Das morgendliche Ritual ist bei vielen Menschen nicht mehr wegzudenken: Aufstehen, Licht anmachen und dann erst einmal den Kaffee kochen. Die Bohnen sind zum Glück ja bereits gemahlen, also Pulver rein in den Filter, schnell noch Wasser in die Maschine und das Einschalten nicht vergessen. Schon bald zischt und dampft das heiße Wasser in den Filter und der Duft von frischem Kaffee durchzieht die Wohnung. So weit so gut, doch was hat das Kochen von Kaffee mit der chemischen Verwitterung von Gesteinen gemeinsam?
Granit im Filter
Nehmen wir an, statt des Kaffeepulvers befindet sich unverwitterter Granit im Filter. Normalerweise lösen sich aus den gemahlenen Kaffeebohnen unter Zugabe von heißem Wasser das Koffein und die Aromastoffe heraus. Im Falle des Granits hingegen, dass als Mineralienmix aus Feldspat, Quarz und Glimmer besteht, zersetzt sich der Feldspat teilweise durch das Wasser. Als Umwandlungsmaterial bleiben nicht der Kaffeesatz sondern Kaolinit, besser auch als Ton bekannt, und die unverwitterten Quarze und Glimmer im Filter zurück.
Analog zum Kaffee kochen verändert die Verwitterung Gesteine mithilfe chemischer Reaktionen in ihrer Zusammensetzung oder löst sie gänzlich auf. Treibende Kraft oder auch nur Medium ist dabei fast immer das Wasser, und zwar je saurer und wärmer, desto schneller zumeist die Umwandlung der Gesteine. Je nach beteiligten Mineralien, Umgebungstemperaturen und Lösungsflüssigkeit geschieht dies entweder durch die Hydroloyse und die Oxidation. Das Ergebnis ist jedoch das gleiche: Der Stein verändert seine chemische Zusammensetzung oder geht in Lösung.
Je kleiner desto schneller
Der Vergleich mit der Kaffeemaschine lässt sich sogar noch weiter fortführen: Jeder weiß, je feiner die Bohnen gemahlen sind, desto mehr Aroma hat hinterher auch der Kaffee. Dies hängt damit zusammen, dass die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion mit der Größe der angegriffenen Oberfläche zunimmt. Umso feiner der Kaffee gemahlen ist, desto größer ist auch das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen der Körner. Ebenso verhält es sich bei der Verwitterung von Gesteinen. Ein Stein verwittert schneller, wenn er von Rissen durchzogen oder bereits in mehrere Einzelteile zerfallen ist.
Lösungsverwitterung
Doch warum lösen sich überhaupt der Feldspat oder andere Mineralien im Wasser auf? Hier kommt erstaunlicherweise das Kohlendioxid ins Spiel. Denn dieses Treibhausgas wandelt sich zusammen mit Wasser in Kohlensäure um und dient als Katalysator bei der chemischen Verwitterung. Als häufigste natürlich vorkommende Säure setzt es in Lösungen positiv geladene Wasserstoffionen frei, die eine starke Tendenz haben, sich mit anderen Elementen chemisch zu verbinden. Allein die geringe Konzentration der Kohlensäure im Regenwasser von 0,0006 Gramm je Liter reicht aus, um die chemische Verwitterung an der Erdoberfläche voranzutreiben.
Bestes Beispiel für die Kohlensäureverwitterung ist sicherlich die Karstbildung in kalkhaltigen Böden. Die Kohlensäure im Regen greift den im Gestein oder im Boden meist als Kalziumkarbonat (CaCO3) gebundenen Kalk an und löst das Kalzium vollständig heraus. Über mehrere tausend Jahre hinweg kann sich das Wasser so metertief in den Kalkstein hineinfressen und ganze Höhlensysteme herausspülen. Durch diese unterirdischen Lösungsprozesse entstehen als „Abfallprodukt“ die bekannten Tropfsteine mit ihren bizarren Formen.
Am besten feucht, heiß und sauer
Ein wahres Paradies der chemischen Verwitterung herrscht in den feuchten Tropen: Dort fallen in einem Jahr oft mehr als 5.000 Liter Niederschlag pro Quadratmeter. Im Zusammenspiel mit hohen Temperaturen und fehlenden klimatischen Jahreszeiten sind dies ideale Voraussetzungen für die chemische Verwitterung. Zudem liefern die Wurzeln der Pflanzen und die Bakterien im Boden die notwendigen Säuren. Im Extremfall können die Böden unter diesen optimalen Bedingungen sogar bis in über 100 Meter Tiefe verwittern. Zum Vergleich: In Deutschland reicht zum Vergleich der Einfluss der Verwitterung meist nur wenige Meter in die Tiefe.
Stand: 04.03.2005
