert eine deutliche Anisotropie der mechanischen, elektrischenund thermischen Eigenschaften des Graphits:- leichte Spaltbarkeit des reinen Graphits entlang der Basalebenen, deutlich höhereFestigkeit entlang der Kristallschichten;- thermische und elektrische Isolation orthogonal zu den Basalebenen gegenüber einerfast metallischen Leitfähigkeit entlang der Ebenen.
• GP3: Wie ist die chemische Stabilität des elementaren Kohlenstoffs (z.B. Diamant) unter den Bedingungen der Erdoberfläche? In welcher Form würde Kohlenstoff unter Gleichgewichtsbedingungen durchweg vorliegen? Diamant ist teilweise stabil. Er führt die Mohs’sche Härteskala an, ist also gegenmechanische Belastung gerüstet. Allerdings oxidiert der Kohlenstoff des Kristallgitters beigeringer Hitze teilweise, bei starker Hitze vollkommen. Kohlenstoffdioxid ist unter den aktuellen Bedingungen der Atmosphäre diestabilste Form.
• GP4: Was versteht man unter Kerogen. Beschreiben Sie die kurz, wie es entsteht. Als Kerogen bezeichnet man organisches Material, dass im Ozean abgesunkenist, und sich durch hohe Drücke diagenetisch verfestigt hat. Kerogene sind hochmolekularund daher meistens unlöslich. Sie bilden den Ausgangsstoff bei der Bildung von Erdgasund Erdöl.
• GP5: Die ehemalige Ölschiefergrube Messel bei Darmstadt ist in ihrem Fossilreichtum global einzigartig. Beschreiben Sie kurz die dortige Ölschierferentstehung auch im Zusammenhang mit dem guten Erhaltungszustand der Fossilien. In welchem Erdzeitalter sind die Sedimente entstanden? Giftige Gase und steile Ufer haben zu schnellem Tod der saufenden Tierweltgeführt und eine weltweit einmalige Fossilfülle mit der imWasser herrschenden Anaerobiehervorragenden Erhaltungszustand gebracht. Die Grube Messel war ein Maarsee, der im Tertiär verlandete. Um diese Zeitbegann die Entstehung der dortigen Fossilien.
• GP6: Beschreiben Sie kurz am Beispiel des Schwarzen Meeres wie unter bestimmten Bedingungen organischer Kohlenstoff in marinen Sedimenten sequestriert werden kann. Ein gutes Beispiel bietet das Schwarze Meer. Es ist sehr tief (< -2 000 m), waszu einem sehr eingeschränkten Austausch mit anderen Meeren führt. Frisches organischesMaterial wird aber durch die hohen Temperaturen an der Oberfläche und der damitverbundenen biologischen Aktivität geliefert. Abgestorbenes organisches Material sinktzu Boden und wird dort (nach Verbrauch alternativer Elektronenaktzeptoren) nicht mehrmineralisiert, da es in solchen Tiefen keinen Sauerstoff mehr gibt.
• GP7: Beschreiben Sie die Enstehung von Erdgas und Erdöl aus Kerogen. Welche Vorraussetzungen sind nötig, dass sich abbauwürdige Vorkommen bilden? Zur Entstehung: „Erdöl entsteht aus abgestorbenen Meeresorganismen wie Algen.Sie wurden in der Zeit zwischen 400 bis 100 Millionen Jahre vor heute auf demMeeresgrund abgelagert. Herrschen in der betreffenden Meeresregion sauerstoffarme Bedingungen nahe dem Meeresgrund, so bilden sich dabei mächtige Sedimentfolgen mit hohem Anteil biogenen Materials. Die Abwesenheit von Sauerstoff in dieser Ablagerungsumgebung verhindert die vollständige Zersetzung der Biomasse, ein Faulschlamm entsteht. Im Laufe von Jahrmillionen wird dieser durch Überdeckung mit weiteren Sedimenten hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen werden die in der Biomasse enthaltenen wasserunlöslichen, langkettigen Kohlenwasserstoffe, die sogenannten Kerogene, in kurzkettige gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffketten aufgespalten, ein Prozess, der in der Industrie auch als Cracken bekannt ist. Die nötigen Drücke und Temperaturen herrschen in einer Tiefe von -2 000 bis -5 000 m vor.Bei höheren Drücke und Temperaturen entsteht Methan. Diese flüssigen Verbindungenmüssen aus dem Muttergestein gepresst werden, um in ausreichender Konzentration undExtrahierbarkeit vorzuliegen. Außerdem muss diese Lage abgedichtet sein (z.B. durcheine Aufwölbung, Diskordanz oder Verwerfung), damit die Stoffe von Interesse nichtverlorengehen.
