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 (1 t C entspricht 3,7 t CO2). 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: Die Abb. zeigt den Kohlenstoffaustausch zwischen Atmosphäre, Landvegetation und Ozean in GtC pro Jahr sowie die Reservoire in GtC (Gigatonnen = Milliarden t; 1 t C entspricht 3,7 t CO2). Die grünen Pfeile und Werte zeigen die natürlichen Austausche und die blauen Werte (in den weißen Kästchen) die natürlichen Reservoire vor 1750. Die roten Pfeile und Werte zeigen die jährlichen anthropogenen Flüsse und der rote Wert in dem Reservoir Atmosphäre die jährliche Kohlentoffzunahme in den 2010er Jahren.B1

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 gesamten anthropogenen Emissionen seit 1850 ("vorindustriell") von 650 GtC sind knapp die Hälfte in der Atmosphäre verblieben, den Rest haben der Ozean und die Landvegetation aufgenommen. Die Atmosphäre hat von allen anthropogenen Emissionen seit Beginn der Industrialisierung 265 GtC bzw. ca. 41% aufgenommen. Die Landvegetation hat 210 GtC bzw. 32% der Emissionen akkumuliert. Eine wichtige Kohlenstoffsenke ist über den gesamten Zeitraum außerdem der Ozean gewesen. Sein Kohlenstoffgehalt hat sich seit 1750 insgesamt um 160 GtC erhöht, was 25% der gesamten Emissionen durch den Menschen entspricht. Ein Rest von 2% ist ungeklärt.1

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 und den 2010er Jahren von 6,3 auf 9,4 GtC pro Jahr gestiegen. Die Emissionen aus der Änderung der Landnutzung haben sich in dem Zeitraum wenig verändert und betrugen in den 2010er Jahren 1,6 GtC/Jahr. In der Summe beliefen sich die anthropogenen C-Emissionen in den 2010er Jahren auf ~11 GtC/Jahr. Davon hat die Atmosphäre in den 1990er Jahren jährlich 3,2 GtC, in den 2010er Jahren 5,1 GtC aufgenommen, der Ozean 2,0 und 2,5 GtC und die Landvegetation 2,6 und 3,4 GtC.1

Emissionen (Quellen) und Senken von Kohlendioxid

Tabelle 1: CO2-Emissionen (Quellen) und -Senken in GtC/Jahr in ausgewählten Jahrzehnten 1960 bis 2020. In der rechten Spalte die Gesamtemissionen und die Senkensummen 1750 bis 2020. Insgesamt wurden aus fossilen und Landnutzungsquellen 690 Gt Kohlenstoff durch anthropogene Aktivitäten emittiert. Davon sind 290 Gt in der Atmosphäre verblieben, der Rest wurde vom Ozean und der Landvegetation aufgenommen.3

Anmerkungen:
1.
Friedlingstein, P., O'Sullivan, M., Jones, M. W., et al. (2020): Global Carbon Budget 2020, Earth Syst. Sci. Data, 12, 3269–3340
2. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, Table 6.1
3. Daten nach Friedlingstein, P., M.W. Jones, M. O'Sullivan et al. (2021): Global Carbon Budget 2021, Earth Syst. Sci. Data, Preprint

Bildquellen:
B1. Eigene Darstellung (D. Kasang) nach Norbert Noreiks, MPI-M; Daten nach Friedlingstein, P., M.W. Jones, M. O'Sullivan et al. (2021): Global Carbon Budget 2021, Earth Syst. Sci. Data, Preprint; Lizenz: CC BY

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