Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre

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CO2-Fluss in der Biosphäre zum Zeitpunkt des Sommers auf der Nord-Hemisphäre (NOAA Carbon Tracker). 3-Stunden-Schritte im Tagesverlauf. Blau = Abnahme infolge Photosynthese der Pflanzen
CO2-Fluss in der Biosphäre im Winter der Nord-Hemisphäre; sichtbare Aktivität aufgrund des Sommers auf der Südhalbkugel (NOAA Carbon Tracker)

Obwohl Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre nur in der sehr geringen Konzentration von 0,04 Prozent vorkommt, ist es für das Leben auf der Erde in vielerlei Hinsicht von elementarer Bedeutung. Pflanzen nehmen das für sie lebensnotwendige Kohlenstoffdioxid (CO2) auf und geben Sauerstoff ab (Photosynthese), während bei der Atmung der allermeisten Lebewesen und vielen anderen natürlichen Prozessen Kohlenstoffdioxid freigesetzt und in die Atmosphäre abgegeben wird. CO2 beeinflusst trotz seiner geringen Konzentration über die Stärke des Treibhauseffekts das Klima der Erde und durch seine Löslichkeit in Wasser den pH-Wert der Ozeane wesentlich. Im Verlauf der Erdgeschichte schwankte der atmosphärische CO2-Gehalt erheblich und war häufig an einer Reihe von gravierenden Klimawandel-Ereignissen direkt beteiligt.

Kohlenstoffkreislauf

Falschfarben-Bild der Rauch- und Ozon-Verschmutzung durch Feuer in Indonesien im Jahr 1997

Im Gestein der Erde sind etwa 65.500 Gigatonnen Kohlenstoff gespeichert.[1] In der Erdatmosphäre befinden sich dagegen nur 800 Gigatonnen Kohlenstoff, was 3000 Gigatonnen CO2 entspricht – also nur etwa ein Prozent der Menge, die im Gestein enthalten ist.[2]

Im Kohlenstoffzyklus wird ständig eine sehr große Menge an Kohlenstoff zwischen Atmosphäre und anderen Depots wie z. B. Meere, Lebewesen und Böden ausgetauscht. Die meisten CO2-Quellen haben einen natürlichen Ursprung und werden durch natürliche CO2-Senken ausgeglichen. Die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration wird vom Stoffwechsel der Lebewesen auf der Erde, aber auch von Reaktionen beeinflusst, die unabhängig von jeglichem Leben ablaufen und ihren Ursprung in physikalischen und chemischen Prozessen haben. Die Zeitkonstante, d. h. die Geschwindigkeit dieser Vorgänge variiert stark und reicht von wenigen Stunden bis zu mehreren Jahrtausenden.

Die Kohlenstoffdioxidkonzentration der jungen Erde hatte ihren Ursprung in vulkanischer Aktivität, die der Atmosphäre bis heute Kohlenstoffdioxid zuführt und aktuell ca. 150 bis 260 Megatonnen Kohlenstoffdioxid jährlich freisetzt.[3] Seit Bestehen der Erde wird das Spurengas durch Verwitterung von Gestein wieder aus der Atmosphäre entfernt. Ein Teil wird auch durch biogene Sedimentation abgelagert und dem Kreislauf damit entzogen.

Diesen abiotischen Prozessen stehen erheblich größere Stoffströme gegenüber, die von der Atmung von Lebewesen herrühren. Es wird von einer Reihe von Mikroorganismen bei der Fermentation und aeroben Atmung produziert. Zu den natürlichen Kohlenstoffdioxid-Quellen zählt auch die Verbrennung organischen Materials durch Waldbrände.

Da sich CO2 gut in Wasser löst, verändert eine Konzentrationsänderung dieses Spurengases in der Luft auch den Gehalt an Kohlensäure und damit den pH-Wert der Meere und Seen der Erde. Der Anstieg der atmosphärischen Kohlenstoffdioxidkonzentration seit Beginn der industriellen Revolution hat daher zu einer Versauerung der Meere geführt; fast die Hälfte des vom Menschen in die Atmosphäre eingebrachten Kohlenstoffdioxids ging in den Weltmeeren in Lösung.[4]

Wechselwirkung mit Pflanzen

Abhängigkeit der Photosyntheserate von der CO2-Menge in der Luft bei C3- und C4-Pflanzen.

