Projektionen Kohlendioxid

Die Projektionen der Kohlenstoffemissionen und CO₂-Konzentrationen für das 21. Jahrhundert beruhen auf den vom IPCC entwickelten Emissionsszenarien (Bild links oben). Die atmosphärische CO₂-Konzentration von heute (2008) 385 ppm wird hiernach mindestens auf über 500 ppm und im Extremfall auf etwa 1000 ppm steigen. Letzteres wäre gegenüber dem vorindustriellen Wert von 280 ppm fast eine Vervierfachung.

Aus den vorgegebenen Emissionsszenarien lassen sich nur mit großen Unsicherheiten die entsprechenden Konzentrationsszenarien abschätzen. Der Grund liegt darin, dass das emittierte CO₂ in einen Kreislauf eingeht, der aus komplizierten Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Landbiosphäre und Ozean besteht. Diese Wechselwirkungen reagieren zudem noch auf den Klimawandel und wirken auf diesen zurück. Im Kern geht es um die Frage, ob Landbiosphäre und Ozean in den kommenden Jahrzehnten in der Lage sein werden, im gleichen Maße Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufzunehmen wie gegenwärtig. Aktuell wird von beiden mehr CO₂ aus der Atmosphäre aufgenommen als an sie abgegeben; d.h. Landbiosphäre und Ozean sind heute eine CO₂-Senke. Wahrscheinlich werden sie aufgrund des Klimawandels jedoch zukünftig eine Kohlendioxid-Quelle sein, d.h. mehr Kohlendioxid an die Atmosphäre abgeben, als sie von ihr aufnehmen. Falls es dahin käme, würde zwischen Kohlenstoffkreislauf und Klimawandel eine positive Rückkopplung in Gang gesetzt, die die globale Erwärmung weiter verstärken wird.

Landbiosphäre

Die Landbiosphäre hat in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten als CO₂-Senke fungiert, die fast ein Drittel des aus der Verbrennung von fossilen Energieträgern stammenden Kohlendioxids aufgenommen hat. Das könnte sich in den nächsten Jahrzehnten umkehren. Die Gründe könnten auf der einen Seite bei den Prozessen liegen, die zur Aufnahme von CO₂ durch die Vegetation führen, d.h. vor allem bei einer verminderten Photosyntheseleistung der Pflanzen. Sie könnten andererseits aber auch in einer erhöhten Abgabe von CO₂ an die Atmosphäre liegen, z.B. in einer größeren Zersetzung von organischem Material und im Auftauen von Permafrost. Die Ursachen dafür können in drei verschiedenen Veränderungen liegen: 1. in einer veränderten chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre, d.h. vor allem in einem höheren CO₂-Gehalt; 2. in klimatischen Veränderungen wie vor allem höheren Temperaturen und 3. in Veränderungen der Landnutzung wie Abholzungen von Wäldern, Entwässerung von Feuchtgebieten usw.

Experimente haben gezeigt, dass die Photosyntheserate im Allgemeinen ab einer CO₂-Konzentration von 800-1000 ppm nicht mehr gesteigert wird. Bei einzelnen Pflanzenarten liegt diese Grenze schon bei 450-550 ppm. Allerdings ist die Photosynthese besonders in gemäßigten Breiten auch durch eine mangelnde Zufuhr von Stickstoff limitiert. Eine höhere Stickstoffzufuhr, etwa durch die Düngung in der Landwirtschaft (NH₃ und NO₃) oder durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen (als NO und NO₂) kann das Pflanzenwachstum und damit auch die Photosyntheseleistung fördern. Da künftige Steigerungen der Stickstoffzufuhr aber vor allem in tropischen Regionen Amerikas, in Südafrika, China und Indien erwartet werden, wo jetzt schon wenig Mangel an Stickstoff herrscht, wird nach neueren Modellrechnungen der Effekt als nicht besonders hoch veranschlagt.

