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1 Mit den Meeren leben – ein Bericht über den Zustand der Weltmeere

Kohlendioxidspeicher

Die Rolle des Meeres als größter CO2-Speicher

> Die Ozeane nehmen erhebliche Kohlendioxidmengen auf und schlucken damit einen großen Teil des vom Menschen freigesetzten Treibhausgases. Eine Entwarnung ist das trotzdem nicht, denn diese Prozesse ziehen sich über Jahrhunderte hin und werden die Folgen des Klimawandels nicht verhindern können. Zudem ist kaum abzusehen, wie der Lebensraum Meer auf die zusätzliche CO2-Aufnahme reagiert.

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Die Wandlungsfähigkeit des Kohlenstoffs

Kohlenstoff ist das Element des Lebens. Der Körper des Menschen ist daraus aufgebaut, und auch tierische oder pflanzliche Biomasse wie Blätter und Holz besteht überwiegend aus Kohlenstoff (C). Pflanzen an Land und Algen im Meer nehmen ihn in Form von Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre oder aus dem Wasser auf und wandeln ihn während der Photosynthese in energiereiche Moleküle wie Zucker und Stärke um. Durch den Stoffwechsel von Organismen und natürliche chemische Prozesse wechselt der Kohlenstoff immer wieder seinen Zustand. Er wird fest in Materie eingebunden oder steigt als CO2 in die Atmosphäre auf. Das Meer speichert mehr Kohlenstoff als die Atmosphäre und die Landbiosphäre (Pflanzen und Tiere). Noch größere Mengen an Kohlenstoff sind in der Lithosphäre, also den Gesteinen des Planeten, gebunden, unter anderem in Kalkstein (Kalziumkarbonat, CaCO3).
Die drei im Kontext anthropogener Klimawandel wichtigen Speicher Atmosphäre, Landbiosphäre und Ozean tauschen permanent Kohlenstoff aus, wobei sich der Austausch in Zeiträumen von bis zu Jahrhunderten vollzieht, was auf den ersten Blick langsam erscheint. Bedenkt man aber, dass Kohlenstoff in den Gesteinen der Erdkruste für Jahrmillionen gebunden bleibt, dann kann man den Austausch zwischen den Kohlenstoffreservoiren Atmosphäre, Landbiosphäre und Ozean durchaus als rasch bezeichnen. Wissenschaftler können heute oft recht gut abschätzen, wie viel Kohlenstoff in den einzelnen Reservoiren gespeichert ist. Im Ozean befindet sich mit einer Masse von 38 000 Gigatonnen (Gt) Kohlenstoff (1 Gigatonne = 1 Milliarde Tonnen) gut 16-mal so viel Kohlenstoff wie in der Land­biosphäre und rund 60-mal so viel wie in der vorindustriellen Atmosphäre, zu einer Zeit also, bevor der Mensch begann, durch die verstärkte Verbrennung von Kohle, Öl und Gas Unmengen von Kohlenstoff in Form von CO2 freizusetzen und den atmosphärischen CO2-Gehalt zu verändern. Damals lag der Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre bei nur knapp 600 Gigatonnen Kohlenstoff. Der Ozean ist somit der Gigant unter den Kohlenstoffreservoiren und bestimmt entscheidend den atmosphärischen CO2-Gehalt. Der Kohlenstoff dringt jedoch erst im Laufe von Jahrhunderten in den tiefen Ozean vor, weil sich die Ozeane nur sehr träge durchmischen (Kapitel 1). Damit ziehen sich auch durch den Ozean hervorgerufene Änderungen des atmosphärischen Kohlenstoffgehalts über Jahrhunderte hin. In erdgeschichtlichen Dimensionen ist das schnell; aus menschlicher Perspektive aber zu langsam, um den Klimawandel weitgehend abzufangen.
