Kohlenstoffkreislauf: Speicher und Flüsse verstehen

Ein Kohlenstoffspeicher ist ein Bestand, etwa Kohlenstoff in der Luft, in Pflanzen, im Boden oder im Wasser. Ein Fluss ist ein Vorgang, der Kohlenstoff zwischen Speichern transportiert. Dazu zählen Fotosynthese, Nahrung, Zellatmung, Zersetzung und Verbrennung.

Eine Senke nimmt im festgelegten Zeitraum insgesamt mehr Kohlenstoff auf, als sie abgibt. Eine Quelle gibt mehr ab, als sie aufnimmt. Beides beschreibt eine Bilanz, nicht eine feste Eigenschaft: Ein Wald kann wachsen und Kohlenstoff aufnehmen, nach Rodung und Verbrennung aber zur Quelle werden.

Pflanzen und Phytoplankton nehmen CO₂ aus Luft oder Wasser auf. Mit Licht bauen sie bei der Fotosynthese Zucker und weitere Biomasse auf: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Die Energie liefert das Licht; die Kohlenstoffatome stammen aus CO₂.

Bei aerober Zellatmung gilt für die vereinfachte Stoffbilanz die umgekehrte Richtung: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O. Pflanzen, Tiere und viele Mikroorganismen betreiben Zellatmung. Pflanzen atmen auch nachts, wenn ohne Licht keine Fotosynthese stattfindet. Über Nahrung gelangt Kohlenstoff zu Tieren. Aus Ausscheidungen und totem Material setzen Destruenten ihn wieder frei; bei Abbau ohne Sauerstoff kann auch Methan (CH₄) entstehen.

Zwischen Luft und Wasser wird CO₂ in beide Richtungen ausgetauscht. Ob ein Gewässer insgesamt aufnimmt oder abgibt, hängt unter anderem vom Unterschied des CO₂-Partialdrucks und von der Temperatur ab. Gelöstes CO₂ kann mit Wasser reversibel Kohlensäure bilden: CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃. Dazu gehören auch Hydrogencarbonat und Carbonat. Aus Carbonat und Calciumionen kann Calciumcarbonat (CaCO₃) entstehen, aus dem manche Organismen Kalkschalen bauen. Sinken Schalen ab und werden zu Sediment, kann Kohlenstoff lange gebunden bleiben. Auch Phytoplankton bindet gelöstes CO₂; ein Teil seiner Biomasse wird zersetzt, ein anderer sinkt in tiefere Schichten.

Der kurze biologische Austausch dauert Tage bis Jahre. Geologische Speicherung und Austausch können Zehntausende bis Millionen Jahre umfassen. Kohle, Erdöl und Erdgas entstanden je nach Ausgangsmaterial unter Bedingungen wie Sauerstoffabschluss und Druck über lange Zeit. Ihre Verbrennung bringt gespeicherten Kohlenstoff rasch als CO₂ in die Luft. Rodung verringert Biomasse als Speicher. Wenn die Zuflüsse in die Atmosphäre ihre Abflüsse im selben Zeitraum übersteigen, wächst ihr Kohlenstoffbestand. Mehr CO₂ im Wasser kann den pH-Wert senken und den Aufbau von Kalkschalen erschweren.

Wähle zuerst Gebiet, Speicher und Zeitraum. Für einen Speicher gilt: Änderung des Bestands = Zuflüsse − Abflüsse. Ohne Mengenangaben lässt sich nur eine qualitative Bilanz erstellen: Du kannst Flüsse benennen, aber die Gesamtänderung nicht berechnen.

Markiere Atmosphäre, Biomasse, Boden, Wasser, Sedimente und gegebenenfalls fossile Lagerstätten. Ordne danach Fotosynthese, Nahrung, Zellatmung, Zersetzung, Sedimentation und Luft-Wasser-Austausch zu. Ergänze menschliche Eingriffe wie Rodung oder Verbrennung. Vergleiche erst dann Zu- und Abflüsse für den gewählten Speicher. Fehlen Mengen, bleibt offen, ob sein Gesamtbestand wächst oder sinkt.