Kohlenstoffkreisläufe sind die Verschiebungsbewegungen des Kohlenstoffelements in verschiedenen Umgebungen
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Kohlenstoffkreisläufe sind die Verschiebungsbewegungen des Kohlenstoffelements in verschiedenen Umgebungen, einschließlich Gesteinen, Böden, Ozeanen und Pflanzen. Dies verhindert, dass es sich vollständig in der Atmosphäre ansammelt, und stabilisiert die Temperatur der Erde. Für die Geologie gibt es zwei Arten von Kohlenstoffkreisläufen: den langsamen, der in Hunderttausenden von Jahren auftritt, und den schnellen, der in Zehntausenden von einhunderttausend Jahren auftritt.
Der Kohlenstoff
Kohlenstoff ist ein chemisches Element, das in Gesteinen und in geringerem Maße im Boden, im Ozean, in Pflanzen, in der Atmosphäre, im Organismus von Lebewesen und in Gegenständen im Überfluss vorhanden ist. Es wird in den Sternen geschmiedet, ist das vierthäufigste Element im Universum und wesentlich für die Aufrechterhaltung des Lebens auf der Erde, wie wir es kennen. Es ist jedoch auch eine der Ursachen für ein erhebliches Problem: den Klimawandel.
Auf sehr langen Zeitskalen (Millionen bis Zehntausende von Jahren) können die Bewegung tektonischer Platten und Änderungen der Geschwindigkeit, mit der Kohlenstoff in das Erdinnere eindringt, die globale Temperatur verändern. Die Erde hat diesen Wandel in den letzten 50 Millionen Jahren durchgemacht, vom extrem heißen Kreideklima (vor etwa 145 bis 65 Millionen Jahren) bis zum pleistozänen Gletscherklima (vor etwa 1,8 Millionen bis 11.500 Jahren).
Der langsame Zyklus
Durch eine Reihe chemischer Reaktionen und tektonischer Aktivitäten benötigt Kohlenstoff zwischen 100 und 200 Millionen Jahre, um sich im langsam auftretenden Kohlenstoffkreislauf zwischen Gesteinen, Boden, Ozean und Atmosphäre zu bewegen. Im Durchschnitt durchlaufen in einem Jahr zwischen zehn und 100 Millionen Tonnen Kohlenstoff den langsamen Zyklus. Zum Vergleich: Die menschlichen Kohlenstoffemissionen in die Atmosphäre liegen in der Größenordnung von 10 Milliarden Tonnen, während sich der schnelle Kohlenstoffkreislauf von 10 auf 100 Milliarden Kohlenstoff pro Jahr bewegt.
Die Bewegung von Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Lithosphäre (Felsen) beginnt mit Regen. Atmosphärischer Kohlenstoff bildet in Kombination mit Wasser Kohlensäure, die sich durch Regen auf der Oberfläche ablagert. Diese Säure löst die Gesteine in einem als chemische Verwitterung bezeichneten Prozess auf und setzt Calcium-, Magnesium-, Kalium- oder Natriumionen frei. Diese Ionen werden zu Flüssen und von Flüssen zum Ozean transportiert.
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Im Ozean verbinden sich Calciumionen mit Bicarbonationen zu Calciumcarbonat, dem Wirkstoff in Antazida. Im Ozean wird das meiste Calciumcarbonat von schalenbildenden (verkalkenden) Organismen (wie Korallen) und Plankton (wie Coccolithophoren und Foraminiferen) produziert. Nachdem diese Organismen gestorben sind, sinken sie auf den Meeresboden. Im Laufe der Zeit werden Schichten von Muscheln und Sedimenten verdichtet und zu Gesteinen, die Kohlenstoff speichern und Sedimentgesteine wie Kalkstein entstehen lassen.
