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Mehr zum Thema / Jochen Stadler / Mittwoch 01.12.21

Der Koh­len­stoff­kreis­lauf

Kohlenstoff ist der allerwichtigste Baustein von Lebewesen. Er bildet das Rückgrat aller organischen Verbindungen. Meistens ist er mit anderen Elementen wie Sauerstoff, Wasserstoff, Phosphor und Stickstoff liiert und sie bilden etwa  Kohlenhydrate, Eiweißstoffe, Erbgutsubstanzen und Fette. Nur sehr selten tritt er solo auf, nämlich als Graphit und Diamanten.
Foto: APA Kohlenstoff bildet das Rückgrat aller organischen Verbindungen

Kohlenstoff ist der allerwichtigste Baustein von Lebewesen. Er bildet das Rückgrat aller organischen Verbindungen. Meistens ist er mit anderen Elementen wie Sauerstoff, Wasserstoff, Phosphor und Stickstoff liiert und sie bilden etwa  Kohlenhydrate, Eiweißstoffe, Erbgutsubstanzen und Fette. Nur sehr selten tritt er solo auf, nämlich als Graphit und Diamanten.

Die Erde ist ein geschlossenes Kohlenstoffsystem

 

Für Kohlenstoff ist die Erde ein „geschlossenes System“. Was beispielsweise durch nuklearchemische Prozesse oder Meteoriten dazukommt, ist mengenmäßig absolut vernachlässigbar, ebenso winzige Verluste durch die Raumfahrt. Auf der Erde selbst ist er Bestandteile verschiedenster Kreisläufe zwischen Leben und Tod, der Luft, des Wassers, der Gesteine, von Organismen und Böden (Atmo-, Hydro-, Litho-, Bio- und Pedosphäre). Es gibt unzählige Teil-Kreisläufe zwischen den fünf Sphären, und innerhalb dieser oft in sich geschachtelte und voneinander abhängige Kohlenstoff-Kreisläufe. Wenn mehr CO2 freigesetzt wird als aufgenommen, spricht man von einer CO2-Quelle, umgekehrt (höhere Aufnahme als Abgabe) von einer CO2-Senke. Im Lauf der Zeit können aus Senken Quellen werden und umgekehrt.

 

Kohle, Erdöl und Erdgas stellen Kohlenstofflager im Erdinneren dar. Der Mensch machte sie durch Ausbeutung und Verbrennung zu Kohlenstoffquellen. Was er der Lithosphäre entnommen hat und immer noch entnimmt und verbrennt, reichert sich als Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Atmosphäre an und verstärkt dort den Treibhauseffekt. Jener ist zwar prinzipiell wichtig und ermöglicht den heutigen Pflanzen, Tieren und Mikroben, auf der Erde zu leben, da es sonst eisig kalt wäre, aber seine erdgeschichtlich ungemein rasche Steigerung führt ungebremst zu katastrophalen, langfristigen Veränderungen für das Leben der Menschen, vieler anderer Organismen und Ökosysteme .

Kohlenstoff wird in Millionen Gigatonnen gemessen

Auf der Erde gibt es 75 Millionen Gigatonnen Kohlenstoff. Davon sind derzeit rund 850 Gigatonnen in der Atmosphäre. Die Atmosphäre reagiert extrem sensibel auf Änderungen im Kohlenstofffluss. Außerdem ist die Freisetzungsmenge durch fossile Brennstoffe seit der Industrialisierung bis 2019 mit 635 Gigatonnen Kohlenstoff fast so hoch, wie die Gesamtmenge in der Atmosphäre. Etwa die Hälfte ist dort verblieben, und je ein Viertel in den Ozeanen und Land-Ökosystemen.  Die Landlebewesen enthalten 800 Gigatonnen Kohlenstoff, jene im Meer drei Gigatonnen. Die Böden beherbergen rund viermal so viel wie die Atmosphäre. Auch im Permafrost sind ähnliche hohe Kohlenstoffvorräte wie im Boden. In den Gesteinsschichten sind 99,85 Prozent der globalen Kohlenstoffmenge zumeist inaktiv gespeichert.

Kohlenstoff ist jüngst zu sehr in Bewegung

Die wichtigsten Kohlenstoff-Senken stellen die Pflanzen der Erde dar. Sie binden im Jahr rund 123 Gigatonnen Kohlenstoff und geben durch Atmung 60 Gigatonnen frei. Die Differenz bleibt als Biomasse gebunden oder wandert in den Boden. Die Menschen entziehen der Lithosphäre Kohlenstoff und emittieren diesen als CO2 an die Atmosphäre, nämlich neun Gigatonnen jährlich durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas sowie die Zementherstellung. Um dem Klimawandel Einhalt zu gebieten, müssen die fossilen Treibhausgasemissionen in den kommenden Jahrzehnten vollkommen eingestellt werden.
Laut Sonderbericht des Weltklimarates (IPCC) sollen die globalen CO2 Emissionen bis 2030 um 25 Prozent für das 2-Grad-Ziel gesenkt werden und 2070 Netto-Null erreichen, und um 45 Prozent für das 1,5 Grad-Ziel bei einem Netto-Null anno 2050. Egal ob für einen Stopp der Erderwärmung bei 3, 2 oder 1,5 Grad: Zu einem bestimmten Zeitpunkt müssen die Emissionen Netto-Null sein.

