Der Kreislauf des Sauerstoffs

Die Luft, die wir atmen, enthält etwa ein Fünftel Sauerstoff. Dieses Gas ist unsichtbar, ohne Geruch und ohne Geschmack – aber es ist für uns lebenswichtig. Denn wir benötigen Sauerstoff, um bei unserem Stoffwechsel Energie zu gewinnen. Ohne dieses Gas können weder Menschen noch die meisten Tiere überleben.

Unsichtbar aber lebenswichtig: Sauerstoff
Quelle: Colourbox

Fast der gesamte Sauerstoff in der Luft wird von Pflanzen durch die Fotosynthese hergestellt. Bei diesem Vorgang bildet die Pflanze aus Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht für sie wichtige Nährstoffe. Als Nebenprodukt entsteht bei der Fotosynthese auch Sauerstoff.

Bei der Fotosynthese wird Sauerstoff produziert
Quelle: Colourbox

Den Sauerstoff, den die Pflanze nicht braucht, gibt sie an ihre Umgebung ab. Eine große Buche zum Beispiel produziert in einer Stunde etwa so viel Sauerstoff wie 50 Menschen in derselben Zeit zum Atmen benötigen. Mensch und Tier atmen diesen Sauerstoff ein, verbrauchen ihn und atmen Kohlendioxid aus. Dieses Kohlendioxid nehmen bei der Fotosynthese die Pflanzen auf, während sie gleichzeitig neuen Sauerstoff erzeugen. Ein Kreislauf zwischen Pflanzen, Menschen und Tieren entsteht.

Vom Kreislauf des Sauerstoffs profitieren Pflanzen, Tiere und Menschen
Quelle: Colourbox

Im Lauf der Erdgeschichte wurde viel mehr Sauerstoff freigesetzt als die Lebewesen beim Atmen verbraucht haben. So gelangte immer mehr Sauerstoff in die Atmosphäre. Aus dem wachsenden Anteil an Sauerstoff konnte sich, hoch oben in der Stratosphäre, die Ozonschicht bilden, die uns vor gefährlicher UV-Strahlung schützt.

Die Ozonschicht schützt vor schädlicher Strahlung
Quelle: Colourbox

Seitdem die Menschen immer mehr Erdöl, Erdgas und Kohle verbrennen, wird dieser natürliche Sauerstoffkreislauf empfindlich gestört: Das Verbrennen verbraucht Sauerstoff und gleichzeitig wird auch noch Kohlendioxid ausgestoßen. Aus diesem Grund ist der Anteil an Kohlendioxid in der Luft während der letzten 250 Jahre stark angestiegen. Der Anstieg dieses Spurengases ist die Hauptursache für den vom Menschen gemachten Treibhauseffekt und damit auch für die Erwärmung der Atmosphäre.

Beim Verbrennen wird Sauerstoff verbraucht
Quelle: Colourbox

Atemberaubend: Mount Everest ohne Sauerstoffgerät bezwungen!

Kein vernünftiger Mensch hätte das für möglich gehalten: Reinhold Messner und Peter Habeler haben den höchsten Berg der Erde ohne Sauerstoffgerät bestiegen. Völlig entkräftet aber glücklich kamen die beiden Extrembergsteiger gestern im Basislager an.

Ihr Gipfelsturm auf den Everest beginnt am 8. Mai, morgens um halb sechs, nach einer eisigen Nacht im Zelt. Seit dem 6. Mai sind sie vom Basislager auf dem Weg nach oben. Die Warnungen vieler Ärzte schrecken sie nicht: Sie wollen das Dach der Welt ohne künstlichen Sauerstoff erklimmen. Ein gescheiterter Versuch liegt bereits hinter ihnen. Von knapp 8.000 Metern Höhe aus folgt jetzt ein erneuter Anlauf. Der Aufstieg in der dünnen Höhenluft ist eine Tortur, jeder Schritt ist eine Qual. Doch die beiden sind in top in Form, und sie haben Erfahrung.

Mittags erreichen sie eine Höhe von 8.800 Metern. Die Beine sind schwer wie Blei, die Müdigkeit kaum zu beschreiben. Doch sie überwinden ihre Schmerzen und stapfen weiter, wie in Trance. Endlich erreichen sie das scheinbar Unmögliche: Sie stehen auf dem Gipfel des Everest. Weltrekord! Vor Erschöpfung lassen sie sich in den Schnee fallen. Nach einer langen Pause holt Messner seine Kamera aus dem Rucksack und filmt. Zurück im Zelt funken sie ans Basislager: Sie haben es geschafft!