• GP8: Rote Bändereisenerze sind wichtige Zeugen der frühen, präkambrischen Erdatmosphäre. Erläutern Sie kurz die Bedingungen ihrer Entstehung. Gehen Sie dabei auch auf die chemische Verwitterung an Land ein („Bodenchemie“ im Präkambrium). Zum Zeitpunkt dieser sehr alten Gesteine (vor 3,8*10^9a) gab es nur sehr wenigSauerstoff in der Atmosphäre. In den Ozeanen existierten aber bereits große Mengenan gelöstem, zweiwertigem Eisen. Dieses reagierte mit Sauerstoff und es bildeten sichEisenoxide (2 FeII + 3O <---> Fe2O3), welche ausfielen.Wichtig dabei ist, dass Eisen nur unter anaeroben Bedingungen ins Meer gewaschenwerden kann. Die anaerobe Atmosphäre im Präkambrium ermöglichte dies.
• GP10: Setzen Sie sich kritisch mit der Aussage auseinander: „96 % des anthropogen freigesetzten CO2 wird durch die Ozeane gebunden. Das Gerede vom anthropogen ausgelösten Klimawandel ist daher Panikmache.“ Eine Aufnahme von 96% findet nur bei Vorhandensein von Calcit statt. Außerdemstehen die Ozeane in einem Lösungsgleichgewicht, dass sich innerhalb sehr langerZeiträume (Jahrhunderte bis Jahrtausende) einstellt. Die Aufnahme von CO2 ist räumlichnicht gleichmäßig verteilt, sondern an den Orten der stärksten Emissionen konzentriert.Bis eine Durchmischung innerhalb der Ozeane zustande kommt, dauerst es ebenfalls rechtlange.
• GP11: Unter welchen Bedingungen fallen Carbonatgesteine als chemisches Sediment aus? Hohe CO2-Partialdrücke, sowie bestimmte Temperaturen und Mengen an Calciumsind nötig, um eine übersättigte Lösung entstehen zu lassen, aus denen dann gebankteKalke ausfallen.
• Advertisement
• GP13: Erläutern Sie kurz die chemischen Vorgänge und ihren biologischen Hintergrund bei der Entstehung von Steinkorallen-Riffen In warmen, Ca2+-reichen Gewässern entnehmen bestimmte Cyanobakterien inVergesellschaftung mit Algen CO2 zur Photosynthese aus dem Wasser. Dies führt dazu,dass weniger Kohlensäure im Wasser vorhanden ist. Dies wiederum führt zum Ausfallenvon Calciumcarbonat.
• GP14: Unter welchen Bedingungen kommt es in (semi)terrrestrischen Ökosystemen zu einem Mißverhältnis zwischen Humifizierung und Mineralisierung mit der Folge einer starken Anreicherung von organischer Substanz? Denken Sie an Moortypen und Humusformen. Unter welchen Bedingungen verläuft diese Anreicherung besonders schnell? Zu geringe Temperaturen, ungünstiger pH-Bereich, Stickstoffarmut (Stichwort:C/N-Verhältnis) und Sauerstoffarmut wirken sich negativ auf das Bodenleben aus undstellen so Mineralisationshemmnisse dar. Unter den Bedingungen, die ein subtropisches Niedermoor (Everglades, Mississippi-Delta) ausmachen (vor allem höhere Temperaturen), vollzieht sich der Biomasseumsatzbesonders schnell.