Etwa 80% der Carbonatgesteine werden auf diese Weise erzeugt. Die restlichen 20% enthalten Kohlenstoff von zersetzten Lebewesen (organischer Kohlenstoff). Hitze und Druck komprimieren kohlenstoffreiches organisches Material über Millionen von Jahren und bilden Sedimentgesteine wie Schiefer. In besonderen Fällen, wenn sich die organische Substanz in toten Pflanzen schnell und ohne Zeit für die Zersetzung ansammelt, werden die Schichten aus organischem Kohlenstoff zu Öl, Kohle oder Erdgas anstelle von Sedimentgesteinen wie Schiefer.
Im langsamen Zyklus kehrt Kohlenstoff durch vulkanische Aktivität in die Atmosphäre zurück. Dies liegt daran, dass wenn die Oberflächen der irdischen und ozeanischen Erdkruste kollidieren, eine unter die andere sinkt und das Gestein, das sie trägt, unter extremer Hitze und extremem Druck schmilzt. Das erhitzte Gestein rekombiniert in Silikatmineralien und setzt Kohlendioxid frei.
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Wenn Vulkane ausbrechen, stoßen sie Gas in die Atmosphäre aus und bedecken die Erde mit silikatischen Gesteinen, wodurch der Zyklus erneut beginnt. Vulkane emittieren zwischen 130 und 380 Millionen Tonnen Kohlendioxid pro Jahr. Zum Vergleich: Menschen emittieren jährlich etwa 30 Milliarden Tonnen Kohlendioxid - 100- bis 300-mal mehr als Vulkane - und verbrennen fossile Brennstoffe.
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Wenn beispielsweise Kohlendioxid aufgrund erhöhter vulkanischer Aktivität in der Atmosphäre ansteigt, steigen die Temperaturen, was zu mehr Regen führt, der mehr Gesteine auflöst und mehr Ionen erzeugt, die schließlich mehr Kohlenstoff auf dem Meeresboden ablagern. Es dauert einige hunderttausend Jahre, um den langsamen Kohlenstoffkreislauf wieder ins Gleichgewicht zu bringen.
Der langsame Zyklus enthält jedoch auch eine etwas schnellere Komponente: den Ozean. An der Oberfläche, wo Luft auf Wasser trifft, löst sich das Kohlendioxidgas auf und entlüftet sich im ständigen Austausch mit der Atmosphäre aus dem Ozean. Im Ozean reagiert Kohlendioxidgas mit Wassermolekülen, um Wasserstoff freizusetzen, wodurch der Ozean saurer wird. Wasserstoff reagiert mit dem Carbonat bei der Verwitterung von Gesteinen unter Bildung von Bicarbonationen.
Vor dem Industriezeitalter stieß der Ozean Kohlendioxid im Gleichgewicht mit dem Kohlenstoff, den der Ozean während der Abnutzung von Gesteinen erhielt, in die Atmosphäre aus. Mit zunehmender Kohlenstoffkonzentration in der Atmosphäre entfernt der Ozean nun mehr Kohlenstoff aus der Atmosphäre als er freisetzt. Über Jahrtausende wird der Ozean bis zu 85% des zusätzlichen Kohlenstoffs absorbieren, den Menschen durch Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre abgeben. Der Prozess ist jedoch langsam, da er mit der Bewegung von Wasser von der Meeresoberfläche in die Tiefe zusammenhängt.
Währenddessen steuern Winde, Strömungen und Temperaturen die Geschwindigkeit, mit der der Ozean Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernt. (Siehe Kohlenstoffbilanz der Ozeane am Earth Observatory.) Änderungen der Meerestemperaturen und -strömungen haben wahrscheinlich dazu beigetragen, Kohlenstoff zu entfernen und die Atmosphäre in den wenigen tausend Jahren, in denen die Eiszeiten begannen und endeten, wieder in die Atmosphäre zurückzuführen .
Der schnelle Kohlenstoffkreislauf
Die Zeit, die Kohlenstoff benötigt, um den schnellen Kohlenstoffkreislauf zu durchlaufen, wird über die gesamte Lebensdauer gemessen. Der schnelle Kohlenstoffkreislauf ist im Grunde die Bewegung von Kohlenstoff durch Lebensformen auf der Erde oder in der Biosphäre. Jedes Jahr durchlaufen etwa eintausend bis 100 Milliarden Tonnen Kohlenstoff den schnellen Kohlenstoffkreislauf.