In der Nacht wird Messner von schrecklichen Augenschmerzen gequält: Er ist schneeblind. Habeler ist am Knöchel verletzt. Dennoch schaffen die beiden am 10. Mai den Abstieg ins Basislager. Jetzt erst begreifen sie ihren Erfolg, Triumphgefühl erfüllt sie. Die Sensation ist perfekt: Peter Habeler und Reinhold Messner haben bewiesen, dass der Mount Everest auch ohne Sauerstoffgerät bestiegen werden kann.

Mount Everest
Quelle: imago/blickwinkel
Reinhold Messner
Quelle: imago stock&people

In der Todeszone

Ärzte hatten Reinhold Messner und Peter Habeler gewarnt: Sich ohne künstlichen Sauerstoff in 8.000 Meter Höhe zu bewegen, gefährde in höchstem Maße die Gesundheit. Gehirnzellen könnten absterben und das kontrollierte Denken aussetzen, auch Bewusstlosigkeit drohe. „Ihr werdet als Deppen zurückkommen“, hieß es kurz und drastisch.

Tatsächlich ist mit der Höhenkrankheit nicht zu spaßen. Schon ab etwa 2.000 Metern kann sich die dünner werdende Luft durch Atemnot, Schwindel, Kopfschmerzen oder Erbrechen bemerkbar machen. Die Lunge nimmt mit zunehmender Höhe immer weniger Sauerstoff auf, der Körper wird unterversorgt. Oberhalb von 7.000 Metern – in der Todeszone – werden die meisten Menschen bewusstlos, wenn sie keinen zusätzlichen Sauerstoff bekommen. Im schlimmsten Fall führt die extreme Höhe zum Tod. Viele Bergsteiger hat diese Tatsache bereits das Leben gekostet. Dass Habeler und Messner den Gipfel ohne Atemgerät erklommen haben, grenzt tatsächlich an ein Wunder. Es ist nur mit genauester Planung, einer sagenhaften körperlichen Fitness und einem eisernen Willen zu erklären.

Rekordausstoß von CO2

Der Treibhauseffekt verstärkt sich

Noch nie war der weltweite Ausstoß von Kohlendioxid so hoch wie heute. Im Jahr 2010 ist er sogar so heftig gestiegen wie noch nie. Das hat das US-Energieministerium jetzt bekannt gegeben. Die Zahlen übertreffen selbst die schlimmsten Befürchtungen.

Seit Jahren warnen Experten vor der Geschwindigkeit der Erderwärmung. Offenbar ohne Erfolg: Denn der Anteil des klimaschädlichen Gases Kohlendioxid in der Luft steigt rasant. Vor allem in den Industrieländern quillt es pausenlos aus Schornsteinen und Auspuffrohren. Die neuen Zahlen sind beängstigend: Insgesamt hat die Welt im Jahr 2010 über 33.500 Millionen Tonnen Kohlendioxid ausgestoßen. Das sind 1.900 Millionen Tonnen mehr als im Vorjahr, also ein Zuwachs von sechs Prozent!

Für den Horror-Anstieg verantwortlich sind laut der US-Studie vor allem China und Indien. Die beiden Staaten sind wirtschaftlich auf Wachstumskurs. Ihre Energie beziehen sie vor allem aus Kohlekraftwerken – und produzieren damit jede Menge CO2. Insgesamt gesehen ist China Rekordhalter beim Ausstoß von Treibhausgasen, gefolgt von den USA, Russland und Indien.

Die Politik zum weltweiten Klimaschutz hat bisher völlig versagt. China und die USA weigern sich, ihren CO2-Ausstoß zu drosseln. Auch Russland, Kanada und Japan wollen keine Richtlinien mehr einhalten, wenn sich die Hauptverursacher dagegen sträuben, internationale Grenzwerte einzuhalten. Schlecht für das Klima, wie die neue Studie anhand der Zahlen eindeutig bestätigt.