• GP15: Wo entstehen Torfe, Braunkohlen und Steinkohlen? Wie stehen diese Stoffe miteinander in Beziehung? Hauptsächlich in Niedermooren. Torf entsteht dort infolge von starker Humifizierung.Die Torf-Lage wächst, falls der Wasserspiegel (nicht zu schnell) ansteigt odersich der Niedermoorhorizont absenkt. Steigt der Wasserspiegel zu schnell an, so kommtes oft zur Sedimentüberschüttung.Eine solche Überdeckung kann dazu führen, dass der Torf in Braunkohle übergeht, welchekaum noch Wasser und Sauerstoff enthält. Wenn sich Sedimentablagerung von mehrerenhundert Metern bilden, wird der Druck groß genug, um Steinkohle hervorzubringen.Einen Zusammenhang gibt es also dadurch, dass Steinkohle aus Braunkohle und dieseaus Torf entsteht. Je tiefer der Boden umso weniger Wasser und Sauerstoff enthaltendiese Ablagerungen.
• GP16: Unter welchen geologischen Bedingungen kann aus einem niedermoor-artigen Ökosystem ein abbauwürdiges Kohlenflöz entstehen? Beispielsweise eignet sich die Ruhrkohle sehr gut für einen Abbau. Währenddes Karbon hat sich dort eine 3,9 km dicke Sedimentfolge gebildet, in der viele Flöze (mitMächtigkeit >1 m) gebildet.
• GP17: Es gibt ein jüngeres und zwei ältere Erdzeitalter, in denen global großflächig semi terrestrische organische Sedimente abgelagert wurden. Welche Erdzeitalter sind das, wie unterscheiden sich die Sedimente. Wo in Deutschland haben, bzw. hatten diese Sedimente als Energieträger große wirtschaftliche Bedeutung? Das Karbon, Perm und Tertiär. Je nach alter hat man es mit Torf, Braunkohleoder Steinkohle (später auch Anthrazit) zu tun. Wassergehalt und flüchtige Bestandteilenehmen mit dem Alter ab, Kohlenstoffgehalt, Aschegehalt und Heizwert nehmen zu. [ Im Ruhrgebiet.
• GP18: Erläutern Sie den Prozess der Inkohlung. Der Prozess der Inkohlung ist die diagenetische Umbildung organischer Rückstände(Streu von Sumpf- und Moorpflanzen) in Kohle.Schritt1: Verforfung als biochemischer Vorgang unter Beteilgung von Mikroorganismen(Humifizierung)Schritt 2: Metamorphe Umbildung durch Druck und Temperatur. Der Torf wird überdecktund dem Druck darüberliegender Schichten ausgesetzt. Dabei wird Wasserausgepresst, flüchtige Bestandteile entweichen (Wasserstoff und Sauerstoff nehmenab), der Kohlenstoffanteil und der Heizwert steigen. Frühe Inkohlungsstadien nenntman Braukohle, spätere Stadien Steinkohle. Die hochwertigste Kohle ist der Anthrazit.Weitere metamorphe Umbildung kann zu Graphitlagerstätten führen. Braunkohle, englisch „Lignite“ ist meist tertiären Ursprungs, Steinkohle meist permischoder karbonisch. Im Zuge der Inkohlung nimmt die Häufigkeit kondensierter sp2- Schichten zu, seitlicheH und O werden weniger, das System nähert sich auf diese Weise dem Graphit an, durchFremdstoffe wie Salze oder Schwefel bleibt dies jedoch unvollständig.
• Methan1: Erläutern Sie, unter welchen Bedingungen Böden zu Methanquellen werden können. Eine schlechte Belüftung, sowie die oft damit einhergehende Nässe (Stichwort:Nassreisanbau), können dazu führen, dass Mikroorganismen zur Methanogenese (organischeSubstanze als Elektronenaktzeptor) übergehen.
• Methan2: Erklären Sie die Begriffe „low-affinitiy“ und „high-affinity methanotrophic bacteria“. Wo treten diese Gruppen in Bodenumgebungen auf, welchen (qualitativen) Beitrag leisten sie bei der Neutralisierung klimaschädlicher Methanemissionen? Bakterien der Kategorie low affinity (hohe [Methan-]Affinität) brauchen verhältnismäßighohe Konzentrationen an Methan (40 ppm), um zur Methanotrophie übergehenzu können. Jene mit high affinity können bereits vom Methan aus der Atmosphäre(1,5 ppm) leben. Low-affinity-Bakterien finden sich in verdichteten Bodenbereichen oder -horizonten(Fahrspuren, hydromorphe Böden), in der Nähe von Wurzeln, bei denen starkeSauerstoffarmut herrscht, oder auch defekten Gasleitungen. Diese Bakterien verarmenrund 80% des auf Reisfeldern produzierten Methans.High-Affinity-Bakterien gehören unbekannten Spezies an. Sie sind anscheinend ubiquitär.
