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17.2: Stoffkreisläufe in der Biosphäre - Biologie


17.2: Stoffkreisläufe in der Biosphäre

Wie fließt Materie in der Biosphäre?

Materie fließt innerhalb der Biosphäre durch Recycling durch Organismen und biochemische Kreisläufe. Organismen wandeln Materie lediglich um und verbrauchen sie nicht, so dass Materie in verschiedenen biologischen Systemen zirkulieren kann. Beispiele für Stoffströme in der Biosphäre sind der Wasserkreislauf und der Nährstoffkreislauf.

Der Wasserkreislauf trägt durch seinen Übergang zwischen Organismen und der Umwelt zum Stofffluss in der Biosphäre bei. Wenn Wasser in die Wurzeln einer Pflanze eindringt, kann es entweder von der Pflanze verwendet oder durch den Verzehr an einen anderen Organismus weitergegeben werden. Transpiration tritt auf, wenn Wasser aus den Blättern einer Pflanze verdunstet und wieder in die Atmosphäre gelangt, wo es schließlich zu Regen kondensiert und auf die Erde zurückfällt, wodurch der Kreislauf fortgesetzt wird.

Der Nährstoffkreislauf umfasst weitere lebensnotwendige Elemente und Verbindungen, die anschließend von verschiedenen Organismen ausgetauscht werden. Beispiele sind der Stickstoffkreislauf, der Kohlenstoffkreislauf und der Phosphorkreislauf. Der Stickstoffkreislauf tritt auf, wenn bestimmte Bakterien atmosphärischen Stickstoff in eine für andere Organismen nutzbare Form umwandeln, beispielsweise wenn Stickstoffgas durch Stickstofffixierung in Ammoniak umgewandelt wird. Diese Bakterien können auch Stickstoff in Nitrate oder Nitrite umwandeln, die dann die Grundlage für Proteine ​​bilden können. Verbraucher, die die Proteinproduzenten essen, übertragen diesen Nährstoff dann in andere Schichten der Biosphäre. Zersetzer wandeln totes organisches Material wieder in Ammoniak um, wo es im weiteren Verlauf des Kreislaufs in den Boden zurückgeführt wird.


Quelle: NOAA National Weather Service

Wasser ist praktisch überall auf der Erde. Aus dem Weltraum betrachtet ist eines der auffälligsten Merkmale unseres Heimatplaneten das Wasser, sowohl in flüssiger als auch in gefrorener Form, das etwa 75% der Erdoberfläche bedeckt. Geologische Beweise deuten darauf hin, dass in den letzten 3,8 Milliarden Jahren wahrscheinlich große Wassermengen auf der Erde geflossen sind – den größten Teil ihrer Existenz. Wasser soll ursprünglich durch die Emissionen alter Vulkane auf die Erdoberfläche gelangt sein und ist eine lebenswichtige Substanz, die die Erde von den übrigen Planeten unseres Sonnensystems unterscheidet. Insbesondere Wasser scheint ein notwendiger Bestandteil für die Entwicklung und Ernährung des Lebens zu sein.

Wasser ist die einzige gebräuchliche Substanz, die natürlicherweise als Gas, Flüssigkeit oder Feststoff bei dem relativ kleinen Temperatur- und Druckbereich auf der Erdoberfläche vorkommen kann. Manchmal sind alle drei Staaten sogar gleichzeitig und an demselben Ort präsent, wie bei dieser winterlichen Eruption eines Geysirs im Yellowstone-Nationalpark.

Insgesamt beträgt der Wassergehalt der Erde etwa 1,39 Milliarden Kubikkilometer (331 Millionen Kubikmeilen), wobei sich der Großteil, etwa 96,5 %, in den Weltmeeren befindet. Der Rest wird zu etwa 1,7 % in den polaren Eiskappen, Gletschern und Dauerschnee gespeichert, weitere 1,7 % im Grundwasser, in Seen, Flüssen, Bächen und im Boden. Nur ein Tausendstel von 1% des Wassers auf der Erde existiert als Wasserdampf in der Atmosphäre.


Für den menschlichen Bedarf ist die Menge an Süßwasser auf der Erde – zum Trinken und für die Landwirtschaft – besonders wichtig. Süßwasser kommt in Seen, Flüssen, Grundwasser vor und ist als Schnee und Eis gefroren. Schätzungen des Grundwassers sind besonders schwierig und variieren stark. (Der Wert in der obigen Tabelle liegt nahe dem oberen Ende des Bereichs.) Grundwasser kann ungefähr 22 bis 30 % des Süßwassers ausmachen, wobei Eis (einschließlich Eiskappen, Gletscher, Dauerschnee, Grundeis und Permafrost) berücksichtigt wird für die meisten der verbleibenden 78 bis 70 %.

Grundwasser befindet sich in zwei breit abgegrenzten Schichten des Bodens, der „Belüftungszone“, in der Bodenlücken sowohl mit Luft als auch mit Wasser gefüllt werden, und weiter unten in der „Sättigungszone“, in der die Lücken vollständig ausgefüllt sind mit Wasser. Die Grenze zwischen diesen beiden Zonen wird als Grundwasserspiegel bezeichnet, der mit der Änderung der Grundwassermenge steigt oder fällt.

Die Wassermenge in der Atmosphäre beträgt zu jedem Zeitpunkt nur 12.900 Kubikkilometer, ein winziger Bruchteil des gesamten Wasservorrats der Erde: Würde es vollständig ausregnen, würde die Luftfeuchtigkeit die Erdoberfläche nur bis zu einer Tiefe von 2,5 Zentimetern bedecken. Allerdings werden jedes Jahr weit mehr Wasser – nämlich rund 495.000 Kubikkilometer – durch die Atmosphäre zirkuliert. Es ist, als ob fast 40 Mal im Jahr die gesamte Wassermenge aus der Luft entfernt und wieder aufgefüllt würde.

Trotz seiner geringen Menge hat dieser Wasserdampf einen großen Einfluss auf den Planeten. Wasserdampf ist ein starkes Treibhausgas, und es ist ein wichtiger Faktor für das Wetter und das Klima der Erde, wenn es um den Globus reist, und transportiert dabei latente Wärme. Latente Wärme ist Wärme, die von Wassermolekülen beim Übergang von flüssig oder fest zu Dampf gewonnen wird.

Wasserdampf – und damit Energie – wird von Wettersystemen rund um den Globus getragen. Dieses Satellitenbild zeigt die Verteilung von Wasserdampf über Afrika und dem Atlantik. Weiße Bereiche weisen eine hohe Wasserdampfkonzentration auf, während dunkle Bereiche relativ trocken sind. Die hellsten weißen Bereiche sind hoch aufragende Gewitterwolken.

Überblick

Der Wasser- oder Wasserkreislauf beschreibt die Reise des Wassers, während Wassermoleküle von der Erdoberfläche in die Atmosphäre und wieder zurück, in einigen Fällen bis unter die Erdoberfläche, wandern. Dieses gigantische System, das von der Energie der Sonne angetrieben wird, ist ein kontinuierlicher Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Ozeanen, der Atmosphäre und dem Land.

Wassermoleküle können verschiedenste Wege und Verzweigungen nehmen, die sie immer wieder durch die drei Phasen Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf führen. Zum Beispiel könnten die Wassermoleküle, die vor 100 Jahren als Regen auf das Farmhaus Ihrer Urgroßeltern in Iowa fielen, jetzt als Schnee auf Ihre Einfahrt in Kalifornien fallen. Wasser am Boden des Lake Superior kann schließlich in die Atmosphäre aufsteigen und in Massachusetts als Regen fallen. Der Regen aus Massachusetts kann in den Atlantischen Ozean abfließen und nordöstlich in Richtung Island zirkulieren, um Teil einer Meereisscholle oder, nachdem er in die Atmosphäre verdunstet und als Schnee niedergeschlagen wurde, Teil eines Gletschers zu werden.

Wasser verdunstet ständig, kondensiert und fällt aus, und global gesehen entspricht die Verdunstung ungefähr dem Niederschlag. Aufgrund dieser Gleichheit bleibt die Gesamtmenge an Wasserdampf in der Atmosphäre im Laufe der Zeit ungefähr gleich. Über den Kontinenten jedoch übersteigt der Niederschlag routinemäßig die Verdunstung, und umgekehrt über den Ozeanen die Verdunstung den Niederschlag.

Im Fall der Ozeane würde der kontinuierliche Überschuss an Verdunstung gegenüber Niederschlag die Ozeane schließlich leer lassen, wenn sie nicht durch zusätzliche Maßnahmen wieder aufgefüllt würden. Sie werden nicht nur vor allem durch Abfluss von den Landflächen wieder aufgefüllt, sondern in den letzten 100 Jahren auch überfüllt: Der Meeresspiegel ist im Laufe des 20. Jahrhunderts rund um den Globus um etwa 17 Zentimeter gestiegen. Die Hauptquelle dieses übermäßigen Abflusses vom Land, der zum Anstieg des Meeresspiegels beiträgt, ist das Schmelzen des Landeises, insbesondere in Grönland und der Antarktis.

Der Meeresspiegel ist im letzten Jahrhundert gestiegen, teilweise aufgrund der thermischen Ausdehnung des Ozeans bei der Erwärmung und teilweise aufgrund des Schmelzens von Gletschern und Eiskappen. (Grafik ©2010 Australian Commonwealth Scientific and Research Organization.)

Der Meeresspiegel ist sowohl aufgrund der Erwärmung der Ozeane gestiegen, wodurch sich das Wasser ausdehnt und an Volumen vergrößert, als auch weil mehr Wasser in den Ozean gelangt ist, als es durch Verdunstung oder andere Mittel verlässt. Eine Hauptursache für die erhöhte Wassermasse, die in den Ozean gelangt, ist das Kalben oder Schmelzen von Landeis (Eisschilde und Gletscher). Meereis befindet sich bereits im Ozean, daher hat eine Zunahme oder Abnahme der jährlichen Meereismenge keinen signifikanten Einfluss auf den Meeresspiegel.

Die Gletscher Blackfoot (links) und Jackson (rechts), beide in den Bergen des Glacier-Nationalparks, wurden 1914 entlang ihrer Ränder verbunden, haben sich aber seitdem in separate Alpenkare zurückgezogen. Das Schmelzen des Gletschereises trägt wesentlich zum Anstieg des Meeresspiegels bei. [Fotos von E. B. Stebinger, Glacier National Park Archive (1911) und Lisa McKeon, USGS (2009).]

Während des Wasserkreislaufs gibt es viele Wege, denen ein Wassermolekül folgen könnte. Wasser am Boden des Lake Superior kann schließlich in die Atmosphäre aufsteigen und in Massachusetts als Regen fallen. Der Regen aus Massachusetts kann in den Atlantischen Ozean abfließen und nordöstlich in Richtung Island zirkulieren, um Teil einer Meereisscholle oder, nachdem er in die Atmosphäre verdunstet und als Schnee niedergeschlagen wurde, Teil eines Gletschers zu werden.

Wassermoleküle können verschiedenste Wege und Verzweigungen nehmen, die sie immer wieder durch die drei Phasen Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf führen. Zum Beispiel könnten die Wassermoleküle, die vor 100 Jahren als Regen auf das Farmhaus Ihrer Urgroßeltern in Iowa fielen, jetzt als Schnee auf Ihre Einfahrt in Kalifornien fallen.

Verdunstung, Transpiration, Sublimation

Zusammen machen Verdunstung, Transpiration und Sublimation sowie vulkanische Emissionen fast den gesamten Wasserdampf in der Atmosphäre aus, der nicht durch menschliche Aktivitäten eingebracht wird. Studien zeigen, dass die Verdunstung – der Prozess, bei dem Wasser von einer Flüssigkeit in ein Gas umgewandelt wird – aus Ozeanen, Meeren und anderen Gewässern (Seen, Flüssen, Bächen) fast 90 % der Feuchtigkeit in unserer Atmosphäre liefert. Die meisten der verbleibenden 10% in der Atmosphäre werden von Pflanzen durch Transpiration freigesetzt, wobei Pflanzen Wasser durch ihre Wurzeln aufnehmen und es dann durch kleine Poren an der Unterseite ihrer Blätter abgeben. Zum Beispiel kann ein Maisfeld von 1 Hektar Größe täglich bis zu 4.000 Gallonen Wasser verdunsten. Darüber hinaus gelangt ein sehr kleiner Teil des Wasserdampfs durch Sublimation in die Atmosphäre, den Prozess, bei dem Wasser direkt von einem Feststoff (Eis oder Schnee) in ein Gas übergeht. Das allmähliche Schrumpfen der Schneebänke bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt resultiert aus der Sublimation.

Kondensation und Niederschlag

Nachdem das Wasser in die untere Atmosphäre gelangt ist, wird es von aufsteigenden Luftströmen nach oben getragen, oft hoch in die Atmosphäre, wo die aufsteigende Luft abkühlt. In gekühlter Luft kondensiert Wasserdampf eher aus einem Gas zu einer Flüssigkeit, um Wolkentröpfchen zu bilden. Wolkentröpfchen können wachsen und Niederschläge (einschließlich Regen, Schnee, Graupel, gefrierender Regen und Hagel) erzeugen, was der Hauptmechanismus für den Transport von Wasser aus der Atmosphäre zurück zur Erdoberfläche ist.