Können Elektroautos das Klima retten?
Quelle: imago stock&people
Braunkohlekraftwerke gehören zu den schlimmsten Klimasündern
Quelle: imago/blickwinkel

Die Keeling-Kurve

Die erste CO2-Messstation der Welt wurde weit entfernt von Autoabgasen und Fabrikanlagen eröffnet: 1958 begann der US-amerikanische Klimaforscher David Keeling auf dem Vulkan Mauna Loa auf der Insel Hawaii, regelmäßig den Kohlendioxidgehalt der Luft zu messen. Dieser Ort war ganz bewusst gewählt. Weil weder Schornsteine noch Wälder das Ergebnis beeinflussten, konnte hier ein Durchschnittswert des Spurengases in der Luft gemessen werden. Auch eine zweite Station in der Antarktis erfüllte diese Bedingungen. Nach zwei Jahren stellte Keeling der Welt seine Ergebnisse vor: Der Gehalt an Kohlendioxid in der Luft stieg an! In den folgenden Jahren kämpfte Keeling weiter für regelmäßige CO2-Messungen der Atmosphäre. Mit Erfolg: Das Ergebnis ist die sogenannte Keeling-Kurve, eine Datensammlung, die bis heute den Kohlendioxid-Gehalt der Luft aufzeichnet und den deutlichen Anstieg von CO2 dokumentiert.

Eine Hülle aus Gas

Vom Weltraum gesehen erscheint sie wie ein feiner bläulicher Schleier, der sich um die Erde legt: die Atmosphäre. Sie ist die Lufthülle, die unseren Planeten umgibt. Im Vergleich zum Durchmesser der Erde ist diese Hülle ziemlich dünn: Wäre die Erde so groß wie ein Apfel, dann hätte die Atmosphäre etwa die Dicke seiner Schale.

Die Atmosphäre liefert Sauerstoff zum Atmen
Quelle: Colourbox

Ohne die Atmosphäre gäbe es auf diesem Planeten kein Leben, denn Pflanzen, Tiere und Menschen benötigen Luft zum Atmen. Sie schützt uns vor der Kälte und vor schädlicher Strahlung aus dem Weltall. Außerdem lässt sie Meteoriten verglühen, bevor sie auf der Erdoberfläche einschlagen können. Diese Lufthülle ist für uns lebenswichtig – aber woraus besteht sie eigentlich?

Nur etwa ein Fünftel der Atemluft ist Sauerstoff
Quelle: Colourbox

Die Atmosphäre ist ein Mix aus verschiedenen Gasen. Ein großer Teil dieses Gasgemischs ist Stickstoff: Mit 78 Prozent sind das fast vier Fünftel der gesamten Atmosphäre. Nur 21 Prozent bestehen aus Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen. Das restliche eine Prozent machen verschiedene Spurengase aus – also Gase, die nur in Spuren in der Atmosphäre vorkommen. Zu diesen Spurengasen gehören Methan, Stickoxide und vor allem Kohlendioxid, kurz CO2 genannt. Obwohl der CO2-Anteil recht gering ist, hat dieses Spurengas gewaltigen Einfluss auf unser Erdklima. Das zeigt sich am Treibhauseffekt, der unseren Planeten aufheizt.

Auf den Gipfeln des Himalaya ist die Luft sehr dünn
Quelle: Colourbox

Dass die Erde überhaupt eine Atmosphäre hat, liegt an der Schwerkraft. Sie hält die Gasmoleküle auf der Erde fest und verhindert, dass diese einfach ins Weltall hinaus fliegen. Tatsächlich wird die Luft mit steigender Höhe und damit abnehmender Schwerkraft immer dünner. Schon ab 2000 Metern über dem Meeresspiegel kann sich das für den Menschen unangenehm bemerkbar machen: Er leidet an der Höhenkrankheit mit Atemnot, Kopfschmerzen und Übelkeit. Extrembergsteiger, die hohe Gipfel wie die 8000er des Himalaya erklimmen wollen, nehmen daher meistens künstlichen Sauerstoff mit auf ihre Tour.

Wie entstand unsere Luft zum Atmen?

Was brauchen Menschen und Tiere zum Leben? Nahrung und Wasser natürlich, aber vor allem Sauerstoff! Den bekommen wir aus der Luft, die wir einatmen. Aber das war nicht immer so: die Ur-Atmosphäre bestand neben Wasserdampf aus Gasen wie Kohlendioxid und übelriechendem Schwefelwasserstoff. An dieser „Luft“ würden wir sofort ersticken. Aber was hat sich seitdem geändert? Wieso gibt es heute Sauerstoff in der Atmosphäre? Und seit wann?

