Kohlenstoffkreislauf

Grundidee und Speicher

Der Kohlenstoffkreislauf oder Kohlenstoffzyklus ist das System der chemischen Umwandlungen kohlenstoffhaltiger Verbindungen in Lithosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre, Biosphäre und Pedosphäre sowie der Austausch dieser Verbindungen zwischen diesen Erdsphären. Er ist wichtig, weil man mit seiner Hilfe menschliche Eingriffe in das Klima und deren Auswirkungen auf die globale Erwärmung abschätzen kann.

Das System Erde wird dabei als geschlossenes System betrachtet: Zufuhr von Kohlenstoff durch Meteorite oder kernchemische Vorgänge und Verluste durch Raumfahrt werden vernachlässigt. Unter dieser Annahme bleibt der Gesamtkohlenstoffgehalt der Erde konstant. Ein Kohlenstoffspeicher, auch Reservoir oder Pool, enthält Kohlenstoff in bestimmten Speicherformen, etwa Carbonatgesteine in der Lithosphäre oder organische Verbindungen in der Biosphäre. Zwischen Speichern gibt es Kohlenstoffflüsse. Gibt ein Speicher mehr Kohlenstoff ab, als er aufnimmt, ist er eine Kohlenstoffquelle; nimmt er mehr auf, ist er eine Kohlenstoffsenke. Das Kohlenstoffbudget beschreibt Zu- und Abflüsse eines Speichers.

Die globale Kohlenstoffmenge beträgt 75 Millionen Gt. Die Lithosphäre ist mit 99,95 % des globalen Gesamtkohlenstoffs der größte Speicher. Die Atmosphäre enthielt 2017 etwa 850 Gt Kohlenstoff, also rund 0,001 % des globalen Gesamt-Kohlenstoffs, reagiert deshalb aber empfindlich auf veränderte Flussraten. Die Hydrosphäre enthält 38.000 Gt Kohlenstoff, davon über 97 % in der Tiefsee. Die Biosphäre speichert 703 Gt C, davon 700 Gt C in Landlebewesen und 3 Gt C in marinen Lebensformen. Die Pedosphäre, also die oberste Bodenschicht, enthält nach Angaben des Instituts für Agrarwissenschaften etwa 2500 Gt Kohlenstoff; Moore enthalten weltweit allein 900 Gt.

Vorgänge in Atmosphäre, Wasser, Gestein und Boden

In der Atmosphäre sorgen vertikale und horizontale Luftbewegungen in der Troposphäre für starke Durchmischung, sodass die CO2-Konzentration in den unteren Schichten fast überall gleich ist. Eine einmalige CO2-Emission wäre theoretisch nach 30 Jahren zu 50 % wieder aus der Atmosphäre entfernt; weitere 30 % bleiben Jahrhunderte und 20 % Jahrtausende in der Atmosphäre. Organische Spurenstoffe wie Methan und halogenierte Kohlenwasserstoffe werden meist durch das fotochemisch erzeugte Hydroxylradikal (OH) zu CO2 und Wasser oxidiert; dabei werden 3,7 Gt C an Treibhausgasen pro Jahr zerstört.

In Meeren und Seen werden jährlich etwa 92 Gt Kohlenstoff eingelagert und 90 Gt wieder freigesetzt, also verbleiben langfristig etwa 2 Gt C pro Jahr. Zwei wichtige Transportmechanismen sind die biologische und die physikalische Kohlenstoffpumpe. Bei der biologischen Kohlenstoffpumpe bindet Phytoplankton im lichtdurchfluteten Oberflächenwasser CO2 durch Photosynthese in Biomasse; abgestorbene Organismen sinken ab, werden teilweise gefressen und zersetzt oder lagern Kohlenstoff am Meeresboden ab. Bei der physikalischen Kohlenstoffpumpe löst sich CO2 im Meerwasser und wird durch thermohaline Zirkulation vor allem an den Polen in die Tiefsee transportiert.

In der Lithosphäre spielen Sedimentation, Diagenese und Metamorphose eine zentrale Rolle. Sedimentation bedeutet, dass schwerlösliche organische und anorganische Stoffe zu Boden sinken. Diagenese ist die langfristige Verfestigung loser Sedimente; aus Kalkskeletten kann Kalkgestein entstehen, aus organischen Ablagerungen unter passenden Bedingungen Kerogen, Bitumen, Kohle, Graphit, Erdöl und Methan. Die Diageneserate beträgt 0,2 Gt C pro Jahr. Bei der Metamorphose werden Gesteine durch erhöhten Druck und erhöhte Temperatur umgewandelt; dabei kann CO2 freiwerden, das durch Vulkanismus oder Klüfte wieder an die Oberfläche gelangt.