Pflanzen wandeln Kohlenstoffdioxid mit Hilfe der Photosynthese in Zucker, insbesondere Glucose, um. Die für diese Reaktion nötige Energie gewinnen sie über die Absorption von Sonnenlicht durch Chlorophyll. Der Prozess wird Photosynthese genannt, als Abfallprodukt entsteht Sauerstoff. Dieses Gas wird von den Pflanzen in die Atmosphäre abgegeben, wo es anschließend für die Atmung heterotropher Organismen und anderer Pflanzen benutzt wird; damit entsteht ein Kreislauf. Durch diese Stoffströme wird das Kohlenstoffdioxid der Atmosphäre durchschnittlich alle 3 bis 5 Jahre vollständig ausgetauscht.[5] Landpflanzen nehmen hierbei bevorzugt das leichtere Kohlenstoffisotop 12C auf. Dieser Effekt kann mit Hilfe von Isotopenuntersuchungen gemessen werden.[6]

Der natürliche Zerfall organischen Materials in Wäldern und Grasland sowie in der Natur immer wieder auftretende Brände führen zu einer jährlichen Freisetzung von ca. 439 Gigatonnen Kohlenstoffdioxid. Neues Pflanzenwachstum gleicht diesen Effekt vollständig aus, denn dadurch werden jährlich ca. 450 Gigatonnen absorbiert.[7]

Die vorindustrielle Konzentration von 280 ppm,[8] aber auch die aktuell (2015) bereits deutlich erhöhte Konzentration von 400 ppm liegt für C3-Pflanzen unterhalb des für ein ideales Wachstum optimalen Wertes. In Gewächshäusern wird der Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft deshalb künstlich auf Werte von 600 ppm und mehr angehoben. Durch diese Kohlenstoffdioxid-Düngung kann das Pflanzenwachstum bei sonst idealen Bedingungen um bis zu 40 % gesteigert werden.[9] In der Natur ist eine derart hohe Wachstumssteigerung durch CO2-Düngung jedoch nicht zu erwarten, da hier meist die Verfügbarkeit von Nährstoffen und/oder Wasser, nicht aber die Konzentration von CO2 in der Luft das Wachstum begrenzen.[10][11] Über den Zeitraum von 1982 bis 2010 ist dennoch ein signifikanter global nachweisbarer Effekt durch CO2-Düngung festgestellt worden.[12] Daneben wurde im Jahr 2010 von der Biosphäre auch doppelt so viel Kohlenstoffdioxid resorbiert wie im Jahre 1960; die menschengemachten Emissionen vervierfachten sich jedoch in diesem Zeitraum.[13] Zwar sind 90 % aller Pflanzenarten C3-Pflanzen, jedoch sind 40 % der Erdoberfläche von C4-Pflanzen besiedelt, deren ökologische und ökonomische Bedeutung daher hoch ist.[14] Diese reagieren auf eine CO2-Düngung nur mit einer Wachstumssteigerung um wenige Prozent, da sie das Spurengas schon in der vorindustriellen, atmosphärischen Konzentration sehr gut aufnehmen können.[15]

Die Leistungsfähigkeit des für die Photosynthese von Pflanzen verantwortlichen Moleküls Rubisco hängt von seiner Temperatur sowie von der CO2-Konzentration in der Umgebungsluft ab. Obwohl die Toleranz gegenüber höheren Temperaturen mit steigender CO2-Konzentration ebenfalls steigt,[14] ist allerdings zu erwarten, dass die mit der Erhöhung des CO2-Gehalts der Atmosphäre verbundene globale Erwärmung in vielen Regionen künftig zu einer abnehmenden Photosyntheserate und damit abnehmenden Primärproduktion führen wird.[16][17]

Der Einfluss einer erhöhten Kohlenstoffdioxid-Konzentration auf die Biosphäre wird im Rahmen des FACE-Experiments untersucht.

Räumliche und zeitliche Schwankungen der atmosphärischen Konzentration

Räumliche Verteilung der Kohlenstoffdioxidkonzentration des Jahres 2003. Hohe Konzentrationen von ca. 385 ppm erscheinen in Rot, niedrige Konzentrationen in Höhe von ca. 360 ppm sind blau dargestellt.

Da der Stoffwechsel von Pflanzen unmittelbar vom Licht abhängt, schwanken bodennahe CO2-Konzentrationen im Tagesgang. Bei ausreichender Pflanzendecke zeigt sich in der Nacht ein Maximum und am Tag ein Minimum. In und um Ballungszentren ist die CO2-Konzentration hoch, in Wäldern im Vergleich zum Umland jedoch deutlich abgesenkt.[18] In einigen Regionen Südamerikas und Afrikas treten Schwankungen von ca. 60 ppm im Tagesverlauf auf. In geschlossenen Räumen kann die Konzentration bis zum Zehnfachen des Durchschnittswerts der mittleren Konzentration in freier Natur ansteigen.[19]

