Kohlenstoffsenke

Art von Senke

Als Kohlenstoffsenke (auch Kohlendioxidsenke oder CO2-Senke) wird in den Geowissenschaften ein natürliches Reservoir bezeichnet, das – in geologischen Zeitmaßstäben betrachtet – vorübergehend Kohlenstoff aufnimmt und speichert. Kohlenstoffsenken sind Teil des Kohlenstoffkreislaufs und haben seit Urzeiten eine große Bedeutung für das Erdklima. Im 21. Jahrhundert erlangen sie besondere Aufmerksamkeit, weil sie das menschengemachte Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre aufnehmen und damit den Treibhauseffekt abschwächen können. Andererseits besteht auch das Risiko, dass bei geänderten Rahmenbedingungen CO2 aus Kohlenstoffsenken wieder entweicht. Daher spielen sie im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung eine wichtige Rolle.

Wichtige Kohlenstoffsenken der BiosphäreBearbeiten

Im Bereich der Biosphäre wird der Kohlenstoff zum größten Teil in organische Verbindungen eingebaut. Folgende Kohlenstoffsenken spielen eine wichtige Rolle:

Terrestrische ÖkosystemeBearbeiten

Terrestrische Ökosysteme enthalten Kohlenstoff in organischen Verbindungen sowohl in ihrer lebenden Biomasse als auch im Humus ihrer Böden. Erhöhen sich in einem Ökosystem die Kohlenstoffvorräte (also die Summe der Kohlenstoffvorräte in Biomasse und Boden), so ist dieses Ökosystem eine Kohlenstoffsenke.

Mittels Photosynthese holen Pflanzen (und in geringerer Menge auch einige Bakterienarten) Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre und bauen den Kohlenstoff in organische Stoffe ein. Ein Teil dieser organischen Stoffe dient Tieren und Mikroorganismen als Nahrung. Organische Stoffe, die nicht mehr Bestandteile von Lebewesen sind, werden als Streu dem Boden zugeführt und bilden dort den Humus. Zur Streu gehören neben toten Lebewesen z. B. auch heruntergefallene Blätter und Nadeln, Wurzelausscheidungen (Exsudate) und Exkremente von Tieren. Der Großteil der Streu wird nach kurzer Zeit von Bakterien und Pilzen mineralisiert, wobei der Kohlenstoff aus den organischen Verbindungen wieder in Kohlenstoffdioxid überführt und in die Atmosphäre abgegeben wird. Auch Feuer wandelt organisch gebundenen Kohlenstoff in Kohlenstoffdioxid um. Soll ein Ökosystem als Kohlenstoffsenke dienen, so muss man zwei Ziele verfolgen: mehr Biomasse und mehr Humus (mehr Streu, weniger Mineralisierung).

Die Form der Landnutzung hat einen erheblichen Einfluss auf die Spreicherung von Kohlenstoff im Boden. Mit einer ökologischen Landwirtschaft können die Kohlenstoffeinträge in die Böden erhöht werden, da im Vergleich zur konventionellen mehr Wurzelbiomasse gebildet werden kann[1]. Wie beiliegendes Diagramm zeigt, ist im Boden weltweit mehr als doppelt so viel Kohlenstoff gespeichert wie in der lebenden Biomasse, wobei dieses Diagramm für die Böden nur die Kohlenstoffvorräte des obersten Meters angibt.

 
Diagramm des Kohlenstoffzyklus. Die schwarzen Zahlen geben an, wie viele Milliarden Tonnen Kohlenstoff (Gt C) in den verschiedenen Reservoiren vorhanden sind. Die blauen Zahlen zeigen an, wie viel Kohlenstoff zwischen den einzelnen Speichern pro Jahr ausgetauscht wird.

Im Kohlenstoffzyklus wird Kohlenstoff zwischen Kohlenstoffsenken und Kohlenstoffquellen ausgetauscht. Die wichtigste Kohlenstoffquelle ist derzeit der stetig wachsende Verbrauch fossiler Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas oder Kohle. Außerdem wird durch die oben genannten Prozesse Kohlenstoff aus Ökosystemen freigesetzt.