Wenn Niederschlag über die Landoberfläche fällt, folgt er auf seinen weiteren Wegen verschiedenen Routen. Ein Teil davon verdunstet, kehrt in die Atmosphäre zurück, ein Teil sickert als Bodenfeuchtigkeit oder Grundwasser in den Boden und ein Teil fließt in Flüsse und Bäche ab. Fast das gesamte Wasser fließt schließlich in die Ozeane oder andere Gewässer, wo der Kreislauf weitergeht. In verschiedenen Phasen des Kreislaufs wird ein Teil des Wassers von Menschen oder anderen Lebensformen zum Trinken, Waschen, Bewässern und für eine Vielzahl anderer Zwecke aufgefangen.

Meeresspiegel steigt

Der Meeresspiegel ist im letzten Jahrhundert gestiegen, teilweise aufgrund der thermischen Ausdehnung des Ozeans bei der Erwärmung, wodurch sich das Wasser ausdehnt und an Volumen zunimmt, und teilweise aufgrund des Schmelzens von Gletschern und Eiskappen, weil mehr Wasser in den Ozean gelangt ist als die Menge, die es durch Verdunstung oder auf andere Weise verlässt. (Grafik ©2010 Australian Commonwealth Scientific and Research Organization.)

Schnee- und Eisschmelze

Eine Hauptursache für die erhöhte Wassermasse, die in den Ozean gelangt, ist das Kalben oder Schmelzen von Landeis (Eisschilde und Gletscher). Meereis befindet sich bereits im Ozean, daher hat eine Zunahme oder Abnahme der jährlichen Meereismenge keinen signifikanten Einfluss auf den Meeresspiegel.

Bildnachweis: NASA Earth Observatory


Biologische Kreisläufe

rhythmische Wiederholung biologischer Phänomene in Organismenvereinigungen (Populationen, Biozönosen), die der Anpassung an zyklische Veränderungen ihrer Existenzbedingungen dienen. Biologische Zyklen sind im allgemeineren Konzept der biologischen Rhythmen enthalten, das alle sich rhythmisch wiederholenden biologischen Phänomene umfasst. Biologische Zyklen können täglich, saisonal (jährlich) oder in Abständen von vielen Jahren sein.

Vierundzwanzigstündige biologische Zyklen äußern sich in regelmäßigen Schwankungen der physiologischen Phänomene und des Verhaltens von Tieren im Laufe eines 24-Stunden-Tages. Ihre Basis sind automatische Mechanismen, die durch die Auswirkungen äußerer Faktoren korrigiert werden: 24-Stunden-Schwankungen von Beleuchtung, Temperatur, Feuchtigkeit und so weiter.

Den jahreszeitlichen biologischen Zyklen liegen jene Stoffwechselveränderungen zugrunde, die bei Tieren durch Hormone reguliert werden. Zu verschiedenen Jahreszeiten ändern sich der Zustand und das Verhalten von Organismen innerhalb einer Population oder einer Biozönose: Anhäufung oder Verbrauch von Reservestoffen kann Ablösung der äußeren Schichten (Mausung), Fortpflanzung, Tierwanderung, Winterschlaf und andere saisonale Phänomene beginnen oder enden. Da diese Phänomene weitgehend automatisiert sind, werden sie durch äußere Einflüsse (Wetterbedingungen, Nahrungsreserven usw.) korrigiert.

Jahrelange biologische Zyklen sind durch zyklische Klimaschwankungen und andere Existenzbedingungen (in Verbindung mit Veränderungen der Sonnenaktivität und anderen kosmischen und planetarischen Faktoren) bedingt. Solche biologischen Kreisläufe treten in Populationen und Biozönosen auf und äußern sich in Schwankungen in der Fortpflanzung und Anzahl bestimmter Arten, in der Umsiedlung von Populationen an neuen Orten oder im Aussterben von Populationsteilen. Diese Phänomene sind das Endergebnis zyklischer Veränderungen in Populationen und Biozönosen sowie von Schwankungen ihrer Existenzbedingungen, hauptsächlich des Klimas.


Frühjahr 2022

FRÜHJAHR 2022 CORE-UA 305 001, Life Science: Human Origins
Prof. TBA (Anthropologie)
Dieser Kurs bietet eine umfassende Einführung in das Gebiet der biologischen Anthropologie und erforscht die Evolutionsgeschichte unserer Abstammungslinie. Die Themen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf menschliche und nicht-menschliche Primatengenetik, Verhalten, Osteologie, Paläoanthropologie, Bioarchäologie und Forensik. Besonderes Augenmerk wird auf die moderne menschliche biologische Variation und den menschlichen Fossilienbestand gelegt. Dabei rekonstruieren wir das Verhalten unserer Vorfahren und nahen Verwandten – lokomotorisch, sozial, sexuell und kulturell – unter Verwendung moderner Analoga, einschließlich des modernen Menschen, unserer nächsten lebenden Verwandten, der Menschenaffen, und anderer Primaten und Nicht-Primaten. Dieser Kurs beginnt mit einer Überprüfung der Zell- und Molekularbiologie und der Evolutionstheorie im Allgemeinen, legt dann unseren Platz in der Natur und der geologischen Zeit fest und endet mit einem detaillierten Streifzug in die modernen menschlichen Ursprünge, einschließlich Fossilien, Artefakten und abgeleiteten kulturellen Verhaltensweisen. Darüber hinaus werden wir moderne menschliche Variationen untersuchen, einschließlich Diskussionen zu Themen wie Rasse, Genetik und Sexualität.

SPRING 2022 CORE-UA 306, Biowissenschaften: Gehirn und Verhalten
Prof. TBA (Neuralwissenschaft)
Die Beziehung des Gehirns zum Verhalten, beginnend mit den grundlegenden Elementen des Nervensystems und der Funktionsweise elektrischer und chemischer Signale im Gehirn, um das Verhalten zu beeinflussen. Auf dieser Grundlage untersuchen wir, wie das Gehirn lernt und wie es neue Verhaltensweisen erzeugt, zusammen mit den Gehirnmechanismen, die an Sinneserfahrungen, Bewegung, Hunger und Durst, sexuellem Verhalten, Emotionserfahrung, Wahrnehmung und Kognition, Gedächtnis und Plastizität des Gehirns. Weitere zentrale Themen sind, ob bestimmte Verhaltensstörungen wie Schizophrenie und bipolare Störung auf Veränderungen der Gehirnfunktion zurückzuführen sind und wie Medikamente das Verhalten und die Gehirnfunktion verändern können.

Hinweis: In einigen Labors ist der Umgang mit Tieren und tierischem Hirngewebe erforderlich.

FRÜHJAHR 2022 CORE-UA 310, Biowissenschaften: Moleküle des Lebens
Prof. Jordan (College Core Curriculum) [Lehrplan]
Unser Leben wird zunehmend von der Verfügbarkeit neuer Medikamente beeinflusst, die von cholesterinsenkenden bis hin zu verhaltensbeeinflussenden Medikamenten reichen. Wir untersuchen die Chemie und Biologie von Biomolekülen, aus denen die molekulare Maschinerie der Zelle besteht. Entscheidend für die Funktion solcher Biomoleküle ist ihre dreidimensionale Struktur, die ihnen eine bestimmte Funktion verleiht. Diese Informationen bilden die wissenschaftliche Grundlage für das Verständnis der Arzneimittelwirkung und der Entwicklung neuer Arzneimittel. Ausgehend von den Prinzipien der chemischen Bindung, der molekularen Struktur und der Säure-Base-Eigenschaften, die die Struktur und Funktion von Biomolekülen bestimmen, wenden wir diese Prinzipien an, um die Vielfalt der Proteinarchitektur zu untersuchen und wie Proteine ​​als Enzyme zur Erleichterung biochemischer Reaktionen dienen. Wir schließen mit einer Studie zur Molekulargenetik und wie aktuelle Informationen aus dem Human Genome Project neue Ansätze zur Diagnose von Krankheiten und zur Entwicklung von Arzneimitteln anregen.

Hinweis: Dies ist Kurs ist Nicht verfügbar an Studierende, die CORE-UA 210 abgeschlossen haben.

FRÜHJAHR 2022 CORE-UA 311, Life Science: Lehren aus der Biosphäre
Prof. TBA (Biologie)
Bietet eine Wissensgrundlage über die Funktionsweise der Biosphäre der Erde. Dazu gehören die größten Ideen und Erkenntnisse über die Biologie auf globaler Ebene – in der Größenordnung, in der wir leben. Dieses Wissen ist heute besonders wichtig, weil wir Menschen so viele Systeme in der Biosphäre stören. Wir untersuchen vier Hauptthemen: (1) Evolution des Lebens: Wie ist das Leben zu dem geworden, was es heute ist? (2) Vielfalt des Lebens: Was ist das Leben heute auf globaler Ebene? (3) Stoffkreisläufe: Wie interagieren Leben und unbelebte Umwelt? (4) The Human Guild: Wie verändern die Menschen die Biosphäre und wie können wir unsere Zukunft in der Biosphäre betrachten? Laborexperimente werden durch eine Erkundung im American Museum of Natural History ergänzt.


Beispiele für biogeochemische Kreisläufe

Der Wasserkreislauf

Der biogeochemische Kreislauf des Wassers oder die Wasserkreislauf beschreibt die Art und Weise, wie Wasser (Wasserstoffdioxid oder H2O) wird in allen Erdsystemen zirkuliert und recycelt.

Ausnahmslos alle lebenden Organismen brauchen Wasser zum Überleben und Wachsen, was es zu einem der wichtigsten Stoffe auf der Erde macht. In komplexen Organismen wird es verwendet, um Vitamine und Mineralstoffe aufzulösen. Es wird dann verwendet, um diese Substanzen sowie Hormone, Antikörper, Sauerstoff und andere Substanzen im Körper und aus ihm heraus zu transportieren. Es hilft auch bei den enzymatischen und chemischen Reaktionen, die für den Stoffwechsel erforderlich sind, und wird zur Temperaturregulierung verwendet.

Auf geografischer Ebene ist der biogeochemische Kreislauf des Wassers für das Wettergeschehen verantwortlich. Die Temperatur, die Menge und die Bewegung des Wassers wirken sich auf alle Wettersysteme aus.Da Wasser in seinen verschiedenen Formen (Dampf, Flüssigkeit und Eis) mit seiner Umgebung interagiert, verändert es die Temperatur und den Druck der Atmosphäre, erzeugt Wind, Regen und Strömungen und ist verantwortlich für die Veränderung der Struktur von Erde und Gestein durch Verwitterung.

Obwohl es keinen wirklichen Anfang des Wasserkreislaufs gibt, werden 97% des weltweiten Wassers in den Ozeanen gespeichert, daher ist hier ein logischer Ausgangspunkt.

Ein sehr kleiner Teil des Ozeanwassers gefriert an den Polen und wird als Eis in Gletschern gespeichert.

Ein Teil des Oberflächenwassers wird durch die Sonne erwärmt, und Verdunstung stattfinden. Dabei wird das flüssige Wasser in Wasserdampf und wird in die Atmosphäre aufgenommen. Wenn das Wasser aufsteigt, kühlt es ab und Kondensation tritt ein. Dadurch wird das Wasser in Form von Wolken in der Atmosphäre gespeichert.

Wenn sich die Wolken um die Erdatmosphäre bewegen, kollidieren sie und wachsen. Irgendwann werden die Wassertröpfchen groß genug, damit sie schwer genug sind, um zu fallen Niederschlag (Regen) oder als Schnee, je nach Umgebungsbedingungen.

Der meiste Schnee, der fällt, wird entweder als Eiskappen gespeichert oder schmilzt zu Bächen und Flüssen.

Ein Teil des Wassers, das auf den Boden gelangt, wird durch die Schwerkraft beeinflusst und fließt über . zurück in den Ozean Oberflächenabfluss. Darüber hinaus verbindet sich ein Teil dieses Wassers mit Süßwasserströmen und Flüssen, die schließlich in die Ozeane führen, oder es kann in Seen und Stauseen gespeichert werden. Dieses Süßwasser kann von Tieren konsumiert werden, die das Wasser durch ihren Körper zirkulieren.

Ein Großteil des Wassers, das als Regen gefallen ist, versickert durch den Boden Infiltration. Hier dringt es entweder tief in das Gestein ein und bildet riesige Speicher namens Grundwasserleiter oder es bleibt relativ nah an der Oberfläche, da Grundwasserfluss.

Das Grundwasser wird von den Wurzeln der Pflanzen aufgenommen und für Photosynthese. Das Wasser wird dann in die Atmosphäre durch Verdunstung oder wird verzehrt, wenn die Pflanzen gegessen werden.

Ein Teil des Grundwassers entspringt aus Quellen und Oberflächengewässern und gelangt schließlich zurück ins Meer.

Der Kohlenstoffkreislauf

Als Hauptbestandteil biologischer Verbindungen kommt Kohlenstoff in allen Lebewesen vor, aber auch in vielen nicht lebenden Dingen wie Mineralien, der Atmosphäre, den Ozeanen und dem Erdinneren.

Obwohl Kohlenstoff ein wesentlicher Bestandteil des Lebens ist, kann Leben, wie wir es kennen, nur durch ein spezifisches Gleichgewicht atmosphärischer Komponenten und Bedingungen existieren. Daher ist es wichtig, ein Gleichgewicht zwischen der in Senken gespeicherten Kohlenstoffmenge und der Menge, die aus verschiedenen Quellen emittiert wird, aufrechtzuerhalten.