In der Biosphäre binden Pflanzen jährlich etwa 123 Gt Kohlenstoff durch Bruttoprimärproduktion. Davon werden 60 Gt durch pflanzliche Atmung wieder freigesetzt; weiterer Kohlenstoff wird als Biomasse gebunden oder in den Boden eingetragen. Mikrobielle Zersetzung und Atmung setzen etwa 60 Gt frei. In der Pedosphäre wird der größte Teil organischen Pflanzenmaterials wieder durch Mikroorganismen abgebaut; nur etwa 1 Gt C pro Jahr gelangt langfristig in den Boden, etwa in Moore, wo Kohlenstoff über Jahrtausende dem Kreislauf entzogen werden kann.

Teilkreisläufe

Der Kohlenstoffkreislauf besteht aus kurzfristigen und langfristigen, organischen und anorganischen Teilkreisläufen. Ein Speicher kann gleichzeitig Quelle und Senke sein, weil ständig Austausch durch chemische, physikalische, geologische und biologische Prozesse stattfindet.

Im kurzfristigen anorganischen Kreislauf kann Kohlenstoff zum Beispiel in endorheischen Becken, also stehenden Gewässern ohne Abfluss, abgeschieden werden. Nach einer Studie um Li Yu von der Lanzhou University werden dadurch weltweit etwa 0,152 Gt Kohlenstoff pro Jahr in der Lithosphäre festgelegt. Auch Beachrock an tropischen Meeresküsten kann innerhalb von Jahren oder Monaten entstehen und Kohlenstoff binden.

Der langfristige anorganische Kreislauf läuft über mehrere tausend bis Milliarden Jahre. Zu ihm gehören mechanische Verwitterung, chemische Verwitterung, Ausfällung, Sedimentation, Diagenese, Metamorphose und Vulkanismus. Bei der chemischen Verwitterung von Kalk- und Silikatgestein wird der Atmosphäre durch Wasser vermittelt CO2 entzogen; das entstehende Hydrogencarbonat bleibt löslich in der Hydrosphäre. Ein wichtiger Zusammenhang ist der Carbonat-Silicat-Zyklus, bei dem insgesamt mehr CO2 gebunden als ausgestoßen wird, sodass der CO2-Gehalt der Atmosphäre vermindert wird. Bei Verwitterung von Kalkgestein durch andere Säuren, etwa Schwefelsäure, kann dagegen CO2 an die Atmosphäre abgegeben werden.

Der kurzfristige organische Kreislauf umfasst Assimilation und Dissimilation. Assimilation bedeutet hier vor allem Photosynthese: Pflanzen, Algen und Bakterien stellen aus CO2 mithilfe von Lichtenergie organische Stoffe her. Dissimilation bedeutet Abbau, vor allem Zellatmung, bei der organische Stoffe mit Sauerstoff wieder zu CO2 oxidiert werden. Unter Sauerstoffmangel können Organismen Gärung betreiben, wobei organische Stoffe unvollständig abgebaut werden, unter anderem zu Methan und teilweise zu CO2. Der langfristige organische Kreislauf beginnt, wenn organisches Material unter anoxischen Bedingungen, also ohne Sauerstoff, nicht vollständig abgebaut wird. Durch Überdeckung, höheren Druck und höhere Temperatur entstehen Kohlenwasserstoffe wie Erdöl und Erdgas oder Kohlenstoff in Form von Kohle. Erdöl entstand hauptsächlich in den letzten 300 Millionen Jahren; Kohlelagerstätten entstanden überwiegend im Oberkarbon und Perm vor etwa 320 bis 250 Millionen Jahren.

Menschliche Eingriffe und Folgen

Seit Beginn der Industrialisierung erhöht der Mensch die CO2-Konzentration der Atmosphäre, vor allem durch Verbrennung fossiler Energieträger, Zementherstellung und Landnutzungsänderungen. Die CO2-Konzentration betrug im Januar 2025 426 ppm, gegenüber etwa 280 ppm vor der Industrialisierung. Insgesamt wurden seit Beginn der Industrialisierung etwa 635 Gt Kohlenstoff freigesetzt, entsprechend etwa 2300 Gt CO2; knapp die Hälfte blieb in der Atmosphäre, jeweils gut ein Viertel wurde von Ozeanen und Landökosystemen aufgenommen (Stand 2019). 2018 lagen die globalen CO2-Emissionen aus fossiler Brennstoffnutzung bei 37,9 Gt CO2 pro Jahr.

Die Analyse antarktischer Eisbohrkerne zeigt, dass die CO2-Volumenkonzentration der Atmosphäre in den letzten 800.000 Jahren 300 ppm nie überschritten hatte; in Eiszeiten lag sie bei 180 ppm. Während des Paläozänen-Eozänen Temperaturmaximums vor 56 Millionen Jahren traten durch Vulkanismus CO2-Konzentrationen von über 2000 ppm auf, und die Durchschnittstemperatur stieg innerhalb einiger tausend Jahre um 5 Grad.