Im Hinblick auf den Klimawandel ist im globalen Kohlenstoffkreislauf vor allem das Treibhausgas CO2 von Interesse. Heute wissen wir, dass sich die CO2-Konzentration in der Atmosphäre in den knapp 12 000 Jahren zwischen der letzten Eiszeit und dem Beginn der industriellen Revolution Anfang des 19. Jahrhunderts nur sehr geringfügig verändert hat. Eine solche vergleichsweise stabile CO2-Konzentration deutet darauf hin, dass sich der vorindustrielle Kohlenstoffkreislauf weitgehend im Gleichgewicht mit der Atmosphäre befand. Man nimmt an, dass der Ozean in diesem vorindustriellen Gleichgewicht jährlich etwa 0,6 Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr an die Atmosphäre abgab. Der Grund dafür ist der Eintrag von pflanzlichem Kohlenstoff, der über die Flüsse vom Land ins Meer transportiert und nach dem Abbau durch Bakterien als CO2 an die Atmosphäre abgegeben wird, sowie von anorganischem Kohlenstoff aus der Verwitterung kontinentaler Kalkgesteine. Dieser Transport findet vermutlich auch heute noch im Wesentlichen unverändert statt.
2.1 > Der globale Kohlenstoffkreislauf der 1990er Jahre mit dem Kohlenstoffinhalt der verschiedenen Speicher (in Gigaton­nen Kohlenstoff Gt C) sowie den jährlichen Austauschflüssen zwischen diesen. Vorindustrielle natürliche Flüsse sind in Schwarz, anthropogene Änderungen in Rot angegeben. Der Verlust von 140 Gt C in der terrestrischen Biosphäre entspricht den kumulativen CO2-Emissionen, die sich aus der geänderten Landnutzung (überwiegend Brandrodung in tropischen Regenwäldern) ergeben und zu den Emissionen von 244 Gt C aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe hinzugerechnet werden. Die terrestrische Senke für anthropogenes CO2 in Höhe von 101 Gt C ist nicht direkt nachgewiesen, sondern ergibt sich aus der Differenz zwischen kumulativen Emissionen (244 + 140 = 384 Gt C) auf der einen sowie atmosphärischem Anstieg (165 Gt C) und ozeanischer Senke (100 + 18 = 118 Gt C) auf der anderen Seite.
2.1 > Der globale Kohlenstoffkreislauf der 1990er Jahre mit dem Kohlenstoffinhalt der verschiedenen Speicher (in Gigaton­nen Kohlenstoff Gt C) sowie den jährlichen Austauschflüssen zwischen diesen. Vorindustrielle natürliche Flüsse sind in Schwarz, anthropogene Änderungen in Rot angegeben. Der Verlust von 140 Gt C in der terrestrischen Biosphäre entspricht den kumulativen CO₂-Emissionen, die sich aus der geänderten Landnutzung (überwiegend Brandrodung in tropischen Regenwäldern) ergeben und zu den Emissionen von 244 Gt C aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe hinzugerechnet werden. Die terrestrische Senke für anthropogenes CO₂ in Höhe von 101 Gt C ist nicht direkt nachgewiesen, sondern ergibt sich aus der Differenz zwischen kumulativen Emissionen (244 + 140 = 384 Gt C) auf der einen sowie atmosphärischem Anstieg (165 Gt C) und ozeanischer Senke (100 + 18 = 118 Gt C) auf der anderen Seite. © maribus (nach IPCC, 2007)
Seit dem Beginn der Industrialisierung gelangen jährlich zunehmende Mengen an zusätzlichem Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid in die Atmosphäre. Die Ursachen sind neben der Verbrennung fossiler Energieträger (6,4 Gigatonnen Kohlenstoff jährlich in den 1990er Jahren) eine geänderte Landnutzung wie beispielsweise die intensive Brandrodung in den tropischen Regenwäldern (1,6 Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr). Vom Anfang des 19. Jahrhunderts bis zum Ende des 20. Jahrhunderts hat der Mensch rund 400 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid freigesetzt. Damit befindet sich der heutige Kohlenstoffkreislauf in einem markanten Ungleichgewicht. Diese zusätzlichen Mengen an Kohlenstoff führen zu Verschiebungen zwischen den Kohlenstoffreservoiren, was sich darin äußert, dass sich die Austauschflüsse zwischen Reservoiren gegenüber denen der vorindustriellen Zeit verändert haben. Neben der Atmosphäre nehmen auch die Ozeane und vermutlich auch die Landpflanzen permanent einen Teil dieses anthropogenen, also durch menschliche Aktivitäten freigesetzten CO2 auf.

