Wissenschaft im Dialog

In den Nachrichten begegnet es uns im Zusammenhang mit dem Klimawandel, im Biologieunterricht haben wir es als wichtigen Bestandteil der Photosynthese kennenglernt. Es entsteht bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter Sauerstoffzufuhr und bei der Zellatmung, wenn Zuckermoleküle aufgespalten werden, um dadurch Energie zu gewinnen. Kohlenstoffdioxid, besser bekannt als Kohlendioxid, ist überall: gelöst im Wasser der Meere, in der Erdkruste und in der Atmosphäre. Aber wie kommt es dorthin, wo es doch schwerer ist als die Luft?

Kohlenstoffdioxid besteht aus zwei Sauerstoffatomen und einem Kohlenstoffatom und wird deshalb mit der chemischen Formel CO₂ beschrieben. In der Luft, die uns umgibt, ist es nur zu einem geringen Anteil von gerade einmal 0,039 Prozent enthalten.  Die beiden wichtigsten Bestandteile der Luft sind Stickstoff, N₂, das 78 Prozent der Luft ausmacht, und Sauerstoff, O₂, der mit 21 Prozent zur Zusammensetzung der Luft beiträgt. Vergleicht man reines CO₂ mit dem Gasgemisch der Luft, dann ist es ungefähr 1,5 mal schwerer – und sollte sich am Boden sammeln, anstatt nahezu gleichmäßig in der Atmosphäre verteilt zu sein.

Wäre die Luft ein ruhendes System, würden sich die schweren Teilchen unten sammeln. Das CO₂ müsste demnach nahe der Erdoberfläche gehäuft auftreten und seine Konzentration mit steigender Höhe nachlassen.

Doch die Atmosphäre ist kein ruhendes System. Durch Temperaturunterschiede ist sie ständig in Bewegung. Luft, die sich am Boden erwärmt, steigt nach oben, kühlt dort ab und sinkt wieder nach unten. An den Polen ist es durch die geringere Sonneneinstrahlung viel kälter als am Äquator. Dadurch entstehen starke Nord-Süd-Winde, die für einen Ausgleich des Temperaturunterschieds sorgen.

Durch die Winde wird das Kohlenstoffdioxid mitgerissen. Es wird nicht nur nach oben transportiert, sondern durch die Zirkulation der Luft auch über die ganze Erdkugel verteilt. Die Verwirbelungen in der Luft sind dabei viel zu stark, als dass sich die verschiedenen Bestandteile der Luft nach ihrem Gewicht entmischen könnten. Zwar kann die lokale Verteilung von Kohlenstoffdioxid aufgrund äußerer Einflüsse wie Tageszeit, Flächennutzung und Verkehr schwanken. Im Durchschnitt ist die CO₂-Konzentration jedoch bis zu einer Höhe von fast 100 Kilometern nahezu konstant.

Die Frage beantwortete Jascha Lehmann, Diplom-Physiker am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung.

Redaktion WiD: jm

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