• M2: Was versteht man unter CCS? Nennen Sie einige problematische Aspekte a) im Hinblick auf die Energieeffizienz b) im Hinblick auf Umweltrisiken Der Ausdruck Carbon Capture and Storage (CCS) beschreibt eine technische Möglichkeit,Kohlenstoffdioxid, das in Kraftwerken (oder auch Bergwerken) frei wird, durch Bohrungenin tiefe Erdschichten einzulagern und somit der Atmosphäre zu entziehen. Eine solche Abscheidung von CO2 würde aber die Energieausbeute des entsprechendenKraftwerkes verringern und wäre daher aus Sicht der Energieeffizienz problematisch.Außerdem muss zunächst Energie und Material aufgewendet werden, um Lagerstättenverfügbar zu machen. Die Umweltrisiken entwickeln sich durch ähnliche Gründe, wie bei der Lagerung vonverstrahltem Material aus der Kernindustrie. Es ist schwer, über die Zeiträume, die dasKohlenstoffdioxid lagern müsste, sicherzustellen, dass es nicht wieder entweicht. Außerdemkönnen sich die hydrologischen Bedingungen und Lagerungsprozesse im Untergrundstark ändern, was für das Grundwasser zum Problem werden kann. Jede Bohrung birgtdazu Risiken, wie sie bei der Hebung von Staufen sichtbar wurden.
• M3: Grundsätzlich gibt es zwei Angriffspunkte, um die Speicherung von organischem Kohlenstoff in Böden zu erhöhen. Bitte geben Sie für jeden dieser Angriffspunkte zwei Beispiele. Erhöhung der Kolhenstoffzufuhr durch Erhöhung der NPP, wiederum durch verstärkteDüngung oder Erwärmung des Bodens (Steigerung der Reaktivität vielerchemischer Verbindungen und der Aktivität des Bodenlebens). Zwischenfruchtanbauund Gründüngung können die NPP ebenfalls ankurbeln. Verringerter Entzug oder verringerte Mineralisation durch Stabilisierung desBodenkohlenstoffs wiederum durch physikalische Abschirmung oder verringerte Belüftung.
• M4: Erläutern Sie 4 Eingriffsmöglichkeiten, wie Sie bei landwirtschaftlicher Bodennutzung die Mineralisation von organischer Substanz verringern können. Stabilisation von Bodenkohlenstoff Diese Möglichkeit zielt darauf ab, Umsatzprozessevon Kohlenstoff zu verringern. Beispielsweise begünstigt eine hohe Regenwurmaktivitätdie Humufizierung als Konkurrenz zur Mineralisation. Verringerte Bodenbearbeitung soll dazu führen, dass Biomasse weniger stark umgesetztwird und somit im Boden eingelagert wird. Vergraben und Verteilen von SOM. Einarbeiten von Biomasse in den Boden durchPflügen oder tiefe Durchwurzelung. So ist das Material nicht mehrfür die Mineralisation verfügbar, die sie hauptsächlich oberflächennah abspielt. Beeinflussung der Streuqualität Ein ungünstiges C/N-Verhältnis ist ein Mineralisationshemmnis.
• M5: Warum führen tief wurzelnde Pflanzenarten meist zu einer nachhaltigen Erhöhung der Speicherung von organische Kohlenstoff? Sterben dieWurzeln ab, liegen sie oberflächenfern und können schlechter abgebaut werden(Sauerstoffmangel, weniger Bioturbation, etc.). Sie werden eher humifiziert, aber nichtmineralisiert. So bleiben sie als organisches Material erhalten.
• M6: Erklären Sie, wie es sein kann, dass durch eine Vergrößerung der Pflugtiefe, mittelfristig der Vorrat an organischem C im Boden erhöht wird. Durch Pflügen wird totes organisches Material in den Boden eingemischt. Umso tieferdies geschieht, umso schlechter ist dieses Material abbaubar.
