Von Negativemissionen und Kohlenstoffsenken: Klimafakten – Teil 5

Ein Erklärungsversuch von Matthias Hüttmann

Der menschengemachte, beschleunigte Klimawandel, besser als Klimakatastrophe benannt, wird immer mehr zur Ursache von Extremwettersituationen, ist mitverantwortlich für das rasante Artensterben, führt zu Landflucht und Migration, sozialen Verwerfungen und vielem mehr. Aber auch wenn das alles wissenschaftlich unumstritten ist, so ist unser Hintergrundwissen oft nur rudimentär, sind Zusammenhänge nur bedingt bekannt. In einer losen Reihe wollen wir deshalb darüber informieren.

In diesem fünften Teil beschäftigen wir uns mit natürlichen Kohlenstoffsenken, also vor allem Kohlenstoffreservoiren unserer Biosphäre. Sie sorgen im Wechselspiel mit Kohlenstoffquellen für ein stabiles Klima im Holozän, der aktuellen Klimaepisode der Erdgeschichte, die wie für uns gemacht ist, oder besser gesagt: die uns geprägt und geleitet hat. Wie fragil dieses Klima ist, wurde ja bereits in den anderen Teilen dieser Reihe angedeutet. Und dass das Klima trotz der massiven Freisetzung fossiler Emissionen noch nicht eskaliert ist, liegt vor allem an den natürlichen Kohlenstoffsenken. Auch wenn technische Maßnahmen zur Rückführung von Treibhausgasen denkbar sind – heutzutage steht dabei vor allem die Technologie des Carbon Capture and Storage (CCS) im Zentrum der Debatten -, sind diese nicht Thema dieses Teils unserer Klimafakten. Wenn Sie sich genauer für diese Thematik interessieren: Die vielfältigen technischen Maßnahmen, die gerne auch unter dem Fachbegriff des Geoengineerings zusammengefasst werden, hatten wir bereits in dieser 9-teiligen Serie beschrieben. Passend dazu noch ein wenig optimistischer aktueller Realitätscheck des Massachusetts Institute of Technology (MIT) zum Verfahren Direct Air Capture (direkte Luftabscheidung, DAC).

Zerstörung planetarer Mechanismen
Wir zerstören sukzessive die eigentlich riesigen natürlichen CO₂-Senken an Land und im Meer, während wir gleichzeitig mehr und mehr Treibhausgase emittieren. Wir arbeiten folglich von zwei Seiten an der Zerstörung unserer Lebensgrundlagen. Neben einer drastischen Reduktion der Klimagasemissionen müssen daher unbedingt die natürlichen Senken geschützt und, wo immer möglich, reaktiviert werden. Denn Kohlenstoffsenken können gar zu Kohlenstoffquellen mutieren. Michael E. Mann schreibt in seinem aktuellen Buch „Moment der Entscheidung“ beispielsweise: „Waldbrände vom Amazonas bis zur Arktis setzen jedes Jahr Milliarden Tonnen CO₂ frei. Eine Studie aus dem Jahr 2020, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, ergab, dass die Kohlenstoffaufnahme der tropischen Wälder in den 1990er Jahren ihren Höhepunkt erreichte und seitdem aufgrund von Abholzung, Landwirtschaft und den Auswirkungen des Klimawandels zurückgegangen ist. Bei der derzeitigen Abholzungsrate, könnte der größte Regenwald der Welt – der Amazonas, er hat in den letzten vier Jahrzehnten mehr als 600 Millionen Hektar verloren – in den nächsten zehn Jahren von einer Netto-Kohlenstoffsenke zu einer Netto-Kohlenstoffquelle werden. Das ist wieder einmal früher, als es Klimamodelle vorhergesagt haben.“

Wirkungsweise
Kohlenstoffsenken sind Reservoire, die CO₂ aufnehmen können und damit verhindern, dass dieses in der Atmosphäre angereichert wird. Sie können auch dazu beitragen, Treibhausgase zu entfernen und damit sogar die CO₂-Konzentration in der ⁠Atmosphäre⁠ reduzieren. Daher werden sie auch bisweilen auch als Negativemissionen bezeichnet. Geologisch betrachtet, also auf lange Zeiträume der Erdgeschichte gesehen, gab es schon immer ein Wechselspiel zwischen Emission und Speicherung, auch Kohlenstoffzyklus oder Kohlenstoffkreislauf genannt. Dabei finden chemische Umwandlungen kohlenstoffhaltiger Verbindungen in den globalen Systemen Lithosphäre, Hydrosphäre, Erdatmosphäre und Biosphäre sowie den Austausch dieser Verbindungen zwischen den genannten Erdsphären statt. Kohlenstoffsenken haben dabei immer die Funktion besessen, mehr Kohlenstoff aufzunehmen als abzugeben.

