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Lexikon der Geographie: biogeochemische Kreisläufe

biogeochemische Kreisläufe, Bezeichnung für die Vorstellung, dass sich fast alle chemischen Elemente in unterschiedlichem Ausmaß und mit verschiedenen Geschwindigkeiten in und zwischen Atmo-, Hydro-, Litho- und Biosphäre bewegen. Die dort gegebene prozentuale Elementzusammensetzung ist in der Abbildung 1 zusammengefasst. Die Elemente durchlaufen dabei mehr oder weniger periodisch Zustände unterschiedlicher Bindung, sodass sie in bestimmten Zeiträumen im gleichen Zustand anzutreffen sind. Solche Stoffkreisläufe sind die Voraussetzung für alle Lebensvorgänge auf der Erde und damit die Entstehung negentropischer Ökosysteme. Angetrieben werden sie von Energieflüssen, unter denen die Sonnenstrahlung, geothermische Energie (radioaktive Zerfallsprozesse, chemische Differenziation und Phasenumwandlungen) und die Schwerkraft von besonderer Bedeutung sind. Wie die Abbildung 2 zeigt, sind bei globaler Betrachtung exogene und endogene Kreisläufe zu unterscheiden, die auf komplexe Weise miteinander verbunden sind; ihre genauere Analyse zeigt, dass sie sich über sehr unterschiedliche Raum- und Zeitskalen erstrecken. Dabei ist der atmosphärische Kreislauf, an dem neben dem Wasserdampf vor allem N2, O2, Ar, CO2 und Spurengase beteiligt sind, wegen seiner Kopplung mit den terrestrischen Kreisläufen des Wassers, Kohlenstoffs (Kohlenstoffkreislauf), Sauerstoffs, Wasserstoffs und Stickstoffs (Stickstoffkreislauf) von herausragender Bedeutung. Mit einer Gesamtmasse von 5,12·1015t, ohne den räumlich und zeitlich zwischen 0,1 und 4% schwankenden Wasserdampfgehalt, davon 78,09 Vol.-% N2, 20,95 Vol.-% O2 sowie 350 ppm=2,72·1012 t CO2, stellt die Atmosphäre ein Reservoir erster Ordnung dar, denn die pflanzliche Biomasse besteht zu mehr als 90% aus den Elementen C, O und H. 5% des atmosphärischen CO2 wird jährlich für die Nettoprimärproduktion verbraucht; die gleiche Menge entstammt dem hydrosphärischen Speicher. Durch die Photosynthese gelangen umgekehrt jährlich rund 2·1011 t O2 in die Atmosphäre. Der Weg der solcherart gebildeten Biomasse führt in unterschiedlich strukturierten Nahrungsnetzen zur Sekundärproduktion durch Konsumenten und schließlich zu den Destruenten. Nach dem biotischen und abiotischen Abbau der organischen Substanz (Mineralisierung) werden die Stoffe in elementarer Form oder als Verbindungen wieder verfügbar (Rezyklierung).
Im Gegensatz zu diesen mit Ausnahme der Humus- und Torfbildung relativ schnellen Kreisläufen weist der Wasserkreislauf auch wesentlich langsamere Komponenten mit typischen Zeitskalen von 104 Jahren auf. Dies gilt ganz ausgeprägt für die lithosphärischen Zyklen. Der Sediment-Kreislauf ("Kleiner Kreislauf") führt in nach Jahrmillionen zählenden Zeiträumen von der Zerstörung der Ausgangsgesteine zur Neubildung von klastischen oder organogenen Gesteinen. Unterliegen diese der Metamorphose oder Tektogenese, so treten sie in einen "mittleren Kreislauf" ein, der Zehner bis Hunderte von Jahrmillionen umfasst. "Große Kreisläufe" vollziehen sich in der unteren Litho- und Astenosphäre sowie dem Erdmantel und weisen z.T. Periodenlängen von 2·108 Jahren auf.

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biogeochemische Kreisläufe 1: biogeochemische Kreisläufe 1: Prozentuale Elementzusammensetzung der Gesteins-, Wasser-, Lebens- und Lufthülle der Erde.

biogeochemische Kreisläufe 2: biogeochemische Kreisläufe 2: Exogene und endogene Stoffkreisläufe.
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Grafik:
Mathias Niemeyer (Leitung)
Ulrike Lohoff-Erlenbach
Stephan Meyer

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