Kohlenstoff spielt eine wesentliche Rolle in der Biologie, da er in einer scheinbar endlosen Vielfalt komplexer organischer Moleküle viele Bindungen bilden kann - bis zu vier pro Atom. Viele organische Moleküle enthalten Kohlenstoffatome, die starke Bindungen mit anderen Kohlenstoffatomen eingegangen sind und sich zu langen Ketten und Ringen verbinden. Solche Kohlenstoffketten und -ringe sind die Basis lebender Zellen. Zum Beispiel besteht DNA aus zwei miteinander verflochtenen Molekülen, die um eine Kohlenstoffkette herum aufgebaut sind.
Die Bindungen in den langen Kohlenstoffketten enthalten viel Energie. Wenn sich die Ströme trennen, wird die gespeicherte Energie freigesetzt. Diese Energie macht Kohlenstoffmoleküle zu einer hervorragenden Brennstoffquelle für alle Lebewesen.
Pflanzen und Phytoplankton sind die Hauptkomponenten des schnellen Kohlenstoffkreislaufs. Phytoplankton (mikroskopisch kleine Organismen im Ozean) und Pflanzen entfernen Kohlendioxid aus der Atmosphäre, indem sie es in ihre Zellen aufnehmen. Pflanzen und Plankton nutzen die Energie der Sonne, um Kohlendioxid (CO2) und Wasser zu Zucker (CH2O) und Sauerstoff zu verbinden. Die chemische Reaktion sieht folgendermaßen aus:
CO2 + H2O + Energie = CH2O + O2
Es kann vorkommen, dass Kohlenstoff aus einer Pflanze austritt und in die Atmosphäre zurückkehrt, aber alle beinhalten die gleiche chemische Reaktion. Pflanzen bauen Zucker ab, um die Energie zu erhalten, die sie zum Wachsen benötigen. Tiere (einschließlich Menschen) fressen Pflanzen oder Plankton und bauen den Zucker der Pflanze zur Energiegewinnung ab. Pflanzen und Plankton sterben und verrotten (werden von Bakterien verzehrt) oder werden vom Feuer verzehrt. In allen Fällen verbindet sich Sauerstoff mit Zucker, um Wasser, Kohlendioxid und Energie freizusetzen. Die grundlegende chemische Reaktion sieht folgendermaßen aus:
CH2O + O2 = CO2 + H2O + Energie
Bei den vier Prozessen gelangt das bei der Reaktion freigesetzte Kohlendioxid normalerweise in die Atmosphäre. Der schnelle Kohlenstoffkreislauf ist so eng mit dem Pflanzenleben verbunden, dass die Vegetationsperiode daran zu erkennen ist, wie Kohlendioxid in der Atmosphäre schwimmt. Im Winter der nördlichen Hemisphäre, wenn nur wenige Landpflanzen wachsen und sich viele zersetzen, steigen die atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen an. Während des Frühlings, wenn die Pflanzen wieder zu wachsen beginnen, sinken die Konzentrationen. Es ist, als ob die Erde atmet.
Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf
Ungestörte, schnelle und langsame Kohlenstoffkreisläufe halten eine relativ konstante Kohlenstoffkonzentration in der Atmosphäre, im Land, in den Pflanzen und im Ozean aufrecht. Wenn sich jedoch die Kohlenstoffmenge in einem Reservoir ändert, wirkt sich dies auf die anderen aus.