Da schließlich keine Ressourcen verschwinden und in das Weltall hinaustreiben, bleiben die Mengen an Kohlenstoff auf der Erde letztendlich immer gleich. Lediglich die Verteilung ist variabel: gelangt zu viel in die Atmosphäre, kippt das Klima in eine für uns und die anderen Spezies auf dem Planeten falsche Richtung. Apropos Reservoir: Forschende vom Goddard Space Flight Center der NASA haben herausgefunden, dass der globale Wasservorrat abrupt geschrumpft ist. Da auch Wasser nicht einfach verschwinden kann und das globale Reservoir von H₂O immer gleich bleibt, verschieben sich offensichtlich Aggregatszustände, Zitat:

„Möglicherweise kündigt der aktuelle Zustand sogar eine dauerhafte Verschiebung des irdischen Wasserkreislaufs an – hin zu mehr Wasserdampf in der Atmosphäre und weniger Süßwasser in Seen, Flüssen und Grundwasserreservoiren an Land.“ Genau dasselbe passiert mit den Treibhausgasen. Diese gelangen durch die Verbrennung fossiler Energien aus planetaren Reservoirs, aber durch landwirtschaftliche Maßnahmen und vielerlei menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre und verstärken den Treibhauseffekt (siehe auch Teil 2 dieser Reihe).

Apropos stabiles Klima im Holozän: Der Paläoklimaforscher William Ruddiman glaubt herausgefunden zu haben, weshalb die globale Durchschnittstemperatur in den letzten 6.000 Jahren so stabil war, obwohl sich das Klima eigentlich langsam hätte abkühlen und in die nächste Eiszeit übergehen müssen. In seinem Buch „Plows, Plagues, and Petroleum (Pflüge, Plagen und Erdöl)“ zeigt er, dass der Mensch nicht erst während der industriellen Revolution in den letzten zwei Jahrhunderten die Kontrolle über das Klima übernommen hat. Vielmehr haben wir bereits vor mehr als 6.000 Jahren durch Landwirtschaft, Abholzung und die Ausbreitung von Seuchen an dem „globalen Thermostat“ gedreht.

Arten, Funktionsweise und Wiederaufbau von natürlichen Kohlenstoffsenken

1. In natürliche Senken der terrestrischen Biosphäre (Wälder, Böden, Moore…) bei denen ausschließlich natürliche Vorgänge bei der Speicherung stattfinden, wird in Ökosystemen Kohlenstoff in organischen Verbindungen angereichert, sowohl in lebender Biomasse als auch etwa im Humus selbst. Vor allem mittels Photosynthese wird dabei CO₂ aus der Luft entnommen und in organische Stoffe eingebaut. Im Zuge der Lebenszyklen von Lebewesen (Tiere, Mikroorganismen, Pflanzen, Pilze) werden diese organischen Stoffe jedoch wieder abgebaut und letztendlich, spätestens durch Mineralisierung, wieder in CO₂ überführt und an die Atmosphäre abgegeben, also dieser nur temporär entzogen. Jedoch kann ein gewisser Teil auch in den Boden eingelagert werden. Das geschieht aber nur bei einer Landnutzung –  der Begriff macht unseren Einfluss deutlich -, welche Kohlenstoffeinträge in die Böden fördert. Wird beispielsweise mehr Wurzelbiomasse oder Pilzgeflecht gebildet und können sich Bakterien und Bodenlebewesen gut vermehren, kann im Vergleich zu leblosen Böden, die mehr Substrat als Ökosysteme sind, ein Vielfaches an CO₂ gespeichert werden. Eine andere Möglichkeit, Emissionen zu reduzieren, ist im Übrigen die vermehrte Kultur von Leguminosen. Diese Hülsenfrüchtler produzieren mithilfe von Knöllchenbakterien ihren eigenen Stickstoffdünger. Das ist deshalb besonders klimafreundlich, da im Vergleich dazu bei der Verwendung von künstlich hergestelltem Stickstoffdünger aufgrund von Stickstoffüberschüssen im Boden das klimaschädliche Lachgas (Distickstoffmonoxid, N₂O) entsteht.