Wenn man in der Erdgeschichte zurückschaut, findet man schon vor über zwei Milliarden Jahren Spuren von Lebewesen, die Sauerstoff benötigt haben müssen. Damals muss es also schon Sauerstoff in der Luft gegeben haben.

Noch deutlich älter sind versteinerte Spuren von mikroskopisch kleinen Bakterien, Blaualgen genannt. Und die haben es in sich: Diese Organismen waren die ersten, die die Energie des Sonnenlichts für ihren Stoffwechsel nutzen konnten. Sie nahmen Wasser und Kohlendioxid aus ihrer Umwelt auf und wandelten diese mit Hilfe der Sonnenenergie in Zucker um, der ihnen als Energiespeicher diente. Außerdem entstand bei dieser chemischen Reaktion – sozusagen als Abfallprodukt – Sauerstoff. Mit dem Sauerstoff konnten die Bakterien jedoch nichts anfangen und gaben ihn einfach in die Umgebung ab.

Zu dieser Zeit gab es reichlich Sonnenlicht und Kohlendioxid und die Weltmeere waren vergleichsweise warm. Dies waren beste Bedingungen für die Blaualgen, und so konnten sie sich stark vermehren und ausbreiten. Dabei produzierten sie immer mehr Sauerstoff, der sich über Jahrmillionen zunächst in den Meeren und später in der Atmosphäre ansammelte.

So schuf das Abfallprodukt dieser Bakterien die Voraussetzungen für höhere Lebensformen im Wasser und auf dem Land. Aus den Bakterien gingen später die Chloroplasten hervor, die bis heute in jeder Pflanze die Sonnenenergie einfangen. Auch das Prinzip der sogenannten Photosynthese ist gleich geblieben: Mit Hilfe von Sonnenlicht werden Wasser und Kohlendioxid zu Zucker und Sauerstoff umgesetzt. Der Zucker dient als Nährstoff für die Pflanze, der Sauerstoff wird in die Luft abgegeben und von Menschen und Tieren eingeatmet.

Was verschmutzt die Luft?

Eine dicke Dunstglocke hängt dicht über dem Boden. Besonders in Großstädten und Ballungszentren ist solch ein grauer Nebelschleier häufig zu sehen. Hier leidet die Luftqualität darunter, dass jede Menge Staubteilchen herumschwirren. Weil sie zu klein sind, um sie mit bloßem Auge zu erkennen, werden diese Schwebstoffe auch Feinstaub genannt. Zum Feinstaub kommen noch giftige Gase wie Kohlenmonoxid oder Schwefeldioxid, die in der unteren Atmosphäre schweben und die Luft belasten.

Dreckige Luft durch Autoabgase
Quelle: Colourbox

Ein großer Teil dieser Abgase entsteht beim Verbrennen von Erdöl, Kohle und anderen Stoffen. Autos, Kraftwerke, Müllverbrennung und Heizungen von Wohnhäusern blasen jede Menge Dreck in die Luft. Dazu kommt aufgewirbelter Staub – von Straßen, aber zum Beispiel auch aus der Massentierhaltung. Auch die „Abgase“ der Nutztiere tragen dazu bei, dass die Luft immer schlechter wird. Doch nicht immer ist es der Mensch, der die Luft verunreinigt: Vulkanausbrüche können ebenfalls zu höheren Feinstaubwerten in der Atmosphäre beitragen.

Abgase aus Industrieanlagen
Quelle: Colourbox

Je mehr Schadstoffe sich in der Luft befinden, desto schlechter ist das für unsere Gesundheit: Die Atemwege können erkranken, Kreislauf und Gehirn werden geschädigt. Nicht nur Mensch und Tier leiden unter der verschmutzten Luft, auch Pflanzen nehmen Schaden: Schweben zu viel Kohlendioxid und Schwefeloxid in der Luft, bildet sich in Verbindung mit Wasser Säure (Kohlen- und Schwefelsäure). Was dabei herauskommt, ist der so genannte „saure Regen“, der den Boden sauer werden lässt. Pflanzen, die auf einem solchen Boden wachsen, werden dürr und sterben ab. Die Rede ist vom „Waldsterben“. Das kann auch weit entfernt von dem Ort geschehen, an dem die Abgase in die Luft gelangen, denn der Wind trägt die sauren Regenwolken über Hunderte von Kilometern fort.