WälderBearbeiten

Wälder haben hohe Kohlenstoffvorräte, sowohl in ihrer Biomasse als auch in ihren Böden, wo etwa in den borealen Nadelwäldern fast die Hälfte auf das unterirdische Pilzgeflecht entfällt.[2]

Aufforstungen sind daher sehr klimawirksam, jedoch nur dann, wenn der dabei gebundene Kohlenstoff nicht als Kohlenstoffdioxid wieder zurück in die Atmosphäre gelangen kann. Äquatornahe Wälder sind dabei eher in der Lage, der Atmosphäre CO2 zu entziehen, während Wälder der höheren Breiten in der Summe eher CO2 abgeben.[3] Darüber hinaus haben boreale Nadelwälder einen geringeren Albedo-Effekt, als schneebedeckte waldfreie Flächen.[4] In den nordischen Wäldern lagert weit über 50 Prozent des gesamten erdgebundenen Kohlenstoffes.[5]

Die tropischen Regenwälder galten bislang als besonders große Kohlenstoffsenken. Dieser Effekt scheint sich jedoch nach einer 2020 veröffentlichten Studie als Folge der Erderwärmung abzuschwächen beziehungsweise umzukehren.[6][7]

Wissenschaftliche Untersuchungen mit CO2-gedüngten Wäldern deuten darauf hin, dass diese zusätzliches CO2 über die Bodenatmung wieder abgeben.[8][9] Ein Freilandexperiment der Universität Basel und des Paul Scherrer Instituts stellte bei den untersuchten Bäumen trotz der CO2-Düngung keinerlei Wachstumsförderung fest.[9]

Eine Studie aus dem März 2020 von ca. 100 Institutionen über einen Zeitraum von 30 Jahren zeigt, dass die Fähigkeit tropischer Wälder, CO2 zu absorbieren, aufgrund von Klimawandel und Entwaldung schwindet. Wissenschaftler projizieren in der Studie mittels Daten und Modellen einen langfristigen Rückgang der afrikanischen CO2-Senke — 14 % bis 2030 — und einen Wandel des Amazonas-Regenwalds zu einer CO2-Quelle — statt -Senke — bis Mitte der 2030er Jahre,[10][11][12] so wie es etwa ca. 2013 bei 32 ~15 Jahre beobachteten brasilianischen saisonalen Wäldern geschah.[13][14]

MooreBearbeiten

Auch Moore binden Kohlenstoffdioxid, solange sie wachsen.[15] Noch in diesem Jahrhundert könnten sie – durch weitere Abtorfung oder Trockenlegung, Absterben der Torfmoose durch die Erwärmung sowie Brände – von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle werden. Die Datenlage ist allerdings noch sehr unsicher.[16][17][18]

GrasländerBearbeiten

Grasländer, also z. B. Steppen und Savannen, haben ebenfalls ein hohes Potential als Kohlenstoffsenke. Wie Wissenschaftler der Universität Lund feststellten, entspricht das durch ihre jährliche Photosyntheseleistung gebundene Kohlenstoffdioxid etwa einem Drittel der jährlichen anthropogenen Kohlenstoffdioxidemissionen.[19] In Savannen gibt es viele Feuer, die großteils vom Menschen verursacht sind. Es ist deshalb besonders wichtig, das gebundene Kohlenstoffdioxid gegenzurechnen gegen das Kohlenstoffdioxid, das durch Mineralisierung oder Feuer wieder in die Atmosphäre abgegeben wird.

Begrenzung der CO2-Aufnahme durch NährstoffmangelBearbeiten

Enthält der Boden nicht genügend Nährstoffe, wachsen die Pflanzen langsamer. Sie können dann auch nicht so viel CO2 aufnehmen. Bei Berechnungsmodellen der CO2-Aufnahme von Ökosystemen sollte dies berücksichtigt werden. Solche Modelle liegen für Stickstoff und Phosphor bereits vor.[20] Langfristig ist besonders mit Problemen bei der Phosphorversorgung zu rechnen.

Kohlenstoffsenke in aquatischen SystemenBearbeiten

Ozeane spielen eine wichtige Rolle im Kohlenstoffzyklus. Nach Forschungen unter der Leitung der ETH Zürich nahmen die Weltmeere im Zeitraum zwischen 1994 und 2007 insgesamt 34 Gigatonnen (Milliarden Tonnen) menschengemachten Kohlenstoff aus der Atmosphäre auf. Dies entspricht rund 31 % der gesamten menschengemachten Kohlendioxidproduktion in diesem Zeitraum. Im Vergleich zu den 200 zurückliegenden Jahren ist die Aufnahme von CO2 mit dessen ansteigender Konzentration in der Atmosphäre anteilsmäßig mitgestiegen. Eine Sättigung der Ozeane mit einer Verminderung der Aufnahme von CO2 ist derzeit noch nicht festzustellen.[21]

Die Aufnahmerate ist regional unterschiedlich und hängt vom Austausch des Oberflächenwassers mit den tieferen Schichten ab.[21] Etwa 40 % der Aufnahme erfolgt im Südpolarmeer. Motor für die Verbringung des CO2 ins Tiefenwasser ist die Thermohaline Zirkulation. Sie ist auch der größte Unsicherheitsfaktor für die Vorhersage der künftigen Leistung als Kohlenstoffsenke, denn sie ist eines der klassischen Kippelemente im Erdklimasystem[22][23]