Ein besonderes Augenmerk ist bei Kohlenstoffsenken auf die Wälder gerichtet. Diese, allen voran die großen Regenwälder, werden bekanntlich auch gerne als Lunge unseres Planeten bezeichnet. Das liegt daran, dass sie die größte terrestrische CO₂-Senke darstellen. Speziell Urwälder sind hier von großer Bedeutung, da ihre Speicherleistung pro Fläche fast 30 % höher ist, als bei als Holzplantagen angelegten Forsten. Umso wichtiger ist es daher, die Holzernte in diesen Naturwäldern, speziell auch in den sogenannten borealen Nadelwäldern, so weit wie nur möglich herunterzufahren. Denn es geht nicht um das Holz alleine, sondern auch um die gespeicherte Kohlenstoffmenge im organischen Teil des Mineralbodens, in der dortigen lebenden Biomasse, im Totholz und der Streuschicht. Und ganz wichtig: In den borealen Nadelwäldern entfällt fast die Hälfte gespeicherte Kohlenstoffmenge auf das unterirdische Pilzgeflecht! Und Pilze sind extrem empfindlich, wenn es um Bodenverdichtung geht. So ist auch eine selektive Entnahme von Bäumen durch sogenannte Holzvollernter (Harvester) oftmals verheerend.

Die Speicherleistung der Wälder nimmt jedoch aufgrund von Übernutzung und Klimaveränderung ab, was zu der Schlussfolgerung führen kann, dass massives Aufforsten sehr klimawirksam sein müsste. Aber es muss natürlich immer beachtet werden, welche Flächen dafür verwendet werden. Beispielsweise ist es offensichtlich nicht sinnvoll, Bäume in hohen Breitengraden zu pflanzen. Dies hat eine Studie der TU Berlin erst kürzlich festgestellt. Denn dies könnte die globale Erwärmung sogar noch verschlimmern. Es ist also kontraproduktiv, wenn aufgrund veränderter Klimazonen Bäume zunehmend weiter nördlich gepflanzt werden, etwa in der normalerweise baumlosen Tundra und in Mooren sowie in großen Gebieten des borealen Waldes mit relativ offenen Baumkronen. Einer der Autoren der TU-Studie, der Assistenzprofessor Jeppe Å. Kristensen, stellt dazu fest: „Das fast durchgehende Tageslicht im Frühling und Frühsommer, wenn der Boden noch schneebedeckt ist, macht die Energiebilanz in dieser Region extrem anfällig für eine Oberflächenverdunkelung. Grüne und braune Bäume absorbieren nämlich deutlich mehr Wärme von der Sonne als weißer Schnee“. In diesen Regionen, so die Forschenden, ist der Albedo-Effekt, also die Fähigkeit von Flächen Sonnenstrahlen zu reflektieren, sogar wichtiger als die Kohlenstoffspeicherung. Zudem käme es auch zu einem mikrobiellen Abbau des Bodenkohlenstoffs und damit zur Emission von Treibhausgasen. Das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung hat in dem Zusammenhang bereits 2017 festgestellt: „Der Anbau von Pflanzen und das Speichern des von ihnen aus der Atmosphäre aufgenommenen CO₂ ist kein brauchbares Mittel zur Stabilisierung unseres Klimas, wenn fossile Brennstoffe einfach unvermindert weiter verfeuert werden. Die Plantagen müssten im Fall eines solchen Versagens der Emissionsreduktion so groß sein, dass ihre Fläche entweder den Großteil der natürlichen Ökosysteme oder aber viele für die Nahrungsproduktion benötigte Felder und Äcker verschlingen würde.“

Um eine positive CO₂-Bilanz bei Aufforstungen zu erreichen muss – siehe Pilze weiter oben – unbedingt auf intensive Bodenbearbeitung verzichtet werden. Denn die Daten des deutschen Waldes sind nicht sehr ermutigend. In der vierten Bundeswaldinventur 2022 steht: „Seit 2017 hat der Kohlenstoffvorrat im Wald um 41,5 Mio. Tonnen (- 3 %) abgenommen.“ Damit wurde der Wald im Zeitraum 2017 bis 2022 zu einer Kohlenstoffquelle!