Bei Betrachtung des Verlaufs der Konzentration über mehrere Jahre ist eine jährliche Schwankung in Höhe von 3–9 ppmv erkennbar, die in der Vegetationsperiode der Nordhemisphäre ihre Ursache hat. Der Einfluss der Nordhemisphäre dominiert den jährlichen Zyklus der Schwankung der Kohlenstoffdioxidkonzentration, denn dort befinden sich weit größere Landflächen und somit eine größere Biomasse als auf der Südhemisphäre. Die Konzentration ist im Mai auf der Nordhemisphäre am höchsten, da das im Frühling stattfindende Ergrünen zu dieser Zeit beginnt; sie erreicht ihr Minimum im Oktober, wenn die Photosynthese betreibende Biomasse am größten ist.[20]

Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des pflanzlichen Stoffwechsels ergibt sich auch ein Unterschied zwischen äquatornahen CO2-Konzentrationen mit den in arktischen Breiten gewonnenen Daten; diese zeigen den jahreszeitlichen Einfluss der Wachstumsperiode: Während der Jahresgang der Kurven äquatornah nur ca. 3 ppm beträgt, liegt er in arktischen Breiten bei 20 ppm.[21]

Bei der Erforschung der Kohlenstoffdioxidkonzentration der Erdatmosphäre leistete Charles Keeling Pionierarbeit. Dieser beschrieb in den späten 1950er Jahren nicht nur erstmals die oben erwähnten Oszillationen, sondern konnte mit Hilfe der von ihm erstellten Keeling-Kurve auch erstmals belegen, dass der Mensch die Konzentration dieses Spurengases erhöht.[18]

Bedeutung als Treibhausgas

Illustration der Streck- und Biegeschwingungen des Kohlenstoffdioxids, die durch die Absorption von Infrarotstrahlung angeregt werden.

CO2 ist ein bedeutendes Treibhausgas: Es absorbiert und emittiert Infrarotstrahlung bei Wellenlängen von 4,26 µm und 14,99 µm (asymmetrischen Streck- bzw. Biegeschwingung).[22] Bei klarem Himmel beträgt der Anteil von CO2 am gesamten Treibhauseffekt 26 %.[23]

60 % des Treibhauseffekts ist zwar auf Wasserdampf zurückzuführen, jedoch hängt die Konzentration von Wasserdampf in der Erdatmosphäre über die Clausius-Clapeyron-Gleichung allein von der globalen Durchschnittstemperatur der Erde, also vom Dampfdruck ab und lässt sich nur darüber dauerhaft verändern. Wasserdampf wirkt auf diese Weise lediglich verstärkend auf globale Temperaturveränderungen. Damit ist Kohlenstoffdioxid das wichtigste Treibhausgas, dessen Konzentration nachhaltig unmittelbar geändert werden kann. Das Treibhauspotential anderer Spurengase wird auf das von CO2 bezogen.

Seit Mitte des 19. Jahrhunderts steigt die CO2-Konzentration durch menschliche Aktivitäten an. Eine Verdoppelung der atmosphärischen CO2-Konzentration vom vorindustriellen Wert von 280 ppm auf 560 ppm würde nach gegenwärtigem Stand der Wissenschaft wahrscheinlich zu einer globalen Erwärmung von 3 °C führen. Dieser Wert wird Klimasensitivität genannt.

Verlauf in der Erdgeschichte

Veränderungen der CO2-Konzentration während des Phanerozoikums, also während der letzten 542 Millionen Jahre. Jüngere Daten befinden sich auf der linken Seite des Diagramms.[24] Der Graph beginnt rechts in der Zeit, bevor pflanzliches Leben an Land existierte und während der die Leistung der Sonne um 4 % niedriger war als heute.[25] Bewegt man sich in der Grafik nach links, nähert sich die Sonnenleistung schrittweise dem heutigen Niveau, während sich die Vegetation ausbreitet und große Mengen an Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre entfernt. Auf der ganz linken Seite der Grafik sind die heutigen CO2-Niveaus dargestellt. Dieser Bereich ist auf der Abszisse des Diagramms mit dem Buchstaben N für Neogen markiert; in dieser Zeit entwickelte sich die Spezies Mensch. Das Holozän, also die letzten ca. 10.000 Jahre, ist wegen der vergleichsweise kurzen Zeitdauer im Diagramm nicht erkennbar und daher nicht markiert.

Leben, aber auch abiotische Prozesse hatten seit jeher einen großen Einfluss auf die Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Erdatmosphäre, diese wurden jedoch auch davon geprägt. Es besteht also eine wechselseitige Beziehung.

