Was ist der globale Kohlenstoffkreislauf?

Der globale Kohlenstoffkreislauf beschreibt die ständige Wanderung von Kohlenstoff zwischen verschiedenen Speichern auf der Erde, wie der Atmosphäre, den Pflanzen, Tieren und dem Boden. Dabei geht kein Kohlenstoff verloren, sondern er wechselt durch Prozesse wie Fotosynthese und Zellatmung lediglich seine chemische Form und seinen Ort.

Welches ist der größte Kohlenstoffspeicher der Erde?

Der mit Abstand größte Kohlenstoffspeicher ist die Lithosphäre , also die Gesteinsschicht der Erdkruste. Hier lagert der Kohlenstoff über Millionen von Jahren in Form von Sedimentgesteinen wie Kalkstein ( CaCO₃ ) sowie in fossilen Brennstoffen wie Erdöl, Erdgas und Kohle.

Wie beeinflusst der Mensch den Kohlenstoffkreislauf?

Der Mensch stört das natürliche Gleichgewicht massiv, indem er fossile Brennstoffe aus der Lithosphäre fördert und verbrennt. Dadurch gelangt uralter Kohlenstoff, der eigentlich langfristig gespeichert war, als CO₂ in die Atmosphäre. Da Pflanzen dieses zusätzliche CO₂ nicht schnell genug aufnehmen können, steigt die Konzentration in der Luft rasant an.

Warum sind Eisbohrkerne für die Klimaforschung wichtig?

In Eisbohrkernen aus Gletschern sind winzige Luftbläschen aus der Vergangenheit eingefroren. Forscher analysieren diese Bläschen, um die historische Zusammensetzung der Atmosphäre zu bestimmen. So wissen wir, dass der CO₂ -Wert vor der Industrialisierung immer unter 300 ppm lag und heute durch menschliche Einflüsse auf über 400 ppm gestiegen ist.

Der globale Kohlenstoffkreislauf einfach erklärt

Wusstest du, dass ein Kohlenstoffatom in deinem Körper vor Millionen von Jahren vielleicht mal Teil eines riesigen Dinosauriers oder eines riesigen Farns war? Wenn wir den globalen Kohlenstoffkreislauf betrachten, wird schnell klar, wie alles auf der Erde miteinander verbunden ist.

Dinosaurier und Farn als Kohlenstoffspeicher

Auf der Erde geht kein Kohlenstoff verloren. Er wandert ständig zwischen der Luft, den Pflanzen, den Tieren und dem Erdboden hin und her. In diesem Artikel schauen wir uns an, wo die Natur diesen Kohlenstoff speichert, wie er sich bewegt und warum der Mensch dieses uralte Gleichgewicht gerade ziemlich durcheinanderbringt.

Vorwissen

Fotosynthese: Pflanzen nehmen Kohlenstoffdioxid ( $\text{CO}_2$ ) aus der Luft auf, um mit Hilfe von Sonnenlicht Zucker und Sauerstoff herzustellen.

Beispiel: Ein Baum wächst, indem er $\text{CO}_2$ aus der Luft in sein Holz einbaut.
Zellatmung: Lebewesen (auch Pflanzen!) verbrennen Zucker, um Energie zu gewinnen. Dabei atmen sie $\text{CO}_2$ wieder aus.

Beispiel: Wenn du joggst, atmest du vermehrt $\text{CO}_2$ aus, das zurück in die Luft geht.

Aufgabentyp 1: Speicher und Flüsse im Kohlenstoffkreislauf

Um den globalen Kohlenstoffkreislauf zu verstehen, müssen wir uns zunächst ansehen, wo der Kohlenstoff gespeichert wird und wie er sich bewegt. Ein Kreislauf besteht immer aus zwei Dingen: Speichern (Orte, an denen etwas gelagert wird) und Flüssen (die Bewegung zwischen diesen Orten).

Im terrestrischen (landbasierten) Kreislauf gibt es vier primäre Speicher für Kohlenstoff: Die Atmosphäre (Luft), Pflanzen, Tiere und den Boden. Die Flüsse verbinden diese Speicher:

Fotosynthese: Bewegt Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Pflanzen.
Nahrungsaufnahme: Bewegt Kohlenstoff von Pflanzen zu Tieren, wenn diese gefressen werden.
Zellatmung: Bewegt Kohlenstoff von Pflanzen und Tieren zurück in die Atmosphäre.
Zersetzung (Verwesung): Wenn Lebewesen sterben, gelangen ihre organischen Kohlenstoffverbindungen in den Boden. Bakterien zersetzen sie und geben den Kohlenstoff wieder als $\text{CO}_2$ an die Atmosphäre ab.

Kreislauf zwischen Atmosphäre Pflanzen Tieren und Boden

Das Überraschende daran: $99\text{ \%}$ aller Kohlenstoffatome auf der Erde ruhen völlig still in ihren Speichern. Nur winzige $1\text{ \%}$ sind aktiv in Bewegung und nehmen an diesem ständigen Kreislauf aus Fressen, Atmen und Wachsen teil.

Aufgabentyp 2: Kohlenstoff in der Lithosphäre und Störungen

Ein besonders wichtiger Teil im globalen Kohlenstoffkreislauf ist die Gesteinsschicht der Erde, die sogenannte Lithosphäre. Der mit Abstand größte Kohlenstoffspeicher der Erde ist die Lithosphäre (die Gesteinsschicht der Erdkruste). Hier lagert der Kohlenstoff in Form von Sedimentgesteinen, wie zum Beispiel Kalkstein. Die chemische Formel für Kalkstein lautet $\text{CaCO}_3$ . Auch fossile Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle lagern hier.

