Kontakt: Dr. Axel Kleidon (akleidon@bgc-jena.mpg.de), Max-Planck-Institut für Biogeochemie • Hans-Knöll-Str. 10 • 07745 Jena

Max-Planck-Institutfür Biogeochemie

Globale biogeochemische Kreisläufe als Komponenten des komplexen thermodynamischen Systems Erde

Das komplexe System Erde: Ein einzigartiger, thermo-dynamischer Zustand

Die Erde ist einzigartig in unserem Planetensystem, da sie der ein-zige Planet ist, auf dem es weitverbreitetes und vielfältiges Leben gibt. Dieser einzigartige Zustand zeigt sich auch in berechenbaren, physikalischen und chemischen Eigenschaften: Ein moderater at-mosphärischer Treibhauseffekt resultiert in Temperaturen an der Oberfläche, die Wasser sowohl in fester, flüssiger als auch in gasför-miger Form erlaubt. Die hohe Konzentration von atmosphärischem Sauerstoff von 21% stellt einen einzigartigen, thermodynamischen Zustand dar -- wenn Sauerstoff nicht kontinuerlich produziert werden würde, würde es reagieren und die atmosphärische Konzentration würde mit der Zeit abgebaut werden. Die hohe Konzentration wird als eindeutiges Zeichen vom Leben interpretiert, da der biotische Prozess der Photosynthese überwiegend den at-mosphärischen Sauerstoff produziert und daher die hohe Konzen-tration in der Atmosphäre erhält. Dieses Beispiel wirft die grundleg-endere Frage auf, wie Leben und die damit verbundenen biogeo-chemischen Prozesse die Komposition der Erdatmosphäre beein-flußt und dadurch die Umweltbedingungen des Systems Erde ge-staltet. Die Untersuchung von biogeochemischen Stoffkreisläufen, ihrer Komplexität, sowie deren Auswirkungen auf die Funktion des Erdsystems mithilfe der fundamentalen Theorie der Thermodynamik ist das Forschungsgebiet der selbstständigen Nachwuchsgruppe “Biosphärische Theorie und Modellierung” am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena.

Thermodynamik fern des Gleichgewichts

Die Thermodynamik ist eine fundamentale physikalische Theorie, die die Umwandlung von Energien verschiedener Formen und deren Bezug zu Massenumwandlungen beschreibt. Ihre Bedeutung liegt darin, dass sie Prozessen eine fundamentale Richtung vorgibt und somit Prozesse, die im Detail hochkomplex sind, auf einer grösserskaligen Ebene in recht einfacher Weise beschreiben kann. Für Erdsystemprozesse zeigt sich diese Richtung z.B. dadurch, dass Wasser bergab fliesst und Holz zu Asche verbrennt. Diese zwei Beispiele sind unumkehrbar oder irre-versibel. Diese Richtung wird durch die Thermodynamik beschrieben und quantifiziert.

Zentraler Bestandteil der Thermodynamik sind der erste und zweite Hauptsatz. Während der erste Hauptsatz besagt, dass Energie nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann, aber niemals ver-loren gehen kann, besagt der zweite Hauptsatz, dass Prozesse allge-mein gerichtet sind zu Zuständen höherer Entropie. Der Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts wird beschrieben durch ein Maxi-mum an Entropie und repräsentiert einen Zustand, in dem praktisch nichts passiert: Alle räumlichen Unterschiede sind abgebaut, es wird keine Energie umgewandelt, keine chemischen Reaktionen finden statt, keine großskaligen Bewegungen verteilen und mischen Gase, und kein Leben wäre möglich. Um einen Zustand fern des thermodynamischen Gleichgewichts zu erhalten, müssen Energie und/oder Masse ver-schiedener Entropien mit der Umgebung ausgetauscht werden (siehe rechts, mitte). Dieser Austausch erlaubt das Erzeugen von Gradienten, die Flüsse und Bewegungen aufrecht erhalten, und sind verbunden mit kontinuierlicher Produktion von Entropie. Entropieproduktion ist ein direktes Maß für die Unumkehrbarkeit dieser Prozesse und für den Ab-stand zum thermodynamischen Gleichgewicht.

Thermodynamik biogeochemischer Kreisläufe im Erdsystem Die fundamentalen Konzepte der Thermodynamik beschreiben auch die Prozesse, die einfallende Solarstrahlung und geoche-mische Elemente im Erdsystem umwandeln sowie biogeoche-mische Reaktionen, die Leben am Leben erhält. Der Planet Erde im Zustand fern des thermodynamischen Gleichgewichts wird unterh-alten durch hohe Austauschraten von Strahlungs-energie ver-schiedener Entropien mit dem Weltraum (siehe rechts). Dies erlaubt hohe Umsatzraten von Energie und Masse sowie die daraus entstehenden Zirkulationsmuster und Mischungsprozesse im Kli-masystem. Geochemische Elemente, wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff werden damit kontinuierlich umgeformt, welches zu globalen biogeochemischen Stoffkreisläufen führt. Mithilfe der Thermodynamik kann quantifiziert werden, wie weit entfernt bio-geochemische Kreisläufe vom thermodynamischen Gleichgewicht operieren, welche Prozesse die Kreisläufe näher an das Gleichge-wicht bringen, welche Prozesse den Zustand fern des Gleichge-wichts erzeugen, und wie diese Prozesse mit den klimatischen Bedingungen verbunden sind.

