Wie Forscher nach Kohlenstoff fahnden

Das sechste Element

Forscher fahnden nach dem Kohlenstoff Bild vergrößern

Es war ein spektakuläres Experiment: Im September 1991 ließen sich vier Frauen und vier Männer in der Wüste Arizonas in einem gigantischen Glaskuppelbau einsperren. Auf einer Fläche von knapp zwei Fußballfeldern umschloss dieser einen Regenwald, eine Wüste, eine Savanne, eine Marschlandschaft, einen Ozean, Äcker und einen Wohnbereich. In diesem künstlichen Ökosystem, der sogenannten BIOSPHERE II, wollten die Forscher zwei Jahre lang leben – ohne Zufuhr von Luft oder Nahrung von außen. Doch daraus wurde nichts. Anders als vorausberechnet war in dem Hightech-Glashaus schon nach wenigen Wochen die Luft knapp. Sauerstoff musste zugeführt werden. Trotzdem starben nach und nach Insekten, Frösche, Vögel und viele weitere Tiere und Pflanzen. Ameisen und Kakerlaken wurden dagegen zur Plage. Nach exakt zwei Jahren und zwanzig Minuten trat die Mannschaft erschöpft und zerstritten ins Freie. Das 200-Millionen-Dollar-Projekt war gescheitert.

Ein Grund für das Scheitern war, dass natürliche Wechselwirkungen und lebenswichtige Zyklen wie der Sauerstoff- und der Kohlenstoffkreislauf viel zu wenig berücksichtigt wurden. Am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena erforschen Wissenschaftler unterschiedlicher Fachrichtungen genau diese Stoffkreisläufe zwischen der Erdoberfläche, der Atmosphäre und den Meeren. Sie wollen herausfinden, wo und in welchem Umfang die verschiedenen Stoffe gespeichert und wie die Stoffflüsse gesteuert werden. Am Computer simulieren sie diese Vorgänge. Es geht vor allem um eine Frage: Welchen Einfluss hat der Mensch auf die natürlichen Kreisläufe und was sind die Folgen?

Derzeit leben mehr als 7,55 Milliarden Menschen auf der Erde (Stand Juli 2017). Jede Sekunde kommen durchschnittlich zwei bis drei weitere hinzu. Mehr als die Hälfte der Landfläche sind durch den Menschen bereits verändert worden, mit gravierenden Folgen für die natürliche Vegetation und Artenvielfalt, die Beschaffenheit der Böden und globale Stoffkreisläufe wie den des Kohlenstoffs.

In der Natur wird Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid (CO2) ständig zwischen der Atmosphäre, der Hydrosphäre (Wasser und Eis), Lithosphäre (Gesteine) und der Biosphäre (Flora und Fauna) ausgetauscht (Abb. A). Manche Gebiete oder Ökosysteme geben dabei mehr CO2 in die Atmosphäre ab, als sie aufnehmen (CO2-Quellen). Andere wiederum speichern CO2, indem sie es in Form anderer Kohlenstoffverbindungen fixieren (CO2-Senken). Unter natürlichen Bedingungen sind die globalen Aufnahme- und Abgabeprozesse fast ausgeglichen. Der Mensch aber zerstört dieses Gleichgewicht, vor allem durch die Verbrennung von Kohle, Öl und Gas. Dadurch setzt er gewaltige Mengen an CO2 frei, die zuvor über Jahrmillionen in den Gesteinen gespeichert waren. Rund 45 Prozent dieser anthropogenen CO2-Emissionen verbleiben in der Atmosphäre, der Rest wird von den Meeren und der Landbiosphäre wieder aufgenommen.