Obwohl alle biogeochemischen Kreisläufe des Kohlenstoffs miteinander verbunden sind, ist es einfacher, sie mit zwei Systemen zu visualisieren.

Schnelle biogeochemische Kohlenstoffzyklen

In diesem Zyklus, anorganischer Kohlenstoff, das als CO . in der Atmosphäre vorhanden ist2, wird gefangen genommen von Autotrophe. Dies sind in der Regel photosynthetische Organismen wie Pflanzen, Bakterien und Algen.

Bei der Photosynthese wird der Kohlenstoff in organische Verbindungen Glukose, die im Körper dieser Organismen gespeichert werden. Dieser Kohlenstoff kann viele hundert Jahre lang im Körper von Pflanzen in Gebieten wie tropischen Regenwäldern gespeichert werden.

Wenn die organischen Verbindungen von verbraucht werden heterotrophe, sie werden durch die Nahrungsnetz, wo sie mit Hilfe von . in nützliche Substanzen zerlegt werden Zellatmung. Zellatmung produziert CO2, das wieder in die Atmosphäre abgegeben wird.

Der Ozean ist die zweitgrößte Kohlenstoffsenke. Neben gelöstem anorganischem Kohlenstoff, der in der Tiefe gespeichert wird, enthält die Oberflächenschicht große Mengen an gelöstem Kohlenstoff, der schnell mit der Atmosphäre ausgetauscht wird.

Langfristige biogeochemische Kohlenstoffzyklen

Die langfristige Speicherung von Kohlenstoff erfolgt über Tausende oder Millionen von Jahren und ist wichtig für die Aufrechterhaltung stabiler atmosphärischer Kohlenstoffwerte.

Wenn ein Organismus stirbt, wird der in seinem Körper gespeicherte Kohlenstoff in CO . zerlegt2 und andere organische Stoffe durch Zersetzer. Während ein Teil dieses Kohlenstoffs in die Atmosphäre abgegeben wird, bleibt ein großer Teil davon im Boden gebunden. Durch diesen Prozess werden Böden zu wichtigen Reservoirs für die Kohlenstoffspeicherung.

Die größte Kohlenstoffsenke ist die Lithosphäre (die Felsen der Erde). Ein Großteil des Kohlenstoffs der Erde wurde bei der Entstehung der Erde in Gesteinen gespeichert, wird aber auch kontinuierlich durch den biogeochemischen Kreislauf der Biosphäre zirkuliert. Calciumcarbonat (CaCO3), die die Schalen von Meeresorganismen bilden, bildet Kalkstein, wenn er sich am Meeresgrund ansammelt. Dies ist einer der größten Kohlenstoffspeicher der Welt.

Fossile Brennstoffe enthalten auch riesige Mengen an Kohlenstoff, die aus den Überresten von Pflanzen und Tieren gebildet werden, die vor Millionen von Jahren gelebt haben. Unter bestimmten Bedingungen wurde der Kohlenstoff in ihren Körpern unter Druck gesetzt und „gekocht“, um Kohlenwasserstoffe zu bilden. Diese findet man heute in Form von Erdöl, Kohle und Erdgas.

Auswirkungen des Menschen auf den biogeochemischen Kohlenstoffkreislauf

Der Mensch hat einen drastischen Einfluss auf den natürlichen Kohlenstoffkreislauf in der Atmosphäre und in den Ozeanen.

Fossile Brennstoffe, die über Millionen von Jahren riesige Mengen an Kohlenstoff gespeichert haben, werden zu schnell verbrannt, als dass sie in Kohlenstoffsenken zurückgeführt werden könnten. Stattdessen wird es als Kohlendioxid und Methan (CO) in die Atmosphäre freigesetzt, wodurch verhindert wird, dass Wärme aus der Atmosphäre entweicht Treibhauseffekt.

Darüber hinaus setzt die Entwaldung neben anderen störenden Praktiken Kohlenstoff frei, der in Pflanzenmaterial gespeichert ist, und verringert die Anzahl der Pflanzen, die für dessen Gewinnung zur Verfügung stehen – dies gilt insbesondere für tropische Regenwälder und Torfmoore.

Die unnatürliche Störung dieses heiklen biogeochemischen Kreislaufs durch den Menschen könnte schwerwiegende Folgen für unseren Planeten haben.


Beispiele für Kohlenstoffkreislauf

Der Kohlenstoffkreislauf besteht aus vielen parallelen Systemen, die Kohlenstoff entweder aufnehmen oder abgeben können. Zusammen arbeiten diese Systeme daran, den Kohlenstoffkreislauf der Erde – und damit auch ihr Klima und ihre Biosphäre – relativ stabil zu halten. Im Folgenden finden Sie einige Beispiele für Teile der Ökosysteme der Erde, die Kohlenstoff absorbieren, Kohlenstoff in lebende Materie umwandeln oder Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre abgeben können.

Atmosphäre

Ein wichtiger Kohlenstoffspeicher ist das Kohlendioxid in der Erdatmosphäre. Kohlenstoff bildet in Verbindung mit zwei Sauerstoffatomen ein stabiles, gasförmiges Molekül. In der Natur wird dieses Gas durch vulkanische Aktivität freigesetzt und durch die Atmung von Tieren, die Kohlenstoffmoleküle aus der Nahrung, die sie essen, an Sauerstoffmoleküle anheften, bevor sie sie ausatmen.

Kohlendioxid kann durch Pflanzen aus der Atmosphäre entfernt werden, die den atmosphärischen Kohlenstoff aufnehmen und ihn in Zucker, Proteine, Lipide und andere lebenswichtige Moleküle umwandeln. Es kann auch durch Aufnahme in den Ozean aus der Atmosphäre entfernt werden, dessen Wassermoleküle sich mit Kohlendioxid zu Kohlensäure verbinden können.

Lithosphäre

Die Erdkruste – „Lithosphäre“ genannt, vom griechischen Wort „litho“ für „Stein“ und „Kugel“ für Globus – kann auch Kohlendioxid in die Erdatmosphäre abgeben. Dieses Gas kann durch chemische Reaktionen in der Erdkruste und im Mantel entstehen.

Vulkanische Aktivität kann zu einer natürlichen Freisetzung von Kohlendioxid führen. Einige Wissenschaftler glauben, dass die weit verbreitete vulkanische Aktivität für die Erwärmung der Erde verantwortlich sein könnte, die das Aussterben des Perm verursachte.

Während die Erdkruste der Atmosphäre Kohlenstoff hinzufügen kann, kann sie ihn auch entfernen. Bewegungen der Erdkruste können kohlenstoffhaltige Chemikalien wie tote Pflanzen und Tiere tief unter der Erde vergraben, wo ihr Kohlenstoff nicht zurück in die Atmosphäre entweichen kann. Über Millionen von Jahren verflüssigen sich diese unterirdischen Reservoirs organischer Stoffe und werden zu Kohle, Öl und Benzin. In den letzten Jahren haben die Menschen begonnen, einen Großteil dieses gebundenen Kohlenstoffs wieder in die Atmosphäre freizusetzen, indem sie diese Materialien verbrannten, um Autos, Kraftwerke und andere menschliche Geräte anzutreiben.

Biosphäre

Einige Lebewesen entziehen der Atmosphäre Kohlenstoff, während andere ihn wieder abgeben. Die auffälligsten Teilnehmer an diesem System sind Pflanzen und Tiere.

Pflanzen entziehen der Atmosphäre Kohlenstoff. Sie tun dies nicht als wohltätige Handlung. atmosphärischer Kohlenstoff ist eigentlich die „Nahrung“, die Pflanzen verwenden, um Zucker, Proteine, Lipide und andere lebenswichtige Moleküle herzustellen. Pflanzen nutzen die durch Photosynthese gewonnene Energie des Sonnenlichts, um diese organischen Verbindungen aus Kohlendioxid und anderen Spurenelementen aufzubauen. Tatsächlich leitet sich der Begriff „Photosynthese“ von den griechischen Wörtern „Foto“ für „Licht“ und „Synthese“ für „zusammensetzen“ ab.

In einer anmutig ausgewogenen Reihe chemischer Reaktionen fressen Tiere Pflanzen (und andere Tiere) und nehmen diese synthetisierten Moleküle wieder auseinander. Tiere erhalten ihren Treibstoff aus der chemischen Energie, die Pflanzen bei der Photosynthese in den Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen und anderen Atomen gespeichert haben. Dazu zerlegen tierische Zellen komplexe Moleküle wie Zucker, Fette und Proteine ​​bis hin zu Einzelkohlenstoff-Einheiten – Kohlendioxid-Molekülen, die durch Reaktion kohlenstoffhaltiger Nahrungsmoleküle mit Luftsauerstoff entstehen.

Ozeane

Die Ozeane der Erde haben die Fähigkeit, Kohlendioxid sowohl aufzunehmen als auch freizugeben. Kommt Kohlendioxid aus der Atmosphäre mit Meerwasser in Kontakt, kann es mit den Wassermolekülen zu Kohlensäure reagieren – einer gelösten flüssigen Form von Kohlenstoff.

Wenn der Ozean mehr Kohlensäure als Kohlendioxid in der Atmosphäre enthält, kann ein Teil der Kohlensäure als Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt werden. Auf der anderen Seite, wenn mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre vorhanden ist, wird mehr Kohlendioxid in Kohlensäure umgewandelt und der Säuregehalt der Ozeane steigt.

Einige Wissenschaftler haben Bedenken geäußert, dass die Säure in einigen Teilen des Ozeans ansteigt, möglicherweise als Folge des erhöhten Kohlendioxids in der Atmosphäre aufgrund menschlicher Aktivitäten. Obwohl diese Veränderungen des Säuregehalts der Ozeane nach menschlichen Maßstäben gering klingen mögen, hängen viele Arten von Meereslebewesen von chemischen Reaktionen ab, die zum Überleben einen ganz bestimmten Säuregehalt benötigen. Tatsächlich tötet die Ozeanversauerung derzeit viele Korallenriffgemeinschaften.


Kohlenstoffkreisläufe und Energiefluss durch Ökosysteme und die Biosphäre

In dieser Analyse- und Diskussionsaktivität erfahren die Schüler, warum die Biosphäre einen kontinuierlichen Energiezufluss, aber keinen Zufluss von Kohlenstoffatomen benötigt. Die Studierenden analysieren, wie der Prozess der Photosynthese die allgemeinen Prinzipien der Erhaltung der Materie und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik veranschaulicht.

Anschließend analysieren die Studierenden, wie Kohlenstoffkreisläufe und Energieflüsse durch Ökosysteme aus Photosynthese, Biosynthese, Zellatmung und den trophischen Beziehungen in Nahrungsnetzen resultieren. So lernen die Studierenden, wie wichtige ökologische Phänomene aus Prozessen auf molekularer, zellulärer und organismischer Ebene resultieren.

Das Schülerhandout ist in den ersten beiden angehängten Dateien und als Google-Dokument entworfen für den einsatz in Fernunterricht und Online-Anleitung. Die Lehrernotizen, die in den letzten beiden angehängten Dateien verfügbar sind, bieten Unterrichtsvorschläge und Hintergrundinformationen und erklären, wie diese Aktivität mit den Wissenschaftsstandards der nächsten Generation in Einklang steht.


Poster zum Kohlenstoffkreislauf

In Gruppen können die Studierenden einfache Veranschaulichungen des Kohlenstoffflusses zwischen Biosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre und Lithosphäre erstellen. Verwenden Sie die bereitgestellten Materialien, um die Geschichte zu erzählen, wie menschliche Aktivitäten zum globalen Klimawandel beitragen können.

  1. veranschaulichen die Kohlenstoffflüsse, die zwischen Biosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre und Lithosphäre auftreten.
  2. veranschaulichen und erklären, wie der Mensch den Kohlenstofffluss zwischen den vier Sphären verändert
  3. menschliche Veränderungen der Kohlenstoffflüsse zu identifizieren, die zum globalen Klimawandel beitragen.
  • Poster oder Metzgerpapier
  • Tonpapier in vier verschiedenen Farben, um die verschiedenen Sphären darzustellen (wir empfehlen Blau für die Hydrosphäre, Grün für die Biosphäre, Gelb für die Atmosphäre und Braun für die Lithosphäre)
  • Tesafilm
  • Schere
  • Buntstifte, Buntstifte oder Marker
  • Carbon Flow Pfeile
  • Menschliche Veränderungspfeile
  • Carbon Cycle Poster Menschliche Veränderungskarten
  • Kohlenstoffkreislauf Poster Menschliche Veränderung Antworten
  1. Sammeln Sie Vorräte und schneiden Sie Posterpapier für jede Vierergruppe.
  2. Zeichnen Sie den Farbschlüssel für die 4 Kugeln an die Tafel.
  3. Pfeile und Änderungskarten ausdrucken und ausschneiden.

Besprechen Sie, was die Wörter „Biosphäre, Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre“ bedeuten. Wir schlagen vor, die Schüler beim Sezieren der Wörter zu unterstützen: Bio bedeutet Leben, Litho bedeutet Fels, Hydro bedeutet Wasser und atmos ist griechisch für Dampf. Kugel bezieht sich auf einen Teil oder Teile des Planeten.