Die Speicherung von CO2 im Ozean hat ihren Preis: Das Meerwasser wird immer sauerer. Dieser Effekt ist bis zu einer Tiefe von 3000 m nachweisbar. Er hat negative Auswirkungen auf verschiedene Ökosysteme.[21]

Die Lithosphäre als KohlenstoffspeicherBearbeiten

In geologischen Zeiträumen ist der wichtigste Kohlenstoffspeicher die Lithosphäre, die 99,8 % des auf der Erde vorkommenden Kohlenstoffs enthält; hauptsächlich als Carbonat wie Kalk. Aus der Lithosphäre gelangen auch keine wesentlichen Mengen Kohlenstoff zurück in den biologischen Kohlenstoffkreislauf.

In der Erdkruste existieren sehr große Mengen geeigneter Silikatmineralien, die langfristig durch Umwandlung in Carbonate große Mengen CO2 dauerhaft aus der Atmosphäre entfernen werden. Jedoch laufen die entsprechenden chemischen Reaktionen derart langsam ab, dass die Lithosphäre für die gegenwärtigen Emissionen von Kohlenstoffdioxid zumindest kurz- bis mittelfristig nicht als Senke in einem Carbon-dioxide-removal-Verfahren fungieren kann. Eine künstliche Beschleunigung dieser Prozesse durch bergmännischen Abbau und Zerkleinerung entsprechender Silikate sowie den Einsatz von Säuren ist zwar theoretisch möglich, aber im Weltmaßstab aufgrund des damit verbundenen Material-, Energie- und Landschaftsverbrauchs nicht realistisch. So würden von den vermutlich noch am ehesten geeigneten Mineralien der Serpentingruppe über acht Tonnen benötigt, um eine Tonne CO2 dauerhaft aus der Atmosphäre zu entfernen.

Einer Hochrechnung von Forschern der Universität Lanzhou aus dem Jahr 2017 zufolge sind endorheische Gewässer eine weitere wichtige Senke, die Kohlenstoffmengen in einer Größenordnung wie die Tiefsee speichern könnten. Dabei handelt es sich um abflusslose Gewässer in Trockengebieten mit hoher Verdunstungsrate wie beispielsweise den Aralsee. Hier wird Kohlenstoff in mineralischen Verbindungen langfristig festgelegt. Man geht davon aus, dass jährlich und weltweit ca. 152 Millionen Tonnen Kohlenstoff auf diese Weise dem Kreislauf entzogen werden.[24]