<strong>Abb. A: Der globale Kreislauf des Kohlenstoff</strong><br /><br />Die Zahlen geben die Menge an gespeichertem Kohlenstoff sowie die jährlichen Flüsse an, gemessen in Gigatonnen (Gt = Milliarden Tonnen). Schwarze Zahlen und Pfeile repräsentieren die vorindustrielle Zeit (um 1750), rote die anthropogenen Flüsse (Mittelwert der Jahre 2000 bis 2009). Die roten Zahlen in den Kohlenstoffspeichern geben die gesamten, durch den Menschen verursachten Änderungen während des Industriezeitalters (1750-2011) an. Die Grafik zeigt, wie sehr der Mensch die globale Bilanz verändert: Der Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre nimmt derzeit um rund 4 Gt pro Jahr zu.<br /><br />1 Pg (Petagramm) ≙ 10<sup>15 </sup>Gramm ≙ 1 Gigatonne ≙ 1 Milliarde Tonnen Bild vergrößern
Abb. A: Der globale Kreislauf des Kohlenstoff

Die Zahlen geben die Menge an gespeichertem Kohlenstoff sowie die jährlichen Flüsse an, gemessen in Gigatonnen (Gt = Milliarden Tonnen). Schwarze Zahlen und Pfeile repräsentieren die vorindustrielle Zeit (um 1750), rote die anthropogenen Flüsse (Mittelwert der Jahre 2000 bis 2009). Die roten Zahlen in den Kohlenstoffspeichern geben die gesamten, durch den Menschen verursachten Änderungen während des Industriezeitalters (1750-2011) an. Die Grafik zeigt, wie sehr der Mensch die globale Bilanz verändert: Der Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre nimmt derzeit um rund 4 Gt pro Jahr zu.

1 Pg (Petagramm) ≙ 1015 Gramm ≙ 1 Gigatonne ≙ 1 Milliarde Tonnen

Eine zentrale Rolle spielen dabei die Ozeane, vor allem aufgrund der guten Löslichkeit von CO2 in Wasser. Mit der Erhöhung der atmosphärischen CO2-Konzentration nimmt deren Kapazität allerdings ab. Forscher registrieren zudem gravierende Änderungen der Wasserchemie: Ein Teil des gelösten CO2 reagiert zu Kohlensäure, die den pH-Wert des Wassers senkt – die Ozeane werden saurer. Durch die CO2-Emissionen ist der pH-Wert des Oberflächenwassers bereits von 8,2 auf 8,1 gesunken. Auf der logarithmischen pH-Skala bedeutet dies, dass das Wasser um 30 Prozent saurer geworden ist. Die Ozeanversauerung beeinträchtigt die Kalkbildung von Organismen und bewirkt, dass sich die Schalen und Skelette von Meerestieren wie Muscheln, Schnecken oder Korallen buchstäblich auflösen.

Ein weiterer Teil des CO2 wird im Ozean vom marinen Plankton fixiert. Nach dem Absterben der Lebewesen sinkt das organische Material auf den Meeresgrund und nimmt dabei den gebundenen Kohlenstoff mit sich. Etwa 25 Prozent des Kohlenstoffs, der im oberen Ozean durch Fotosynthese gebunden wird, sinkt so in die Tiefe. Ein kleiner Teil lagert sich in den Sedimenten ab, der Rest wird durch Zersetzung in gelösten anorganischen Kohlenstoff zurückverwandelt und gelangt mit aufsteigendem Wasser wieder an die Oberfläche – ein Prozess, den Wissenschaftler als „biologische Pumpe“ bezeichnen.

Die größte Kohlenstoffsenke neben den Ozeanen ist die Landbiosphäre – also Landvegetation und Bodenorganismen. Über die Fotosynthese fixieren die Pflanzen große Mengen an CO2. Durch die Atmung und den Nährstoffkreislauf zwischen Pflanzen, Tieren und Bodenorganismen gelangt das CO2 von dort aus wieder in die Atmosphäre, und zwar wesentlich schneller als beim marinen Kohlenstoff-Kreislauf. Enorme Mengen an CO2 werden auch durch Feuer, insbesondere Brandrodung, freigesetzt (siehe GEOMAX 3). Gleichzeitig gehen durch die fortschreitende Waldzerstörung wichtige CO2-Speicher verloren.

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