  • Die Biosphäre besteht aus den Teilen des Planeten, die Leben enthalten.
  • Die Lithosphäre besteht aus den Teilen des Planeten, die Gesteine ​​und Sedimente enthalten.
  • Die Hydrosphäre besteht aus den Teilen des Planeten mit Wasser
  • Die Atmosphäre besteht aus den Teilen des Planeten mit Dampf oder Gasen.

Den Kohlenstoffkreislauf lehren. Wir empfehlen die Verwendung der Rollenspiel zum Kohlenstoffkreislauf Aktivität, aber ein Vorlesungsformat wird auch funktionieren.

  1. Teilen Sie die Schüler in Vierergruppen auf und verteilen Sie Posterpapier an jeden. Erklären Sie, dass ihre Aufgabe darin besteht, gemeinsam ein Poster zum Kohlenstoffkreislauf zu entwerfen, das veranschaulicht, wie sich der Kohlenstoff zwischen den vier verschiedenen Sphären bewegt.
  2. Lassen Sie jede Gruppe helfen, die Kugeln auszuschneiden und zu beschriften.
    • Geben Sie jeder Gruppe vier Stück Tonpapier, jedes in einer anderen Farbe. Sagen Sie den Schülern anhand Ihres Farbschlüssels, dass jedes Blatt Papier eine der vier Sphären darstellt: Biosphäre, Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre.
    • Lassen Sie jeden Schüler ein Blatt Papier auswählen und daraus einen großen Kreis ausschneiden. Lassen Sie die Schüler dann den Namen der Kugel auf ihren Kreis schreiben und etwas zeichnen, das diese Kugel repräsentiert (z. B. Blätter, Wolken, Tropfen, Berge).
  3. Lassen Sie jede Gruppe ein Diagramm erstellen, indem Sie die Kugeln und die Pfeile so auf das Poster kleben, dass erklärt wird, wie Kohlenstoff durch die vier Kugeln fließt.
    • Geben Sie jeder Schülergruppe eine Reihe von 9 Kohlenstoffflusspfeile, aber verteile die menschlichen Veränderungspfeile noch nicht. Sagen Sie den Schülern, dass diese Pfeile zeigen, wie sich Kohlenstoff von einer Kugel zur anderen bewegt.
    • Gehen Sie bei Bedarf mit den Schülern einige Vokabeln auf den Pfeilen durch.
    • Sagen Sie den Schülern, dass es ihre Aufgabe ist, die Pfeile zwischen den entsprechenden Kugeln zu platzieren. Betonen Sie, dass die Pfeile auf ihren Postern in die entsprechende Richtung zeigen sollten.

Lehrer-Tipp: Überprüfen Sie das Verständnis, indem Sie während der Arbeit auf die Poster blicken, und leiten Sie die Schüler entsprechend an. Konzentrieren Sie sich darauf, dass sie ihre Argumentation erklären und sich auf frühere Erfahrungen beziehen, z Rollenspiel zum Kohlenstoffkreislauf.

  1. Nachdem die Schüler ihre Kugeln mit den Pfeilen verbunden haben, bringen Sie alle als Klasse zusammen, um ihre Systeme zu vergleichen und ihr Denken zu erklären. Sie können ein Diagramm an der Tafel erstellen (siehe Beispiel), wenn es hilft, Missverständnisse zu klären.
  2. Besprechen Sie, wie diese Poster das System modellieren und welche Ideen in diesem Diagramm klar sein könnten oder fehlen (z. B. ist Kohlenstoff manchmal ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas, die durch jeden Pfeil bewegte Kohlenstoffmenge wird nicht ausgedrückt).

Bewertungsgrenze: Wenn Sie auf die Leistungserwartungen 5-LS2-1 oder MS-LS2-3 oder HS-LS2-5 hinarbeiten bezüglich Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der Bewegung von Materie zwischen lebenden und nicht lebenden Teilen eines Ökosystems, denken Sie daran, dass die Schüler nicht Es wird erwartet, dass sie das Verständnis der molekularen Bewegung demonstrieren oder den Prozess mithilfe chemischer Reaktionen beschreiben.

Bewertungsgrenze: Wenn Sie auf die Leistungserwartungen 5-ESS2-1 oder MS-ESS2-1 oder HS-ESS2-6 hinarbeiten bezüglich Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der Interaktion zwischen Geosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und/oder Atmosphäre, denken Sie daran, dass Fünftklässler nur die Wechselwirkungen zweier Systeme gleichzeitig erklären müssen. Der Schwerpunkt in der Mittelstufe liegt auf dem geologischen Prozess des Gesteinskreislaufs, und der Schwerpunkt in der Oberstufe liegt darauf, wie biogeochemische Kreisläufe, die den Kreislauf von Kohlenstoff durch den Ozean, die Atmosphäre, den Boden und die Biosphäre (einschließlich des Menschen) umfassen, die Grundlage bilden für lebende Organismen.

  1. Gib jeder Gruppe a Menschliche Veränderungskarte. Verteilen Sie die Pfeilblätter zur menschlichen Veränderung und fordern Sie die Schüler auf, den Pfeil auszuschneiden und ihre spezifische menschliche Veränderung auf den Pfeil zu schreiben.
  2. Sagen Sie den Schülern, dass sie den menschlichen Veränderungspfeil auf ihrem Poster platzieren sollen, um zu reflektieren, wie die Veränderung Kohlenstoff von Kugel zu Kugel bewegen würde. Einige davon sind knifflig, also sagen Sie den Schülern, dass es in Ordnung ist, wenn sie die Antwort nicht genau wissen, da Sie sie als Klasse durchgehen werden.
  3. Lassen Sie jede Gruppe dem Rest der Klasse ihre menschliche Veränderung vorstellen und wie sie sich ihrer Meinung nach auf den Kohlenstoffkreislauf auswirkt. Verwenden Sie die Antwort auf die menschliche Veränderungs um die Arbeit der Schüler zu überprüfen und die Klasse in der Diskussion zu leiten.
  4. Besprechen Sie nach der Präsentation jeder Gruppe, wie die anfängliche Auswirkung einer menschlichen Veränderung des Kohlenstoffkreislaufs ein Fluss von einer Kugel in eine andere sein könnte, dargestellt durch den großen Pfeil, aber dass dieser anfängliche Fluss andere Bewegungen im Kreislauf verursachen könnte auch. Es ist schließlich ein Kohlenstoffkreislauf, was sich in eine Sphäre bewegt, wird sich schließlich in andere Sphären bewegen. Betonen Sie, dass sich der Zyklus mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt und dass einige Bewegungen zwischen den Kugeln relativ schnell erfolgen, während andere sehr lange dauern.
  5. Nutzen Sie diese Gelegenheit, um Ihren Schülern zu sagen, dass Wissenschaftler noch immer den Kohlenstoffkreislauf untersuchen und nicht alle Details verstehen. Wenn der Mensch beispielsweise mehr Kohlenstoff in die Atmosphäre freisetzt, wird ein Teil davon von den Ozeanen aufgenommen, aber die Wissenschaftler sind sich nicht sicher, wie viel Kohlenstoff der Ozean aus der Atmosphäre aufnimmt.
  6. Diskutieren Sie, welche dieser menschlichen Veränderungen Auswirkungen auf das Klima haben (alle). Sechs von ihnen bringen Kohlenstoff in die Atmosphäre, wo er Bestandteil von Treibhausgasen ist und das Klima durch Aufnahme und Rückstrahlung von Wärme verändert. Einer von ihnen nimmt Kohlenstoff aus der Atmosphäre auf und führt ihn in das Baumwachstum ein und einer nimmt Kohlenstoff aus der Lithosphäre auf, aber anstatt ihn an die Atmosphäre abzugeben, wird er wieder in die Lithosphäre injiziert. Diese letzten beiden Veränderungen, das Pflanzen von Bäumen und das Auffangen von Kohlenstoffemissionen und deren unterirdische Speicherung, sind Beispiele dafür, wie Menschen versuchen, den Klimawandel zu bekämpfen und die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren.

Besprechen Sie mit Ihren Schülern folgende Fragen:

  • Fügt der Mensch dem Kohlenstoffkreislauf mehr Kohlenstoff hinzu?Nein, der Mensch verändert den Kohlenstoffgehalt in bestimmten Bereichen, aber nicht den Gesamtkohlenstoffgehalt der Pflanze.
  • Was tut der Mensch, um den Kohlenstoffkreislauf zu verändern?Verbrennung fossiler Brennstoffe, Viehzucht, Reisanbau, Abholzung, Herstellung von Zement.
  • Warum sind diese menschlichen Veränderungen des Kohlenstoffkreislaufs ein Problem?Sie erhöhen die Menge an Kohlendioxid und Methan in der Atmosphäre, beides Treibhausgase. Ein Anstieg der Treibhausgase führt zu einem globalen Klimawandel, der viele Auswirkungen hat, darunter steigender Meeresspiegel, steigende Temperaturen, vermehrte Stürme, Veränderungen der Niederschläge, Aussterben von Organismen…
  • Was kann der Mensch tun, um die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre zu verringern?Verbrennen Sie weniger fossile Brennstoffe, indem Sie weniger Auto fahren, nehmen Sie öffentliche Verkehrsmittel, kaufen Sie lokale Lebensmittel, schalten Sie das Licht aus, pflanzen Sie Bäume, unterstützen Sie erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne, fangen Sie Kohlenstoff in Kraftwerken ab und speichern Sie ihn unter der Erde.

Kohlenstoff: ein Element, das in allen Lebewesen zu finden ist

Diffusion: Mischen von Flüssigkeits-, Gas- oder Feststoffpartikeln von einem Ort zum anderen (von höherer Konzentration zu niedrigerer Konzentration)

Atmosphäre: die die Erde umgebenden Gase

Biosphäre: die Teile des Landes, des Meeres und der Atmosphäre, in denen Leben existiert

Hydrosphäre: das gesamte Wasser der Erde, einschließlich Oberflächenwasser (Wasser in Ozeanen, Seen und Flüssen), Grundwasser (Wasser im Boden und unter der Erdoberfläche), Schneedecke, Eis und Wasser in der Atmosphäre, einschließlich Wasserdampf

Lithosphäre: felsige äußere Schicht der Erde

Pflanzen und ihre Prozesse

Photosynthese: der Prozess, bei dem Pflanzen Kohlendioxid und Sonnenenergie verwenden, um Zucker zu bilden

Atmung: die Prozesse, bei denen pflanzliche und tierische Zellen Zucker abbauen, wodurch Kohlendioxid entsteht

Erosion: Abnutzung und Bewegung von Gestein und Sediment, oft durch Wasser, Wind, Gletscher und Wellen

Sediment: Material wie Steine ​​oder Sand, das durch Wasser, Wind oder Gletscher abgelagert wird

Sedimentation: der Prozess der Sedimentablagerung und Bildung von Sedimentgesteinen

Verwitterung: Prozesse, bei denen sich der Witterung ausgesetzte Gesteine ​​verändern und zerfallen

Kohlenstoffzyklus

Kohlenstoff ist ein extrem häufiges Element auf der Erde und kommt in allen vier großen Sphären des Planeten vor: Biosphäre, Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre. Kohlenstoff ist sowohl in den lebenden als auch in den unbelebten Teilen des Planeten als Bestandteil von Organismen, atmosphärischen Gasen, Wasser und Gesteinen enthalten. Der Kohlenstoff, der in einer der Sphären des Planeten enthalten ist, bleibt nicht für immer dort. Stattdessen bewegt es sich in einem fortlaufenden Prozess, der als Kohlenstoffkreislauf bekannt ist, von einer Sphäre zur anderen. Der Kohlenstoffkreislauf ist auf der Erde äußerst wichtig, da er wichtige Lebensprozesse wie Photosynthese und Atmung beeinflusst, zur Bildung fossiler Brennstoffe beiträgt und das Erdklima beeinflusst.

Abgesehen von den relativ geringen Kohlenstoffzusätzen von Meteoriten ist die Kohlenstoffmenge auf dem Planeten stabil. Aber die Menge an Kohlenstoff in einer bestimmten Sphäre des Planeten kann je nach den Schwankungen des Kohlenstoffkreislaufs zunehmen oder abnehmen. Der Kreislauf kann man sich in Form von Reservoirs (Orten, an denen Kohlenstoff gespeichert wird) und Flüssen (der Bewegung zwischen Reservoirs) vorstellen. Die Atmosphäre, die Biosphäre, die Hydrosphäre und die Lithosphäre sind die Reservoirs und die Prozesse, durch die Kohlenstoff von einem Reservoir zum anderen wandert, sind die Flüsse. Obwohl Kohlenstoff auf der Erde sehr verbreitet ist, ist reiner Kohlenstoff nicht üblich. Vielmehr ist Kohlenstoff in Verbindungen meist an andere Elemente gebunden. Wenn sich Kohlenstoff also bewegt oder kreist, geschieht dies normalerweise innerhalb von Verbindungen wie Kohlendioxid und Methan.

