Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoffkreislauf

Das Klimasystem der Erde umfasst die fünf Hauptkomponenten Luft, Wasser, Eis und Schnee, Gestein und Boden sowie Lebewesen, zwischen denen beständig Kohlenstoff in einem schnellen und einem langsamen Kohlenstoffkreislauf zirkuliert. Um den Klimawandel zu verstehen, ist ein Grundverständnis des Kohlenstoffkreislaufs hilfreich.

Der Austausch von Kohlenstoff zwischen den verschiedenen Kohlenstoffspeichern der Erde, wie Atmosphäre, Ozean, Land, Boden und Lebewesen wird als Kohlenstofffluss (carbon flux) bezeichnet. In ihrer Funktion als Kohlenstoffspeicher regulieren tropische Regenwälder das Klimasystem der Erde, indem sie mit der Atmosphäre in Kreisläufen Kohlenstoff in Form von CO₂ austauschen, und zwar mehr als jedes andere terrestrische Ökosystem. Der größte Teil des Kohlenstoffs auf der Erde ist in Gesteinen und Sedimenten gespeichert, während sich der Rest in den Ozeanen, in der Atmosphäre, in der Vegetation, im Boden und in fossilen Brennstoffen befindet. Sie alle sind Kohlenstoffquellen- oder senken, durch die der Kohlenstoff beständig zirkuliert (Crisp u. a. 2022). Eine Kohlenstoffquelle gibt mehr Kohlenstoff ab, als sie aufnimmt, bei einer Kohlenstoffsenke ist es umgekehrt. In der Atmosphäre liegt der Kohlenstoff gasförmig vor, zum größten Teil als CO₂, gefolgt von Methan (CH₄), dessen Konzentration 225-mal geringer ist, und anderen Substanzen wie Kohlenmonoxid (CO) sowie flüchtigen organischen Verbindungen.

Der Kohlenstoffkreislauf kann in zwei ineinandergreifende Kreisläufe unterteilt werden. Im langsamen Kohlenstoffkreislauf werden erdgeschichtlich große Zeiträume betrachtet, in denen hauptsächlich geologische Prozesse für den Kohlenstoffaustausch verantwortlich sind. Der schnelle Kohlenstoffaustausch hingegen betrachtet weitgehend den Kohlenstoffaustausch zwischen lebenden Organismen und ihrer Umwelt in sehr viel kürzeren Zeiträumen.

Der langsame Kohlenstoffkreislauf

Der langsame Kohlenstoffkreislauf bewegt über Jahrmillionen hinweg Kohlenstoff zwischen Gesteinen, Boden, Ozean und Atmosphäre durch Verwitterung, chemische Reaktionen sowie tektonische und vulkanische Aktivitäten. Das System ist fein austariert und hält die Temperatur auf der Erde stabil, indem es verhindert, dass zu viel Kohlenstoff auf einmal in die Atmosphäre gelangt. Der Kohlenstoff aus Pflanzen, Tieren und Phytoplankton, die vor vielen Millionen Jahren auf der Erde gelebt haben, wurde nach ihrem Tod durch langsame geologische Prozesse fixiert, ohne dass dadurch die Atmosphäre zusätzlich mit Kohlenstoff angereichert wurde. So sind zum Beispiel Schiefer, Kalkstein, Erdöl, Erdgas und Kohle entstanden. Im Durchschnitt durchlaufen jedes Jahr schätzungsweise 10 bis 100 Millionen Tonnen Kohlenstoff den langsamen Kohlenstoffkreislauf (Riebeek 2011).

Der schnelle Kohlenstoffkreislauf

Der schnelle Kohlenstoffkreislauf hingegen beeinflusst Veränderungen in den Kohlenstoffspeichern über kürzere Zeiträume, über Jahre, Jahrzehnte und Jahrhunderte hinweg. Er findet gewissermaßen täglich in der Biosphäre statt, wenn Organismen atmen und Nahrung verdauen, Photosynthese betreiben, zersetzt werden oder wenn Vegetation auf natürliche Weise verbrannt wird. Die im Jahresverlauf ansteigende und wieder absinkende CO₂-Konzentration durch saisonale Zyklen in der Photosynthese verdeutlicht, wie eng die Vegetation in den schnellen Kohlenstoffkreislauf eingebunden ist. Im Frühling auf der nördlichen Hemisphäre erwachen Pflanzen zum Leben und fixieren atmosphärisches CO₂ um ihr Pflanzenwachstum anzukurbeln, weswegen die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre sinkt. Im Herbst der nördlichen Hemisphäre verlangsamt sich hingegen das Pflanzenwachstum oder wird vollständig eingestellt. Die Pflanzen entnehmen weniger CO₂ aus der Atmosphäre. Trotz der niedrigeren Temperaturen auf der Nordhalbkugel im Winter, laufen weiterhin pflanzliche Zersetzungsprozesse ab, durch die CO₂ in die Atmosphäre freigesetzt wird – die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre steigt wieder an. Es scheint fast so, als ob die Erde im Jahresrhythmus ein- und ausatmet.

Darüber hinaus findet kontinuierlich ein Kohlenstoffaustausch zwischen den Ozeanen und der Atmosphäre statt, der nicht organisch bedingt ist. Bei all diesen Prozessen wird beständig und schnell Kohlenstoff zwischen Erde und Atmosphäre ausgetauscht. Im schnellen Kohlenstoffkreislauf werden geschätzt 10 bis 100 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr bewegt (Riebeek 2011).