Die Umwelt gliedert sich in Kompartimente: die Atmosphäre (Luft), die Hydrosphäre (Meere, Seen, Flüsse, Grundwasser), die Lithosphäre (Gestein und Boden) und die Biosphäre (Lebewesen). Stoffe wandern zwischen ihnen und verändern sich dabei.

Ein Beispiel: Ein Kraftwerk gibt $\mathrm{SO_2}$ in die Luft ab. Regen löst es zu Säure. Der saure Regen fällt auf Boden und Wald und gelangt in einen See. Ein Stoff aus der Atmosphäre wirkt in drei weiteren Kompartimenten.

Kohlenstoff wird zwischen den Kompartimenten ausgetauscht.

• Fotosynthese bindet $\mathrm{CO_2}$ in Biomasse: $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$.
• Atmung, Verwesung und Verbrennung setzen $\mathrm{CO_2}$ frei.
• Meerwasser nimmt $\mathrm{CO_2}$ auf und gibt es wieder ab.
• Aus Resten von Lebewesen entstehen über Jahrmillionen Kalkstein ($\mathrm{CaCO_3}$), Kohle, Erdöl und Erdgas.

Der Austausch zwischen Pflanzen und Luft dauert Jahre, die Bildung fossiler Stoffe Jahrmillionen. Der Mensch verbrennt in Jahrzehnten, was die Natur in Jahrmillionen gebunden hat. Der $\mathrm{CO_2}$-Gehalt der Luft stieg von etwa 280 ppm vor der Industrialisierung auf etwa 420 ppm (ppm: Teile pro Million). Etwa die Hälfte des freigesetzten $\mathrm{CO_2}$ bleibt in der Luft, der Rest geht in Meere und Pflanzen.

Die Sonne strahlt vor allem sichtbares Licht ein. Der Erdboden nimmt es auf, erwärmt sich und gibt die Energie als Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) wieder ab. Treibhausgase in der Atmosphäre absorbieren einen Teil davon und senden ihn in alle Richtungen aus, auch zurück zum Boden. Das ist der natürliche Treibhauseffekt. Ohne ihn läge die mittlere Temperatur bei etwa $-18\ ^\circ\mathrm{C}$, tatsächlich liegt sie bei etwa $+15\ ^\circ\mathrm{C}$.

Infrarotstrahlung regt Molekülschwingungen an, aber nur, wenn sich dabei die Ladungsverteilung ändert. $\mathrm{CO_2}$ ist in Ruhe unpolar, wird aber bei Knickschwingung und asymmetrischer Streckschwingung kurzzeitig polar und absorbiert Infrarot. $\mathrm{N_2}$ und $\mathrm{O_2}$ bestehen aus zwei gleichen Atomen und bleiben bei jeder Schwingung unpolar. Die Hauptbestandteile der Luft sind darum keine Treibhausgase.

Anthropogen heißt vom Menschen verursacht. Der anthropogene Treibhauseffekt entsteht, weil der Mensch zusätzliche Treibhausgase freisetzt. Sie absorbieren mehr Strahlung, und die Erde erwärmt sich, bis sich bei höherer Temperatur ein neues Gleichgewicht einstellt.

Wasserdampf ist ein natürliches Treibhausgas und verstärkt jede Erwärmung, denn wärmere Luft nimmt mehr davon auf.

Der Klimawandel ist die langfristige Veränderung des Klimas, hier durch den zusätzlichen Treibhauseffekt. Die globale Mitteltemperatur ist seit der vorindustriellen Zeit um etwa 1,2 °C gestiegen. Folgen sind steigende Meeresspiegel (warmes Wasser dehnt sich aus, Landeis schmilzt) und häufigere Hitzewellen. Rückkopplungen verstärken die Erwärmung: Wo helles Eis schmilzt, liegt dunkleres Wasser frei, das mehr Sonnenenergie aufnimmt.

