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Der Kohlenstoffkreislauf

Ein Kohlenstoffatom im Frühstücksbrot schwebte vielleicht letzten Sommer als CO₂ über dem Feld — eines aus dem Auspuff lag dagegen 300 Millionen Jahre tief in der Erde.

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Speicher und Flüsse

Kohlenstoff ist das Grundgerüst aller organischen Stoffe. Er wechselt ständig zwischen Luft, Lebewesen, Boden, Meer und Gestein; Mengen werden in Gigatonnen Kohlenstoff angegeben (1 Gt C = 10⁹ t).

  • Speicher und Flüsse:Ein Speicher (Reservoir) hält Kohlenstoff über längere Zeit fest; ein Fluss ist die Menge, die pro Jahr von einem Speicher in einen anderen wechselt, in Gt C/a.
  • Atmosphäre:≈ 880 Gt C als CO₂ (um 2020); vor der Industrialisierung waren es ≈ 590 Gt C.
  • Biomasse und Boden:Landpflanzen ≈ 450 Gt C; Böden mit Streu, Humus und Torf ≈ 1 700 Gt C.
  • Ozeane:≈ 38 000 Gt C, überwiegend als gelöstes Hydrogencarbonat (HCO₃⁻).
  • Fossile Lagerstätten:Kohle, Erdöl und Erdgas, entstanden aus nicht zersetzter Biomasse; ≈ 1 000 Gt C in bekannten Vorräten.
  • Kalkgestein:über 60 Mio. Gt C in Carbonatgesteinen (CaCO₃) — mit Abstand der größte Speicher.
  • Austausch an Land:Die Fotosynthese bindet ≈ 120 Gt C/a; etwa die Hälfte veratmen die Pflanzen selbst, die andere Hälfte gelangt als tote Biomasse in den Boden und wird von Konsumenten und Destruenten veratmet.
  • Austausch mit dem Meer:CO₂ löst sich an der Meeresoberfläche (≈ 80 Gt C/a) und gast wieder aus (≈ 78 Gt C/a); Phytoplankton bindet gelösten Kohlenstoff durch Fotosynthese.
Merke

Natürliches Gleichgewicht: Fotosynthese ≈ Zellatmung von Produzenten, Konsumenten und Destruenten; ohne den Menschen nimmt die Atmosphäre fast so viel Kohlenstoff auf, wie sie abgibt.

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Der Mensch verschiebt das Gleichgewicht

Fossile Lagerstätten entstanden über Jahrmillionen aus dem Kreislauf der Lebewesen. Der Mensch holt diesen Kohlenstoff innerhalb weniger Generationen zurück in die Atmosphäre.

  • Kurzfristiger Kreislauf:Im biologischen Teil tauschen Fotosynthese und Zellatmung Kohlenstoff innerhalb von Jahren bis Jahrhunderten aus.
  • Langfristiger Kreislauf:Im geologischen Teil sinken Kalkschalen von Plankton und nicht zersetzte Biomasse ab und werden über Jahrmillionen zu Kalkstein, Kohle, Erdöl und Erdgas; Vulkanismus und Verwitterung bewegen nur ≈ 0,2 Gt C/a.
  • Emissionen:Verbrennung fossiler Brennstoffe und Zementherstellung ≈ 9,6 Gt C/a, veränderte Landnutzung, vor allem Rodung, ≈ 1,6 Gt C/a (Mittel 2010–2019, gerundet nach IPCC).
  • Senken:Ozean ≈ 2,5 Gt C/a und Landvegetation ≈ 3,4 Gt C/a nehmen zusätzlich Kohlenstoff auf; der Rest bleibt in der Atmosphäre.
  • Anthropogener Treibhauseffekt:CO₂ und andere Treibhausgase absorbieren die Wärmestrahlung der Erdoberfläche und strahlen einen Teil zurück; zusätzliches CO₂ verstärkt diesen natürlichen Effekt, die mittlere Temperatur steigt.
  • Ozeanversauerung:Gelöstes CO₂ bildet Kohlensäure; ihre H⁺-Ionen binden Carbonat-Ionen (CO₃²⁻) zu Hydrogencarbonat, der pH-Wert sinkt (≈ 8,2 → 8,1). Kalkbildner wie Kalkalgen, Flügelschnecken und Korallen finden weniger Carbonat für Schalen und Skelette.
  • Folgen für Nahrungsketten:Wärmeres Oberflächenwasser mischt sich schlechter mit nährstoffreichem Tiefenwasser; weniger Phytoplankton und geschwächte Kalkbildner liefern weniger Biomasse an Zooplankton, Fische, Seevögel und Meeressäuger.

Wähle zu jedem Szenario zuerst deinen Tipp: Steigt der CO₂-Gehalt der Atmosphäre, sinkt er oder bleibt er gleich? Mit ▶ prüfst du — das Speicherschema zeigt, welche Flüsse stärker oder schwächer werden. „Nächstes Szenario“ führt weiter.

Wohin mit dem CO₂?

Halte fest: Der CO₂-Gehalt steigt, wenn Kohlenstoff aus langfristigen Speichern freigesetzt wird oder Senken schwächer werden. Er sinkt nur, wenn Kohlenstoff dauerhaft in Biomasse, Boden oder Sediment festgelegt wird.

Herleitung:
\(E = 9{,}6 + 1{,}6 = 11{,}2\ \tfrac{\text{Gt C}}{\text{a}}\)
| addieren

Emissionen \(E\) aus fossilen Brennstoffen und Zement sowie aus veränderter Landnutzung.

\(S = 2{,}5 + 3{,}4 = 5{,}9\ \tfrac{\text{Gt C}}{\text{a}}\)
| addieren

Senken \(S\): zusätzliche Aufnahme durch Ozean und Landvegetation.

\(\Delta = E - S = 11{,}2 - 5{,}9 \approx 5{,}3\ \tfrac{\text{Gt C}}{\text{a}}\)
| subtrahieren

Zunahme \(\Delta\) in der Atmosphäre; gemessen werden ≈ 5,1 Gt C/a, der Unterschied liegt innerhalb der Unsicherheiten.

\(\dfrac{\Delta}{E} = \dfrac{5{,}3}{11{,}2} \approx 0{,}47\)
Ergebnis

Knapp die Hälfte des freigesetzten Kohlenstoffs bleibt in der Atmosphäre.

Merke

CO₂-Bilanz der Atmosphäre: Zunahme = Emissionen − Senken \(\approx\) die Hälfte der Emissionen

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Allgemeine Hinweise

Ozonloch ist kein Treibhauseffekt

Das Ozonloch entsteht durch FCKW und lässt mehr UV-Strahlung zur Erde durch. Mit der Erwärmung durch zusätzliches CO₂ hat es nichts zu tun.

Auf die Differenz kommt es an

Die großen natürlichen Flüsse von 120 oder 80 Gt C/a gleichen sich fast aus. Für die Atmosphäre zählt die Differenz aus Aufnahme und Abgabe — und die bestimmt heute der Mensch.

CO₂-neutral heißt nicht CO₂-frei

Brennendes Holz setzt genauso CO₂ frei wie Kohle. Neutral ist die Bilanz nur, wenn dieselbe Menge Biomasse wieder nachwächst — und das dauert Jahrzehnte.

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