In der Vergangenheit der Erde hat sich der Kohlenstoffkreislauf als Reaktion auf den Klimawandel verändert. Variationen in der Erdumlaufbahn verändern die Energiemenge, die die Erde von der Sonne erhält, und führen zu einem Zyklus von Eiszeiten und heißen Perioden wie dem aktuellen Erdklima. (Siehe Milutin Milankovitch) Die Eiszeiten entwickelten sich, als sich die Sommer auf der Nordhalbkugel abkühlten und sich Eis auf der Erde ansammelte, was wiederum den Kohlenstoffkreislauf verlangsamte. In der Zwischenzeit haben verschiedene Faktoren, darunter niedrigere Temperaturen und ein erhöhtes Wachstum von Phytoplankton, möglicherweise die Menge an Kohlenstoff erhöht, die der Ozean aus der Atmosphäre entfernt hat. Der Abfall des atmosphärischen Kohlenstoffs hat eine weitere Abkühlung verursacht. Ebenso stieg am Ende der letzten Eiszeit vor 10.000 Jahren das Kohlendioxid in der Atmosphäre mit den Erwärmungstemperaturen dramatisch an.
Änderungen in der Erdumlaufbahn finden ständig in vorhersehbaren Zyklen statt. In etwa 30.000 Jahren wird sich die Erdumlaufbahn so stark verändert haben, dass das Sonnenlicht auf der Nordhalbkugel auf ein Niveau reduziert wird, das zur letzten Eiszeit geführt hat.
Heute kommt es aufgrund von Menschen zu Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf. Wir stören den Kohlenstoffkreislauf, indem wir fossile Brennstoffe verbrennen und abholzen.
Durch die Entwaldung wird der in den Stämmen, Stängeln und Blättern gespeicherte Kohlenstoff freigesetzt - Biomasse. Beim Entfernen eines Waldes werden Pflanzen entfernt, die sonst beim Wachsen Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernen würden. Es gibt einen weltweiten Trend, Wälder durch Monokulturen und Weiden zu ersetzen, die weniger Kohlenstoff speichern. Wir setzen auch Böden frei, die Kohlenstoff aus der Zersetzung von Pflanzenmaterial in die Atmosphäre ausstoßen. Derzeit emittieren Menschen durch Landnutzungsänderungen jedes Jahr knapp eine Milliarde Tonnen Kohlenstoff in die Atmosphäre.
Ohne menschliche Eingriffe würde Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen durch vulkanische Aktivität über Millionen von Jahren im langsamen Kohlenstoffkreislauf langsam in die Atmosphäre gelangen. Durch die Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas beschleunigen wir den Prozess und setzen jedes Jahr große Mengen Kohlenstoff (Kohlenstoff, dessen Anreicherung Millionen von Jahren gedauert hat) in die Atmosphäre frei. Dabei bewegen wir den Kohlenstoff vom langsamen zum schnellen Zyklus. Im Jahr 2009 haben Menschen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe rund 8,4 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt.
Seit Beginn der industriellen Revolution, als die Menschen anfingen, fossile Brennstoffe zu verbrennen, sind die Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre von etwa 280 ppm auf 387 ppm gestiegen, was einem Anstieg von 39% entspricht. Dies bedeutet, dass pro Million Moleküle in der Atmosphäre 387 von ihnen jetzt Kohlendioxid sind - die höchste Konzentration seit zwei Millionen Jahren. Die Methankonzentrationen stiegen von 715 Teilen pro Milliarde im Jahr 1750 auf 1.774 Teile pro Milliarde im Jahr 2005, die höchste Konzentration seit mindestens 650.000 Jahren.
Auswirkungen der Änderung des Kohlenstoffkreislaufs
Bild: Kohlenstoffkreisläufe - NASA
All dieser zusätzliche Kohlenstoff muss irgendwohin. Bisher haben Land- und Ozeanpflanzen 55% des zusätzlichen Kohlenstoffs in der Atmosphäre absorbiert, während etwa 45% in der Atmosphäre verbleiben. Schließlich absorbieren der Boden und die Ozeane den größten Teil des zusätzlichen Kohlendioxids, aber bis zu 20% können viele tausend Jahre in der Atmosphäre verbleiben.
