Der globale Kohlenstoffkreislauf

Übersicht

Kohlenstoff bewegt sich kontinuierlich in Zeitskalen von Stunden bis Millionen von Jahren durch Reservoirs. Photosynthese, Atmung, Zersetzung, Ozeanaustausch, Verwitterung, Sedimentation, Vulkanismus und Verbrennung tragen alle zu diesem vernetzten System bei.

Technische Grundlagen

Der Kohlenstoffkreislauf wird als Reservoire quantifiziert, die durch Brutto- und Nettoflüsse verbunden sind. Atmosphärisches Kohlendioxid tauscht sich schnell mit der Vegetation und der Meeresoberfläche aus, während organische Bodensubstanz, Tiefenwasser, Sedimente und Gesteine ​​Kohlenstoff über längere Zeiträume speichern. Die Aufnahme in den Ozean kombiniert Gasaustausch, Karbonatchemie, biologischen Export und Zirkulation. An Land wird die Bruttoprimärproduktion durch die Atmung von Pflanzen und Mikroben ausgeglichen. Silikatverwitterung und Karbonatverlagerung sorgen für eine langsame klimaregulierende Rückkopplung, während Vulkanismus und Metamorphose geologischen Kohlenstoff in das Atmosphäre-Ozean-System zurückführen.

Wie es funktioniert

Schneller Austausch verbindet die Atmosphäre, den oberen Ozean und die Biosphäre. Langsamere geologische Prozesse speichern Kohlenstoff in Sedimenten und Gesteinen. Die menschliche Gewinnung und Verbrennung von fossilem Kohlenstoff überträgt Material aus Langzeitreservoirs viel schneller in das aktive Atmosphäre-Ozean-System, als geologische Abbauprozesse dies kompensieren.

Mess- und Forschungsmethoden

Forscher begrenzen Flüsse mithilfe von atmosphärischen Konzentrationsnetzwerken, Kohlenstoff-Isotopen-Verhältnissen, Meeresuntersuchungen, Eddy-Kovarianz-Türmen, Waldinventuren und Satellitenbeobachtungen. Inverse Modelle schließen räumliche Quellen und Senken aus Transport- und Konzentrationsdaten ab, während Erdsystemmodelle Biogeochemie und Klima koppeln. Kohlenstoff-13 hilft dabei, terrestrische und fossile Einflüsse zu trennen, und Radiokohlenstoff unterscheidet kürzlich ausgetauschten Kohlenstoff von alten fossilen Quellen. Budgets müssen unabhängige Schätzungen mit Unsicherheit in Einklang bringen und Doppelzählungen vermeiden. Es kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Aufnahme lokaler Ökosysteme dauerhaft ist, wenn Feuer, Ernte, Dürre oder Landnutzungsänderungen sie umkehren können.

Schlüsselideen

• Ein großer Bruttoaustausch kann mit einem viel geringeren Nettofluss einhergehen.
• Land- und Ozeansenken absorbieren einen Teil, aber nicht alle, der menschlichen Kohlenstoffemissionen.
• Die Haltbarkeit der Kohlenstoffspeicherung unterscheidet sich stark zwischen Wäldern, Böden, Ozeanen und Felsen.

Aktuelle Forschungsgrenze

Aktuelle Forschung untersucht die Sättigung von Senken, das Auftauen von Permafrost, Torfmoore, die Versauerung der Ozeane und die Dauerhaftigkeit der technischen Entfernung. Die Erwärmung verändert die Atmung, die Schichtung und die Nährstoffversorgung und führt zu Rückkopplungen, deren Ausmaß je nach Region und Zeitskala variiert. Die Methoden zur Kohlendioxidentfernung unterscheiden sich hinsichtlich Zusätzlichkeit, Leckage, Überwachung und Lagerdauer. Eine vorübergehend in der Vegetation gespeicherte Tonne entspricht physikalisch nicht mineralisiertem Kohlenstoff. Methan und andere Treibhausgase interagieren mit dem Klima, erfordern jedoch separate Lebensdauern und Messgrößen. Zuverlässige Minderungsbewertungen kombinieren daher die CO2-Bilanzierung mit Energie, Biodiversität, Wasser und sozialen Zwängen.

Warum es wichtig ist

Der Kohlenstoffkreislauf reguliert das Klima, die Chemie der Ozeane und die biologische Produktivität. Die Messung von Quellen und Senken unterstützt die Klimazuordnung, die Budgetierung und die Bewertung von Minderungsstrategien.

Grenzen und offene Fragen

Rückkopplungen können natürliche Senken im Zuge des Klimawandels schwächen oder stärken. Die Kohlenstoffbilanzierung muss zwischen vorübergehender Aufnahme und dauerhafter Speicherung unterscheiden und vermeiden, alle Kohlenstoffatome oder Ökosysteme als austauschbar zu behandeln.