Anstieg der CO2-Konzentration

Durch die Verbrennung fossiler Energieträger innerhalb eines erdgeschichtlich sehr kurzen Zeitraums steigt die CO2 Konzentration in der Atmosphäre seit der Beginn der Industrialisierung und vor allem seit Mitte des 20. Jahrhunderts an. Betrug der Anteil von CO2 im Jahr 1800 noch 280 ppm (Anteile pro Million) war er 2020 412 ppm. Solch eine Konzentration (380 bis 450 ppm) gab es zuletzt im „mittleren Pliozän“ vor etwa 3,6 Millionen Jahren (Zum Vergleich: der „moderne Mensch“ entstand vor etwa 300.000 Jahren). Damals war der Meeresspiegel 24 Meter höher als heute, die Temperatur 4,0 Grad Celsius über jener der vorindustriellen Zeit. Neben der CO2-Konzentration steigen auch die Konzentrationen der anderen Treibhausgase wie Methan und Lachgas kontinuierlich.

Wald ist Österreichs wichtigster Kohlenstoffspeicher

Der Wald leistet einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz 

„In Österreich ist der Wald der größte Kohlenstoffspeicher“, erklärte Gisela Pröll, Expertin für Ökosystemforschung im Umweltbundesamt in Wien gegenüber APA-Science: „Er leistet einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz, denn er nahm die letzten Jahrzehnte mehr Kohlenstoff auf, als er abgab“. Die Bäume und andere Pflanzen verwerten Kohlendioxid aus der Atmosphäre, um es mit Wasser und der Energie aus Sonnenlicht mittels Photosynthese in Sauerstoff und Kohlenhydrate zu verwandeln. „Ein Teil wird veratmet, aber der meiste Kohlenstoff wird in den Stämmen und Zweigen, Blättern und den Wurzeln gespeichert“, sagte sie. Wenn das Laub abgeworfen wird, oder Wurzeln absterben, gelangt der Kohlenstoff in den Boden, wo beträchtliche Mengen erhalten bleiben. Der Kohlenstoffkreislauf im Wald wird aber auch durch den Klimawandel verändert. „Es wird erwartet, dass Extremereignisse wie Trockenperioden, Dürren, Stürme und Borkenkäferkalamitäten zunehmen“, so Pröll. Dadurch kann der Wald von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle werden. Auch nach Dürrejahren würde laut Langzeitdaten vom Forschungsstandort Zöbelboden verringertes Baumwachstum auftreten, was wiederum verringerte Kohlenstoffspeicherung bedeute. „Dadurch bleibt mehr in der Atmosphäre“, sagte die Expertin.

Waldbewirtschaftung verändert die Kohlenstoff-Speicherkapazität

Durch geeignetes Management kann man die Kohlenstoffspeicher-Kapazitäten der Wälder so gut wie möglich ausnutzen, und gleichzeitig etwa die Biodiversität erhöhen und andere positive Effekte für die Klimawandelanpassung herausschlagen, meint Pröll. Wie man dies am besten macht, würde gerade im Projekt „ManageBeech“ untersucht. In einem anderen Projekt (CentforCSink) habe man herausgefunden, dass Anfang des 20. Jahrhunderts die intensive Holznutzung sowie starkes Borkenkäferaufkommen den Wald im Nationalpark Kalkalpen kurzfristig zu einer Kohlenstoffquelle statt -Senke machte, berichtet sie. Erstens war die gespeicherte Biomasse weggefallen, zweitens die Funktion des Kronendaches, die Umgebung zu kühlen. Dadurch wurden die Abbauprozesse in den Böden beschleunigt und Kohlenstoff freigesetzt. „Wenn junge Bäume nachwachsen dreht sich der Effekt aber wieder um, denn sie speichern wiederum Kohlenstoff“, erklärte Pröll: „Natürlich sind auch stabile, artenreiche Mischwälder wichtig“. Störungen wie Windwürfe und Trockenheit betreffen vermehrt die Fichten, die bekanntermaßen Klimawandelverlierer sind, da sie schlecht mit Trockenheit umgehen können und als Flachwurzler bei Stürmen schnell entwurzelt werden können. Auch den Borkenkäfern haben sie wenig entgegenzusetzen.

CO2 in der Wertschöpfungskette Holz

Wenn dem Wald Holz entnommen wird, ist der Kohlenstoff im Holz dadurch noch nicht emittiert, so die Expertin. Der Kohlenstoff wird am besten in vielfältigen Holzprodukten so lange wie möglich gespeichert, und am Ende der Produktlebensdauer und Recycling-Möglichkeiten energetisch genutzt. Selbst die sofortige energetische Verwendung ist aber der Nutzung fossiler Brennstoffe vorzuziehen, sofern das Holz aus nachhaltiger Bewirtschaftung stammt und derart Emissionen aus Erdgas, Erdöl und Kohle eingespart werden“.

Ihr Kollege Peter Weiss von der Abteilung Emissionsinventuren und Klimaschutz des Umweltbundesamtes in Wien hat sich mit den Partnern BFW und BOKU die CO2-Bilanz der Wertschöpfungskette Holz genauer angesehen. Sowohl durch Holzprodukte, als auch die energetische Holzverwendung würde man im Vergleich zu Ersatzprodukten sehr viele Treibhausgas-Emissionen sparen. Je länger die Nutzungsdauer eines Produkts ist, umso größer ist der positive Effekt, da der Kohlenstoff damit der Atmosphäre länger entzogen bleibt.

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