Waldbrände können die Luft verpesten…
Quelle: Colourbox

Besonders schlimm ist die Luftverschmutzung in Millionenstädten in Indien, Pakistan und im Iran oder wie in Mexiko-City. In Deutschland gibt es Vorschriften, wie stark die Luft belastet sein darf. Doch auch hier werden die Werte nicht immer eingehalten und der Autoverkehr nimmt weiter zu.

…ebenso wie die Viehzucht
Quelle: Colourbox

Um die Schadstoffe in der Luft gering zu halten, ist es darum besonders wichtig, dass genügend Wälder und Parks die Luft reinigen. Denn Bäume nehmen, wie alle grünen Pflanzen, Kohlendioxid aus der Luft auf und produzieren den für uns lebensnotwendigen Sauerstoff. „Grüne Lungen“ in Großstädten, also stadtnahe Grünflächen und Wälder, sind für unsere Gesundheit deshalb ganz besonders wichtig. Und wer öfter mal aufs Fahrrad steigt statt mit dem Auto zu fahren, hilft ebenfalls, die Luft rein zu halten.

„Grüne Lunge“: Stadtpark in Nürnberg
Quelle: Colourbox

Der Treibhauseffekt

In einem Treibhaus können Gemüse oder Blumen auch dann gedeihen, wenn es draußen kalt ist. Das liegt daran, dass Treibhäuser aus Glas gebaut sind. Das Glas – oder auch eine durchsichtige Folie – lässt die kurzwelligen Sonnenstrahlen ungehindert ins Innere gelangen: Die Luft erwärmt sich. Für die langwellige Wärmestrahlung dagegen ist das Glas undurchlässig, die Wärme kann also nicht mehr hinaus. Darum wird es in einem Treibhaus mollig warm.

Im Treibhaus wachsen Pflanzen auch bei niedriger Außentemperatur
Quelle: Colourbox

Etwas Ähnliches geschieht im großen Maßstab auf der Erde. Die Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf sind von Natur aus in der Atmosphäre enthalten. Wasserdampf gelangt durch Verdunstung in die Luft, Kohlendioxid dadurch, dass wir ausatmen. Auch Vulkanausbrüche tragen zum natürlichen Kohlendioxidgehalt der Luft bei. Beide Gase haben den gleichen Effekt wie das Glas eines Treibhauses: Sie lassen die kurzwelligen Sonnenstrahlen bis zur Erde vordringen. Gleichzeitig behindern sie, wie eine unsichtbare Schranke, die langwellige Wärmestrahlung auf ihrem Rückweg ins All. Die Wärme staut sich und die Atmosphäre heizt sich auf.

Wasserdampf hält die Wärme auf der Erde fest
Quelle: Colourbox
Ohne den natürlichen Treibhauseffekt wäre es auf der Erde viel kälter
Quelle: Colourbox

Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt wäre kaum Leben auf der Erde möglich, denn für die meisten Lebewesen wäre es viel zu kalt. Anstatt der aktuellen Durchschnittstemperatur von plus 15 Grad würden hier eisige minus 18 Grad Celsius herrschen. Die Erdoberfläche wäre tiefgefroren!

Das Treibhausgas Kohlendioxid entsteht beim Verbrennen …
Quelle: Colourbox

Das Problem beginnt dann, wenn wir den Anteil an Treibhausgasen in der Atmosphäre zusätzlich erhöhen. Das geschieht vor allem durch das Verbrennen von Erdöl, Erdgas und Kohle. Wohnung heizen, Auto fahren, Müll verbrennen: Bei all diesen Vorgängen wird Kohlendioxid ausgestoßen. Dieses CO2 hat den größten Anteil am menschengemachten Treibhauseffekt. Aber auch der Anbau von Reis oder die Rinderhaltung verstärken den Effekt: In den Mägen von Wiederkäuern und in den überfluteten Böden der Reisfelder entstehen große Mengen Methan (CH4) – ebenfalls ein Treibhausgas. Zusätzlich gehören noch Lachgas, Ozon und Fluorkohlenwasserstoff zu den Treibhausgasen. Weil durch all diese Gase die Wärmeabstrahlung der Erde gebremst wird, steigen die Temperaturen auf unserem Globus weiter an.

…zum Beispiel von Benzin.
Quelle: Colourbox