Labile gleichgewichte

Der Kohlendioxid - Zyklus Die Temperatur der Erdoberfläche wird durch das Gleichgewicht der von der Sonne eingestrahlten und der von der Erde wieder abgestrahlten Energie bestimmt. Bei fehlender Atmosphäre oder bei Abwesendheit von Kohlendioxid und auch Wasserdampf wäre die Durchschnittstemperatur auf der Erde bei etwa -20 °C. Flüssiges Wasser gäbe es also nicht. Während die auf der Erde eingestrahlte Sonnenenergie vor allem im Bereich des sichtbaren Lichtes liegt, strahlt die Erde vor allem Energie der langwelligeren Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) ab. Molekularer Stickstoff (N2) und molekularer Sauerstoff (O2), die Hauptkomponenten unserer Atmosphäre, können die von der Erde reflektierte Infrarotstrahlung nicht aufhalten und damit als Wärme im Erdnahen Bereich halten. Kohlendioxid und Wasserdampf ist das aber möglich. Diese Luftbestandteile fangen die abgestrahlte Energie zum Teil wieder ein und strahlen sie auf die Erde zurück, so dass die zur Erwärmung der Erdatmosphäre vorhandene Energie vermehrt wird. Als Vergleich dient die Wirkung eines Glashauses, wo die Glasscheiben auch einen Teil der zurückgestrahlten Energie auffangen. Daher stammt auch die Bezeichnung "natürlicher Glashaus" - oder "Treibhauseffekt".
Kohlendioxid ist auch ein wichtiges Element im Lebenskreislauf der Pflanzen. Es versorgt diese mit Kohlenstoff. Unter dem Einfluss von Sonnenlicht zerlegen die Pflanzen den Kohlendioxid in Kohlenstoff und molekularen Sauerstoff. Sie nehmen den atomaren Kohlenstoff selbst auf und geben den Sauerstoff an die umgebende Luft ab. Der Kohlenstoff gelangt über die Pflanze in die Erde, wo er von Mikroorganismen durch Verbindung mit molekularem Sauerstoff wieder als Kohlendioxid freigesetzt wird.
Kohlenstoff - und Sauerstoffmengen befinden sich also in einem Gleichgewicht. Pflanzen erzeugen keinen Sauerstoff sondern halten den Kreislauf bei gleich bleibenden Mengen einfach in Gang.
Der Sauerstoff unserer Atmosphäre stammt ursprünglich aus der Spaltung von Wasser, der Kohlenstoff wurde dem Kreislauf in den früheren Epochen als fossile Ablagerung entzogen. Durch starke Nutzung dieser Kohlenstoffreserven wie Erdöl und Kohle, kann der Mensch heute die in Umlauf befindliche Menge an Kohlendioxid erhöhen und so das künftige Temperaturgleichgewicht der Erde stark beeinflussen. [11]




Chapman Reaktionen (Ozon-Zyklus)
1929 / 1930 veröffentlichte S. Chapman die Theorie der Bildung von Ozon und seines Abbaus. Die Reaktionen haben bis heute Gültigkeit und werden als ,Chapman-Zyklus\' oder \'Chapman-Reaktionen\' bezeichnet. [28]

Während sich die Kreisläufe von Wasser und Kohlenstoff im erdnahen Bereich abspielen, geht der Ozonkreislauf in der Stratosphäre vor sich, die 90 % der gesamten Ozonmenge enthält. Dort ist es eines der bedeutendsten Spurengase unserer Lufthülle. Leben und Klima sind davon abhängig. Während das schützende, "gute" Ozon in der Stratosphäre ständig abnimmt, nimmt in Bodennähe das schädliche, "böse" Ozon ständig zu. Die Zunahme des Ozons in Bodennähe lässt sich auf menschliche Ursachen zurückführen. Vor allem auf der Industrieintensiven Nordhalbkugel unserer Erde ist die Ozonbelastung der unteren Luftschichten höher als auf der Südhalbkugel. Das vermehrte Ozon in der Troposphäre könnte nie das fehlende Ozon in der Stratosphäre ausgleichen. Durch Austauschvorgänge kann das troposphärische Ozon nicht in die Stratosphäre transportiert werden, um dort zu "gutem" Ozon zu werden. Dazu ist das Ozon viel zu kurzlebig und zu reaktionsfreudig.
Das Ozongleichgewicht selbst unterliegt einem andauernden Wechsel von Spaltung und Rückbildung. Durch UV-B-Strahlung bei Wellenlängen unter 320 nm erfolgt die Spaltung. Es bricht die Bindung des Ozonmoleküls, das in molekularen (O2) und atomaren Sauerstoff zerfällt (O). Die UV-B- Strahlung wird bei dieser Reaktion in Wärme umgewandelt die an die Umgebung abgegeben wird. Die durchschnittliche Lebensdauer eines Ozonmoleküls bis zur 9. Spaltung durch UV-B beträgt weniger als 1 Stunde. Der atomare Sauerstoff hat eine sehr kurze Lebensdauer und ist so reaktionsfreudig, dass er sich sofort mit dem nächsten Sauerstoffmolekül wieder zu Ozon verbindet.