Der überschüssige Kohlenstoff in der Atmosphäre erwärmt den Planeten und hilft Landpflanzen, mehr zu wachsen. Überschüssiger Kohlenstoff im Ozean macht das Wasser saurer und gefährdet das Leben im Meer. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie im Artikel: "Versauerung der Ozeane: ein ernstes Problem für den Planeten".
Atmosphäre
Es ist wichtig, dass so viel Kohlendioxid in der Atmosphäre verbleibt, da CO2 das wichtigste Gas zur Kontrolle der Erdtemperatur ist. Kohlendioxid, Methan und Halogenkohlenwasserstoffe sind Treibhausgase, die einen weiten Bereich von Energie - einschließlich der von der Erde emittierten Infrarotenergie (Wärme) - absorbieren und dann wieder abgeben. Die neu abgegebene Energie wandert in alle Richtungen, aber einige kehren zur Erde zurück und erwärmen die Oberfläche. Ohne Treibhausgase wäre die Erde bei -18ºC gefroren. Mit vielen Treibhausgasen wäre die Erde wie die Venus, wo die Atmosphäre Temperaturen um 400 ° C beibehält.
Da Wissenschaftler wissen, welche Wellenlängen der Energie jedes Treibhausgas absorbiert und wie viele Gase sich in der Atmosphäre befinden, können sie berechnen, wie viel jedes Gas zur Erwärmung des Planeten beiträgt. Kohlendioxid verursacht etwa 20% des Treibhauseffekts der Erde. Wasserdampf ist für etwa 50% verantwortlich; und Wolken machen 25% aus. Der Rest wird durch kleine Partikel (Aerosole) und kleinere Treibhausgase wie Methan verursacht.
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Die Wasserdampfkonzentrationen in der Luft werden durch die Erdtemperatur gesteuert. Bei wärmeren Temperaturen verdunstet mehr Wasser aus den Ozeanen, die Luftmassen dehnen sich aus und führen zu einer höheren Luftfeuchtigkeit. Durch das Abkühlen kondensiert Wasserdampf und fällt wie Regen, Hagel oder Schnee.
Kohlendioxid hingegen bleibt ein Gas in einem größeren Bereich atmosphärischer Temperaturen als Wasser. Die Kohlendioxidmoleküle liefern die anfängliche Erwärmung, die erforderlich ist, um die Wasserdampfkonzentrationen aufrechtzuerhalten. Wenn die Kohlendioxidkonzentrationen sinken, kühlt sich die Erde ab, ein wenig Wasserdampf fällt aus der Atmosphäre und die durch den Wasserdampf verursachte Erwärmung des Gewächshauses fällt ab. Wenn die Kohlendioxidkonzentrationen ansteigen, steigt auch die Lufttemperatur und mehr Wasserdampf verdunstet in die Atmosphäre - was die Erwärmung des Gewächshauses verstärkt.
Während Kohlendioxid weniger zum Treibhauseffekt beiträgt als Wasserdampf, haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Kohlendioxid das Gas ist, das die Temperatur bestimmt. Kohlendioxid steuert die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre und damit die Größe des Treibhauseffekts.
Steigende Kohlendioxidkonzentrationen führen bereits zu einer Erwärmung des Planeten. Gleichzeitig mit dem Anstieg der Treibhausgase sind die globalen Durchschnittstemperaturen seit 1880 um 0,8 Grad Celsius gestiegen.
Dieser Temperaturanstieg ist nicht die Erwärmung, die wir aufgrund der aktuellen Kohlendioxidkonzentrationen sehen werden. Die Erwärmung des Gewächshauses erfolgt nicht sofort, da der Ozean Wärme aufnimmt. Dies bedeutet, dass die Temperatur der Erde aufgrund des bereits in der Atmosphäre vorhandenen Kohlendioxids um mindestens 0,6 Grad Celsius (1 Grad Fahrenheit) ansteigt. Inwieweit die Temperaturen weiter ansteigen, hängt zum Teil davon ab, wie viel mehr Kohlenstoff Menschen in Zukunft in die Atmosphäre abgeben.