Regelmechanismus der Erde

Erdgeschichtlich war der (meist) in erster Linie vom Kohlenstoffdioxid verursachte Treibhauseffekt von entscheidender Bedeutung. Auf der Erde gab es schon sehr früh Wasser in flüssiger Form. Das Paradoxon der schwachen jungen Sonne beschreibt, wie es trotz einer schwachen Sonne zu erhöhten Temperaturen auf der jungen Erde kam. Die Leuchtkraft der Sonne ist seit ihrer Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren um etwa 30 % angestiegen. Dies ist vor dem Hintergrund zu betrachten, dass eine Verdoppelung oder Halbierung der vorindustriellen CO2-Konzentration von 280 ppm dieselbe Veränderung des Strahlungsantriebs bewirkt wie eine Veränderung der Solarkonstante um 2 %.[26] Die Konzentration der Treibhausgase – insbesondere von Kohlenstoffdioxid und Methan – unterlag im Laufe der Erdgeschichte mehrmals starken Schwankungen, hat jedoch über den gesamten Zeitraum betrachtet infolge eines selbstregulierenden Mechanismus stark abgenommen. Erhöhte Temperatur bewirkte verstärkte Verwitterung der Erdoberfläche und Ausfällung von Kohlenstoffdioxid im Meer in Form von Kalk. Dadurch nahm der Kohlenstoffdioxidgehalt ab, wodurch die Temperatur sank und Verwitterung und Ausfällung abnahmen und sich die Temperatur in der Folge wieder auf dem alten Wert bei einem niedrigeren Kohlenstoffdioxidgehalt in der Atmosphäre einpendelte.[27][28] Bei der großen Sauerstoffkatastrophe verlief die Veränderung der Stärke des Treibhauseffektes sehr schnell, da das starke Treibhausgas Methan rasch aus der Atmosphäre verschwand. Es folgte die Paläoproterozoische Vereisung, mit einer Dauer von 300 Millionen Jahren das wahrscheinlich längste Schneeball-Erde-Ereignis der Erdgeschichte. Die Erde war zu weiten Teilen eisbedeckt.

Vulkane stießen nach wie vor Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid aus, die sich aufgrund der nicht mehr stattfindenden Verwitterung und Ausfällung im Meer in der Atmosphäre anreicherten. Der Kohlenstoffdioxidgehalt stieg dadurch in einem Zeitraum von ca. 10 Millionen Jahren auf extrem hohe Werte solange an, bis der Treibhauseffekt stark genug war, das Eis zu schmelzen. Infolgedessen absorbierte die nun wieder freigelegte Erdoberfläche wesentlich mehr Sonnenlicht, und es folgten einige 10.000 Jahre mit einem globalen Saunaklima. Aufgrund der nun starken Verwitterung und Ausfällung wurde der Kohlenstoffdioxidgehalt stark reduziert und innerhalb kürzester Zeit gewaltige Kalkmengen abgelagert, was schlussendlich wieder wie vorher zu einem gemäßigten Klima führte, jedoch mit deutlich reduziertem Methan- und CO2-Gehalt der Atmosphäre.[27][29] Letztendlich sind also zwei abiotische Klimaregulatoren dafür verantwortlich, dass sich das Klima in erdgeschichtlichen Zeiträumen immer wieder trotz veränderter Strahlungsleistung der Sonne und durch das Leben selbst veränderter Umweltbedingungen bei gemäßigten Temperaturen eingependelt hat: Der Vulkanismus und die Plattentektonik als Recycler der Kalkablagerungen und somit als Kohlenstoffdioxidproduzenten und die Verwitterung und Ausfällung als Kohlenstoffdioxidsenke.[27][29]

Präkambrium (Erdfrühzeit)

Es wird angenommen, dass nach der Entstehung der Erde vor 4,57 Milliarden Jahren erste Lebensformen bereits in einem sehr frühen Stadium existierten. Cyanobakterien und Algen begannen bereits im Präkambrium vor ca. 3,5 Milliarden Jahren Sauerstoff zu produzieren – wofür sie CO2 aufnahmen.

Die Bestimmung der atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-Konzentration vor Hunderten von Millionen Jahren erfolgt durch die Auswertung verschiedener Proxy-Daten. Im Rahmen von Isotopenuntersuchungen werden Borate in den Schalen von Foraminiferen analysiert. In saurem Milieu wird vermehrt 11B in Borsäure eingebaut, das für den Aufbau der Schale dieser Lebewesen nötig ist. Damit sind Rückschlüsse über den herrschenden pH-Wert, also auch den Kohlensäuregehalt von Meerwasser möglich.[30] Die CO2-Konzentration kann auch mit Hilfe von Δ13C, einer weiteren Isotopenuntersuchung, bestimmt werden.[31] Bei der Entwicklung der Erdatmosphäre wird angenommen, dass die „erste Atmosphäre“ einen Kohlenstoffdioxid-Gehalt von ca. 10 % aufwies. Diese Annahme ist jedoch mit hohen Unsicherheiten behaftet.[32][33]

