Kohlenstoffkreislauf

Gesamtheit aller Prozesse, durch die Kohlenstoff und seine chemischen Verbindungen in der Geosphäre umgesetzt werden. Die Bedeutung des Kohlenstoffs gründet sich darauf, daß er Bestandteil aller organischen Verbindungen ist. Somit stellt der Kohlenstoffkreislauf einen der wichtigsten Kreisläufe des Lebens dar. In der Atmosphäre befinden sich die Kohlenstoffvorräte in gasförmigem Zustand. In der Hydrosphäre kommt Kohlenstoff in gelöstem Zustand vor, in anorganischen und organischen Verbindungen. Fest gebunden ist der Kohlenstoff in der Pedosphäre (Humus, Biomasse) und in der Lithosphäre (Kohle, Erdgas, Erdöl, Karbonatgesteine).

Das natürliche Gleichgewicht des atmosphärischen Kohlenstoffkreislaufs wird insbesondere durch die ansteigenden CO₂-Emissionen als Folge des zunehmenden Verbrauchs fossiler Brennstoffe gestört. Die Rodung der Tropenwälder sowie die Verbrennung von Biomasse führt zu einem zusätzlichen indirekten Anstieg des atmosphärischen CO₂, da diese Pflanzen nicht mehr an der Photosynthese teilnehmen. Obwohl ein Großteil dieser CO₂-Menge wieder in den Ozeanen aufgenommen wird, steigt der Kohlenstoffgehalt (in Form von CO₂) in der Atmosphäre an.

Das Karussell des Kohlenstoffs Immer im Kreis bewegt sich der Kohlenstoff im Bereich unseres Planeten. Gleichzeitig hält der Kohlenstoff im übertragenen Sinne unsere Welt in Gang. Das Element ist der Baustein des Lebens auf der Erde, und in Gestalt des Atmosphärengases CO2 hat es einen gewaltigen Einfluss auf das Klima des Planeten. In dem Prozess durchläuft der Kohlenstoff auch Flüsse, Ozeane und die Halbdunkelzone der Ozeane (see interactive). Die Menschen haben in den Kohlenstoffkreislauf eingegriffen und in kurzer Zeit Kohlenstoff von trägen zu rasch reagierenden Vorratspools verlagert, indem sie große Mengen von Kohlenwasserstoffen aus der Erde entnahmen und sie als Brennstoffe verfeuerten und damit einen Überschuss an Kohlendioxid in der Atmosphäre erzeugten, der Wärme zurückhält. (Illustration by Jack Cook, Woods Hole Oceanographic Institution) Quelle: WHOI

Zur Quantifizierung der terrestrischen Kohlenstoffquellen und -senken (z. B. CO₂, CH₄) ist der Aufbau eines Expertensystems zur Erstellung der jährlichen Bilanz der Kohlenstoffflüsse notwendig (Kyoto-Protokoll). Ein solches Expertensystem wird im Augenblick am Potsdam Institut für Klimafolgenforschung (PIK) in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M, Hamburg) entwickelt und wird im Rahmen einer Kooperation mit dem DFD in den nächsten Jahren getestet. Ziel dieser Kooperation ist die Bilanzierung des terrestrischen Kohlenstoff-Haushalts unter Verwendung von satellitengestützen Fernerkundungsinformationen und deren Assimilation in gekoppelte dynamische Vegetations- und Atmosphärenmodelle.

Die aus dem Expertensystem abgeleiteten Daten sind unter anderem die Nettoprimärproduktion (NPP) der terrestrischen Vegetation oder die Nettoökosystemproduktion (NEP), aber auch die Abgabe von Methan in die Atmosphäre. Die Integration von Daten aus Emissionskatastern über kohlenstoffhaltige Substanzen (z.B. Methan) von landwirtschaftlichen Flächen oder aus der Viehzucht in die Atmosphäre stellt eine weitere Herausforderung für die Zukunft dar, um eine realistische Kohlenstoffbilanz zu erzeugen.

Aufgrund der hohen räumlichen und zeitlichen Variabilität der terrestrischen Photosynthese, der mikrobiellen Aktivität von Bodenorganismen und der meteorologischen Parameter ist es notwendig, die in das Expertensystem eingehenden Daten flächenhaft mit ausreichend hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen. Hierfür geeignet sind Fernerkundungsdaten von polar umlaufenden Satelliten mit einer Wiederholrate von einigen Tagen (Landsat, IRS, SPOT). Daneben sollen auch die Daten geostationärer Satelliten wie z.B. "Meteosat Second Generation (MSG)" genutzt werden.

Das folgende Satellitenbild zeigt ein kräftig cyanfarbiges Schlierenmuster an der Oberfläche des Schwarzen Meers, es ist eine Blüte von mikroskopisch kleinem Phytoplankton Die riesige Menge an einzelligen Algen in diesem Bild sind wahrscheinlich Coccolithophoren, eine der wichtigsten Organismen-Klassen in ihrer Wirkung als biologische Kohlenstoffpumpen.

Coccolithophoren entfernen beständig Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre und schicken ihn langsam zum Ozeanboden, ein Vorgang, der hilft, das Klima auf der Erde zu stabilisieren.

Kohlenstoff-Konsumenten im Schwarzen Meer Dieses Bild mit der verwirbelten blauen Blüte wurde am 15. Juli 2012 vom Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) auf dem NASA-Satelliten Aqua aufgenommen. Das Bild ist gedreht, sodass Norden rechts ist. Die Blüte wurde wahrscheinlich durch Emiliania huxleyi gebildet, obwohl die Bestimmung der Spezies unmöglich ist, ohne direkte Beprobung des Wassers. Coccolithophoren benutzen Kohlenstoff, Kalzium und Sauerstoff, um kleine Plättchen aus Calciumcarbonat (Coccolithen) zu bilden. Diese ähneln Radkappen. Während ihres Lebens entfernen die Coccolithophoren Kohlenstoff aus der Luft binden ihn in ihrem Kalkskelett und nehmen ihn mit in die Tiefe wenn sie sterben oder wenn sie von Zooplankton oder Fischen gefressen und dann wieder als Exkrement ausgeschieden werden. Quelle: NASA - Weitere Details siehe Link

Weitere Informationen:

• Global Forest Observations for Carbon Tracking (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• The Carbon Cycle (NASA Earth Observatory 2011)
• The Ocean's Carbon Balance (NASA Earth Observatory 2008)
• Carbon Dioxide Information Analysis Center - Startseite (DOE)
• NASA-Funded Scientists Estimate Carbon Stored in African Dryland Trees (The Earth Observer Volume 35, Issue 2, 2023)