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

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:

$\mathrm {6\ CO_{2}+12\ H_{2}O+Energie\longrightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6\ O_{2}+6\ H_{2}O}$

Kopplung des C-, H- und O-Kreislaufs im Stoffwechsel Photosynthese betreibender Pflanzen (Sauerstoff ist dabei zunächst einmal „Abfallprodukt“ der Photolyse des Wassers)

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:

$\mathrm {2\ H_{2}O+Energie\longrightarrow 4\ H+O_{2}}$
$\mathrm {2\ N_{2}O+Energie\longrightarrow 4\ N+O_{2}}$

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):

$\mathrm {4\ FeO+O_{2}\longrightarrow 2\ Fe_{2}O_{3}}$

Kapazitäten und Flüsse

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

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: $\mathrm {O_{2}+(Strahlung<240nm)\longrightarrow 2O}$
$\mathrm {O+O_{2}\longrightarrow O_{3}}$

Literatur

P. Cloud, A. Gibor: The oxygen cycle. In: Scientific American. September 1970, S. 110–123.
J. Fasullo: Substitute Lectures for ATOC 3600: Principles of Climate, Lectures on the global oxygen cycle.
R. M. Morris: OXYSPHERE - A Beginners' Guide to the Biogeochemical Cycling of Atmospheric Oxygen. (Memento vom 15. April 2009 im Internet Archive)

Weblinks

Commons: Sauerstoffkreislauf – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Literatur von und über Sauerstoffkreislauf im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek

Einzelnachweise

↑ Sauerstoffkreislauf. GeWeb.de, abgerufen am 30. Dezember 2012.
↑ Steve Nadis: The Cells That Rule the Seas. (Memento vom 12. Oktober 2007 im Internet Archive) In: Scientific American. Nov. 2003. (englisch)
↑ J. C. G. Walker: The oxygen cycle in the natural environment and the biogeochemical cycles. Springer-Verlag, Berlin 1980.

[geweb-1] Sauerstoffkreislauf. GeWeb.de, abgerufen am 30. Dezember 2012.

[2] Steve Nadis: The Cells That Rule the Seas. (Memento vom 12. Oktober 2007 im Internet Archive) In: Scientific American. Nov. 2003. (englisch)

[3] J. C. G. Walker: The oxygen cycle in the natural environment and the biogeochemical cycles. Springer-Verlag, Berlin 1980.

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