Phanerozoikum

Im Zuge der großen Sauerstoffkatastrophe vor 2,4 Milliarden Jahren nahm die Sauerstoffkonzentration sowohl in den Meeren als auch in der Atmosphäre signifikant zu. Der damit einhergehende Übergang von der Anaerobie zur Aerobie, also einem Stoffwechsel, der nicht auf Sauerstoffumsetzung basiert, sondern auf einem oxidativen, Sauerstoff-basierten Stoffwechsel, hatte zwar wahrscheinlich ein Massenaussterben anaerober Organismen in den bisher sauerstofffreien Biotopen zur Folge, eröffnete der Evolution aber auch neue Wege, da durch Oxidation weit mehr Energie für Stoffwechselvorgänge zur Verfügung steht, als anaerobe Lebensformen nutzen können. Zur Zeit der kambrischen Explosion, als innerhalb von 5 bis 10 Millionen Jahren die damaligen Vertreter aller heute existierenden Tierstämme entstanden, lag der atmosphärische CO2-Gehalt auf einem hohen Level von über 0,6 % (= 6000 ppm).[34] Hingegen erhöhte sich der Sauerstoffgehalt der Lufthülle nur sehr langsam und stagnierte im weiteren Verlauf des Proterozoikums bei ungefähr 3 %. Erst mit Beginn des Erdaltertums (Paläozoikum) vor 541 Millionen Jahren nahm seine Konzentration deutlich zu. Seinen gegenwärtigen Wert von 21 % erreichte er erstmals vor etwa 360 Millionen Jahren an der Schwelle zum Karbon.

Ordovizium bis Karbon

Am Beginn des Ordoviziums lag die CO2-Konzentration im Bereich von 4000 bis 5000 ppm. Das Erscheinen und die relativ rasche Ausbreitung der ersten Landpflanzen gegen Ende des Ordoviziums vor 450 Millionen Jahren führte zu einer erhöhten Verwitterung des Bodens, wodurch der Atmosphäre große Mengen an CO2 entzogen wurden.[35] Die Reduzierung des atmosphärischen Kohlenstoffs war eine der Ursachen der Anden-Sahara-Eiszeit, die etwa 30 Millionen Jahre dauerte und erst im nachfolgenden Silur endete.[36] In diese Zeit fällt mit dem Ordovizischen Massenaussterben eine der größten biologischen Krisen der Erdgeschichte.[37] Im Laufe des Devon vor etwa 420 bis 360 Millionen Jahren entstanden die ersten großen zusammenhängenden Waldflächen, die erhebliche Mengen CO2 in ihrer Biomasse speicherten. Der Durchschnittswert der devonischen CO2-Konzentration lag bei 2000 ppm und sank zum Ende der Epoche hin stark ab.

Während des Karbons vor 360 bis 299 Millionen Jahren kam es zu einer weltweiten, rasch zunehmenden Abkühlung, an der mehrere Faktoren beteiligt waren. Zum einen lagen nacheinander die heutigen Festlandsmassen von Südafrika, Südamerika, Australien und Indien in unmittelbarer Nähe des Südpols, was die Entstehung von Gletschern und Inlandseisschilden begünstigte. Zudem schlossen sich im Oberkarbon die Großkontinente Laurussia und Gondwana zum Superkontinent Pangaea zusammen, wodurch die Zirkulation der äquatorialen Meeresströmungen unterbrochen wurde. Aus der Summe dieser Prozesse resultierte mit einer Dauer von mindestens 80 Millionen Jahren das bis weit in das Perm reichende Permokarbone Eiszeitalter.[38] Am Ende des Karbons fiel die CO2-Konzentration erstmals in der Erdgeschichte auf 400 ppm, und die globalen Durchschnittstemperaturen erreichten lediglich Werte von 12 bis 14 °C. Hingegen stieg der Sauerstoffgehalt auf das bis heute einmalige Niveau von 35 Prozent. In dieser Zeit entstanden die meisten der weltweit vorkommenden Kohlelager. Die aus dieser Epoche stammenden Pflanzenfossilien erlauben durch Analyse der Zahl der Spaltöffnungen, also der Stoma, die damals vorherrschende atmosphärische CO2-Konzentration abzuschätzen.[39] Das Erscheinen der Weißfäule am Ende des Karbons ist wahrscheinlich der Grund für die seit dieser Zeit geringere Entstehungsrate von Kohle.[40]

