Kohlenstoffkreislauf: Übersicht

Die vom Menschen verursachten Kohlenstoffemissionen treten in einen Kreislauf ein, der die Atmosphäre, die Landvegetation und den Ozean umfasst. Zwischen allen drei Subsystemen des Klimasystems wird von Natur aus Kohlendioxid ausgetauscht. Die anthropogenen (vom Menschen verursachten) Emissionen stören diesen Austausch bis zu einem gewissen Grad.

Kohlenstoffkreislauf: Übersicht

Neben der Atmosphäre sind der Ozean und die Landbiosphäre die wichtigsten Kohlenstoffspeicher, die mit der Atmosphäre in einem aktiven Austausch stehen. Die Landvegetation enthält etwa drei Mal so viel Kohlenstoff wie die Atmosphäre, der Ozean etwa 50 Mal so viel. Die Lithosphäre, die durch Vulkanismus und Verwitterung ebenfalls Kohlenstoff an die anderen Reservoiren abgibt, kann auf Zeitskalen von einigen hundert Jahren wegen der geringen Austauschmengen vernachlässigt werden.

Das atmosphärische CO2 wird relativ schnell mit dem Ozean und den Land-Ökosystemen ausgetauscht. Das Verhältnis zwischen der Aufnahme von atmosphärischem CO2 und der Abgabe an die Atmosphäre durch diese beiden Reservoire bestimmt allgemein das Tempo der Zu- oder Abnahme von Kohlendioxid in der Atmosphäre. Landvegetation und Ozean sind für atmosphärisches Kohlendioxid sowohl Quellen wie Senken. Die Fähigkeit des Ozeans und der Ökosysteme auf dem Land, als Netto-Senken zu wirken, entscheidet darüber, wie viel von dem anthropogen emittierten Kohlendioxid in der Atmosphäre verbleibt. Während der letzten 10 000 Jahre vor 1750 war der Austausch zwischen Atmosphäre und Land sowie Atmosphäre und Ozean relativ ausgeglichen. Die natürlichen Austauschmengen betrugen zwischen Atmosphäre und Land 120 GtC/Jahr und zwischen Atmosphäre und Ozean 70 GtC/Jahr. Das wesentlich größere, allerdings auch sehr langsam reagierende Reservoir des Ozeans steuert den atmosphärischen CO2-Gehalt der Atmosphäre über Zeiträume von Jahrhunderten und Jahrtausenden nachhaltiger als das Landreservoir.

Durch anthropogene Emissionen sind die Austauschprozesse zwischen den drei Reservoiren merklich verändert worden. Dabei tauscht der Ozean von dem anthropogen emittierten Kohlenstoff etwa das Zehnfache der Menge mit der Atmosphäre aus, die zwischen Land und Atmosphäre ausgetauscht wird. Beide Reservoire sind z.Zt. eine Netto-Senke von anthropogenem Kohlenstoff. Eine genauere Betrachtung der Kreisläufe zwischen Atmosphäre und Ozean sowie zwischen Atmosphäre und Land zeigt, welche Einflussfaktoren den Kohlenstoffkreislauf regeln.

Der Kohlenstoffkreislauf

Abb. 3: Kohlenstoffaustausch zwischen Atmosphäre, Landvegetation und Ozean in GtC pro Jahr sowie die Reservoire in GtC (Gigatonnen = Milliarden t; 1 t C entspricht 3,67 t CO2). Die grünen Pfeile und Werte zeigen die natürlichen Austausche und die blauen Werte die natürlichen Reservoire vor 1750 (vor Beginn der Industrialisierung). Die roten Pfeile und Werte zeigen die anthropogenen Flüsse in den 1200er Jahren, die roten Werte bei den Reservoiren die anthropogenen Veränderungen seit Beginn der Industrialisierung.1

Die anthropogenen Störungen des natürlichen C02-Kreislaufs resultieren aus zwei Haupt-Quellen: 1. aus der Verbrennung fossiler Energie-Träger und (in geringem Maße) aus der Zementproduktion und 2. aus Veränderungen der Landnutzung, vor allem der Entwaldung.

Von den anthropogenen Emissionen seit 1750 sind etwa die Hälfte in der Atmosphäre verblieben, den Rest haben der Ozean und die Landvegetation aufgenommen. Der Kohlenstoff-Gehalt der Atmosphäre hat durch anthropogene Emissionen seit Beginn der Industrialisierung um 240 GtC oder ca. 50 % zugenommen. Die Landvegetation hat 160 GtC akkumuliert, jedoch 180 GtC über den gesamten Zeitraum von 1750 bis 2011 durch veränderte Landnutzung verloren. In den letzten Jahrzehnten ist die Landvegetation jedoch durch vermehrte Photosynthese infolge des höheren CO2-Gehalts der Atmosphäre zu einer Kohlenstoff-Senke geworden. Eine wichtige Kohlenstoffsenke ist der Ozean über den gesamten Zeitraum gewesen. Sein Kohlenstoffgehalt hat sich seit 1750 insgesamt um 155 GtC erhöht.2

Mit Beginn des neuen Jahrhunderts hat sich die Aufnahme von Kohlenstoff zu Lasten der Atmosphäre verschoben. Die Emission aus fossilen Energien ist zwischen den 1990er Jahren und 2002-2011 von 6,4 auf 8,3 GtC pro Jahr gestiegen. Davon hat die Atmosphäre in den 1990er Jahren jährlich 3,1 GtC, in den 2000er Jahren 4,3 GtC aufgenommen, der Ozean 2,2 und 2,4 GtC und die Landvegetation 1,1 und 1,6 GtC.3

Der globale anthropogene Kohlenstoffaustausch (in GtC pro Jahr)

Tabelle 1: Anthropogene globale CO2-Budgets (die natürlichen CO2-Flüsse und -Reservoire sind nicht erfasst). Für 1750-2011 sind die akkumulierten CO2-Aufnahmen und -Abgaben dargestellt (anders als im IPCC-Bericht sind bei Ozean und Landbiosphäre Verluste gegenüber der Atmosphäre mit einem negativen, Gewinne mit einem positiven Vorzeichen versehen). Für die anderen Zeitabschnitte werden die CO2-Flüsse pro Jahr gezeigt. Die (antropogenen) Emissionen beziehen sich auf die Verbrennung fossiler Energierohstoffe und die Zementproduktion (1. Zeile) und die Emissionen durch Veränderung der Landnutzung (primär Abholzung, 4. Zeile). Der Anteil der Atmosphäre am Verbleib der anthropogenen Emissionen hat in den letzten Jahrzehnten deutlich zugenommen.4

Anmerkungen:
1. Eigene Darstellung nach Norbert Noreiks, MPI-M; Daten nach IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure 6.1
2. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, 6.3.1
3. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, Table 6.1
4. Nach IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, Table 6.1

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