Aufgaben
- Erstelle unter Verwendung deiner bisherigen Erkenntnisse und M1 eine Tabelle über Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid mit Stoffeigenschaften, Möglichkeiten zur Stoffidentifikation und einem interessanten Fakt zu jedem der drei Stoffe. Du darfst dazu auch über M1 hinaus recherchieren.
Ein paar interessante Aspekte
Kohlenstoffdioxid
Der Kohlenstoffdioxidanteil unserer Atmosphäre beträgt nur wenig mehr als 0,04%. Aber er steigt von Jahr zu Jahr u. a. durch die Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas durch die Menschheit.
Kohlenstoffdioxid ist ein sogenanntes „Treibhausgas“ und daher verändert sich das Klima auf der Erde zurzeit drastisch mit überwiegend negativen Folgen für viele Lebewesen.
Natürlicher (a) und zusätzlicher anthropogener (b) Treibhauseffekt im Vergleich.1
Ein Blick in die Atmosphäre
Wie wirkt CO₂ als Treibhausgas?
Die Sonne sendet kurzwellige Strahlung zur Erde. Die erwärmte Erdoberfläche gibt langwellige Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) zurück in die Atmosphäre.
CO₂-Moleküle absorbieren diese Infrarotstrahlung: Die Bindungen im linearen Molekül O=C=O geraten in Schwingung. Anschließend wird die Energie in alle Richtungen wieder abgestrahlt – auch zurück zur Erde. Je mehr CO₂-Moleküle in der Atmosphäre, desto mehr Wärme wird zurückgehalten.
In der Animation siehst du das: Orangefarbene Pfeile steigen von der Erdoberfläche auf – das ist die Wärmestrahlung. In der CO₂-Schicht werden sie absorbiert und als dunkelrote Pfeile zurück zur Erde geworfen. Je mehr CO₂-Moleküle vorhanden sind, desto mehr Strahlung wird zurückgelenkt.
Warum ist die Zeitachse nicht gleichmäßig aufgeteilt?
Schau dir die Markierungen unter dem Regler an: 1900 und 1958 liegen sehr nah beieinander – obwohl 58 Jahre dazwischen liegen. 2000 und 2026 sind dagegen fast genauso weit voneinander entfernt – in nur 26 Jahren.
Der Regler misst keine Zeit, sondern CO₂-Konzentration. Die Position jedes Jahres richtet sich danach, wie viel CO₂ damals in der Atmosphäre war. Der Abstand zwischen zwei Markierungen zeigt also, um wie viel ppm die Konzentration in diesem Zeitraum gestiegen ist:
Warum ausgerechnet 1958? In diesem Jahr begann der amerikanische Wissenschaftler Charles David Keeling auf dem Vulkan Mauna Loa auf Hawaii, die CO₂-Konzentration der Atmosphäre systematisch zu messen – als Erster überhaupt, dauerhaft und präzise. Die daraus entstandene Kurve trägt seinen Namen: die Keeling-Kurve. Sie ist eines der bekanntesten Dokumente der Klimaforschung und zeigt erstmals lückenlos, wie der CO₂-Gehalt Jahr für Jahr steigt. Hawaii wurde gewählt, weil der Mauna Loa weit weg von Städten und Industrie liegt – die Luft dort ist besonders rein und repräsentativ für die gesamte Atmosphäre.
1958 → 2000 (42 Jahre): +54 ppm
2000 → 2026 (26 Jahre): +62 ppm
In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts war der weltweite Energieverbrauch noch vergleichsweise gering. Ab den 1960er Jahren beschleunigte sich alles: Massenmotorisierung, globaler Luftverkehr und rasantes Wirtschaftswachstum ließen den Ausstoß fossiler Brennstoffe explodieren. Mehr Verbrennung = mehr CO₂ in kürzerer Zeit.
Folgen und Kipppunkte
Bereits bei +1,5 °C Erwärmung (Pariser Klimaabkommen) drohen ernste Folgen: häufigere Extremwetterereignisse, Gletscherschmelze, Anstieg des Meeresspiegels und Verlust von Korallenriffen.
Kipppunkte sind Schwellenwerte, ab denen sich das Klimasystem selbst verstärkt – z. B. das Auftauen von Permafrostböden (setzt CH₄ frei) oder das Abschmelzen des Grönlandeises (reduziert die Reflexion der Sonnenstrahlung).
Zukunftsszenarien – was steckt hinter SSP5-8.5?
Niemand kann die Zukunft exakt vorhersagen. Deshalb arbeiten Klimaforscherinnen und -forscher mit Szenarien – verschiedenen Annahmen darüber, wie die Welt sich entwickeln könnte. Der IPCC (der Weltklimarat der Vereinten Nationen) nutzt dafür die sogenannten SSP-Szenarien.