Perm-Trias-Grenze

Bedingt durch das Eiszeitklima im frühen und mittleren Perm sank der CO2-Anteil auf das Minimum von 300 ppm[41] und stabilisierte sich anschließend nur langsam auf einem höheren Niveau. Vor 250 Millionen Jahren kam es an der Perm-Trias-Grenze zu einer ca. 600.000 Jahre andauernden, verstärkten vulkanischen Aktivität, die für die Entstehung des sibirischen Trapps ursächlich war. Schätzungsweise gelangten dadurch über einen größeren Zeitraum mindestens etwa 25.000 Gigatonnen Kohlenstoffdioxid in die Erdatmosphäre und in Form von Kohlensäure in die Weltmeere.[42] Die Ausgasungen führten zu einer in zwei Schüben erfolgenden globalen Erwärmung um insgesamt 10 °C, einem CO2-Äquivalentwert von über 3000 ppm sowie einer Versauerung der Ozeane mit einer starken Zunahme sauerstofffreier Zonen.[43] Wenngleich alternative Erklärungen nicht ausgeschlossen werden können, gilt es als sehr wahrscheinlich, dass der fast vollständige Zusammenbruch der ozeanischen Biotope und die massive Erwärmung der Atmosphäre im Zusammenwirken mit der Freisetzung von etwa 18.000 Gigatonnen Chlorwasserstoff und großen Mengen Schwefeldioxid für das größte Massenaussterben in der Erdgeschichte verantwortlich war.[44][45] Zum Vergleich: Seit Beginn der Industrialisierung wurden von der Menschheit ca. 2.000 Gigatonnen CO2 emittiert.[46]

Mesozoikum (Erdmittelalter)

Während des Mesozoikums vor 252 bis 66 Millionen Jahre lag die atmosphärische CO2-Konzentration fast durchgehend über 1500 ppm. Dementsprechend herrschten weitgehend subtropische bis tropische Klimabedingungen, wenngleich im späten Jura und in der Unteren Kreide kühlere Phasen auftraten, die jeweils einige Millionen Jahre andauerten.[47]

An der Trias-Jura-Grenze vor 201,5 Millionen Jahren ereignete sich ein weiteres großes Massenaussterben, für das ebenfalls ein Megavulkanismus als primäre Ursache angenommen wird (Zentralatlantische Magmatische Provinz), mit ähnlichen klimatischen Auswirkungen wie die Eruptionen des Sibirischen Trapps.[48] Zu den Großereignissen im Mesozoikum zählt vermutlich auch eine noch nicht sicher nachgewiesene Superplume-Aktivität im Bereich des westlichen Pazifiks vor etwa 120 bis 80 Millionen Jahren. Möglicherweise könnte ein Zusammenhang mit den extremen Treibhausbedingungen in der Oberen Kreide bestehen. Während des Temperaturmaximums vor 97 bis 91 Millionen Jahren erwärmten sich die oberflächennahen Wasserschichten einiger tropischer Meere kurzfristig bis auf 42 °C. In diesem Zeitabschnitt gab es das wahrscheinlich ausgeprägteste Tropenklima (hot house conditions) des gesamten Phanerozoikums.[49] Darüber hinaus trat während der Kreidezeit gehäuft eine Reihe von Ozeanischen anoxischen Ereignissen auf, die eine Versauerung der Meere mit einem deutlichen Absinken des pH-Werts belegen. Ein weiterer Aspekt des Superplume-Szenarios ist der stärkste Meeresspiegel-Anstieg der bekannten Erdgeschichte (Transgression), der dazu führte, dass 200 Meter tiefe Flachmeere weite Bereiche der kontinentalen Landmassen überfluteten.[50]

Am Ende der Kreidezeit kam es zum bisher letzten weltweiten Massenaussterben, von dem nicht nur die Dinosaurier, sondern auch fast alle anderen Tierfamilien mehr oder minder stark betroffen waren. Als Hauptursache für das Verschwinden von 75 % aller Arten gilt gegenwärtig der Einschlag eines etwa 10 km großen Meteoriten auf der mexikanischen Halbinsel Yucatán (Chicxulub-Krater). Aber auch der enorme Vulkanismus bei der Entstehung der Dekkan-Plateaubasalte im heutigen Indien könnte eine mitentscheidende Rolle gespielt haben.

Paläogen

Die Bildung der Eisschilde in Arktis und Antarktis ist eng mit der CO2-Konzentration verknüpft; die untere Grafik zeigt parallel zum Konzentrationsverlauf oben den Temperaturverlauf, der mittels Δ18O bestimmt wurde.

In der Zeit vor 60 bis 50 Millionen Jahren verharrte die CO2-Konzentration auf dem relativ hohen Level von 1500 bis 2000 ppm. Als wahrscheinliche Ursache gilt die sehr schnelle Drift des heutigen Indien in Richtung Norden, bei der im Rahmen der Subduktion karbonatreichen Meeresbodens große Mengen des Treibhausgases in die Atmosphäre gelangten. Dieser Anstieg fand vor 50 Millionen Jahren mit der Kollision des heutigen Indien mit dem asiatischen Kontinent sein Ende. Die darauf folgende Auffaltung des Himalaya war die Ursache für die anschließend beginnende CO2-Reduktion, die durch die Erosion des sich auffaltenden Gebirges verursacht wurde.[51] Kurz darauf, vor 49 Millionen Jahren, sank der atmosphärische CO2-Gehalt im Zuge des Azolla-Ereignisses deutlich unter 1000 ppm.