Ozean
Etwa 30% des Kohlendioxids, das Menschen in die Atmosphäre abgeben, werden durch direkten chemischen Austausch in den Ozean diffundiert. Durch die Auflösung von Kohlendioxid im Ozean entsteht Kohlensäure, die den Säuregehalt des Wassers erhöht. Oder besser gesagt, ein leicht alkalischer Ozean wird etwas weniger alkalisch. Seit 1750 ist der pH-Wert der Meeresoberfläche um 0,1 gefallen, was einer Änderung des Säuregehalts um 30% entspricht.
Die Versauerung der Ozeane wirkt sich auf zwei Arten auf Meeresorganismen aus. Zunächst reagiert die Kohlensäure mit den Carbonationen im Wasser unter Bildung von Bicarbonat. Dieselben Carbonationen sind jedoch das, was schalenbildende Tiere wie Korallen benötigen, um Calciumcarbonatschalen herzustellen. Da weniger Karbonat zur Verfügung steht, müssen Tiere mehr Energie aufwenden, um ihre Muscheln zu bauen. Dadurch werden die Schalen dünner und zerbrechlicher.
Zweitens, je mehr Wasser sauer ist, desto besser löst es Calciumcarbonat. Auf lange Sicht wird diese Reaktion es dem Ozean ermöglichen, überschüssiges Kohlendioxid zu absorbieren, da mehr saures Wasser mehr Gesteine auflöst, mehr Carbonationen freisetzt und die Fähigkeit des Ozeans erhöht, Kohlendioxid zu absorbieren. In der Zwischenzeit löst jedoch mehr saures Wasser die Karbonatschalen von Meeresorganismen auf und macht sie narbig und schwach.
Wärmere Ozeane - ein Produkt des Treibhauseffekts - können auch die Häufigkeit von Phytoplankton verringern, das in kalten, nährstoffreichen Gewässern am besten wächst. Dies könnte die Fähigkeit des Ozeans einschränken, durch den schnellen Kohlenstoffkreislauf Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu extrahieren.
Andererseits ist Kohlendioxid für das Wachstum von Pflanzen und Phytoplankton essentiell. Ein Anstieg des Kohlendioxids kann das Wachstum steigern, indem die wenigen Arten von Phytoplankton und Meerespflanzen (wie Seegras) gedüngt werden, die Kohlendioxid direkt aus dem Wasser entfernen. Die meisten Arten werden jedoch nicht durch die erhöhte Verfügbarkeit von Kohlendioxid unterstützt.
Erde
Die Pflanzen an Land absorbierten ungefähr 25% des Kohlendioxids, das der Mensch in die Atmosphäre abgibt. Die Menge an Kohlenstoff, die Pflanzen absorbieren, variiert stark von Jahr zu Jahr, aber im Allgemeinen erhöhen die Pflanzen der Welt die Menge an Kohlendioxid, die sie seit 1960 absorbieren. Nur ein Teil dieses Anstiegs ist direkt auf die Emissionen fossiler Brennstoffe zurückzuführen.
Mit mehr atmosphärischem Kohlendioxid, das zur Umwandlung in Pflanzenmaterial bei der Photosynthese zur Verfügung steht, konnten Pflanzen mehr wachsen. Diese Wachstumssteigerung wird als Kohlenstoffdüngung bezeichnet. Die Modelle sagen voraus, dass Pflanzen 12 bis 76% mehr wachsen können, wenn sich das atmosphärische Kohlendioxid verdoppelt, solange nichts anderes wie Wasserknappheit ihr Wachstum einschränkt. Wissenschaftler wissen jedoch nicht, wie viel Kohlendioxid das Pflanzenwachstum in der realen Welt steigert, da Pflanzen mehr als Kohlendioxid zum Wachsen benötigen.