Als wichtigste Folge nennt der Artikel den Anstieg der Durchschnittstemperaturen. In den Naturwissenschaften besteht weitgehender Konsens, dass der derzeitige Temperaturanstieg auf direkte oder indirekte menschengemachte Emission kohlenstoffhaltiger Treibhausgase zurückzuführen ist. Entwaldung trug indirekt CO2 bei und ist zu einem Drittel an der globalen Erwärmung beteiligt. An der Schwelle zum 21. Jahrhundert produzierte die Menschheit etwa 8,7 Gt C pro Jahr.

Auch die Photosynthese verändert sich. Für Landpflanzen wäre eine CO2-Volumenkonzentration von 1000 ppm optimal; steigendes CO2 kann deshalb die Photosynthese fördern, aber unterschiedlich stark. C3-Pflanzen wie Weizen, Reis, Zuckerrübe und Kartoffel profitieren deutlich von Kohlendioxiddüngung. C4-Pflanzen wie Amarant, Mais und Zuckerrohr profitieren kaum. Gleichzeitig verringern höhere Temperaturen bei C3-Pflanzen die Carboxylierungsrate des Enzyms RuBisCO, und Trockenstress nimmt zu. In marinen Ökosystemen könnte die Photosyntheseleistung sinken, weil höhere Wassertemperaturen und niedrigerer pH-Wert das Phytoplankton beeinträchtigen.

Die Versauerung der Meere entsteht, weil mehr CO2 im Meerwasser gelöst wird und Kohlensäure bildet. In den letzten 200 Jahren nahmen die Meere ungefähr die Hälfte des durch Verbrennung fossilen Kohlenstoffs freigesetzten CO2 auf, nämlich 525 Gt CO2; der pH-Wert sank um 0,1. Besonders gefährdet sind kalkbildende Organismen, vor allem solche, die Aragonit bilden, weil Aragonit sich in saurem Wasser leicht löst. Die Versauerung könnte den Kohlenstofftransport in die Tiefsee vermindern und zu einem Kippelement im Erdklimasystem werden.

Mögliche Kohlenstoffsenken

Als mögliche zusätzliche Kohlenstoffsenken nennt der Artikel technische Lösungen, Aufforstung sowie nachhaltige Wald-, Holz- und Landwirtschaft. Technische Eingriffe in das Erdsystem mit dem Ziel, Durchschnittstemperaturen zu senken, werden als Climate Engineering bezeichnet. Wenn sie den Kohlenstoffkreislauf betreffen, heißen sie Negative Emissionstechnologien. Sie sollen CO2 langfristig dem Kreislauf entziehen, zum Beispiel durch Eisendüngung der Ozeane, Versenkung von CO2 in der Tiefsee oder Speicherung in Lagerstätten an Land, also Carbon dioxide Capture and Storage (CCS). Der Weltklimarat sieht dafür noch Forschungsbedarf.

Aufforstung kann helfen, den Anstieg des CO2-Gehalts der Atmosphäre zu bremsen. Die Kohlenstoffspeicherung hängt stark von Sonneneinstrahlung, Feuchte, Breitengrad, Baumalter und vorheriger Flächennutzung ab. In den ersten 20 Jahren werden in borealen Zonen 0,6 bis 1,4 t C pro Jahr und Hektar erwartet, in gemäßigten Zonen 0,4 bis 8,6 t C/aha und in den Tropen 2,1 bis 27 t C/aha. Für Deutschland wird bei 20-jährigen Kulturen 2,8 t C/aha angenommen. Nach Untersuchungen des Karl-Gayer-Instituts steigt die Speicherleistung in Deutschland bis zum Alter von 60 Jahren auf ein Maximum von 6,4 t C/aha und sinkt danach wieder. Die Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft kommt dagegen zu der Aussage, dass die Fähigkeit der Bäume, Kohlenstoff zu binden, mit dem Alter kontinuierlich weiter steigt.

Nachhaltige Wald- und Holznutzung gilt besonders dann als umweltfreundlich, wenn langlebige Holzprodukte wie Bauholz und Möbel entstehen und eine Kaskadennutzung erfolgt, also mehrfache Nutzung über möglichst lange Zeit mit energetischer Nutzung am Ende. Papier- und Zellstoffnutzung erfüllt diese Kriterien nicht. Für energetische Nutzung hängt die Bewertung stark von den Bedingungen ab: Material aus Durchforstungen oder Ernterückständen kann sinnvoll sein, Brennmaterial aus Rundholz eher nicht.

In der Landwirtschaft kann der Boden wieder mehr Kohlenstoff aufnehmen, wenn Bewirtschaftungsmethoden angepasst werden. Hilfreich sind organisches Material wie Gründüngung, Mist und Erntereste, schonende Bodenbearbeitung, Verzicht auf Bodenbearbeitung in Trockenphasen, kontinuierliche Bodenbedeckung, mehrjährige Kulturen sowie Hecken und Feldgehölze. Unter dem Stichwort Carbon Farming wird geprüft, ob der Aufbau von Kohlenstoff in landwirtschaftlichen Böden messbar gemacht und finanziell honoriert werden kann.