Siehe auchBearbeiten

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Mehr Wurzelkohlenstoff in extensiven Anbausystemen – Treibhausgasinventar wird optimiert. Agroscope, 7. Januar 2021, abgerufen am 7. Januar 2021.
  2. Ett hemligt liv. In: Sveriges Natur. Nr. 4, 2020, S. 24–28.
  3. IPCC: IPCC-Klimastatusbericht 2013. 27. September 2013, abgerufen am 20. Juli 2021.
  4. Johannes Winckler, Christian Reick, Julia Pongratz: Unterschiede in lokalen Temperaturänderungen durch Entwaldung zwischen verschiedenen Szenarien. In: Geophysical Research Letters. 28. April 2017, abgerufen am 20. Juli 2021.
  5. Wald / Nordische Urwälder: Greenpeace Info 1 242 2, Hamburg 01/2008, pdf.
  6. Wannes Hubau, Simon L. Lewis, Oliver L. Phillips, Kofi Affum-Baffoe, Hans Beeckman: Asynchronous carbon sink saturation in African and Amazonian tropical forests. In: Nature. Band 579, Nr. 7797, März 2020, ISSN 1476-4687, S. 80–87, doi:10.1038/s41586-020-2035-0 (nature.com [abgerufen am 8. März 2020]).
  7. DER SPIEGEL: Klimawandel: Regenwälder speichern bis zu 30 Prozent weniger CO2 - DER SPIEGEL - Wissenschaft. Abgerufen am 8. März 2020.
  8. A. S. Allen, J. A. Andrews, A. C. Finzi, R. Matamala, D. D. Richter und W. H. Schlesinger (1999): Effects of Free Air CO2-Enrichment (FACE) on Belowground Processes in a PINUS TAEDA Forest, in: Ecological Applications, Vol. 10, No. 2, S. 437–448, Abstract online
  9. a b Christian Körner: Waldbäume in einer CO2-reichen Welt (PDF; 39 kB)
  10. Tropical forests' carbon sink is already rapidly weakening (en-us). In: phys.org. Abgerufen am 5. April 2020. 
  11. Tropical forests losing their ability to absorb carbon, study finds. In: The Guardian, 4. März 2020. Abgerufen am 5. April 2020. 
  12. Wannes Hubau, Simon L. Lewis, Oliver L. Phillips, Kofi Affum-Baffoe, Hans Beeckman, Aida Cuní-Sanchez, Armandu K. Daniels, Corneille E. N. Ewango, Sophie Fauset, Jacques M. Mukinzi, Douglas Sheil, Bonaventure Sonké, Martin J. P. Sullivan, Terry C. H. Sunderland, Hermann Taedoumg, Sean C. Thomas, Lee J. T. White, Katharine A. Abernethy, Stephen Adu-Bredu, Christian A. Amani, Timothy R. Baker, Lindsay F. Banin, Fidèle Baya, Serge K. Begne, Amy C. Bennett, Fabrice Benedet, Robert Bitariho, Yannick E. Bocko, Pascal Boeckx, Patrick Boundja, Roel J. W. Brienen, Terry Brncic: Asynchronous carbon sink saturation in African and Amazonian tropical forests. In: Nature. Vol. 579, Nr. 7797, März 2020, S. 80–87, doi:10.1038/s41586-020-2035-0, PMID 32132693, bibcode:2020Natur.579...80H (englisch).
  13. Brazilian forests found to be transitioning from carbon sinks to carbon sources (en). In: phys.org. 
  14. Vinícius Andrade Maia, Alisson Borges Miranda Santos, Natália de Aguiar-Campos, Cléber Rodrigo de Souza, Matheus Coutinho Freitas de Oliveira, Polyanne Aparecida Coelho, Jean Daniel Morel, Lauana Silva da Costa, Camila Laís Farrapo, Nathalle Cristine Alencar Fagundes, Gabriela Gomes Pires de Paula, Paola Ferreira Santos, Fernanda Moreira Gianasi, Wilder Bento da Silva, Fernanda de Oliveira, Diego Teixeira Girardelli, Felipe de Carvalho Araújo, Taynara Andrade Vilela, Rafaella Tavares Pereira, Lidiany Carolina Arantes da Silva, Gisele Cristina de Oliveira Menino, Paulo Oswaldo Garcia, Marco Aurélio Leite Fontes, Rubens Manoel dos Santos: The carbon sink of tropical seasonal forests in southeastern Brazil can be under threat. In: Science Advances. 6, Nr. 51, September, ISSN 2375-2548, S. eabd4548. bibcode:2020SciA....6.4548M. doi:10.1126/sciadv.abd4548. PMID 33355136.
  15. L. Bergmann, M. Drösler: Die Bedeutung von Mooren als CO2-Senken, 2009
  16. J. Loisel, A. V. Gallego-Sala, M. J. Amesbury et al.: Expert assessment of future vulnerability of the global peatland carbon sink. In: Nature Climate Change. 2020, doi:10.1038/s41558-020-00944-0.
  17. sda: Torfgebiete könnten Milliarden Tonnen Kohlenstoff freisetzen. In: tierwelt.ch. 7. Dezember 2020, abgerufen am 8. Dezember 2020.
  18. sda: Torfgebiete vor Bränden schützen. In: schweizerbauer.ch. 8. Dezember 2020, abgerufen am 8. Dezember 2020.
  19. Viktiga savanner. In: Sveriges Natur, Nr. 106 – 415, Mitgliedszeitschrift des schwedischen Naturschutzvereins, Stockholm, September 2015, ISSN 0039-6974, S. 16.
  20. Dr. Daniel Goll: Phosphormangel reduziert zukünftige Kohlenstoffsenke. Max-Planck-Institut für Meteorologie, 20. Februar 2013, abgerufen am 25. April 2021.
  21. a b c Michael Keller: Marine Senke für menschgemachtes CO2 bestimmt. ETH Zürich, Stampfenbachstrasse 69, 8092 Zürich (Schweiz), 14. März 2019, abgerufen am 27. April 2021.
  22. J. Terhaar, T. L. Frölicher, F. Joos: Southern Ocean anthropogenic carbon sink constrained by sea surface salinity. In: Science Advances. 28. April 2021, doi:10.1126/sciadv.abd5964.
  23. Unsicherheit bezüglich CO2-Aufnahme im Südpolarmeer halbiert. Universität Bern, 28. April 2021, abgerufen am 2. Mai 2021.
  24. Yu Li u. a.: Substantial inorganic carbon sink in closed drainage basins globally. In: Nature Geoscience. Juni 2017, doi:10.1038/ngeo2972. Bericht hierzu: Bobby Magill: Desert Basins Could Hold ‘Missing’ Carbon Sinks. In: climate central. 20. Juni 2017, abgerufen am 26. Juni 2017.