Änderung des zusätzlichen Gehalts an Bodenkohlenstoff (C) durch den Klimawandel in Gigatonnen Kohlenstoff (GT C)

Die Zunahme der Wachstumszeit, höhere Temperaturen und höhere Niederschläge haben die Photosyntheserate in den letzten beiden Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts deutlich erhöht. Auch für das nächste halbe Jahrhundert sagen Modellprognosen eine Zunahme der terrestrischen Kohlenstoff-Senke voraus. Später im 21. Jahrhundert wird nach denselben Modellen die erhöhte Bodenatmung die CO₂-Aufnahme übertreffen, und die tropische Senke wird durch Dürren aufgelöst. Damit wird die Landbiosphäre in der 2. Hälfte des 21. Jahrhunderts eine CO₂-Quelle. Neuere Beobachtungen zeigen, dass auch die zunehmende Variabilität des Klimas, insbesondere Hitzewellen und Dürren, regionale CO₂-Senken deutlich abschwächen. So hat die europäische Hitzewelle 2003 die Bruttoprimärproduktion in Europa um 30 % gesenkt und die Kohlenstoffsenke der europäischen Ökosysteme in eine starke Quelle verwandelt. Ursachen waren das Niederschlagsdefizit und die extreme Sommerhitze. Durch eine Zunahme zukünftiger Dürre-Ereignisse könnten die terrestrischen Ökosysteme der gemäßigten Breiten früher als von den Modellen berechnet zu einer CO₂-Quelle werden.

Eine besondere Rolle spielen dabei die Permafrostböden der hohen nördlichen Breiten. In ihnen sind über 400 Gt Kohlenstoff seit Tausenden von Jahren, z.T. seit der letzten Eiszeit, akkumuliert. Die Erwärmung schreitet hier aufgrund schrumpfender Schnee- und Eisflächen und damit verbundener positiver Rückkopplungseffekte besonders stark voran. Möglicherweise wird der heute 10 Mio. km² umfassende bodennahe Permafrost bis zum Jahrhundertende auf 1 Mio. km² zusammengeschrumpft sein. Dadurch würden dann große Mengen an Kohlenstoff freigesetzt werden, vielleicht in einem Umfang um bis zu 100 Gt C. Die bei Erwärmung im Boden ablaufenden Prozesse sind noch wenig verstanden und können ebenfalls zu sich selbst verstärkenden Effekten führen. So könnte der bei Erwärmung gesteigerte Stoffwechsel von Mikroorganismen die Temperatur im Boden erhöhen, was den Dauerfrost weiter schmelzen ließe. Ob der Kohlenstoff als Methan oder Kohlendioxid freigesetzt wird, hängt von den lokalen hydrologischen Bedingungen ab, die darüber entscheiden, ob Zersetzungsprozesse anaerob (unter Luftabschluss) oder aerob ablaufen. Allerdings wird mit der Verlagerung der Permafrostgrenze nach Norden sich auch die Vegetationszone nordwärts ausbreiten, wodurch dann wieder mehr Kohlenstoff durch Photosynthese gebunden wird. Ob dadurch die Kohlenstoff-Verluste durch das Auftauen von Permafrost wettgemacht werden, ist fraglich. Global gesehen wird die Umwandlung des Amazonas-Regenwaldes in eine Savanne ebenfalls zu gewaltigen CO₂-Freisetzungen führen.

In Europa und den USA hat in den letzten Jahrzehnten der Waldbestand auf aufgegebenem Ackerland deutlich zugenommen. Die Ausdehnung dieser relativ jungen Wälder wird auch für die beobachtete CO₂-Senke in diesen Regionen verantwortlich gemacht. Für die nächsten Jahrzehnte und global gesehen dürfte dieser Effekt jedoch von untergeordneter Bedeutung bleiben. Mit dem Alter werden die Wälder eine zunehmend ausgeglichene Kohlenstoffbilanz aufweisen, und in anderen Teilen der Welt läuft eher der umgekehrte Prozess ab: Aufgrund der wachsenden Bevölkerung und des wachsenden Nahrungsmittel- und Holzbedarfs werden vor allem in der Dritten Welt und in den aufstrebenden Schwellenländern zunehmend Wälder in Ackerland umgewandelt.

Ozean

CO₂-Partialdruck und Temperatur

Auch für den Ozean wird angenommen, dass er sich im Laufe des 21. Jahrhunderts von einer Kohlenstoffsenke in eine Kohlenstoffquelle verwandelt. Die Aufnahmekapazität von CO₂ durch den Ozean wird durch eine Reihe von Prozessen bestimmt, die sowohl durch die CO₂-Konzentration der Atmosphäre wie durch den klimatischen Wandel beeinflusst werden (s. Kohlenstoff im Ozean). Die direkte Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre wird durch die Differenz im CO₂-Partialdruck zwischen oberem Ozean (ozeanische Deckschicht) und Atmosphäre bestimmt. Steigt der CO₂-Partialdruck in der Atmosphäre, d.h. nimmt die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre zu, wird bei gleich bleibenden sonstigen Bedingungen vom Ozean mehr CO₂ aufgenommen.

