E8 Globaler Kohlenstoffkreislauf und Spurengase

Thema

Der globale Kohlenstoffkreislauf beschreibt den Kohlenstoffaustausch zwischen vier Hauptspeichern: der Atmosphäre mit etwa 870 Gigatonnen Kohlenstoff, dem Ozean mit etwa 38.000 Gigatonnen Kohlenstoff, der terrestrischen Biosphäre mit etwa 2.600 Gigatonnen Kohlenstoff und der geologischen Lithosphäre mit über 60 Millionen Gigatonnen Kohlenstoff. Anthropogene Störungen mit aktuellen Emissionen von fast 10 Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr bringen diesen globalen Kohlenstoffkreislauf aus dem Gleichgewicht, das er während des Holozäns – jener Periode der letzten Jahrtausende, in der das Klimasystem relativ stabil war – aufrechterhielt.

Das dynamische Modell dieses globalen Kohlenstoffkreislaufs verknüpft drei unterschiedliche Prozesse: die Chemie des im Ozean gelösten Kohlendioxids, das sich mit verschiedenen Formen anorganischen Kohlenstoffs im Meerwasser im Gleichgewicht befindet; Photosynthese und Atmung in terrestrischen Ökosystemen, die je nach Jahreszeit und Vegetationsdichte Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen bzw. freisetzen; Die Oxidation von Methan in der Atmosphäre wandelt Methan mit der Zeit in Kohlendioxid um. Diese drei gekoppelten Prozesse bestimmen gemeinsam, wie viel Kohlenstoff zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen Atmosphäre, Ozean und terrestrischer Biosphäre zirkuliert.

Der Anteil des jährlich vom Menschen verursachten Kohlenstoffs, der in der Atmosphäre verbleibt, anstatt von einem anderen Speicher im globalen Kohlenstoffkreislauf aufgenommen zu werden, wird als atmosphärischer Anteil bezeichnet. Dieser Anteil beträgt etwa 44 Prozent. Das bedeutet, dass die natürlichen Senken des globalen Kohlenstoffkreislaufs – Ozean und terrestrische Biosphäre – die verbleibenden 56 Prozent des jährlich emittierten anthropogenen Kohlenstoffs absorbieren. Die Aufnahmekapazität dieser natürlichen Senken kann jedoch erschöpft sein: Bei gleichbleibenden Emissionsmengen würde ein höherer atmosphärischer Anteil als die derzeitigen 44 Prozent dauerhaft in der Atmosphäre verbleiben.

Zwei Rückkopplungsschleifen zwischen Kohlenstoff und Klima sind für den globalen Kohlenstoffkreislauf von besonderer Bedeutung. Der erste Faktor ist der Permafrost, der etwa 1.700 Gigatonnen Kohlenstoff speichert: Taut der Permafrost auf, werden zusätzliches Kohlendioxid und Methan in die Atmosphäre freigesetzt. Dieses zusätzliche Kohlendioxid und Methan erwärmt das Klimasystem weiter, was wiederum zu weiterem Auftauen von Permafrost führt. So entsteht ein positiver Rückkopplungsmechanismus zwischen dem durch den Permafrost freigesetzten Kohlenstoff und der Erwärmung des Klimasystems. Der zweite Rückkopplungsmechanismus zwischen Kohlenstoff und Klima findet im Ozean statt: Die Ozeane sind saurer geworden, ihr Säuregrad ist seit der vorindustriellen Zeit um ein Zehntel gesunken. Diese erhöhte Ozeanversauerung kann die biologische Kohlenstoffpumpe schwächen, den Mechanismus, durch den Meeresorganismen organischen Kohlenstoff von der Meeresoberfläche zum Meeresboden transportieren. Wird die biologische Kohlenstoffpumpe schwächer, entzieht der Ozean der Atmosphäre weniger Kohlenstoff als zuvor, wodurch ein noch größerer Anteil in der Atmosphäre verbleibt.

Sowohl die Rückkopplung des Permafrosts als auch die Ozeanversauerung wirken in dieselbe Richtung: Sie entfernen den globalen Kohlenstoffkreislauf immer weiter vom holozänen Gleichgewicht, mit dem diese Beschreibung begann. Dies geschieht, indem die Aufnahmefähigkeit natürlicher Senken für anthropogene Störungen verringert wird, anstatt diese Aufnahmefähigkeit zu erhalten. Somit reagiert der globale Kohlenstoffkreislauf, der den Kohlenstoffaustausch zwischen Atmosphäre, Ozean, terrestrischer Biosphäre und geologischer Lithosphäre beschreibt, auf anthropogene Störungen letztlich nicht nur mit der direkten Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre, sondern auch mit Rückkopplungen, die diese Freisetzung im Laufe der Zeit verstärken.

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