Die vielen Prozesse, die Kohlenstoff von einem Ort zum anderen bewegen, finden auf unterschiedlichen Zeitskalen statt. Einige von ihnen finden auf kurzen Zeitskalen statt, wie beispielsweise die Photosynthese, bei der Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Biosphäre transportiert wird, während Pflanzen der Atmosphäre Kohlendioxid entziehen. Einige Kohlenstoffkreislaufprozesse laufen über viel längere Zeitskalen ab. Im Ozean sterben zum Beispiel Organismen mit Kalziumkarbonat-Skeletten und -Schalen, und einige ihrer Überreste, die sich nicht zersetzen, sinken auf den Meeresboden. Beim Erreichen des Meeresbodens wird der in ihren Körpern gespeicherte Kohlenstoff Teil des kohlenstoffreichen Sediments und wird schließlich durch plattentektonische Bewegungen in Subduktionszonen transportiert, wo er in metamorphes Gestein umgewandelt wird. Diese beiden Beispiele zeigen die extreme Vielfalt der Prozesse, die im Kohlenstoffkreislauf ablaufen.

Im Allgemeinen umfasst der kurzfristige Kohlenstoffkreislauf Photosynthese und Atmung. An Land fließt Kohlenstoff von der Atmosphäre zu Pflanzen mit Photosynthese und dann zurück in die Atmosphäre mit Atmung und Zersetzung von Pflanzen und Tieren. Bei Wasserpflanzen besteht die Photosynthese darin, Kohlendioxid, das im Wasser um sie herum gelöst ist, aufzunehmen und durch Atmung und Zersetzung Kohlendioxid wieder in das Wasser zu bringen. Kohlendioxid bewegt sich nicht nur zwischen Pflanzen und der Atmosphäre oder dem Wasser, sondern auch durch Diffusion ständig zwischen der Atmosphäre und dem Wasser. Der langfristige Kohlenstoffkreislauf umfasst mehr lithosphärische Prozesse. Es beinhaltet die Verwitterung und Erosion von kohlenstoffhaltigen Gesteinen, die Ansammlung von kohlenstoffreichem Pflanzen- und Tiermaterial in Sedimenten und die langsame Bewegung dieser Sedimente durch den Gesteinskreislauf.

Der gesamte Kohlenstoffkreislauf setzt sich aus noch spezifischeren Strömen zwischen Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre zusammen als die hier diskutierten. Obwohl der komplizierte Kohlenstoffkreislauf der Erde spezifischere Details enthält, hebt diese Version einige der wichtigsten Komponenten hervor und vermittelt den Schülern das Gesamtkonzept, dass Kohlenstoff begrenzt ist und sich durch die verschiedenen Sphären des Planeten bewegt. Für detailliertere Informationen zum Kohlenstoffkreislauf untersuchen Sie die Ressourcen und Referenzen, die am Ende des Unterrichtsplans aufgeführt sind.

Menschliche Veränderungen

Es gibt natürliche Schwankungen im Kohlenstoffkreislauf, aber der Mensch verändert die Kohlenstoffflüsse auf der Erde in unnatürlicher Geschwindigkeit. Die großen vom Menschen verursachten Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf führen zu einem erhöhten Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) in der Atmosphäre. Die größte Quelle dieser Veränderung ist die Verbrennung fossiler Brennstoffe, aber auch andere Maßnahmen wie Entwaldung, Zementherstellung, Viehzucht und Reisanbau tragen zu dieser Veränderung des Kohlenstoffkreislaufs bei.

Menschen nutzen fossile Brennstoffe wie Öl, Kohle und Erdgas für eine Vielzahl von Zwecken, darunter den Antrieb unserer Fahrzeuge, die Stromerzeugung, das Heizen und Kühlen unserer Gebäude und die Herstellung von Gütern wie Kunststoffen. Fossile Brennstoffe werden über Millionen von Jahren aus vergrabenem Pflanzen- und Tiermaterial gebildet, das aufgrund von Temperatur und Druck in der Tiefe dramatischen Veränderungen unterliegt. Im Allgemeinen wird Kohle aus Landpflanzenmaterial gewonnen, während Öl und Erdgas hauptsächlich aus mikroskopisch kleinen Meerespflanzen und -tieren gewonnen werden. Wenn wir diese fossilen Brennstoffe verbrennen, nehmen wir Kohlenstoff, der sehr lange unter der Erde gespeichert war, und geben ihn in die Atmosphäre ab.

Die Abholzung von Wäldern führt aus verschiedenen Gründen dazu, dass Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt wird. Erstens werden gefällte Bäume oft verbrannt, wodurch der in den Bäumen gespeicherte Kohlenstoff sofort an die Atmosphäre abgegeben wird. Zweitens wirkt sich die Entwaldung sowohl auf die Temperatur als auch auf die Stabilität des Bodens aus. Da Böden eine erhebliche Menge an Kohlenstoff enthalten, können Veränderungen, die den Boden betreffen, den im Boden gespeicherten Kohlenstoff beeinflussen. Abholzung führt zu mehr Bodenerosion, weil Bäume nicht mehr da sind, um den Boden zu stabilisieren. Erodierter Boden und der darin enthaltene Kohlenstoff gelangen oft in Flüsse und Bäche und schließlich in die Ozeane und bringen Kohlenstoff vom Land in die Hydrosphäre. Böden in entwaldeten Gebieten werden nicht nur wegen des Baummangels erodiert, sondern oft auch für die Landwirtschaft bestellt. Bei der Bodenbearbeitung wird der Boden umgedreht und das im Boden enthaltene Kohlendioxidgas an die Atmosphäre abgegeben. Nach der Abholzung steigen die Bodentemperaturen, da der Boden nicht mehr von Laub bedeckt ist. Ein Anstieg der Bodentemperatur führt zu einer Zunahme der bakteriellen Zersetzungsrate, was zu einer erhöhten Kohlenstofffreisetzung in die Atmosphäre führt.

Bei der Herstellung von Zement wird Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt. Zur Herstellung von Zement wird Calciumcarbonat in einem Ofen erhitzt, um Kalk und Kohlendioxid zu produzieren. Der Kalk wird mit anderen Materialien vermischt, um den Zement herzustellen, aber das Kohlendioxid wird an die Atmosphäre abgegeben. In den Vereinigten Staaten werden bei diesem Prozess etwa 7 bis 10 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr freigesetzt. Obwohl die Zementherstellung nicht zu den größten Verursachern von Kohlendioxidemissionen zählt, ist sie immer noch eine bedeutende und wachsende Quelle von Kohlendioxidemissionen weltweit.

Viehzucht und Reisanbau setzen beide Methangas in die Atmosphäre frei. Überflutete Reisfelder gelten als einer der stärksten Methanfreisetzer. Wenn Reisfelder geflutet werden, zersetzt sich die organische Unterwassersubstanz und Methan wird freigesetzt. Dies kommt auch in natürlichen Feuchtgebieten vor. Auch die Rinderhaltung trägt maßgeblich zu den Methanemissionen bei. Rinderrülpsen und Blähungen setzen Methan frei, weil Bakterien im Darm der Tiere Nahrung abbauen und einen Teil davon in Methangas umwandeln. Sowohl Rinder- als auch Reisanbau nehmen weltweit zu und somit werden diese Quellen von Treibhausgasen immer mehr besorgniserregend. Besonders besorgniserregend sind auch die Methanemissionen, da Methan ein viel stärkeres Treibhausgas ist als Kohlendioxid, was bedeutet, dass jedes Methanmolekül die Erde wesentlich stärker erwärmt als jedes Kohlendioxidmolekül.

Klimawandel

Da Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) Treibhausgase sind, die dazu beitragen, die Temperatur des Planeten zu kontrollieren, führt der vom Menschen verursachte Anstieg des atmosphärischen Kohlenstoffgehalts zu einer Vielzahl von klimatischen Veränderungen auf unserem Planeten. Zu diesen Veränderungen gehören Temperaturerhöhungen, steigender Meeresspiegel, Veränderungen der Niederschlagsmuster, vermehrte Stürme und das Aussterben von Organismen. Ein Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs ist zu diesem Zeitpunkt der Menschheitsgeschichte wegen der dramatischen und folgenreichen Veränderungen, die wir an diesem Kreislauf vornehmen, besonders wichtig.

Die Menschen ergreifen derzeit viele verschiedene Maßnahmen, um den Klimawandel zu verlangsamen. Sie versuchen, sowohl die Menge an Kohlenstoff, die in die Atmosphäre emittiert wird, zu verringern, als auch Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu entfernen und an anderer Stelle zu speichern. Zu den Möglichkeiten, die in die Atmosphäre emittierte Kohlenstoffmenge zu verringern, gehören weniger Autofahren, der Einsatz energieeffizienter Geräte, die Umstellung auf Solar- und Windkraft sowie die Gewinnung von Kohlenstoff aus Kraftwerken und anderen stationären Quellen und das Abpumpen in den Untergrund zur Speicherung. Dies wird als Kohlenstoffabscheidung und -speicherung oder Kohlenstoffsequestrierung bezeichnet und die Menschen verwenden diese Technik seit langem in Ölfeldern. Wissenschaftler erforschen derzeit Methoden zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung, um festzustellen, ob diese Technik im großen Maßstab eingesetzt werden kann, um den Klimawandel zu verlangsamen. Die Abschwächung des Klimawandels durch die tatsächliche Entfernung von Kohlenstoff aus der Atmosphäre kann mit verschiedenen Methoden erreicht werden. Einfach mehr Bäume zu pflanzen, entzieht der Atmosphäre Kohlenstoff, da Pflanzen Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnehmen, um Photosynthese zu betreiben. Andere Methoden, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen, umfassen das Auffangen von Kohlendioxidgas und dessen Rückverwandlung in nutzbaren Kraftstoff. Dies ist ein fortlaufendes Forschungsthema, und obwohl es derzeit viele praktikable Optionen zur Verringerung des Kohlenstoffgehalts in der Atmosphäre gibt, kann die Zukunft auch andere Möglichkeiten bieten.


Inhalt

Das Projekt Biosphere 2 wurde 1984 von dem Geschäftsmann und Philanthrop Ed Bass und dem Systemökologen John P. Allen ins Leben gerufen, wobei Bass bis 1991 150 Millionen US-Dollar zur Verfügung stellte. [8] Bass und Allen hatten sich in den 1970er Jahren auf der Synergia Ranch, a Gegenkultur-Community unter der Leitung von Allen, der sich für Buckminster Fullers "Spaceship Earth"-Konzept einsetzte und die Idee von Biosphären als Zufluchtsort vor Katastrophen wie einem Atomkrieg erforschte. [8] Mehrere andere ehemalige Mitglieder der Synergia Ranch schlossen sich auch dem Biosphere 2-Projekt an. [8]

Der Bau wurde zwischen 1987 und 1991 von Space Biosphere Ventures durchgeführt, einem Joint Venture, dessen Hauptgeschäftsführer John P. Allen, Erfinder und Vorstandsvorsitzender Margaret Augustine, CEO Marie Harding, Vizepräsidentin für Finanzen Abigail Alling, Vizepräsidentin für Forschung Mark Nelson, waren , Direktor für Raumfahrt- und Umweltanwendungen, William F. Dempster, Direktor für Systemtechnik, und Norberto Alvarez-Romo, Vizepräsident für Missionskontrolle. [ Zitat benötigt ]

Sie wurde "Biosphäre 2" genannt, weil sie nach der Erde selbst ("Biosphäre 1") die zweite vollständig autarke Biosphäre sein sollte.

Die Glas- und Spaceframe-Anlage befindet sich in Oracle, Arizona, am Fuße der Santa Catalina Mountains, etwa 50 Minuten nördlich von Tucson. Seine Höhe beträgt etwa 4.000 Fuß (1.200 m) über dem Meeresspiegel. [9]

Die oberirdische physikalische Struktur von Biosphere 2 bestand aus Stahlrohren und Hochleistungsglas- und Stahlrahmen. Die Rahmen- und Verglasungsmaterialien wurden von einer Firma entworfen und hergestellt, die von einem ehemaligen Mitarbeiter von Buckminster Fuller, Peter Jon Pearce (Pearce Structures, Inc.), geleitet wurde. [10] [11] Die Fensterabdichtungen und -konstruktionen mussten nahezu perfekt luftdicht ausgeführt werden, sodass der Luftaustausch extrem gering war und so auch subtile Veränderungen im Laufe der Zeit verfolgt werden konnten. Die von Pearce und William Dempster entwickelten patentierten luftdichten Versiegelungsmethoden erreichten eine Leckrate von weniger als 10 % pro Jahr. Ohne einen solchen dichten Verschluss wäre die langsame Abnahme des Sauerstoffs, die während des ersten zweijährigen Verschlussexperiments mit einer Rate von weniger als 1 ⁄ 4 % pro Monat auftrat, möglicherweise nicht beobachtet worden. [12] [13]

Tagsüber sorgte die Sonnenwärme dafür, dass sich die Luft im Inneren ausdehnte und in der Nacht kühlte und zusammenzog. Um die enormen Kräfte zu vermeiden, die ein konstantes Volumen erzeugen würde, hatte die Struktur große Zwerchfelle, die in Kuppeln gehalten wurden, die "Lungen" oder Strukturen mit variablem Volumen genannt wurden. [14]

Da das Öffnen eines Fensters keine Option war, erforderte die Struktur auch ein ausgeklügeltes System, um die Temperaturen innerhalb der gewünschten Parameter zu regulieren, die für die verschiedenen biomischen Bereiche variierten. Obwohl Kühlung den größten Energiebedarf darstellte, musste im Winter Wärme bereitgestellt werden, und Kreislaufrohre und Luftbehandlungsanlagen waren wichtige Bestandteile des Energiesystems. Ein Energiezentrum vor Ort lieferte Strom sowie erwärmtes und gekühltes Wasser mit Erdgas und Notstromgeneratoren, Ammoniak-Kältemaschinen und Wasserkühltürmen. [fünfzehn]

