Kohlenstoffkreislauf (CO2): Erklärung, Prozesse & Bedeutung fürs Klima

Wichtige Speicher

• Atmosphäre: Kohlendioxid (_CO2) und in geringerer Menge Methan sind hier enthalten. Der Atmosphärenspeicher ist im Vergleich zu Gesteinen klein, hat aber großen Einfluss auf das Klima.
• Biosphäre: Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen speichern Kohlenstoff in organischer Form.
• Böden: Humus und organische Substanzen können Kohlenstoff für Jahrzehnte bis Jahrtausende halten.
• Ozeane: Wasser, gelöster anorganischer Kohlenstoff (als Kohlensäure, Hydrogencarbonat und Carbonat) sowie organischer Kohlenstoff in Lebewesen und Sedimenten.
• Sediment- und Karbonatgesteine: Große Mengen Kohlenstoff sind in Kalkstein und anderen Gesteinen gebunden – dieser Speicher ist weitaus größer als die Atmosphäre.
• Fossile Brennstoffe: Kohle, Erdöl und Erdgas enthalten über sehr lange Zeiträume gebundenen Kohlenstoff.

Wichtige Prozesse

• Photosynthese: Pflanzen und bestimmte Mikroorganismen entziehen der Atmosphäre durch Photosynthese _CO2 und binden es als organische Substanz.
• Atmung und Zersetzung: Lebewesen geben beim Atmen und wenn sie sterben durch Zersetzung wieder _CO2 frei.
• Verbrennung: Natürliche Brände und die menschliche Verbrennung von Biomasse und fossilen Brennstoffen setzen Kohlenstoff schnell frei.
• Verwitterung: Regenwasser löst _CO2 als verdünnte Kohlensäure; diese Verwitterung reagiert mit Gesteinen, löst Mineralien und führt letztlich zur Bildung von gelöstem Hydrogencarbonat, das ins Meer gelangt und dort sedimentiert.
• Ozeanische Aufnahme und Carbonatchemie: Ein Teil des atmosphärischen _CO2 löst sich im Ozean. Dort wandelt es sich in verschiedene Formen (Kohlensäure, Hydrogencarbonat, Carbonat) um. Dieser Vorgang reduziert den pCO2 der Atmosphäre, verändert aber die Ozeanchemie und führt zu Ozeanversauerung, die Muscheln und Korallen schädigen kann.
• Sedimentation und Lithifizierung: Organische Reste und Carbonate werden vergraben und bilden im Laufe geologischer Zeiträume Sedimentgesteine wie Sedimentgestein und Karbonatgesteine (z. B. Kalkstein).
• Subduktion und Vulkanismus: Vergrabene ozeanische Sedimente werden bei der Plattentektonik in die Tiefe transportiert (Subduktion). Teile des eingeschlossenen Kohlenstoffs werden durch Aufschmelzungen wieder freigesetzt und an Vulkanen ausgestoßen – so schließt sich der sehr langfristige Kreislauf.

Traditionell waren Vulkane eine wichtige natürliche CO2-Quelle. In den letzten rund hundert Jahren hat aber die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle und Gas durch den Menschen deutlich mehr _CO2 in die Luft gebracht. Schätzungen zeigen, dass die anthropogenen Emissionen in diesem Zeitraum um ein Mehrfaches (etwa das Hundertfache) über den jährlichen vulkanischen Emissionen lagen. Damit hat der Mensch den Kohlenstoffkreislauf spürbar gestört.

Die Verlagerung von Kohlenstoff in Sedimente erfolgt über lange Zeiträume: ein Teil des Pflanzenkohlenstoffs wird im Boden stabilisiert, ein anderer Teil wird als Sediment zu Gestein und damit für viele Millionen Jahre aus dem raschen Kreislauf entfernt.

"Die Verwitterung ist ein großer Verbraucher des atmosphärischen Kohlendioxids, das für die Auflösung von Gesteinen unerlässlich ist".

Zeitskalen

• Kurzfristig (Tage–Jahre): Photosynthese, Atmung, saisonale Vegetationszyklen.
• Mittelfristig (Jahre–Jahrtausende): Bodenbildung, Ablagerung in Sedimenten, Ozeanaufnahme.
• Langfristig (10^5–10^8 Jahre): Verwitterung, Sedimentverfestigung, Subduktion, Vulkanismus.

Menschlicher Einfluss und Folgen fürs Klima

Seit der Industrialisierung ist der CO2-Gehalt der Atmosphäre deutlich angestiegen (von rund 280 ppm vor der Industrialisierung auf über 400 ppm; aktuell liegt der Wert bei etwa 420 ppm). Höhere CO2-Werte verstärken den Treibhauseffekt und führen zu globaler Erwärmung. Weitere Folgen des gestörten Kohlenstoffkreislaufs sind:

• Ozeanversauerung durch verstärkte Aufnahme von _CO2, was marine Lebensgemeinschaften bedroht.
• Veränderungen der Kohlenstoffsenken: Wälder und Böden können durch Abholzung, Brandereignisse oder Erwärmung weniger Kohlenstoff aufnehmen.
• Rückkopplungen: Auftauen von Permafrostböden kann zusätzliches Methan und CO2 freisetzen; wärmere Ozeane nehmen weniger _CO2 auf.
• Auswirkungen auf Wetter und Ökosysteme: Erwärmung verändert Niederschlagsmuster, Häufigkeit extremer Ereignisse und die Produktivität von Ökosystemen.

Was kann getan werden?

• Emissionen drastisch senken: Umstieg auf erneuerbare Energien, Energieeffizienz, Verringerung von Emissionen im Verkehrs- und Industriesektor.
• Schutz und Wiederherstellung natürlicher Senken: Aufforstung, nachhaltige Bodenbewirtschaftung, Schutz von Mooren und Küstenökosystemen ("Blue Carbon").
• Technische Maßnahmen: CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS), direkte Luftabscheidung (DAC) in Kombination mit sicheren Speichern.
• Vermeidung von weiteren Störungen: Schutz vor Entwaldung, Verringerung von Boden- und Meeresverschmutzung.
• Internationale Zusammenarbeit und politische Maßnahmen: Emissionsbegrenzungen, CO2-Preise, Förderprogramme für klimafreundliche Technologien.

Der Kohlenstoffkreislauf verbindet schnelle biologische Prozesse mit sehr langsamen geologischen Kreisläufen. Deshalb haben kurzfristige menschliche Eingriffe – vor allem die Verbrennung fossiler Brennstoffe – langfristige Folgen für Klima, Ozeane und Ökosysteme. Maßnahmen zur Reduktion von Emissionen und zur Stärkung natürlicher und technischer Kohlenstoffsenken sind zentral, um die weiteren Auswirkungen abzumildern.