Pflanzen brauchen auch Wasser, Sonnenlicht und Nährstoffe, insbesondere Stickstoff. Wenn eine Pflanze eines dieser Dinge nicht hat, wächst sie nicht, unabhängig davon, wie reichlich die anderen Bedürfnisse sind. Es gibt eine Grenze, wie viel Kohlenstoff Pflanzen aus der Atmosphäre entfernen können, und diese Grenze variiert von Region zu Region. Bisher scheint die Kohlendioxiddüngung das Pflanzenwachstum zu steigern, bis die Pflanze eine Grenze in der Menge an verfügbarem Wasser oder Stickstoff erreicht.
Einige der Änderungen der Kohlenstoffaufnahme sind das Ergebnis von Landnutzungsentscheidungen. Die Landwirtschaft ist viel intensiver geworden, so dass wir auf weniger Land mehr Lebensmittel anbauen können. In hohen und mittleren Breiten kehrt verlassenes Land in den Wald zurück, und diese Wälder speichern sowohl im Holz als auch im Boden viel mehr Kohlenstoff als Getreide. An vielen Stellen verhindern wir, dass der Kohlenstoff der Pflanze in die Atmosphäre gelangt, indem wir Brände löschen. Dadurch kann sich das Holzmaterial (das Kohlenstoff speichert) ansammeln. Alle diese Landnutzungsentscheidungen helfen Pflanzen, den vom Menschen auf der Nordhalbkugel freigesetzten Kohlenstoff zu absorbieren.
In den Tropen werden Wälder jedoch häufig durch Feuer gerodet, wodurch Kohlendioxid freigesetzt wird. Im Jahr 2008 machte die Entwaldung etwa 12% aller menschlichen Kohlendioxidemissionen aus.
Die größten Veränderungen im terrestrischen Kohlenstoffkreislauf dürften aufgrund des Klimawandels auftreten. Kohlendioxid erhöht die Temperaturen, verlängert die Vegetationsperiode und erhöht die Luftfeuchtigkeit. Beide Faktoren führten zu einem zusätzlichen Pflanzenwachstum. Wärmeren Temperaturen belasten jedoch auch die Pflanzen. Mit einer längeren, wärmeren Vegetationsperiode benötigen Pflanzen mehr Wasser, um zu überleben. Wissenschaftler sehen bereits Hinweise darauf, dass Pflanzen auf der Nordhalbkugel im Sommer aufgrund heißer Temperaturen und Wasserknappheit nur langsam wachsen.
Getrocknete und wasserstressige Pflanzen sind auch anfälliger für Feuer und Insekten, wenn die Vegetationsperioden länger werden. Im hohen Norden, wo der Temperaturanstieg den größten Einfluss hat, haben die Wälder bereits begonnen, mehr zu verbrennen und Kohlenstoff aus Pflanzen und Boden in die Atmosphäre freizusetzen. Tropenwälder können auch extrem anfällig für Austrocknung sein. Mit weniger Wasser verlangsamen tropische Bäume das Wachstum und absorbieren weniger Kohlenstoff oder sterben ab und setzen in der Atmosphäre gespeicherten Kohlenstoff frei.
Die durch die Zunahme der Treibhausgase verursachte Erwärmung kann auch den Boden "backen" und die Geschwindigkeit beschleunigen, mit der Kohlenstoff an einigen Stellen abfließt. Dies ist besonders im hohen Norden von Bedeutung, wo der gefrorene Boden - Permafrost - auftaut. Permafrost enthält reichhaltige Kohlenstoffablagerungen von Pflanzenmaterial, die sich seit Tausenden von Jahren angesammelt haben, weil die Kälte den Zerfall verringert. Wenn sich der Boden erwärmt, zerfällt organische Substanz und Kohlenstoff - in Form von Methan und Kohlendioxid - dringt in die Atmosphäre ein.
Aktuelle Forschungsergebnisse gehen davon aus, dass der Permafrost auf der Nordhalbkugel 1.672 Milliarden Tonnen (Petagramas) organischen Kohlenstoff enthält. Wenn nur 10% dieses Permafrosts auftauen, könnte es genug zusätzliches Kohlendioxid in die Atmosphäre abgeben, um die Temperaturen im Jahr 2100 um 0,7 Grad Celsius (1,3 Grad Fahrenheit) zu erhöhen.