Der kleinste Kohlenstoffspeicher ist paradoxerweise die Atmosphäre.

Auf natürlichem Weg gelangt nur extrem wenig Kohlenstoff aus dem Gestein in die Luft. Manchmal stören natürliche Ereignisse wie gewaltige Vulkanausbrüche dieses Gleichgewicht und setzen enorme Mengen $\text{CO}_2$ frei.

Heute gibt es jedoch eine viel größere, menschengemachte (anthropogene) Störung: Wir pumpen Erdöl, Erdgas und Kohle aus der Lithosphäre und verbrennen sie.

Dadurch nehmen wir Kohlenstoff, der eigentlich für Millionen Jahre sicher im größten Speicher weggesperrt war, und blasen ihn in den kleinsten Speicher (die Atmosphäre). Das führt zu einem massiven Ungleichgewicht, da die Pflanzen gar nicht schnell genug wachsen können, um dieses zusätzliche $\text{CO}_2$ wieder aufzunehmen.

Aufgabentyp 3: Historische vs. moderne CO2-Konzentrationen

Um die aktuellen Veränderungen im globalen Kohlenstoffkreislauf einzuordnen, werfen Forscher einen Blick tief in die Vergangenheit. Woher wissen wir eigentlich, wie viel $\text{CO}_2$ früher in der Luft war, als es noch keine Messgeräte gab? Die Antwort liegt im ewigen Eis. Forscher bohren tief in Gletscher und holen sogenannte Eisbohrkerne heraus. In diesem Eis sind winzige Luftbläschen aus der Vergangenheit eingefroren. Analysiert man diese Bläschen, kennt man die historische Atmosphäre.

Die Menge an $\text{CO}_2$ wird in der Einheit ppm (parts per million = Teile pro Million) gemessen. $1\text{ ppm}$ bedeutet: Auf eine Million Luftteilchen kommt genau ein $\text{CO}_2$ -Teilchen.

Die Eisbohrkerne zeigen uns eine dramatische Veränderung:

Historisch: Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts lag die $\text{CO}_2$ -Konzentration immer unter $300\text{ ppm}$ .
Modern: In den letzten 100 Jahren ist dieser Wert durch externe Einflüsse (wie das Verbrennen von Kohle und Öl) extrem schnell auf über $400\text{ ppm}$ gestiegen.

Diagramm historischer und moderner CO2 Konzentrationen

Dieser rasante Anstieg in so kurzer Zeit ist in der jüngeren Erdgeschichte absolut einzigartig.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 0

Aufgabe

Erkläre, warum das Verbrennen von Kohle in einem Kraftwerk das natürliche Gleichgewicht der Atmosphäre viel stärker stört als ein Baum, der im Wald abstirbt und verrottet.

Fortschritt

3 / 3

Schritt 1
Den verrottenden Baum analysieren
Ein Baum gehört zum aktiven Teil des Kohlenstoffkreislaufs (den $1\text{ \%}$ ). Wenn er verrottet, geben Bakterien durch Zersetzung $\text{CO}_2$ an die Atmosphäre ab. Dieses $\text{CO}_2$ hatte der Baum aber erst wenige Jahre zuvor durch Fotosynthese aus genau derselben Atmosphäre entnommen. Es ist ein geschlossener, ausgeglichener Kreislauf.
Schritt 2
Die Kohle analysieren
Kohle stammt aus der Lithosphäre, dem größten und langfristigsten Speicher (den $99\text{ \%}$ ). Der Kohlenstoff darin war für Millionen von Jahren sicher weggesperrt und nahm nicht am aktiven Kreislauf teil.
Schritt 3 · Ergebnis
Schlussfolgerung ziehen
Beim Verbrennen von Kohle wird zusätzlicher, uralter Kohlenstoff in den kleinsten Speicher (die Atmosphäre) gepumpt. Da dieser Kohlenstoff vorher nicht Teil des aktuellen Kreislaufs war, entsteht ein Überschuss an $\text{CO}_2$ , den die Pflanzen nicht schnell genug wieder abbauen können.

Ergebnis:

Das natürliche Gleichgewicht wird massiv gestört, da das Verbrennen von Kohle im Gegensatz zum verrottenden Baum zusätzlichen Kohlenstoff aus dem Langzeitspeicher in die Atmosphäre einbringt.

Wichtige Erkenntnisse

Der Kreislauf: $99\text{ \%}$ des Kohlenstoffs ruhen in Speichern, nur $1\text{ \%}$ bewegt sich aktiv durch Fotosynthese, Atmung und Zersetzung.
Die Speicher: Die Lithosphäre (Gestein, z. B. Kalkstein $\text{CaCO}_3$ ) ist der größte Speicher, die Atmosphäre der kleinste.
Die Störung: Das Verbrennen fossiler Brennstoffe bringt Kohlenstoff aus der Lithosphäre in die Atmosphäre und stört das Gleichgewicht.
Die Werte: Historisch lag der $\text{CO}_2$ -Wert unter $300\text{ ppm}$ . In den letzten 100 Jahren ist er auf über $400\text{ ppm}$ gestiegen (bewiesen durch Eisbohrkerne).

Der globale Kohlenstoffkreislauf einfach erklärt: Alle Flüsse