Der Kalk- und Kohlenstoffkreislauf  

Um die Vorgänge und Kreisläufe besser verstehen zu können, müssen wir jedoch zuerst einmal bei einem Gas beginnen, das uns alltäglich begegnet: Kohlenstoffdioxid CO₂ ist ein Gas, das in der Luft nur in einem geringen Anteil von 0,04 Volumenprozent vorkommt, aber trotzdem für die Lebensvorgänge auf der Erde bedeutend ist. Es besteht in seinem chemischen Grundaufbau aus Kohlenstoff- und Sauerstoff-Atomen. Es ist das Gas, das die Pflanzen in der Photosynthese benötigen und die Tiere als Verbrennungsprodukt wieder ausatmen. Das Kohlenstoffdioxid ermöglicht aufgrund des natürlichen Treibhauseffekts die Erwärmung der Erdatmosphäre und schafft somit ein Klima, das für die Lebewesen günstig ist.

Die Uratmosphäre enthielt etwa 16 Prozent dieses Gases. Im Präkambrium nahmen die Algen im Meer große Mengen Kohlenstoffdioxid auf, um damit Sauerstoff und auch Stärke als organischer Nährstoff zu produzieren. Nach dem Absterben der Algen lagerte sich der in der Stärke enthaltene Kohlenstoff am Meeresgrund in sogenannten Kerogenen ab und bildeten dort Sedimente. Trotzdem nahm der Kohlenstoffdioxid-Gehalt während dieser Zeitepoche kaum ab, da durch die vulkanischen Aktivitäten sehr viel Kohlenstoffdioxid nachproduziert wurde. Der von den Algen hergestellte Sauerstoff wurde von gelösten Eisensalzen, die sich aufgrund von vielen Eisenmeteoriten-Einschlägen im Meer befanden, sofort wieder aufgebraucht. So bildeten sich die Eisenerzlagerstätten.

Quelle: vereinfacht nach Klopries/Beckmann, Chem. Ind. 2/90

Beim Wechsel zum Kambrium, vor etwa 600 Millionen Jahren, als die sauren Eisensalze im Meer aufgebraucht waren, änderte sich die Situation grundlegend. Die ersten Meeresorganismen bauten Körperschalen aus Kalk, was den Aufbau von mächtigen Kalksedimenten zur Folge hatte. Die Kalkgebirge wie die Schwäbische Alb oder der Schweizerische Jura zeugen noch heute davon. Die Meeresorganismen bauten im Laufe der Zeit den größten Anteil des atmosphärischen Kohlenstoffdioxidanteils ab, so dass der Kohlenstoff im Kalk der Sedimente und Gebirge chemisch gebunden wurde. Gleichzeitig nahm der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre zu und die Grundlagen für die "modernen" Lebensformen waren geschaffen. Heute ist in den kalkhaltigen Sedimenten und Gebirgen der größte Anteil Kohlenstoff gespeichert.

 
Versteinerter Ammonit auf Kalkstein

 
Der Kohlenstoff befindet sich in einem ständigen Kreislauf zwischen den Lebewesen und dem mineralischen Kalk. Das Kohlenstoffdioxid wird von den Pflanzen aufgenommen. Zum Teil produzieren sie daraus Sauerstoff, ein Teil des Kohlenstoffdioxids wird aber auch aus den Pflanzen durch Verwesungs- und Atmungsprozesse in den Boden abgegeben. Das im Boden kalte Wasser nimmt dieses Kohlenstoffdioxid auf und bildet dabei Kohlensäure:
 
Kohlenstoffdioxid  +  Wasser      Kohlensäure


Kohlensäure  +  Calciumcarbonat     Calciumhydrogencarbonat

Das calciumhydrogencarbonathaltige Wasser bezeichnet man als hartes Wasser. Gelangt dieses Wasser in eine Höhle, bildet sich durch Erwärmen und Verdunsten Kalk oder Calciumcarbonat, wobei Wasser und Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden. Dies ist der gleiche Prozess wie bei der Kesselsteinbildung in Heizrohren. Dabei werden die ersten beiden Schritte umgedreht:

Calciumhydrogencarbonat      Calciumcarbonat + Kohlenstoffdioxid + Wasser

Stalaktiten und Stalagmiten in den Beatushöhlen, Schweiz

Meerestiere wie Korallen, Schnecken und Muscheln produzieren mit Hilfe des harten Wassers ihre Kalkgehäuse und geben dabei Kohlenstoffdioxid und Wasser an die Umgebung ab. Die Schalen abgestorbener Tiere bauen wieder neue Kalkgebirge auf. Auch bei den Atmungsprozessen der Tiere und Menschen entsteht durch das Verbrennen von Kohlenhydraten mit Sauerstoff das Kohlenstoffdioxid. Bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wird es ebenfalls freigesetzt (in der Grafik nicht dargestellt). So schließt sich der Kreislauf wieder.