Die erste geschlossene Mission dauerte vom 26. September 1991 bis 26. September 1993. Die Besatzung bestand aus: Arzt und Forscher Roy Walford, Jane Poynter, Taber MacCallum, Mark Nelson, Sally Silverstone, Abigail Alling, Mark Van Thillo und Linda Leigh. [16]

Das landwirtschaftliche System produzierte 83% der gesamten Nahrung, die Bananen, Papayas, Süßkartoffeln, Rüben, Erdnüsse, Lablab- und Kuhbohnen, Reis und Weizen umfasste. [17] [18] Vor allem im ersten Jahr berichteten die acht Einwohner von anhaltendem Hunger. Berechnungen ergaben, dass die Farm von Biosphere 2 zu den produktivsten der Welt gehörte, „um mehr als das Fünffache der effizientesten Agrargemeinschaften Indonesiens, Südchinas und Bangladeschs“. [19]

Sie konsumierten die gleiche kalorienarme, nährstoffreiche Ernährung, die Roy Walford in seiner Forschung zur Verlängerung der Lebensdauer durch Ernährung untersucht hatte. [20] Medizinische Marker zeigten, dass der Gesundheitszustand der Besatzung während der zwei Jahre ausgezeichnet war. Sie zeigten die gleiche Verbesserung bei Gesundheitsindizes wie Senkung des Cholesterinspiegels im Blut, Blutdruck und Stärkung des Immunsystems. Sie verloren durchschnittlich 16% ihres Körpergewichts vor der Aufnahme, bevor sie sich stabilisierten und während ihres zweiten Lebensjahres etwas an Gewicht zunahmen. [21] Nachfolgende Studien zeigten, dass der Stoffwechsel der Biosphären bei der Extraktion von Nährstoffen aus ihrer Nahrung als Anpassung an die kalorienarme, nährstoffreiche Ernährung effizienter wurde. [22] "Der allgemeine Gesundheitszustand der Biosphären-Crews in Biosphere 2 bestätigt, dass das ursprüngliche Design der Biosphere 2-Technosphere-Systeme eine Ansammlung von Toxinen verhindert hat und die bioregenerativen Technologien und Lebenssysteme in Biosphere 2 eine gesunde Umgebung aufrechterhielten." [23]

Einige der Haustiere, die während der ersten Mission in das landwirtschaftliche Gebiet aufgenommen wurden, waren: vier afrikanische Zwergziegen und ein Ziegenbock, 35 Hennen und drei Hähne (eine Mischung aus indischem Dschungelgeflügel (Gallus gallus), japanisches seidiges Zwerghuhn und eine Hybride davon) zwei Sauen und ein Eber Ossabaw-Zwergschweine und Tilapia-Fische, die in einem Reis- und Azilla-Teichsystem gezüchtet wurden, das vor Jahrtausenden in China entstand. [24]

Es wurde eine Strategie des "Art-Packing" praktiziert, um sicherzustellen, dass Nahrungsnetze und ökologische Funktionen aufrechterhalten werden können, wenn einige Arten nicht überleben. Das Nebelwüstengebiet wurde aufgrund der Kondensation aus dem Space-Frame chaparraler. Die Savanne war saisonal aktiv, ihre Biomasse wurde geschnitten und von der Besatzung als Teil ihres Kohlendioxidmanagements gespeichert. Die Pionierarten des Regenwaldes wuchsen schnell, aber Bäume dort und in der Savanne litten an Verkümmerung und Schwäche, die durch den Mangel an Stressholz verursacht wurden, das normalerweise als Reaktion auf Winde unter natürlichen Bedingungen entstand. Korallen reproduzierten sich im Meeresgebiet, und die Besatzung trugen dazu bei, die Gesundheit des Meeressystems zu erhalten, indem sie Algen von den Korallen von Hand ernteten, Kalziumkarbonat und pH-Werte manipulierten, um eine Übersäuerung des Ozeans zu verhindern, und einen verbesserten Proteinabschäumer installierten, um den Algenrasenwäscher zu ergänzen System ursprünglich installiert, um überschüssige Nährstoffe zu entfernen. [25] Das Mangrovengebiet entwickelte sich schnell, aber mit weniger Unterwuchs als ein typisches Feuchtgebiet, möglicherweise wegen der reduzierten Lichtverhältnisse. [26] Dennoch wurde es als erfolgreiches Analogon zum Everglades-Gebiet von Florida beurteilt, wo die Mangroven und Sumpfpflanzen gesammelt wurden. [27]

Biosphäre 2 wies aufgrund ihrer geringen Größe und Puffer sowie der Konzentration an organischem Material und Leben größere Schwankungen und schnellere biogeochemische Zyklen auf, als sie in der Biosphäre der Erde zu finden sind. [28] Die meisten der eingeführten Wirbeltierarten und praktisch alle bestäubenden Insekten starben, obwohl Pflanzen und Tiere reproduziert wurden. [29] Insektenschädlinge wie Kakerlaken blühten. Viele Insekten waren in den ursprünglichen Artenmischungen in den Biomen enthalten, aber eine weltweit invasive Trampameisenart, Paratrechina longicornis, unbeabsichtigt eingeschlossen, hatte andere Ameisenarten dominiert. [30] Die geplante ökologische Sukzession im Regenwald und Strategien zum Schutz des Gebiets vor starker Sonneneinstrahlung und Salzaerosolen aus dem Meer funktionierten gut, und ein überraschender Teil der ursprünglichen Biodiversität blieb bestehen. [31] Biosphäre 2 wurde in ihrer frühen ökologischen Entwicklung mit einer Inselökologie verglichen. [32]

Gruppendynamik: Psychologie, Konflikt und Kooperation Bearbeiten

Viele der Beweise für isolierte menschliche Gruppen stammen aus psychologischen Studien von Wissenschaftlern, die in antarktischen Forschungsstationen überwintern. [33] Die Untersuchung dieses Phänomens ist die "Psychologie der begrenzten Umwelt" (vgl. Umweltpsychologie) und Jane Poynter [34] [35] zufolge war es bekanntlich eine Herausforderung und oft spalteten sich die Besatzungen in Fraktionen auf. [36]

Bevor die erste Schließungsmission zur Hälfte vorbei war, hatte sich die Gruppe in zwei Fraktionen gespalten, und laut Poynter waren Menschen, die intime Freunde gewesen waren, zu unerbittlichen Feinden geworden, kaum sprachlich. [37] Andere weisen darauf hin, dass die Crew weiterhin als Team zusammenarbeitete, um die Ziele des Experiments zu erreichen, wobei sie sich bewusst waren, dass jede Aktion, die Biosphäre 2 schädigte, ihre eigene Gesundheit gefährden könnte. Dies steht im Gegensatz zu anderen Expeditionen, bei denen interne Reibungen zu einer unbewussten Sabotage gegeneinander und die gesamte Mission führen können. Die gesamte Crew fühlte sich mit ihrer Lebenswelt sehr stark und tief verbunden. [38] Sie haben die Luft- und Wasserqualität, die atmosphärische Dynamik und die Gesundheit der Lebenssysteme auf sehr tiefgreifende Weise ständig im Blick. Diese intime "metabolische Verbindung" ermöglichte es der Crew, selbst subtile Veränderungen in den lebenden Systemen zu erkennen und darauf zu reagieren. [39] (Alling et al., 2002, Alling und Nelson, 1993). „Die Wertschätzung der Vernetzung und gegenseitigen Abhängigkeit der Biosphäre wurde sowohl als alltägliche Schönheit als auch als herausfordernde Realität geschätzt“, [38] gab Walford später zu, „ich mag einige von ihnen nicht, aber wir waren ein verdammt gutes Team die Natur der Fraktionsbildung. Aber trotzdem haben wir das verdammte Ding durchgezogen und wir haben total kooperiert." [40]

Die Fraktionen innerhalb der Blase bildeten sich aus einem Riss und einem Machtkampf zwischen den Joint-Venture-Partnern darüber, wie die Wissenschaft vorgehen sollte, als Biosphäre oder als spezialisierte Ökosystemstudien (als reduktionistisch wahrgenommen). Die Fraktion, zu der auch Poynter gehörte, war der festen Überzeugung, dass der zunehmenden Forschung Vorrang vor dem Grad der Schließung eingeräumt werden sollte. Die andere Fraktion unterstützte das Projektmanagement und die allgemeinen Missionsziele. Am 14. Februar trat ein Teil des Scientific Advisory Committee (SAC) zurück. [41] Zeit Das Magazin schrieb: „Jetzt ist der Anstrich der Glaubwürdigkeit, der bereits durch Anschuldigungen über manipulationsanfällige Daten, geheime Lebensmittelvorräte und geschmuggelte Vorräte beschädigt wurde, geknackt ein 150-Millionen-Dollar-Stunt". [42] Tatsächlich wurde der SAC aufgelöst, weil er von seinem Auftrag zur Überprüfung und Verbesserung der wissenschaftlichen Forschung abgewichen war und sich für Veränderungen im Management einsetzte. Eine Mehrheit der SAC-Mitglieder entschied sich, als Berater von Biosphere 2 zu bleiben. Die Empfehlungen des SAC in ihrem Bericht wurden umgesetzt, einschließlich eines neuen Forschungsdirektors [Dr. Jack Corliss]. Etwa 64 Projekte wurden in das Forschungsprogramm aufgenommen, das Walford und Alling an der Spitze der Entwicklung standen. [43]

Zweifellos trugen der Sauerstoffmangel und die kalorienreduzierte, nährstoffreiche Ernährung [44] zu einer niedrigen Moral bei. [45] Die Alling-Fraktion befürchtete, dass die Poynter-Gruppe bereit sei, sogar Lebensmittel zu importieren, wenn sie dadurch fitter für die Durchführung von Forschungsprojekten werden würde. Sie waren der Ansicht, dass dies per Definition ein Projektversagen wäre.

Im November 1992 begannen die hungrigen Biospherianer, Samenbestände zu essen, die nicht in der Biosphäre 2 angebaut worden waren. [46] Poynter machte Chris Helms, PR-Direktor des Unternehmens, darauf aufmerksam. Sie wurde umgehend von Margret Augustine, CEO von Space Biospheres Ventures, entlassen und aufgefordert, die Biosphäre zu verlassen. Dieser Auftrag wurde jedoch nie ausgeführt. Poynter schreibt [47], dass sie einfach beschlossen habe, dort zu bleiben, und argumentierte richtig, dass die Anordnung nicht durchgesetzt werden könne, ohne die Schließung effektiv zu beenden.

Isolierte Gruppen neigen dazu, gruppendynamischen und persönlichen emotionalen Schwankungen, die in allen Gruppen vorkommen, größere Bedeutung beizumessen. Einige Berichte von Besatzungen der Polarstationen übertrieben psychologische Probleme. [48] ​​Obwohl einige der ersten Abschlussteams dachten, sie seien depressiv, zeigte die psychologische Untersuchung der Biosphären keine Depression und passte zum Forscher/Abenteurer-Profil, wobei sowohl Frauen als auch Männer den Astronauten sehr ähnlich waren. [49] Einer der Psychologen bemerkte: „Wenn ich mich im Amazonas verirrte und nach einem Führer suchte, um herauszukommen und mit dem ich überleben konnte, dann wäre [die Biosphären-Crew] die erste Wahl.“ [50]

Herausforderungen Bearbeiten

Zu den Problemen und Fehleinschätzungen, die bei der ersten Mission auftraten, gehörten unerwartete Kondensation, die die "Wüste" zu nass macht, Populationsexplosionen von Gewächshausameisen und Kakerlaken, Morgendämmerung, die den Regenwald überwuchert, andere Pflanzen blockiert und weniger Sonnenlicht (40–50% der Außenfläche) Licht) in die Anlage eindringt als ursprünglich erwartet. Biospherianer griffen ein, um invasive Pflanzen zu kontrollieren, wenn dies zur Erhaltung der Biodiversität erforderlich war, und fungierten als "Schlüsselprädatoren". Darüber hinaus war der Bau selbst eine Herausforderung, zum Beispiel war es schwierig, die Gewässer so zu manipulieren, dass sie Wellen und Gezeitenwechsel haben. [51] [52] Ingenieure haben innovative Lösungen entwickelt, um die natürlichen Funktionen zu ergänzen, die die Biosphäre der Erde normalerweise ausübt, z. Vakuumpumpen, um sanfte Wellen im Ozean zu erzeugen, ohne die Meeresbiota zu gefährden, ausgeklügelte Heiz- und Kühlsysteme. Die gesamte Technologie wurde ausgewählt, um das Ausgasen und die Freisetzung von Schadstoffen zu minimieren, die das Leben von Biosphere 2 beeinträchtigen könnten. [53] [54]

