Wie funktioniert der CO2-Zyklus?

Wetterlexikon: Kohlenstoffkreislauf

Erdglobus im Wasser, Symbolfoto Klimawandel, Anstieg des Meeresspiegels | globe in water, climate change | Verwendung weltweit
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Kohlenstoff: Ein sehr komplexer Stoff

Insgesamt gibt es eine kaum vorstellbare Menge von ungefähr 75 Millionen Gigatonnen Kohlenstoff. Kohlenstoff ist eines der wichtigsten Elemente überhaupt. Kein chemisches Element ist in der Lage, mehr und komplexere Verbindungen einzugehen als Kohlenstoff. Das liegt an der sehr speziellen und außerordentlichen Struktur (Elektronenkonfiguration) eines Kohlenstoffmoleküls. Kohlenstoffverbindungen sind Bestandteil jedes lebenden Gewebes und Grundlage jeglichen Lebens auf der Erde. 

99,8 Prozent des gesamten Kohlenstoffvorkommens befinden sich im Gestein. In Luft, Wasser, fossilen Brennstoffen und den Lebewesen zusammen sind weniger als 0,1 Prozent Kohlenstoff enthalten. Doch gerade dem kleinen Anteil in fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl und Erdgas fällt in der Klimaentwicklung eine entscheidende Bedeutung zu.

Natürlicher CO2-Zyklus vs. menschengemachter CO2-Ausstoß

Kohlenstoffdioxid-Emissionen gab es schon immer, sie sind fester Bestandteil des natürlichen Lebens auf der Erde. Seit der Industrialisierung und der intensiven Nutzung fossiler Brennstoffe durch den Menschen haben die CO2-Emissionen in großem Maße erhöht. Um den Einfluss von CO2 auf den Klimawandel zu verstehen, muss man zwei Arten von Kohlenstoffdioxid-Emissionen unterscheiden: den natürlichen und den vom Menschen zusätzlich verursachten.

Der natürliche seit Beginn des Lebens existierende Kohlenstoffkreislauf ist in sich geschlossen. Die Natur gleicht die von ihr verursachten Kohlenstoffdioxid-Emissionen aus und hält so den CO2-Gehalt in der Erdatmosphäre auf einem konstanten Level.

Extrem vereinfacht lässt sich der Kohlenstoffkreislauf als Austausch und Umwandlung von Kohlenstoffverbindungen durch chemische Reaktion beschreiben. Dieser Austausch findet auf drei verschieben Ebenen statt: Zwischen Luft und Lebewesen, Luft und Wasser (und Meeresorganismen), Luft und Boden. Während dieser Prozesse wird sehr viel CO2 um- und freigesetzt.

Für jede CO2-Quelle gibt es einen Speicher

Für jede Quelle, die CO2 ausstößt, hat die Natur einen Speicher (CO2-Senke) eingerichtet, der das Kohlenstoffdioxid wieder aufnehmen kann. So wandeln Pflanzen das CO2 durch Fotosynthese wieder in Sauerstoff um, doch auch der Boden und vor allem die Ozeane sind große CO2-Speicher. Dabei stehen die Speicher im Gleichgewicht zueinander, nehmen also ihrem Speicher gemäß gleichviel CO2 auf. Die Ozeane zum Beispiel sind ein viel größerer Speicher als die Luft, nehmen also eine größere Menge auf als die Luft.

Der Mensch stört den Kohlenstoffkreislauf empfindlich

Doch mit der Industrialisierung hat der Mensch begonnen zusätzlich große Mengen an CO2 auszustoßen. So viel, dass die natürlichen Speicher kaum mehr in der Lage sind, diese Emissionen aufzunehmen und zu verarbeiten. Zudem benötigen die Prozesse in der Natur sehr viel Zeit, dies gilt vor allem für das Meer. Die Ozeane sind zwar der ungleich größere CO2-Speicher, brauchen aber auch sehr viel länger als die Luft, um das Gas aufzunehmen. Das liegt daran, dass nur die Wasseroberfläche in direktem Kontakt steht und es sehr lange dauert, bis sich das Wasser an der Oberfläche mit dem Wasser aus den tieferen Regionen vermischt. Je weiter der CO2-Ausstoß ansteigt, desto schwerer wird es für die Umwelt dieses Gleichgewicht zu halten, während der Kohlenstoffdioxidanteil in der Luft immer weiter zunimmt.

Enormer Anstieg an CO2 seit der Industrialisierung

Der vom Menschen verursachte und stetig steigende CO2-Ausstoß schlägt sich in Messungen deutlich nieder. Der CO2-Konzentration in der Luft war bis zum Zeitalter der Industrialisierung immer konstant. Nachdem sich das Klima auf der Erde eingependelt hatte, lag der Anteil von CO2 in der vorindustriellen Zeit stets bei rund 280 pro Millionen Teilchen (ppm, „parts per million“). Bis zum heutigen Tag stieg die Konzentration immer weiter und schneller auf 415,26 ppm im Jahr 2019.

Dabei muss beachtet werden, dass nur rund 40 Prozent der menschengemachten Emissionen in der Luft landen. Je 27 Prozent werden von den Ozeanen und den Landökosystemen aufgenommen. Daran wird deutlich, dass das natürliche Gleichgewicht ins Wanken gerät, denn die Ozeane sind ja eigentlich der größere Speicher. Hätten diese beiden natürlichen CO2-Speicher nicht noch Kapazitäten, läge die Konzentration von Kohlenstoffdioxid bei über 500 ppm. Diese zusätzliche Beanspruchung der natürlichen Speicher bleibt jedoch nicht folgenlos. Im Wasser wird das CO2 zu Kohlensäure und trägt so maßgeblich zur Übersäuerung der Weltmeere bei.

Die Keeling-Kurve

Der Nachweis des steigenden Kohlenstoffdioxids in der Luft aufgrund der Nutzung fossiler Brennstoffe durch den Menschen ist erstmals Charles David Keeling gelungen. Zwar wurde bereits 1895 von dem schwedischen Physiker und Chemiker Svante Arrhenius die Theorie einer globalen Erwärmung durch steigenden Kohlenstoffdioxid entwickelt. Sie konnte jedoch nicht durch Beweise gestützt werden. Es gab im Verlauf der nächsten Jahre auch immer wieder Messungen, die allerdings starke Abweichungen aufwiesen. Darüber hinaus musste er sich außerdem in Geduld üben und die Messungen über mehrere Jahre hinweg durchführen.

Keeling wurde klar, dass er die Messungen an Orten durchführen musste, die weit von CO2-Emissionsquellen und CO2-Speichern entfernt waren, um einigermaßen konstante, nicht kurzfristig beeinflusste Werte zu erhalten.

Die Gründe dafür: Auf der Nordhalbkugel gibt es mehr Vegetation als auf der Südhalbkugel. Außerdem unterscheiden sich die Jahreszeiten auf den beiden Hälften. Wenn im Norden Frühling herrscht, hält im Süden der Herbst Einzug. Wenn also im nördlichen Frühjahr die Blütezeit beginnt, kann durch Fotosynthese mehr CO2 absorbiert werden als während der Blütezeit auf der Südhalbkugel. Folglich sinkt der CO2-Gehalt in der Luft während des Frühlings auf der Nordhalbkugel ein wenig, im Herbst hingegen steigt er ein wenig an.

Keeling konnte beobachten, dass diese zeitverzögerten Schwankungen innerhalb eines Jahres immer konstant waren, während der Mittelwert über die Jahre hinweg stetig anstieg. Diese Beobachtungen lassen sich an der nach ihm benannten Keeling-Kurve ablesen.