Vor 55 Millionen Jahren, an der Grenze zwischen Paläozän und Eozän, kam es jedoch zwischenzeitlich mehrfach zu großen Kohlenstoffeinträgen in die Atmosphäre. Beim Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM) wurden über einen Zeitraum von etwa 20.000 Jahren geschätzte 2500 bis 6800 Gigatonnen Kohlenstoff freigesetzt.[42] Bis heute ist nicht geklärt, woher dieser umfangreiche Kohlenstoffzuwachs stammte; die damit verbundene Klimaerwärmung um etwa 6 °C war jedoch so groß, dass es unwahrscheinlich ist, dass die Treibhausgas-Wirkung von Kohlenstoffdioxid alleine dafür ausgereicht hätte. Wie auch beim zwei Millionen Jahre später auftretenden Eozän Thermal Maximum 2 geht man heute überwiegend davon aus, dass umfangreiche Methanausgasungen den beobachteten, starken Temperaturanstieg beschleunigt und verstärkt hatten.[52] Methan hat in der Atmosphäre jedoch nur eine sehr kurze Verweildauer von zwölf Jahren;[53] es wird zu CO2 abgebaut. Damit ist ein Methaneintrag letztendlich ein Kohlenstoffdioxid-Eintrag. Die Erwärmungsphase des PETM hatte eine Dauer von 120.000 bis 170.000 Jahren.[54][55]

Im späten Eozän vor rund 35 Millionen Jahren lag der atmosphärische CO2-Gehalt im Bereich von 1000 ppm. Vor 33,7 Millionen Jahren trat eine abrupte globale Abkühlung ein, von der die Ozeane ebenfalls betroffen waren und deren Ursache noch weitgehend ungeklärt ist. Innerhalb kürzester Zeit nahm die CO2-Konzentration um 40 % ab und sank möglicherweise für einige Jahrtausende noch tiefer.[56] Der rasche Klimawandel führte zu einem großen Artensterben mit anschließendem Faunenwechsel, der Grande Coupure (Eocene-Oligocene Mass Extinction), und zur selben Zeit begann das Wachstum des antarktischen Eisschilds.

Es gibt geologische Hinweise, dass vor 23 Mio. Jahren, am Beginn des Miozän, die CO2-Konzentration auf einen Wert von etwa 350 ppm sank.[57] Im miozänen Klimaoptimum vor 19 bis 15 Mio. Jahren stieg der CO2-Gehalt kurzzeitig wieder in Bereiche von über 600 ppm.[58] Während dieser Warmzeit, die sehr wahrscheinlich durch massive Kohlenstoffdioxid-Ausgasungen des Columbia-Plateaubasalt forciert wurde, verlor der damalige Antarktische Eisschild einen Großteil seiner Masse oder schmolz unter Umständen sogar ganz ab. Unter dem Einfluss starker Erosions- und Verwitterungsprozesse sank die CO2-Konzentration gegen Ende des Optimums vor 14,8 Millionen Jahren unter 400 ppm, und es begann eine kühlere Klimaphase mit einer erneuten Ausbreitung des Antarktischen Eisschilds.

Neogen und Quartär

CO2-Konzentrationen der letzten 400.000 Jahre. Vor 400.000 Jahren lebte in Europa der Vorläufer des Neandertalers, der Homo heidelbergensis. Gemäß der Out-of-Africa-Theorie begann Homo sapiens vor ca. 40.000 Jahren mit der Besiedlung Eurasiens.

Niedrige Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen könnten der Auslöser für die Evolution der C4-Pflanzen gewesen sein, die zu Beginn des Oligozäns vermehrt auftraten und sich in der Zeit vor 7 bis 5 Millionen Jahren weltweit ausbreiteten. C4-Pflanzen sind in der Lage, CO2 effektiver als C3-Pflanzen zu fixieren, was bei geringen atmosphärischen CO2-Konzentrationen einen Evolutionsvorteil bedeutet.

Im Neogen vor 23 bis 2,6 Millionen Jahren kühlte das Weltklima weiter ab, was wahrscheinlich von der Auffaltung der Anden und des Himalaya verursacht wurde.[59] Dieser Prozess erfolgte jedoch nicht linear, sondern wurde regelmäßig von wärmeren Klimaphasen unterbrochen. Mit der Ausbildung der antarktischen und arktischen Eisschilde entstand eine weitere Möglichkeit, den CO2-Gehalt der Atmosphäre vergangener Epochen zu rekonstruieren. Dieses Verfahren ist erheblich genauer als eine entsprechende Analyse auf der Basis von Gesteinsproben. Die längsten, in der Antarktis gewonnenen Eisbohrkerne decken einen Zeitraum von 800.000 Jahren ab.[60] In ihnen sind winzige Luftblasen eingeschlossen, deren CO2-Gehalt erhalten geblieben ist. Die überwiegende Zahl der Studien beruht auf einer Vielzahl antarktischer Eisbohrkerne.