Einen Sonderfall unter den Landflächen stellen die Moore dar. Wie im Mooratlas 2023 zu lesen ist, ist dort überproportional viel Kohlenstoff gespeichert, nämlich rund 600 Milliarden Tonnen, obwohl die Moore nur drei Prozent der terrestrischen Erdoberfläche bedecken. Das ist etwa die doppelte Kohlenstoffmenge, wie in der Biomasse aller Wälder der Erde abgelagert ist, die jedoch 27 Prozent der Landfläche ausmachen. Der Kohlenstoff verbleibt in den Mooren, so lange diese intakt bleiben. Auch wenn dort gleichzeitig etwa 30 Millionen Tonnen Methan emittiert werden, was ungefähr einem Drittel der Methanemission aus Tierhaltung und Gülle entspricht, verbleibt eine positive Klimawirkung durch die Moore. Um eine Größenordnung der Wirksamkeit von Mooren zu haben: Moore haben das Weltklima in den letzten 10.000 Jahren um etwa 0,6 °C abgekühlt. Aber selbst Grasland wie Steppen und Savannen hat hohes Potential als Kohlenstoffsenke. Dort werden, so eine Studie der Universität Lund, etwa ein Drittel der jährlichen anthropogenen CO₂-Emissionen gebunden.

2. Ozeane und die gesamte aquatische Biosphäre sind neben den Landflächen eminent wichtig. So haben sie nach Angaben des Weltklimarates IPCC 20 seit den 1980er Jahren 20 bis 30 Prozent der gesamten menschgemachten CO₂-Emissionen aufgenommen. Zu den natürlichen aquatischen Kohlenstoffspeichern zählen insbesondere küstennahe Meeresgebiete mit Seegraswiesen, Salzwiesen, Algenwäldern oder Mangrovenwäldern. Das Meer funktioniert als Kohlenstoffsenke, indem Algen und andere Meeresbewohner CO₂ aufnehmen, welches nach deren Tod zumindest teilweise am Grund deponiert wird. Da Meere keine „schwarzen Löcher“ sind, können sie jedoch nicht endlos viel CO₂ ohne Auswirkung auf ihren Zustand aufnehmen: sie versauern zunehmend. Das ist je nach Wassertemperatur und der Aktivitäten von Algen, die bei der Photosynthese CO₂ verbrauchen, unterschiedlich. Bei diesem Vorgang löst sich das Treibhausgas im Wasser, was wiederum zu einer vermehrten Bildung von Kohlensäure führt.

Auch wenn Meerwasser nach wie vor leicht basisch ist, ist es in den letzten 200 Jahren etwa 30 Prozent saurer geworden. Würde es so weiter gehen wie bislang, wären die Meere im Jahr 2100 bereits um rund 150 Prozent saurer als heute (Bild 3). Leider findet die Versauerung oftmals gemeinsam mit weiteren Stressfaktoren wie steigenden Temperaturen und Sauerstoffmangel statt. Das führt zu Artensterben und ebenso zu einer geringeren Fähigkeit, Kohlenstoff zu speichern. Noch ist eine Sättigung der Ozeane bei der Aufnahme von CO₂ nicht festzustellen, doch es gibt wohl einen Zusammenhang mit Störungen der Thermohalinen Zirkulation (siehe Teil 3 dieser Reihe), da der Austausch des Oberflächenwassers mit den tieferen Schichten beeinflusst wird.

Aber auch durch intensives Fischen am Meeresgrund wird vermehrt Kohlenstoff freigesetzt, speziell durch das Verwenden von Schleppnetzen, wie Forschungsarbeiten des Helmholtz-Zentrums Hereon zeigen. Hintergrund ist, dass Sedimente am Meeresgrund Kohlenstoff binden und am Meeresboden lebende Spezies diesen nicht verzehren. So wird dort Kohlenstoff über Jahrtausende gespeichert. Wirbeln nun die Schleppnetze die Sedimente auf, gelangt Kohlenstoff aus dem sauerstoffarmen Sediment ins Wasser, wo mehr Sauerstoff vorhanden ist. Dort wird er durch Mikroorganismen wie Bakterien zu CO₂ umgewandelt. Ein Teil des CO₂ gelangt in die Atmosphäre, wo es als Treibhausgas den Klimawandel verstärkt. Außerdem beschädigt diese Art des Fischens Lebensräume, was zum Absterben dort lebender Pflanzen und Tiere führt.