Untersuchung des Kohlenstoffkreislaufs
Viele der Fragen, die Wissenschaftler noch zum Kohlenstoffkreislauf beantworten müssen, drehen sich darum, wie er sich verändert. Die Atmosphäre enthält jetzt mehr Kohlenstoff als jemals zuvor in mindestens zwei Millionen Jahren. Jedes Reservoir im Zyklus ändert sich, wenn dieser Kohlenstoff den Zyklus durchläuft.
Wie werden diese Änderungen sein? Was passiert mit Pflanzen, wenn die Temperaturen steigen und sich der Klimawandel ändert? Entfernen sie mehr Kohlenstoff aus der Atmosphäre als sie zurückkehren? Werden sie weniger produktiv? Wie viel zusätzlichen Kohlenstoff schmilzt der Permafrost in der Atmosphäre und wie viel verstärkt er die Erwärmung? Verändert die Zirkulation oder Erwärmung des Ozeans die Geschwindigkeit, mit der der Ozean Kohlenstoff absorbiert? Wird das Leben im Ozean weniger produktiv? Wie stark wird der Ozean säuern und welche Auswirkungen wird er haben?
Die Rolle der NASA bei der Beantwortung dieser Fragen besteht darin, globale Satellitenbeobachtungen und verwandte Feldbeobachtungen bereitzustellen. Anfang 2011 sammelten zwei Arten von Satelliteninstrumenten Informationen, die für den Kohlenstoffkreislauf relevant waren.
Die MODIS-Instrumente (Moderate Resolution Image Spectroradiometer), die auf den Terra- und Aqua-Satelliten der NASA fliegen, messen die Menge an Kohlenstoffpflanzen und Phytoplankton, die sich während ihres Wachstums in Materie verwandeln. Diese Messung wird als Netto-Primärproduktivität bezeichnet. MODIS-Sensoren messen auch, wie viele Brände auftreten und wo sie brennen.
Zwei Landsat-Satelliten bieten eine detaillierte Ansicht der Ozeanriffe, was an Land wächst und wie sich die Landbedeckung verändert. Sie können das Wachstum einer Stadt oder eine Transformation vom Wald zum Bauernhof sehen. Diese Informationen sind von entscheidender Bedeutung, da die Landnutzung für ein Drittel aller menschlichen Kohlenstoffemissionen verantwortlich ist.
Zukünftige NASA-Satelliten werden diese Beobachtungen fortsetzen und auch Kohlendioxid und Methan in der Atmosphäre, Höhe und Vegetationsstruktur messen.
All diese Maßnahmen werden uns helfen zu sehen, wie sich der globale Kohlenstoffkreislauf im Laufe der Zeit verändert. Sie werden uns helfen, die Auswirkungen zu bewerten, die wir auf den Kohlenstoffkreislauf haben, indem sie Kohlenstoff an die Atmosphäre abgeben oder Wege finden, ihn an anderer Stelle zu speichern. Sie werden uns zeigen, wie der Klimawandel den Kohlenstoffkreislauf verändert und wie die Veränderung des Kreislaufs das Klima verändert.
Die meisten von uns werden jedoch Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf auf persönlichere Weise beobachten. Für uns ist der Kohlenstoffkreislauf das Essen, das wir essen, der Strom in unseren Häusern, das Gas in unseren Autos und das Wetter über uns. Da wir Teil des Kohlenstoffkreislaufs sind, verteilen sich unsere Entscheidungen darüber, wie wir leben, über den gesamten Kreislauf. Ebenso wirken sich Änderungen im Kohlenstoffkreislauf auf unsere Lebensweise aus. Wenn jeder von uns seine Rolle im Kohlenstoffkreislauf versteht, können wir durch Wissen unsere persönlichen Auswirkungen kontrollieren und die Veränderungen verstehen, die wir in der Welt um uns herum sehen.