SSP steht für Shared Socioeconomic Pathway – auf Deutsch: gemeinsamer gesellschaftlicher Entwicklungspfad. Die erste Zahl (1–5) beschreibt, wie die Gesellschaft sich verändert: Zahl 1 steht für eine nachhaltige, kooperative Welt; Zahl 5 für eine fossil-intensive, wachstumsorientierte Welt.
Die Zahl nach dem Bindestrich (z. B. 8,5) gibt an, um wie viel Watt pro Quadratmeter die Erde bis 2100 mehr Energie aufnimmt als abgibt – der sogenannte Strahlungsantrieb. Je höher dieser Wert, desto stärker die Erwärmung.
Woher kennen wir den Ausgangswert? Alle Temperaturangaben in den Szenarien beziehen sich auf das vorindustrielle Niveau – also auf die Zeit um 1750, bevor der Mensch nennenswert in den Kohlenstoffkreislauf eingegriffen hat. Woher wissen wir, wie die Atmosphäre damals war? Aus Eisbohrkernen: In Gletschern – zum Beispiel in der Antarktis – haben sich über Jahrtausende Schichten aus Schnee und Eis gebildet. Darin eingeschlossene Luftblasen konservieren die Luft vergangener Epochen, bis zu 800.000 Jahre zurück. Aus diesen Blasen lässt sich die CO₂-Konzentration direkt messen. Das Ergebnis: Um 1750 lag der CO₂-Gehalt bei etwa 280 ppm – dieser Wert ist aus mehreren unabhängigen Eisbohrkernen gut gesichert. Die globale Durchschnittstemperatur lässt sich dagegen nicht direkt messen; sie wird auf Basis von Proxydaten (Baumringe, Korallen, Sedimentkerne) auf rund ~14 °C geschätzt, mit einer Unsicherheit von etwa ±0,5 °C. Das ist der Nullpunkt, auf den sich alle Erwärmungsangaben beziehen – auch in dieser Simulation.
SSP2-4.5 → mittlere Maßnahmen → ca. +2,7 °C bis 2100
SSP5-8.5 → weiter wie bisher → ca. +4,4 °C bis 2100
Der rechte Rand dieses Reglers entspricht dem SSP5-8.5-Szenario für das Jahr 2050 – also dem pessimistischsten Fall, wenn der globale CO₂-Ausstoß weiter stark ansteigt.
Mehr CO2 führt zu höheren Temperaturen: Treibhauseffekt auf molekularer Ebene2
Sauerstoff
Sauerstoff brauchen wir dringend zum Leben. Im Notfall kann es passieren, dass der Atemluft Sauerstoff zugefügt werden muss.
Medizinischer Sauerstoff3
Ein erwachsener Mensch benötigt pro Tag ungefähr 300 g Sauerstoff. Das entspricht etwa 225 Litern Sauerstoffgas unter normalen Bedingungen – eine erstaunlich große Menge, die wir jedoch ganz unbemerkt aufnehmen, weil unser Körper den Sauerstoff kontinuierlich über die Atmung aus der Luft gewinnt.
Da liegt die Frage nahe: Könnte man diesen Sauerstoffbedarf nicht auch einfach durch Trinken decken? Es gibt Getränke, die mit 60 mg Sauerstoff pro Flasche angereichert sind.
Vergleicht man das mit dem Tagesbedarf von 300 000 mg, wird schnell klar, wie groß der Unterschied ist: Man müsste etwa 5 000 Flaschen trinken, um auf die benötigte Menge zu kommen. Und die würden auch noch im Magen landen.
Das ist natürlich völlig unrealistisch. Angereicherte Getränke leisten daher keinen Beitrag zur Sauerstoffversorgung.
Stickstoff
Kühlt man die Luft immer weiter ab, sublimiert Kohlenstoffdioxid zunächst direkt aus der Gasphase zu festem „Trockeneis“ bei −78,5 °C. Kühlt die verbleibende Luft anschließend immer weiter ab, so werden Sauerstoff bei −183 °C und Stickstoff bei -109°C zu einer Flüssigkeit.
Stickstoff lässt sich heutzutage gut verflüssigen und wird als „Kältemittel“ zum Kühlen oder Schockgefrieren genutzt.
Eine Blume in flüssigem Stickstoff.4
Flüssiger Stickstoff ist also sehr kalt. Und wenn man ein Gefäß mit flüssigem Stickstoff in einen normalen Raum stellt, fängt er sogleich an zu „sieden“. Es ist ja so warm in dem Raum, dass aus dem flüssigen Stickstoff wieder gasförmiger wird.
Weitergedacht
- Erkläre, warum der Luftballon sich zunächst zusammenzieht und später wieder aufbläht.
- Stelle eine begründete Vermutung an, welcher Stoff Dose heruntertropft.