Es gab Kontroversen, als die Öffentlichkeit erfuhr, dass das Projekt einem verletzten Mitglied ermöglicht hatte, mit neuem Material zu gehen und zurückzukehren. Das Team behauptete, die einzigen neuen Vorräte seien Plastiktüten gewesen, aber andere beschuldigten sie, Lebensmittel und andere Gegenstände mitgebracht zu haben. Weitere Kritik wurde laut, als bekannt wurde, dass das Projekt ebenfalls im Januar 1993 Sauerstoff injizierte, um einen Fehler im Gleichgewicht des Systems auszugleichen, der zu einem stetigen Rückgang der Sauerstoffmenge führte. [55] Einige dachten, dass diese Kritik ignoriert wurde, dass Biosphäre 2 ein Experiment war, bei dem das Unerwartete passieren würde, was das Wissen über die Entwicklung und Interaktion komplexer Ökologien erweitert, und keine Demonstration, bei der alles im Voraus bekannt war. [56] H. T. Odum bemerkte: „Der Managementprozess in den Jahren 1992-1993, der Daten nutzte, um Theorien zu entwickeln, sie mit Simulationen zu testen und Korrekturmaßnahmen anzuwenden, war in bester wissenschaftlicher Tradition. Dennoch kreuzigten einige Journalisten das Management in der öffentlichen Presse und behandelten das Projekt so, als ob es es wäre war ein olympischer Wettbewerb, um zu sehen, wie viel getan werden kann, ohne die Türen zu öffnen". [57]

Der Sauerstoffgehalt in der Anlage, der bei 20,9 % begann, sank stetig und war nach 16 Monaten auf 14,5 % gesunken. Dies entspricht der Sauerstoffverfügbarkeit in einer Höhe von 4.080 Metern (13.390 ft). [58] Da bei einigen Biospherians Symptome wie Schlafapnoe und Müdigkeit auftraten, beschlossen Walford und das medizinische Team im Januar und August 1993, den Sauerstoff durch Injektionen zu erhöhen was menschliche Anpassungsreaktionen auslöst. Diese Studien erweiterten das biomedizinische Forschungsprogramm. [59]

CO .-Management
2 Ebenen war eine besondere Herausforderung und Anlass für Kontroversen bezüglich der angeblich falschen Darstellung des Projekts Biosphere 2 in der Öffentlichkeit. Die tägliche Fluktuation der Kohlendioxiddynamik betrug aufgrund des starken Rückgangs während der Sonnenstunden durch die Pflanzenphotosynthese typischerweise 600 ppm, gefolgt von einem ähnlichen Anstieg während der Nacht, als die Systematmung dominierte. Wie erwartet gab es auch eine starke saisonale Signatur für CO
2 Stufen, mit Konzentrationen im Winter von 4.000 bis 4.500 ppm und Konzentrationen im Sommer nahe 1.000 ppm. Die Crew arbeitete daran, das CO . zu managen
2 durch gelegentliches Einschalten eines CO
2 Scrubber, Aktivierung und Deaktivierung der Wüste und Savanne durch Kontrolle des Bewässerungswassers, Schneiden und Speichern von Biomasse zur Sequestrierung von Kohlenstoff und Nutzung aller potenziellen Pflanzflächen mit schnell wachsenden Arten zur Steigerung der Systemphotosynthese. [60] Im November 1991 wurde die investigative Berichterstattung in Die Stimme des Dorfes behauptete, die Besatzung habe heimlich das CO . installiert
2 Scrubber-Gerät und behauptete, dass dies das angekündigte Ziel von Biosphere 2 verletzte, alle Materialien auf natürliche Weise zu recyceln. [61] Andere wiesen darauf hin, dass das Kohlendioxidgerät nichts Geheimnisvolles sei und ein weiteres technisches System darstelle, das ökologische Prozesse unterstützt. Der Kohlenstoffabscheider könnte die chemischen Reaktionen umkehren und so das gespeicherte Kohlendioxid in späteren Jahren freisetzen, wenn die Anlage möglicherweise zusätzlichen Kohlenstoff benötigt. [60]

Viele vermuteten, dass der Sauerstoffmangel auf Mikroben im Boden zurückzuführen war. [ Zitat benötigt ] Die Böden wurden so ausgewählt, dass sie genügend Kohlenstoff enthalten, um die Pflanzen der Ökosysteme vom Säuglingsalter bis zur Reife wachsen zu lassen, was einer Zunahme der Pflanzenmasse von vielleicht 20 Tonnen (18.000 kg) entspricht. [62] Die Freisetzungsrate dieses Bodenkohlenstoffs als Kohlendioxid durch die Atmung von Bodenmikroben war eine Unbekannte, die das Experiment Biosphere 2 aufdecken sollte. Nachfolgende Untersuchungen zeigten, dass die landwirtschaftlichen Böden von Biosphere 2 ein stabileres Verhältnis von Kohlenstoff und Stickstoff erreicht hatten, was den CO .-Gehalt senkte
2 Release, bis 1998. [63]

Die Atmungsrate war schneller als die Photosynthese (möglicherweise zum Teil aufgrund des relativ geringen Lichteinfalls durch die glasierte Struktur und der Tatsache, dass Biosphäre 2 mit einer kleinen, aber schnell ansteigenden Pflanzenbiomasse begann), was zu einer langsamen Abnahme des Sauerstoffs führte. Ein Mysterium begleitete den Sauerstoffrückgang: Der entsprechende Anstieg des Kohlendioxids trat nicht auf. Dies verbarg den zugrunde liegenden Prozess, bis eine Untersuchung von Jeff Severinghaus und Wallace Broecker vom Lamont Doherty Earth Observatory der Columbia University mittels Isotopenanalyse ergab, dass Kohlendioxid mit Sichtbeton in der Biosphäre 2 reagiert, um in einem Prozess namens Karbonatisierung Kalziumkarbonat zu bilden, wodurch sowohl Kohlenstoff gebunden wird und Sauerstoff. [64]

Nach der ersten Mission von Biosphere 2 wurden umfangreiche Forschungen und Systemverbesserungen durchgeführt, einschließlich der Versiegelung von Beton, um die Aufnahme von Kohlendioxid zu verhindern.

Die zweite Mission begann am 6. März 1994 mit einer angekündigten Laufzeit von zehn Monaten. Die Crew bestand aus Norberto Alvarez-Romo (Capt.), John Druitt, Matt Finn, Pascale Maslin, Charlotte Godfrey, Rodrigo Romo und Tilak Mahato. Die zweite Besatzung erreichte die vollständige Suffizienz in der Lebensmittelproduktion. [7]

Am 1. April 1994 führte ein heftiger Streit innerhalb des Managementteams dazu, dass das Management vor Ort durch Bundesmarshals mit einer einstweiligen Verfügung abgesetzt wurde, und der Finanzier Ed Bass stellte Steve Bannon ein, den damaligen Manager des Investmentbankings von Bannon & Co. Team aus Beverly Hills, Kalifornien, um Space Biospheres Ventures zu leiten. Das Projekt wurde unter Konkursverwaltung gestellt und ein externes Managementteam wurde für den Konkursverwalter eingesetzt, um das ins Stocken geratene Projekt umzukehren. Der Streit hatte drei Gründe. Missmanagement der Mission hatte schreckliche Publicity, finanzielle Misswirtschaft und mangelnde Forschung verursacht. Personen [ Wer? ] behauptete grobes finanzielles Missmanagement des Projekts, was zu einem Verlust von 25 Millionen US-Dollar im Geschäftsjahr 1992 führte. [65] Einige Besatzungsmitglieder und Mitarbeiter machten sich Sorgen um Bannon, der zuvor Kostenüberschreitungen an dem Standort untersucht hatte, an dem zwei ehemalige Biosphere 2-Besatzungsmitglieder flogen zurück nach Arizona, um gegen die Anstellung zu protestieren, und brach in das Gelände ein, um die derzeitigen Besatzungsmitglieder zu warnen, dass Bannon und das neue Management ihre Sicherheit gefährden würden. [66]

Am 5. April 1994 um 3 Uhr morgens sollen Abigail Alling und Mark Van Thillo, Mitglieder der ersten Crew, das Projekt von außen mutwillig verwüstet haben, [67] indem sie eine Doppelluftschleusentür und drei Einzeltür-Notausgänge geöffnet haben, die sie für ca 15 Minuten. Außerdem wurden fünf Glasscheiben zerbrochen. Alling sagte später der Chicago Tribune, dass sie "die Biosphäre als einen Notstand betrachtete. In keiner Weise war es Sabotage. Es lag in meiner Verantwortung." [68] Ungefähr 10 % der Luft der Biosphäre wurden während dieser Zeit mit der Außenwelt ausgetauscht, so die Systemanalytikerin Donella Meadows, die eine Mitteilung von Alling erhielt, dass sie und Van Thillo es als ihre ethische Pflicht ansähen, den Personen im Inneren die Wahl zu lassen mit dem drastisch veränderten Menschenexperiment fortzufahren oder zu gehen, da sie nicht wussten, was der Crew über die neue Situation gesagt worden war. „Am 1. April 1994, gegen 10 Uhr morgens. Limousinen kamen auf dem Biosphärengelände an. mit zwei Investmentbankern, die von Herrn Bass eingestellt wurden. Sie kamen mit einer einstweiligen Verfügung, um die direkte Kontrolle über das Projekt zu übernehmen. Mit ihnen waren 6-8 Polizisten, die von der Bass-Organisation angeheuert wurden. Sie wechselten sofort die Schlösser der Büros. Alle Kommunikationssysteme wurden geändert (Telefon- und Zugangscodes) und [uns] wurde daran gehindert, Daten über die Sicherheit, den Betrieb und die Forschung der Biosphäre 2 zu erhalten.“ Alling betonte in ihrem Brief mehrmals, dass die „Banker“, die plötzlich die Macht übernahmen „Ich wusste nichts technisch oder wissenschaftlich und wenig über die Biosphären-Crew.“ [69]

Vier Tage später verließ Kapitän Norberto Alvarez-Romo (inzwischen verheiratet mit Biosphere 2-Geschäftsführerin Margaret Augustine) nach der Suspendierung seiner Frau die Biosphere für einen "Familiennotfall". [68] Er wurde durch Bernd Zabel ersetzt, der als Kapitän der ersten Mission nominiert worden war, aber in letzter Minute ersetzt wurde. Zwei Monate später ersetzte Matt Smith Matt Finn. [ Zitat benötigt ]

Die Eigentümer- und Verwaltungsgesellschaft Space Biospheres Ventures wurde am 1. Juni 1994 aufgelöst. Damit überließ die wissenschaftliche und kaufmännische Leitung der Mission dem interimistischen Turnaround-Team, das vom Finanzpartner Decisions Investment Co. beauftragt worden war. [58]

Mission 2 wurde am 6. September 1994 vorzeitig beendet. Aus Biosphäre 2 ist keine weitere Gesamtsystemwissenschaft hervorgegangen, da die Anlage von der Columbia University von einem geschlossenen ökologischen System zu einem "Durchflusssystem" geändert wurde, in dem CO
2 könnte auf gewünschtem Niveau manipuliert werden. [58]

Steve Bannon verließ Biosphere 2 nach zwei Jahren, aber sein Weggang war gekennzeichnet durch eine Zivilklage wegen "Prozessmissbrauchs", die von den ehemaligen Besatzungsmitgliedern, die eingebrochen waren, gegen Space Biosphere Ventures eingereicht wurde. [70] Führende Manager von Biosphere 2 aus der ursprünglichen Gründung Gruppe erklärte sowohl das missbräuchliche Verhalten von Bannon und anderen, als auch, dass das eigentliche Ziel der Banker darin bestand, das Experiment zu zerstören. [71] Während eines Prozesses im Jahr 1996 sagte Bannon aus, dass er eine der Kläger, Abigail Alling, eine "egozentrische, verblendete junge Frau" und eine "Bimbo" genannt hatte. [72] Er sagte auch aus, dass die Frau, als sie eine fünfseitige Beschwerde einreichte, in der sie die Sicherheitsprobleme auf der Baustelle aufführte, versprach, die Beschwerde "in den Hals" zu schieben. Bannon führte dies auf "harte Gefühle und zerbrochene Träume" zurück. [73] Am Ende des Prozesses entschied das Gericht zugunsten der Kläger und ordnete Space Biosphere Ventures an, ihnen 600.000 US-Dollar zu zahlen, ordnete jedoch auch die Kläger an, dem Unternehmen 40.089 US-Dollar für den von ihnen verursachten Schaden zu zahlen. [66]

Eine Sonderausgabe der Zeitschrift Ecological Engineering, herausgegeben von Marino und Howard T. Odum, wurde 1999 als "Biosphere 2: Research Past and Present" veröffentlicht und stellt die umfassendste Zusammenstellung von gesammelten Papieren und Erkenntnissen aus Biosphere 2 dar. [74] von kalibrierten Modellen, die den Systemstoffwechsel, das hydrologische Gleichgewicht sowie Wärme und Feuchtigkeit beschreiben, bis hin zu Papieren, die die Entwicklung von Regenwald, Mangroven, Ozeanen und agronomischen Systemen in dieser kohlendioxidreichen Umgebung beschreiben. [75] [76] Obwohl mehrere Dissertationen und viele wissenschaftliche Arbeiten Daten aus den frühen Schließungsexperimenten in Biosphäre 2 verwendeten, wurden viele der Originaldaten nie analysiert und sind nicht verfügbar oder verloren gegangen, möglicherweise aufgrund wissenschaftlicher Politik und innerer Kämpfe. [23] [43]

Die Wissenschaftshistorikerin Rebecca Redier hat behauptet, dass das Projekt, da die Schöpfer von Biosphere 2 als Außenseiter der akademischen Wissenschaft angesehen wurden, zwar in den Medien untersucht, aber schlecht verstanden wurde, und dass diese Überprüfung nach der Übernahme der Leitung durch die Columbia University aufhörte, weil angenommen wurde, dass sie " richtige" Wissenschaftler. [40]