Bei steigendem CO₂-Gehalt der Atmosphäre nimmt jedoch auch die Temperatur der Atmosphäre zu und in der Folge auch die der oberen Schicht des Ozeans. Wasser mit höherer Temperatur kann aber weniger Kohlenstoff aufnehmen als Wasser mit geringerer Temperatur, da mit ansteigender Temperatur der Partialdruck von CO₂ auch ohne weiteres CO₂ ansteigt. Bei einer Temperaturerhöhung von 1 °C steigt er über einen längeren Zeitraum (Jahrhunderte) um 7-10 ppm. Je nach Szenario kann bis zum Ende des Jahrhunderts durch diesen Effekt die Gesamtaufnahme von CO₂ um 9–14 % geringer ausfallen.

Die Physikalischen Pumpe

Ein weiterer Effekt, der in Zukunft die Aufnahmekapazität von CO₂ durch den Ozean verringern kann, ist die Abschwächung der sog. Physikalischen Pumpe. Darunter versteht man den Transport von Kohlendioxid durch absinkende Wassermassen, wie sie vor allem im Nordatlantik und z.T. im Südlichen Ozean rund um die Antarktis als Teil der thermohalinen Zirkulation vorkommen. Bei einer Erwärmung der Deckschicht wird das Absinken geschwächt und weniger Kohlendioxid wird in die Tiefe transportiert. Dadurch erhöht sich der CO₂-Partialdruck im oberen Ozean, der weniger CO₂ aus der Atmosphäre aufnehmen kann.

Ozeanchemie

Anders als in der Atmosphäre wird Kohlendioxid im Meerwasser fast vollständig in eine neue chemische Verbindungen umgewandelt. Es reagiert mit Wasser und Karbonat zu Hydrogenkarbonat (CO₂ + CO₃^2- + H₂O ↔ 2 HCO₃^-). Durch diese Reaktion wird die Karbonat-Konzentration im Ozean verringert und die von Hydrogenkarbonat (HCO₃^-) erhöht. Die Konzentration von Karbonat, das in geringen Mengen aus der Verwitterung an Land über die Flüsse nachgeliefert wird, ist daher eine kritische Größe für die CO₂-Aufnahmekapazität des Ozeans. Bei steigender CO₂-Aufnahme steht zunehmend weniger Karbonat für die chemische Reaktion mit Kohlendioxid zur Verfügung. Dadurch verbleibt ein zunehmender Anteil des aufgenommenen Kohlendioxids in seiner ursprünglichen Form im Wasser, und die Möglichkeit des Oberflächenwassers, weiteres Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufzunehmen, verringert sich. Nach Modellrechnungen würde bei einem Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration auf 750 ppm allein durch diesen Effekt die Aufnahmekapazität des Ozeans um 10 % zurückgehen.

Biologische Prozesse

Anders als die bisher erwähnten physikalischen und chemischen Effekte werden biologische Prozesse die Aufnahmekapazität des Ozeans von CO₂ in Zukunft sehr wahrscheinlich erhöhen. Das in der Deckschicht des Ozeans befindliche Phytoplankton nimmt Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid oder Hydrogenkarbonat durch Photosynthese auf und verringert so den Partialdruck von CO₂ in der oberen Wasserschicht, wodurch mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufgenommen werden kann. Das hierdurch erzeugte organische Material sinkt teilweise als Gewebepartikel in größere Tiefe und wird dort durch Zersetzung in anorganischen Kohlenstoff zurückverwandelt, der durch aufsteigendes Wasser wieder an die Oberfläche gelangt. Der biologische Effekt könnte in Zukunft durch höhere Nährstoffeinträge intensiviert werden, eventuell durch eine künstliche Zufuhr von Eisendünger zusätzlich verstärkt. Allgemein wird jedoch davon ausgegangen, dass er zu schwach sein wird, um die Wirkung der physikalischen und chemischen Prozesse umzukehren.

Zusammenfassung

Mehrere neuere Modellrechnungen, die die Rückkopplung zwischen terrestrischem und ozeanischem CO₂-Kreislauf und Klimawandel nach dem A2-Szenario für das 21. Jahrhundert berechnet haben, kommen zu dem Ergebnis, dass ein zunehmender Anteil des emittierten Kohlendioxids in der Atmosphäre verbleiben wird. D.h. der Anteil, den Ozean und Land aufnehmen können, wird merklich sinken. In absoluten Werten wird das durch Rückkopplungen zwischen Klimawandel und CO₂-Kreislauf zusätzlich in der Atmosphäre verbleibende Kohlendioxid nach diesen Modellrechnungen zwischen 20 und 224 ppm betragen.