Zusatzinfo Das Meer mit Eisen düngen

Der Ozean als Senke für anthropogenes CO2

Sobald CO2 aus der Atmosphäre ins Wasser übergeht, reagiert es chemisch mit den Wassermolekülen zu Kohlensäure, und es kommt zu Verschiebungen in den Konzentrationen der sich von der Kohlensäure ableitenden Ionen Hydrogenkarbonat (HCO3-) und Karbonat (CO32-). Da das Kohlendioxid im Meer damit sozusagen direkt weiterverarbeitet wird, besitzen die Ozeane ein im Vergleich zu Süßwasser zehnfach höheres Aufnahmevermögen für CO2 und nehmen dieses daher in großen Mengen auf. Fachleute bezeichnen eine solche Aufnahme von CO2 auch als Senke. Das Meer fängt das atmosphärische CO2 also ab, wobei diese besondere Wirkung des Meerwassers vor allem auf das Karbonation zurückzuführen ist, welches mit 10 Prozent einen erheblichen Teil des gelösten anorganischen Kohlenstoffs im Meer ausmacht. Als anorganischen Kohlenstoff bezeichnet man im Meer den in CO2, Hydrogenkarbonat und Karbonat gebundenen Kohlenstoff. Sollte sich in Zukunft ein neues Kohlenstoff-Gleichgewicht zwischen Atmosphäre und Weltozean einstellen, dann wird das ozeanische Reservoir vor allem dank des Karbonats rund 80 Prozent des anthropogenen CO2 aus der Atmosphäre aufgenommen haben. Von zusätzlicher Be­-deutung ist dabei die puffernde Wirkung der Tiefsee-Kalksedimente. Diese nehmen große Mengen an CO2 auf, indem das dort seit Langem lagernde Karbonat mit CO2 reagiert und sich dabei zum Teil auflöst. Dank dieses Prozesses können letztlich sogar etwa 95 Prozent der anthropogenen Emissionen vom Ozean aufgenommen werden. Wegen der trägen Durchmischung des Ozeans wird es aber Jahrhunderte dauern, bis ein Gleichgewicht hergestellt ist. Die gemächliche Pufferung von CO2 durch die Reaktion mit den Kalksedimenten dürfte sogar Jahrtausende andauern. Für die heutige Situation bedeutet das, dass es zunächst beim Kohlenstoff-Ungleichgewicht zwischen Ozean und Atmosphäre bleibt: Der Weltozean kann das Treibhausgas nicht so schnell aufnehmen, wie es durch den Menschen in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die sich aus den chemischen Abläufen im Wasser ergebende Aufnahmekapazität der Meere ist also unmittelbar abhängig von der Durchmischungsgeschwindigkeit des Weltozeans. Die ozeanische CO2-Aufnahme hinkt damit stark hinter der Menge der derzeitigen CO2-Emissionen her. >
2.3 > Zementwerke wie hier bei Amsterdam gehören nach der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu den global signifikanten anthropogenen Kohlendioxidquellen. Entsprechend groß ist das CO2-Einsparpotenzial in diesen Industriebereichen.
2.3 > Zementwerke wie hier bei Amsterdam gehören nach der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu den global signifikanten anthropogenen Kohlendioxidquellen. Entsprechend groß ist das CO₂-Einsparpotenzial in diesen Industriebereichen. © Stephan Köhler/Zoonar
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