Lob und Kritik Bearbeiten

Eine Ansicht von Biosphere 2 war, dass es "das aufregendste wissenschaftliche Projekt war, das in den Vereinigten Staaten durchgeführt wurde, seit Präsident John F. Kennedy uns zum Mond gebracht hat". [77] Andere nannten es "New Age-Gelaber, das sich als Wissenschaft verkleidet". [78] John Allen und Roy Walford hatten Mainstream-Referenzen. John Allen hat einen Abschluss in Metallurgical-Mining Engineering der Colorado School of Mines und einen MBA der Harvard Business School. [24] [79] Roy Walford promovierte in Medizin an der University of Chicago und lehrte 35 Jahre lang als Professor für Pathologie an der UCLA. Mark Nelson erhielt seinen Ph.D. 1998 bei Professor H.T. Odum in der ökologischen Technik entwickelt die konstruierten Feuchtgebiete, die zur Behandlung und Wiederverwendung von Abwasser in Biosphäre 2 verwendet werden, [80] zum Schutz von Korallenriffen entlang der Küste von Yucatán, wo die Korallen gesammelt wurden. [81] Linda Leigh promovierte mit einer Dissertation über Biodiversität und den Regenwald der Biosphäre 2 in Zusammenarbeit mit Odum. [82] Abigail Alling, Mark van Thillo und Sally Silverstone halfen bei der Gründung der Biosphere Foundation, wo sie am Korallenriff- und Meeresschutz sowie an nachhaltigen Landwirtschaftssystemen arbeiteten. [83] Jane Poynter und Taber MacCallum waren Mitbegründer der Paragon Space Development Corporation, die das erste geschlossene Minisystem und den ersten vollständigen Lebenszyklus von Tieren im Weltraum untersucht und dazu beigetragen hat, Weltrekorde bei Abstiegen in großer Höhe aufzustellen. [84]

In Frage stellend die Referenzen der Teilnehmer (trotz des Beitrags von weltweit führenden Wissenschaftlern und unter anderem der Russischen Akademie der Wissenschaften in der Vorbereitungsphase von Biosphäre 2) schrieb Marc Cooper, dass "die Gruppe, die das Biosphärenprojekt aufgebaut, konzipiert und geleitet hat" ist keine Gruppe von Hightech-Forschern auf dem neuesten Stand der Wissenschaft, sondern eine Clique recycelter Theaterkünstler, die aus einem autoritären – und entschieden unwissenschaftlichen – Persönlichkeitskult hervorgegangen ist. [85] Er bezog sich auf die Synergia Ranch in New Mexico, wo tatsächlich viele der Biospherianer unter John Allens Führung Theater übten und begannen, die Ideen hinter Biosphere 2 zu entwickeln. [86] Sie gründeten auch das Institute of Ecotechnics [87 ] und begannen innovative Feldprojekte in herausfordernden Biomen, um die gesunde Integration menschlicher Technologien und der Umwelt voranzutreiben. [88] [89]

Einer ihrer eigenen wissenschaftlichen Berater war früher kritisch. Dr. Ghillean Prance, Direktor des Royal Botanical Gardens in Kew, entwarf das Regenwaldbiom innerhalb der Biosphäre.Obwohl er später seine Meinung änderte, indem er den einzigartigen Umfang dieses Experiments anerkennte und als Berater zu seinem Erfolg beitrug, sagte Prance 1983 in einem Interview (8 Jahre vor Beginn des Experiments): "Ich fühlte mich vom Institut für Ökotechnik angezogen weil die Mittel für die Forschung gekürzt wurden und das Institut anscheinend viel Geld hatte, das es frei ausgeben wollte. Zusammen mit anderen wurde ich mißbraucht. Ihr Interesse an der Wissenschaft ist nicht echt. Sie scheinen eine Art von geheimen Agenda, scheinen sie von einer Art religiösen oder philosophischen System geleitet zu werden." Prance fuhr in dem Zeitungsinterview von 1991 fort zu sagen: "Sie sind Visionäre. Und vielleicht sind sie, um ihre Vision zu erfüllen, etwas kultähnlich geworden. Aber sie sind per se keine Sekte. Ich interessiere mich für ökologische Restaurierungssysteme. Und ich denke, alle möglichen" von wissenschaftlichen Dingen können aus diesem Experiment kommen, weit über das Weltraumziel hinaus. Als sie mit diesem neuen Projekt zu mir kamen, wirkten sie so gut organisiert, so inspiriert, dass ich einfach beschlossen habe, die Vergangenheit zu vergessen. Sie sollten ihre Vergangenheit nicht vorhalten Sie." [90]

Poynter widerlegt in ihren Memoiren die Kritik, dass die Ergebnisse des Unterfangens ungültig sind, weil einige des Kreativteams von Biosphere 2 keine anerkannten Wissenschaftler waren. "Einige Reporter warfen uns vor, wir seien unwissenschaftlich. Offensichtlich, weil viele der SBV-Manager selbst keine diplomierten Wissenschaftler waren, stellte dies die gesamte Gültigkeit des Projekts in Frage, obwohl einige der weltbesten Wissenschaftler energisch an der Konzeption des Projekts arbeiteten und Die Kritik war nicht fair. Seit ich Biosphere 2 verlassen habe, habe ich zehn Jahre lang ein kleines Unternehmen geführt, das Experimente auf dem Shuttle und zur Raumstation schickte und Lebenserhaltungssysteme für das Ersatzshuttle und die zukünftige Mondbasis entwirft habe keinen Abschluss, nicht einmal einen MBA von Harvard, wie John [Allen] hatte. Ich stelle Wissenschaftler und Top-Ingenieure ein. Die Glaubwürdigkeit unseres Unternehmens wird aufgrund meiner Referenzen nicht in Frage gestellt: Wir werden an der Qualität unserer Arbeit gemessen." . [91] H. T. Odum merkte an, dass Einzelgänger und Außenseiter oft zur Entwicklung der Wissenschaft beigetragen haben: „Das ursprüngliche Management von Biosphäre 2 wurde von vielen Wissenschaftlern aufgrund fehlender wissenschaftlicher Abschlüsse als ungeschult angesehen, obwohl sie ein Jahrzehnt lang ein vorbereitendes Studienprogramm absolviert hatten und interagieren mit der internationalen Gemeinschaft von Wissenschaftlern, einschließlich der Russen, die sich mit geschlossenen Systemen beschäftigen. In der Geschichte der Wissenschaft gibt es viele Beispiele, in denen Menschen mit atypischem Hintergrund die Wissenschaft in neue Richtungen öffnen, in diesem Fall die Mesokosmos-Organisation und die ökologische Technik mit neuen Hypothesen implementieren". [92]

Der Wissenschaftliche Beirat von Biosphere 2 unter dem Vorsitz von Tom Lovejoy von der Smithsonian Institution berichtete in seinem Bericht vom August 1992: „Der Ausschuss ist sich einig, dass die Konzeption und der Bau von Biosphere 2 Visionen und Mut waren. Die Größenordnung von Biosphere 2 einzigartig ist und Biosphäre 2 bereits unerwartete wissenschaftliche Ergebnisse liefert, die auf andere Weise nicht möglich sind (insbesondere der dokumentierte, unerwartete Rückgang des Luftsauerstoffgehalts). Biosphäre 2 wird wichtige wissenschaftliche Beiträge in den Bereichen biogeochemischer Kreisläufe, Ökologie geschlossener Ökosysteme, und Restaurationsökologie." Die Columbia University versammelte externe Wissenschaftler, um das Potenzial der Einrichtung zu bewerten, nachdem sie die Leitung übernommen hatten, und kam zu folgendem Schluss: „Eine Gruppe von Weltklasse-Wissenschaftlern hat sich zusammengetan und entschieden, dass die Biosphäre 2-Einrichtung ein außergewöhnliches Labor ist, um kritische Fragen in Bezug auf die Zukunft der Erde und ihrer Umwelt." [93]

Laufende Forschungen nach der ersten Einfriedung haben positive Ergebnisse für das aktuelle ökologische Verständnis erbracht. Mark Nelson schreibt: "Mehrere Jahre Forschung am Ozean von Biosphere 2 haben die verheerenden Auswirkungen von erhöhtem atmosphärischem CO . gezeigt2 [. ] Korallenriff wurde mit 200 ppm, 350 ppm, 700 ppm und 1200 ppm CO . untersucht2. Korallen wuchsen auf den unteren Ebenen doppelt so schnell [. ] verglichen mit den 350 ppm-Werten in der Erdatmosphäre der 1990er Jahre. [. ] Bei 1200 ppm ging das Korallenwachstum um 90 Prozent zurück.“ Frank Press, ein ehemaliger Sekretär der National Academy of Sciences, beschrieb die Interaktion als „die erste eindeutige experimentelle Bestätigung des menschlichen Einflusses auf den Planeten.“ [94]

Im Dezember 1995 übertrugen die Eigentümer von Biosphere 2 das Management an die Columbia University of New York City. [95] Columbia betrieb Biosphere 2 bis 2003 als Forschungsstandort und Campus. [96] Anschließend ging das Management an die Eigentümer zurück.

1996 änderte die Columbia University die praktisch luftdichte, materiell geschlossene Struktur, die für die Forschung an geschlossenen Systemen entworfen wurde, in ein "Durchfluss"-System und stellte die Forschung an geschlossenen Systemen ein. Sie manipulierten den Kohlendioxidgehalt für die Erforschung der globalen Erwärmung und injizierten gewünschte Mengen Kohlendioxid und entlüfteten sie nach Bedarf. [97] Während der Amtszeit von Columbia verbrachten Studenten von Columbia und anderen Colleges und Universitäten oft ein Semester an der Website. [98]

Forschungen während der Amtszeit Kolumbiens zeigten die verheerenden Auswirkungen von erhöhtem atmosphärischem CO . auf Korallenriffe
2 und Versauerung, die aus dem anhaltenden globalen Klimawandel resultieren wird. [99] Frank Press, ehemaliger Präsident der National Academy of Sciences, beschrieb diese Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean unter Ausnutzung des hochgradig kontrollierbaren Ozeanmesokosmos der Biosphäre 2 als „erste eindeutige experimentelle Bestätigung des menschlichen Einflusses auf den Planeten“. . [100]

Studien in den terrestrischen Biomen von Biosphere 2 zeigten, dass bei erhöhtem CO . ein Sättigungspunkt erreicht wurde
2, über die sie hinaus nicht mehr aufnehmen können. Die Autoren der Studien stellten fest, dass die auffälligen Unterschiede zwischen den Biosphären-2-Regenwald- und Wüstenbiomen in ihren Gesamtsystemreaktionen „die Bedeutung groß angelegter experimenteller Forschung bei der Untersuchung komplexer Probleme des globalen Wandels veranschaulichen“. [101]

Im Januar 2005 gab Decisions Investments Corporation, Eigentümer von Biosphere 2, den Verkauf des 650 Hektar großen Campus des Projekts bekannt. Sie bevorzugten eine Forschungsnutzung für den Komplex, schlossen jedoch Käufer mit anderen Absichten wie große Universitäten, Kirchen, Resorts und Spas nicht aus. [102] Im Juni 2007 wurde das Gelände für 50 Millionen US-Dollar an CDO Ranching & Development verkauft, 1.500 Häuser und ein Resort-Hotel waren geplant, die Hauptstruktur sollte jedoch weiterhin für Forschungs- und Bildungszwecke zur Verfügung stehen. [103]

Am 26. Juni 2007 kündigte die University of Arizona an, die Forschung an der Biosphäre 2 zu übernehmen. Die Ankündigung beendete die Befürchtungen, dass das Bauwerk abgerissen würde. Universitätsbeamte sagten, private Geschenke und Zuschüsse hätten es ihnen ermöglicht, die Forschungs- und Betriebskosten für drei Jahre zu decken, mit der Möglichkeit, die Förderung um zehn Jahre zu verlängern. [104] Es wurde um zehn Jahre verlängert und beschäftigt sich nun mit Forschungsprojekten, einschließlich der Erforschung des terrestrischen Wasserkreislaufs und seiner Beziehungen zu Ökologie, Atmosphärenwissenschaften, Bodengeochemie und Klimawandel. Im Juni 2011 gab die Universität bekannt, dass sie zum 1. Juli die vollständige Eigentümerschaft von Biosphere 2 übernehmen wird. [105]

CDO Ranching & Development spendete das Land, die Biosphärengebäude und mehrere andere Unterstützungs- und Verwaltungsgebäude. Im Jahr 2011 hat die Philecology Foundation (eine gemeinnützige Forschungsstiftung, die von Ed Bass gegründet wurde) 20 Millionen US-Dollar für die laufende Wissenschaft und den Betrieb zugesagt. [105] Im Jahr 2017 spendete Bass weitere 30 Millionen US-Dollar an die University of Arizona zur Unterstützung von Biosphere 2, stiftete zwei akademische Positionen und richtete den "Philecology Biospheric Research Endowment Fund" ein. [106]

Auf dem Gelände finden auch Science Camps statt. Dazu gehörten ein einwöchiges „Weltraumcamp“ für Universitätsstudenten und Übernachtungscamps für Schüler. [107] [108]

Es gibt viele kleine Forschungsprojekte in Biosphäre 2 sowie mehrere große Forschungsprojekte, darunter:


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