Das Erdsystem wird in einem einzigartigen thermo-dynamischen Zustand unterhalten und wird stark durch Leben beeinflußt. Bild: NASA

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Anfangszustand stationärer Zustand

Zeit

Die Thermodynamik beschreibt in allgemeiner Form, warum sich Energie und Massen mit unterschiedlichen Ei-genschaften über Zeit mischen (oben) und wie in der Ge-genwart von Austauschflüssen mit der Umgebung (rot/blau im unteren Diagramm) ein Zustand mit Unter-schieden erhalten werden kann.

Der globale Kohlenstoffkreislauf als Kreislauf fern des thermodynamischen Gleichgewichts, hier dargestellt als elektrischer Schaltkreis. Widerstände im Schaltkreis stellen dissipative Prozesse dar, die Entropie produz-ieren, und Batterien symbolisieren die Prozesse, die den Kreislauf aus dem Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts bringen.

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Diffusion undTransport

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Einfallende Solarstrahlung wird bei Erdsystemprozes-sen umgewandelt in die Richtung abnehmender Temper-atur und höherer Entropie. Diese Umwandlungsproz-esse sind unumkehrbar und produzieren Entropie. Bild: Kleidon and Lorenz (2005).

Danksagung:Diese Arbeiten tragen bei und werden unterstützt von der University of Illinois at Urbana/Champaign hydrologische Syntheseprojekt "Water cycle dynamics in a changing environment" und der Helmholtzallianz “Planetenevolution und Leben” (PI Tilman Spohn, DLR Berlin).

http://gaia.mpg.de

Thermodynamik des Kohlenstoffkreislaufs

Dies sei anhand des globalen Kohlenstoffkreislaufs dargestellt (siehe unten). Auf langen Zeitskalen wird atmosphärisches Kohlen-dioxid (CO2) durch Bindung mit Kalzium im Ozean als Kalk abge-lagert und der Atmosphäre entzogen. Zwei Prozesse wirken dem aktiv entgegen: Zum Einen führt Mantelkonvektion im Erdinneren zum vulkanischen Ausgasen von CO2 in die Atmosphäre. Zum An-deren entzieht Photosynthese unter Verwendung von Sonnenlicht der Atmosphäre CO2, ohne dass es einer Bindung mit Kalzium bedarf. Diese zwei Prozesse gestalten aktiv durch Verwendung an-derer Energieformen die Entwicklung von atmosphärischen CO2. Andere Prozesse bauen Unterschiede von CO2 ab (z.B. Diffusion vom Boden in die Atmosphäre, Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre), oder bauen die durch Photosynthese erzeugte che-mische Energie in Form von Kohlehydraten ab (Atmung). Diese Pro-zesse sind eng an das Klimasystem gekoppelt, z.B. über den at-mosphärischen Treibhauseffekt oder den Wasserkreislauf.

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http://www.bgc-jena.mpg.de

Thermodynamik, Diversität und Komplexität

Der Abstand eines Systems zum thermodynamischen Gleichge-wicht entspricht in etwa der Komplexität des Systems. Während sich das thermodynamische Gleichgewicht auszeichnet durch die Abwesenheit von Unterschieden und Variabilität auf der grösser-skaligen Ebene, also einem Fehlen von Komplexität, zeigen Sys-teme fern des Gleichgewichts stärker ausgeprägter Unterschiede und Variabilität, also komplexeres Verhalten in Raum und Zeit. Eine Besonderheit biotischer Prozesse ist, dass sie mit Vielfalt in Form und Funktion von Lebenwesen verbunden sind. Es stellt sich die Frage, inwiefern die Diversität von Lebensformen und deren me-tabolischen Reaktionen sowohl zum thermodynamischen Zustand fern des Gleichgewichts als auch zu der damit verbundenen Kom-plexität beiträgt.

Arbeitsgruppe “Biosphärische Theorie und Model-lierung”

Die selbstständige Nachwuchsgruppe “Biosphärische Theorie und Modellierung” am Max-Planck-Institut für Biogeochemie arbeitet daran, die thermodynamische Natur von Erdsystemprozessen und deren Zusammenwirken mit biotischen Prozessen und biogeoche-mischen Kreisläufen besser zu verstehen. Dieses Verständnis wenden wir dann an, um Rekonstruktionen der Erdgeschichte und der biologischen Evolution mit biogeochemischen Kreisläufen und thermodynamischen Trends zu verbinden. Dieses Wissen wird dann benutzt, um den menschlichen Einfluß auf das Erdsystem besser bewerten zu können. Dies betrifft Fragen z.B. wie die vom Menschen verursachte globale Klimaerwärmung oder der Verlust von Artenreichtum die dissipativen Prozesse im Erdsystem verändern, und ob dadurch das Verhalten des Systems einfacher oder komplexer wird.