Eine Sonderform sind sogenannte endorheische Gewässer. Dabei handelt es sich um abflusslose Gewässer in Trockengebieten mit hoher Verdunstungsrate wie beispielsweise den Aralsee. Hier wird Kohlenstoff in mineralischen Verbindungen langfristig festgelegt. Man geht davon aus, dass jährlich und weltweit ca. 152 Millionen Tonnen Kohlenstoff auf diese Weise dem Kreislauf entzogen werden.

3. Eine große Kohlenstoffsenke stellt die Lithosphäre dar. Die äußerste Hülle unserer Erde, also Erdkruste und ein Teil des oberen Erdmantels, ist zwischen 40 und 200 Kilometer dick. Sie entzieht in Form mineralischer Verbindungen jährlich ca. 152 Millionen Tonnen Kohlenstoff. Auch wenn das relativ wenig ist, so beherbergt die Lithosphäre nahezu den gesamten Kohlenstoff (99,95 %) und ist somit der wichtigste Kohlenstoffspeicher der Erde. Umso verheerender ist es, diesen Speicher anzuzapfen und auszubeuten. Die Lithosphäre hatte erdgeschichtlich stets einen großen Einfluss auf das Klima, nicht zuletzt, da ein Teil des dort gebundenen Kohlenstoffs immer wieder durch Vulkanismus freigesetzt wurde.

4. Ein letztes Kohlenstoffreservoir ist natürlich unsere Atmosphäre, wenngleich das unerwünscht ist. Alle Klimaschutzmaßnahmen haben daher das Ziel, nicht noch mehr Treibhausgase hier abzulagern, sondern die CO₂-Konzentration dort⁠ zu reduzieren. Last but not least sind alle fossilen Rohstoffe Kohlenstoffsenken: Sie sind jedoch in geologischen Epochen entstanden, deren Klima sich wohl niemand zurückwünscht.

Weiterführende Links (Inhalte daraus sind teilweise in den Text eingeflossen)

• Der Ozean als Senke für menschgemachtes Kohlendioxid (Geomar)
• Wälder weltweit: Die größte Kohlenstoffsenke des Planeten bricht ein (Geo)
• “Negative Emissionen“: Natürliche und künstliche Kohlenstoffsenken (Klimaschutz im Bundestag)
• Natürliche CO₂-Reduktion schneller umsetzbar und weniger risikoreich als Hightech-Ansätze (Helmholz)
• Treibhausgas-Senken (Greenpeace)
• Wie viel Kohlendioxid kann die Erde noch schlucken?  (Spektrum der Wissenschaft)
• Der Ozean als Senke für menschgemachtes Kohlendioxid (Alfred-Wegener-Institut)
• CO₂-Senke wiedererstarkt (Alfred-Wegener-Institut)
• Schleppnetzfischerei reduziert Kohlenstoffspeicherung (Helmholz)
• Forschung entdeckt Transportweg für Kohlenstoff in arktische Tiefsee (Polar Journal)
• Kohlenstofffreisetzung aus sibirischen Permafrostböden (Helmholz)
• Ozeanversauerung (Alfred-Wegener-Institut)
• Klimastabilisierung: Bäume pflanzen reicht nicht (PIK)

Die Klimafaktenreihe von Matthias Hüttmann
Vb, die ehemalige Jahrhundertwetterlage: Klimafakten, Teil 1
Die Moleküle des Treibhauseffekts: Klimafakten, Teil 2
Die große Ozeanzirkulation und ihr Zustand: Klimafakten, Teil 3
Der Wettermacher Jetstream verändert sich: Klimafakten, Teil 4
Von Negativemissionen und Kohlenstoffsenken: Klimafakten, Teil 5

Quelle

Der Bericht wurde von Mattias Hüttmann 2024 | Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. verfasst – der Artikel darf nicht ohne Genehmigung von Matthias Hüttmann weiterverbreitet werden!