• M8: Erläutern Sie drei CO2 Minderungseffekte der Erhöhung des Humusgehaltes im Boden bzw. die umgekehrten negativen Rückkopplungen (Teufelskreis).. ...
• M9: Landnutzungswandel ist für einen nicht unerheblichen Teil der anthropogenen CO2 Freisetzung verantwortlich. Gemäß der globalen Metastudie von Murty et al., welche Landnutzungsänderungen führen a) zu besonders hohen Freisetzungsraten b) zu moderaten Freisetzungsraten c) erhöhen die C-Speicherung. a) forest --> crop; pasture --> cropb) pasture --> secundary forest; pasture --> plantation; forest --> plantationc) crop --> plantation; crop --> secundary forest; crop --> pasture Bild
• M11: In den feuchten Tropen existieren durch menschliche Wirtschaft tiefgründig humose landwirtschaftliche Böden. Wie heißen diese Böden? Welche Art von biochemisch besonders stabilem organischen Kohlenstoff ist in diesen Böden angereichert? Gemeint sind Terra preta (do indio). Ein anthropogener Boden im südamerikanischenRaum, der durch pyrogenen Kohlenstoff geprägt ist.
• M12: Was versteht man unter „Biochar“? Welche CO2-Minderungeffekte bzw. Bodenverbesserungseffekte (erläutern Sie 4 solche Effekte) verbindet man mit dem Einsatz von Biochar bei der Bodennutzung? Pflanzenkohle (engl. biochar, früher auch Biokohle genannt) wird durch pyrolytischeVerkohlung rein pflanzlicher Ausgangsstoffe hergestellt. Es sind spezielle, zertifiziertePyrokohlen, die durch zusätzliche ökologisch nachhaltige Produktions-, Qualitäts- undEinsatzbedingungen charakterisiert sind. Pflanzenkohle wird in der Landwirtschaft alsBodenverbesserer und Trägerstoff für Düngemittel sowie als Hilfsstoff für die Kompostierungund Nährstofffixierung von Gülle eingesetzt. Kohlenstoff-negativ Bei der Herstellung von Biochar wird der Atmosphäre Kohlenstoffentzogen. Es kommt also zu einer Minderung der CO2-Konzentration in der Luft. Langfristige Kohlenstoffspeicherung im Boden durch pyrogenen Kohlenstoff, derHumus stabilisiert. Föderung des Bodenlebens und des Pflanzenwachstums würde dazu führen,dass tote Biomasse humifiziert wird (Stichwort: Regenwurmaktivität) und dasKohlenstoff als pflanzliche Biomasse gespeichert wird. Verbesserung der Wasserspeicherfähigkeit und anderer physikalisch/chemischerBodeneigenschaften, hauptsächlich durch pyrogenen Kohlenstoff.
• M13: Erläutern Sie 2 Risiken und 3 bisher unerforschte Fragen im Zusammenhang mit der Wirkung von Biochar auf den Boden Bodenverdichtung während der Ausbringung von Biochar. Dies könnte auch einGrund für die erhöhten Sterberaten von Regenwürmern bei starker Biochar-Düngung bedeuten.Kontaminationen durch PAKs (können Verbrennungsprodukte sein) und Schwermetallen.Dies stellt auch eine Gefahr für die Personen dar, die den Dünger ausbringen. Kohlenstoffspeicherkapazität von Böden für Biochar ist nicht bekannt.Auswirkungen auf den N2-Kreislauf sind bisher nicht gut erforscht. Es könnte zurvermehrten Entstehung beispielsweise von N2O kommen.Die KAK von Biochar ist bisher ebenfalls nicht erforscht.
• M14: Wie kann man sich die chemische Struktur von Biochar bei zunehmenden Prozesstemperaturen vorstellen? An welchen Substanz nähert sich die Struktur an? Die idealisierte Struktur von Biochar nimmt mit zunehmenden Temperaturen eine immerblättrigere Struktur an. Die Struktur ist bei niedrigen Temperaturen noch amorph, spätersteigt der Anteil an aromatischen Ringen. Die Struktur wird zunehmend graphitähnlich.

back  |  next 1 / 1