Saurer Regen. Regenwasser ist durch gelöstes $\mathrm{CO_2}$ schwach sauer, der pH-Wert liegt bei etwa 5,6. Bei der Verbrennung von Kohle und Öl entsteht Schwefeldioxid, in Motoren und Feuerungen Stickstoffoxide. Sie reagieren, vereinfacht dargestellt, zu Säuren: $\mathrm{SO_2} + \tfrac{1}{2}\,\mathrm{O_2} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{H_2SO_4}$ und $4\,\mathrm{NO_2} + \mathrm{O_2} + 2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\,\mathrm{HNO_3}$. Regen mit einem pH-Wert unter 5,6 heißt saurer Regen. Er versauert Böden und Seen.

Versauerung der Meere. Meerwasser nimmt $\mathrm{CO_2}$ auf: $\mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-}$. Die $\mathrm{H^+}$-Ionen verbrauchen Carbonat-Ionen ($\mathrm{CO_3^{2-}} + \mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{HCO_3^-}$). Muscheln und Korallen brauchen Carbonat für ihre Kalkschalen. Der pH-Wert der Meeresoberfläche fiel von etwa 8,2 auf etwa 8,1. Weil $c(\mathrm{H_3O^+}) = 10^{-\mathrm{pH}}$ gilt, stieg $c(\mathrm{H_3O^+})$ um den Faktor $10^{0{,}1} \approx 1{,}26$, also um etwa 26 %.

Drei Wege verringern Emissionen:

• Vermeiden und ersetzen: Energie sparen, Kohle, Öl und Gas durch Wind, Sonne, Wasserkraft oder Wasserstoff ersetzen. So entsteht weniger $\mathrm{CO_2}$.
• Abgase reinigen: Die Rauchgasentschwefelung bindet $\mathrm{SO_2}$ mit Kalkstein zu Gips: $\mathrm{SO_2} + \mathrm{CaCO_3} + \tfrac{1}{2}\,\mathrm{O_2} + 2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{CaSO_4 \cdot 2\,H_2O} + \mathrm{CO_2}$. Der Autokatalysator setzt giftige Gase um: $2\,\mathrm{CO} + 2\,\mathrm{NO} \rightarrow 2\,\mathrm{CO_2} + \mathrm{N_2}$. Beide erzeugen $\mathrm{CO_2}$.
• Binden und speichern: Aufforstung, Abtrennen und unterirdisches Speichern von $\mathrm{CO_2}$.

Die Wasserhärte ist die Konzentration der Calcium- und Magnesium-Ionen im Wasser. Sie stammen aus Kalkstein. Die Carbonathärte hat Hydrogencarbonat als Gegenion und lässt sich durch Kochen entfernen. Die Nichtcarbonathärte hat Sulfat und Chlorid als Gegenionen und bleibt. Die Summe ist die Gesamthärte, angegeben in mmol/L oder in Grad deutscher Härte (°dH). Es gilt 1 °dH $\approx$ 0,18 mmol/L (für beide Ionenarten zusammen).

Regenwasser löst Kalk, weil gelöstes $\mathrm{CO_2}$ Hydrogencarbonat bildet. Beim Erhitzen entweicht $\mathrm{CO_2}$, die Reaktion läuft nach links, und Kalk fällt aus. Das ist der Belag im Wasserkocher:

Der technische Kalkkreislauf hat drei Schritte:

• Brennen bei etwa 900 °C: $\mathrm{CaCO_3} \rightarrow \mathrm{CaO} + \mathrm{CO_2}$. Die Reaktion nimmt Energie auf.
• Löschen: $\mathrm{CaO} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{Ca(OH)_2}$. Dabei wird viel Wärme frei.
• Abbinden: $\mathrm{Ca(OH)_2} + \mathrm{CO_2} \rightarrow \mathrm{CaCO_3} + \mathrm{H_2O}$. Kalkmörtel nimmt $\mathrm{CO_2}$ aus der Luft auf und wird wieder zu Kalkstein.

Gebrannter und gelöschter Kalk sind ätzend: nur mit Schutzbrille und unter Aufsicht. In der Natur löst sich Kalkstein als Hydrogencarbonat und fällt anderswo wieder aus, zum Beispiel als Tropfstein.