1.

Einleitung

Kohlenstoffkreislauf, in der Ökologie die zyklische Umsetzung des Kohlenstoffes und seiner Verbindungen.

Das Element Kohlenstoff nimmt an dem Kreislauf vorwiegend in Form von Kohlendioxid (CO₂) teil. Bei der Photosynthese verbrauchen die grünen Pflanzen CO₂, das in der Atmosphäre oder gelöst im Wasser vorliegt. Ein Teil des Kohlenstoffes wird im Zellgewebe der Pflanzen in Form von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen eingelagert, der Rest wird durch Atmung wieder abgegeben. Durch Pflanzenfresser gelangt der gebundene Kohlenstoff zu den Tieren, wobei die Kohlenstoffverbindungen in vielfältiger Weise gespalten und umgebaut werden. Ein großer Teil davon wird bei der Atmung in Form von CO₂ als Nebenprodukt des Stoffwechsels freigesetzt, ein kleiner Teil wird jedoch im tierischen Gewebe eingelagert und auf Fleischfresser, die sich von den Pflanzenfressern ernähren, übertragen. Nach deren Tod werden alle Kohlenstoffverbindungen durch die Zersetzer (Destruenten, siehe Bodenorganismen) aufgebrochen und der größte Teil des Kohlenstoffes wird wieder als gasförmiges CO₂ frei, um erneut von Pflanzen aufgenommen zu werden.

2.

Luft-Wasser-Austausch

Betrachtet man den Kohlenstoffkreislauf weltweit, so handelt es sich um einen CO₂-Austausch zwischen zwei großen Vorratskammern der Erde, der Atmosphäre und dem Wasser. CO₂ aus der Luft dringt durch Diffusion über die Wasseroberfläche ins Wasser ein, d. h. es kann sich in Form von Gas im Wasser lösen. Wenn die CO₂-Konzentration im Wasser niedriger ist als in der Luft, diffundiert CO₂ ins Wasser, ist sie jedoch höher als in der Atmosphäre, tritt CO₂ in die Luft aus.

Zusätzlich findet ein Kreislauf innerhalb der Ökosysteme des Wassers statt, an dem pflanzliches und tierisches Plankton, Fische und andere Meereslebewesen beteiligt sind. Kohlendioxid befindet sich im Wasser im so genannten Kohlensäure-Gleichgewicht. Dabei verbindet sich Kohlendioxid mit Wasser zu Kohlensäure, die sich wiederum zu Carbonaten und Bicarbonaten (Hydrogencarbonaten) zersetzt. Überschüssige Carbonate können sich z. B. in Form von Kalk ausfällen und in den Bodenschichten absetzen. Auch die Schalen und Krusten vieler Meereslebewesen bestehen aus Kalk, der bei ihrem Tod den Sedimenten zugeführt wird.

Ein Teil des Kohlenstoffes ist in der Biomasse der Wälder und anderer Vegetationsformen eingelagert und kann dadurch für Hunderte von Jahren dem normalen Kreislauf entzogen sein. Durch unvollständige Zersetzung von Pflanzenresten unter Sauerstoffmangel, wie er etwa in Feuchtgebieten vorkommt, können sich Torf und andere Formen halbverwester Reste von Pflanzengeweben bilden. Unter der Einwirkung von erhöhtem Druck, Temperatur und Zeit bildet sich daraus Kohle, ein weiterer Kohlenstoffspeicher, der nicht am Kreislauf dieses Elements teilnimmt. Vor allem im Karbon entstanden durch solche Vorgänge die riesigen Lagerstätten der so genannten fossilen Brennstoffe (Kohle, Erdöl und Erdgas).

3.

Gesamtes Kohlenstoffvorkommen

Das gesamte Kohlenstoffvorkommen der Erde wird auf ungefähr 49 000 Gigatonnen (eine Gigatonne entspricht 10⁹ Tonnen) geschätzt und umfasst organische und anorganische Verbindungen des Kohlenstoffes. Nach bisherigen Berechnungen machen fossile Kohlenstoffe 22 Prozent des Gesamtvorkommens aus. Die Meere enthalten 71 Prozent des Kohlenstoffvorrats, der hier überwiegend in Form von Bicarbonat- und Carbonat-Ionen vorliegt. Weitere 3 Prozent sind in totem organischen Material und im Phytoplankton der Meere und Gewässer enthalten. Land-Ökosysteme, deren wichtigstes Kohlenstoffreservoir die Wälder darstellen, enthalten 3 Prozent des Kohlenstoffvorkommens. Der Rest, knapp 1 Prozent, befindet sich in der Atmosphäre, nimmt am Kreislauf teil und ist der wichtigste Ausgangsstoff für die Photosynthese.

4.

Eintrag in die Atmosphäre

Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe gelangt der darin gebundene Kohlenstoff als CO₂ wieder in den Kreislauf. CO₂ entsteht auch bei Bränden von Wäldern – in jüngster Zeit insbesondere von Regenwäldern –, die einen weiteren Kohlenstoffspeicher darstellen. Durch diese und andere Vorgänge ist der Gehalt an CO₂ in der Luft seit der industriellen Revolution langsam, aber kontinuierlich angestiegen. Die CO₂-Konzentration hat sich von geschätzten 260 bis 300 ppm (Abkürzung für englisch parts per million: Teile je eine Million Teile) in der Zeit vor der industriellen Revolution auf heute über 370 ppm erhöht. Der tatsächliche, durch die Industrialisierung bedingte Kohlendioxidausstoß war jedoch vermutlich etwa doppelt so hoch, da wahrscheinlich 50 Prozent des Ausstoßes von den Meeren aufgenommen und dort gespeichert wurden. Auch die Vegetation an Land kann zwar beträchtliche Mengen an Kohlenstoff binden, produziert selbst jedoch ebenfalls CO₂ – wahrscheinlich in stärkerem Ausmaß als das Phytoplankton der Meere.

CO₂ bildet zusammen mit anderen Treibhausgasen in der Atmosphäre eine Art Wärmedämmschicht (Treibhauseffekt). Kurzwellige Strahlung der Sonne kann durch diese Schicht bis auf die Erdoberfläche durchdringen, die Abstrahlung langwelliger Strahlen von der Erde wird jedoch vermindert. Dadurch heizen sich die unteren Schichten der Erdatmosphäre auf. Da sich aufgrund der Luftverschmutzung der CO₂-Gehalt der Luft erhöht hat, wird die unsichtbare Wärmedämmschicht immer undurchlässiger, wodurch immer weniger Wärme ins Weltall abgestrahlt werden kann und es zu einem weltweiten Temperaturanstieg, der globalen Erwärmung, kommt. Bisher ist dieser Temperaturanstieg allerdings noch nicht so stark, dass natürliche Klimaschwankungen als Ursache dafür ausgeschlossen werden können. Der geschätzte weitere CO₂-Anstieg durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe lässt jedoch einen globalen Temperaturanstieg von circa 2 bis 6 °C bis Ende des 21. Jahrhunderts möglich erscheinen.