Bilanz des irdischen Kohlenstoffs - wissenschaft.de
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Erde+Klima

Bilanz des irdischen Kohlenstoffs

Poas VUlkan
Gasaustritt am Poas Vulkan in Costa Rica. (Bild: Katie Pratt/ University of Rhode Island)

Das Element Kohlenstoff ist die Basis allen Lebens auf der Erde und ein entscheidender Akteur für Klima und Geochemie. Doch wie viel Kohlenstoff es auf unserem Planeten gibt und wie er verteilt ist, war bislang nicht eindeutig geklärt. Jetzt haben Wissenschaftler des Deep Carbon Observatory Programms eine solche Kohlenstoffbilanz erstellt. Demnach umfasst die Erde insgesamt 1,85 Milliarden Gigatonnen Kohlenstoff – eine Gigatonne entspricht einer Milliarde Tonnen. Von dieser enormen Menge sind jedoch mehr als 99,9 Prozent unter der Oberfläche gespeichert. Ein kleiner Teil dieses unterirdischen Kohlenstoffs gelangt jedes Jahr durch Vulkane und andere natürliche Gasquellen ans Tageslicht, doch dieser Anteil wird inzwischen von den anthropogenen Kohlendioxidemissionen weit übertroffen, wie die Forscher berichten.

„Kohlenstoff, das sechste Element, spielt eine einzigartige Rolle auf unserem dynamischen und sich entwickelnden Planeten“, erklärt Robert Hazen, Exekutivdirektor des Deep Carbon Observatory (DCO) Programms. „Kohlenstoff bildet die Grundlage des Lebens, dient als primäre Quelle für unseren Energiebedarf, inspiriert eine Reihe neuer Materialien und spielt eine überproportional große Rolle für Klima und Umwelt der Erde.“ Doch auch wenn der Kohlenstoff vor allem in Form des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) momentan in aller Munde ist – der Kohlenstoffkreislauf umfasst weit mehr Akteure. „In den Jahrzehnten intensiver Forschung haben wir uns meist auf den oberflächennahen Kohlenstoffkreislauf konzentriert – die Ozeane, Atmosphäre und Biosphäre. Sie alle unterliegen einem schnellen Wandel und sind am stärksten von menschlichen Einflüssen geprägt“, sagt Hazen.

Das meiste liegt unter der Erde

Doch ein Großteil des irdischen Kohlenstoffs liegt nicht an der Oberfläche, sondern tief darunter – im Inneren unseres Planeten. „Der Schlüssel zum Verständnis des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs ist es daher, herauszufinden, wie viel Kohlenstoff es wo gibt und wie schnell und viel davon sich von den tiefen Reservoiren an die Oberfläche und zurück bewegt“, sagt DCO-Forscherin Marie Edmonds von der University of Cambridge. Seit zehn Jahren erforschen die mehr als 1200 Mitglieder des DCO-Programms diese Fragen weltweit und interdisziplinär mithilfe modernster Messinstrumente und Auswertemethoden. Jetzt veröffentlichen sie eine erste Bilanz. In acht Fachartikeln präsentieren sie den Stand unseres Wissens zum globalen Kohlenstoffkreislauf und seinen Akteuren.

Den Auswertungen zufolge gibt es auf unserem Planeten insgesamt rund 1,85 Milliarden Gigatonnen Kohlenstoff – eine Gigatonne entspricht einer Milliarde Tonnen. Von dieser unvorstellbar großen Masse liegen jedoch mehr als 99,9 Prozent unter der Erdoberfläche, verteilt auf Erdkern, Erdmantel und die Erdkruste. Dort ist der Kohlenstoff sowohl elementar als auch in Form chemischer Verbindungen in verschiedensten Gesteinen und Mineralen enthalten. Nur rund 43.500 Gigatonnen Kohlenstoff befinden sich über der Erde in Ozeanen, den Sedimenten und Böden der Landflächen, der Biosphäre und der Atmosphäre. Den größten Anteil davon enthalten die tiefen Bereiche der Ozeane mit rund 37.000 Gigatonnen Kohlenstoff, wie die Wissenschaftler berichten. Die terrestrische Biosphäre umfasst dagegen nur rund 2000 Gigatonnen Kohlenstoff, die Atmosphäre rund 590 Gigatonnen.

Fragiles Gleichgewicht

Diese Verteilung jedoch ist nicht statisch, denn zwischen den verschiedenen Kohlenstoffreservoiren findet ein ständiger Austausch statt. Den Auswertungen des Deep Carbon Observatory zufolge entweichen pro Jahr rund 280 bis 360 Millionen Tonnen Kohlenstoff in Form verschiedener Gase aus dem Untergrund in die Ozeane und Atmosphäre. Diese Ausgasungen finden bei Vulkanausbrüchen statt, aber auch schleichend und kontinuierlich an Gasaustritten in Vulkangebieten und entlang tektonischer Nahtstellen. Umgekehrt gelangt ständig auch Kohlenstoff zurück in das Erdinnere, vor allem durch die Subduktion von Erdplatten entlang der Plattengrenzen. Wenn dort Krustenteile in den Erdmantel hinuntergedrückt werden und aufschmelzen, bringen sie den in Sedimenten und Gestein gebundenen Kohlenstoff zurück in die Tiefe.

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„Über Milliarden von Jahren hat die Erde ein Gleichgewicht gefunden zwischen dem mittels Subduktion ins Erdinnere gebrachten Kohlenstoff und dem Kohlstoff, der von Vulkanen freigesetzt wird – dies sind die Prozesse, die dabei helfen, Klima und Umwelt zu stabilisieren“, sagt Cin-Ty Lee von der Rice University. „Doch wie stabil ist diese Balance?“ Der Blick in die Erdgeschichte belegt, dass es immer wieder Störungen dieses Gleichgewichts gab – unter anderem durch Ausbrüche der großen Vulkanprovinzen der Sibirischen und Dekkan Trapps, aber auch durch katastrophale Asteroideneinschläge wie vor 66 Millionen Jahren, die große Menge kohlenstoffhaltigen Gesteins verdampfen ließen. Die Folge dieser Störungen waren in den meisten Fällen katastrophale Massenaussterben, so die Forscher. „Keine Frage ist daher zentraler als das Gleichgewicht zwischen dem Kohlenstoff, der in die Tiefe gelangt und dem, der wieder freigesetzt wird“, sagt Lee.

Doch auch der Mensch hat bereits deutlich in dieses Gleichgewicht eingegriffen, indem er durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zusätzlichen Kohlenstoff als CO2 freisetzt. Wie die Wissenschaftler berichten, wurden in den letzten 100 Jahren durch anthropogene Aktivitäten 40 bis 100 Mal mehr Kohlenstoff freigesetzt als durch natürliche Prozesse. Die genaue Kenntnis des Kohlenstoffkreislaufs und seines Verhaltens kann dazu beitragen, die Folgen dieser Gleichgewichtsverschiebung einzuschätzen, betonen die Forscher.

Quelle: Deep Carbon Observatory; Sonderausgabe des Journals Elements

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