Während der vergangenen 800.000 Jahre variierten die CO2-Konzentrationen zwischen 180 und 210 ppm während der Eiszeiten und stiegen auf Werte zwischen 280 und 300 ppm in den wärmeren Interglazialen.[61][62] Die Analysen von Eisbohrkernen führten zu dem Ergebnis, dass das atmosphärische CO2-Niveau vor dem Beginn industrieller Emissionen im Bereich zwischen 260 und 280 ppm lag. Diese Konzentration blieb im Verlauf der letzten 10.000 Jahre weitgehend stabil. Im Jahr 1832 lag die Konzentration in antarktischen Eisbohrkernen bei 284 ppm.[63]

Der Beginn des menschlichen Ackerbaus während des gegenwärtigen Holozäns könnte eng mit dem Anstieg atmosphärischer Kohlenstoffdioxidkonzentrationen verknüpft sein, der am Ende der letzten Eiszeit zu beobachten war. Diese Kohlenstoffdioxid-Düngung ließ das Pflanzenwachstum ansteigen und reduzierte die Notwendigkeit für eine hohe Durchlässigkeit der Stoma für eine effektive CO2-Aufnahme, was wiederum den Wasserverlust durch Verdunstung reduzierte und die Wassernutzung der Pflanzen effizienter machte.[64]

Da für die aktuelle Entwicklung in den letzten Millionen Jahren keine Entsprechung zu finden sei, wird der Anbruch einer neuen Epoche namens Anthropozän vorgeschlagen.

Messfehler

Eine Studie stellte die Behauptung stabiler CO2-Konzentrationen während des gegenwärtigen Interglazials der letzten 10.000 Jahre in Frage. Basierend auf einer Analyse fossiler Blätter argumentierten Wagner et al.[65] dass die CO2-Konzentration in der Zeit von 7.000 bis 10.000 Jahre vor heute signifikant höher (~300 ppm) war und es substanzielle Veränderungen gab, die mit Klimaveränderungen einhergegangen waren. Von Dritten wird diese Behauptung angezweifelt und darauf hingewiesen, dass es sich viel eher um Kalibrationsprobleme handele als um tatsächliche Veränderungen in der Kohlenstoffdioxidkonzentration.[66] Grönländische Eisbohrkerne deuten oft auf höhere und stärker variierende CO2-Konzentrationen hin, die durch In-situ-Zersetzung von Calciumcarbonat-Staub verursacht wird, der im Eis gefunden wurde. Immer, wenn die Staubkonzentration in Grönland niedrig war – wie dies fast durchgehend in antarktischen Eisbohrkernen der Fall ist –, wird von guter Übereinstimmung zwischen arktischen und antarktischen Messungen berichtet.

Anthropogener Anstieg der CO2-Konzentration

Globale Kohlenstoffemissionen aus fossilen Quellen zwischen 1800 und 2007
Die Keeling-Kurve der Kohlenstoffdioxidkonzentration, gemessen an der Messstation Mauna Loa.
Atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentrationen können mit Hilfe von Laser-Sensoren vom Weltraum aus gemessen werden.

Die von Vulkanen freigesetzte CO2-Menge entspricht weniger als 1 % der vom Menschen freigesetzten Menge.[67]

Der vom Menschen verursachte Eintrag von CO2 beträgt zwar nur 3 % der jährlichen natürlichen Emissionen, jedoch werden die 97 % natürlicher Emissionen von natürlichen Senken wieder vollständig aufgenommen. Der menschengemachte Eintrag in den Kohlenstoffzyklus wurde bislang etwa zur Hälfte von Meeren, Böden und Pflanzen aufgenommen. Der Rest verblieb in der Luft, was seit der Mitte des 19. Jahrhunderts zu einem steten Konzentrationsanstieg in der Atmosphäre geführt hat.[68]

Die atmosphärische CO2-Konzentration überstieg bereits um 1850 erstmals Werte, die in Eisbohrkernen vorangegangener Jahrtausende nicht beobachtet wurden.[63] Die Geschwindigkeit des Anstiegs hat sich seither stetig beschleunigt: Im März 2015 wurden laut der amerikanischen Wetterbehörde National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) global erstmals mehr als 400 parts per million (ppm, Teilchen pro Million) CO2 in der irdischen Atmosphäre gemessen;[69][70][71][72] sie war zwischen den Jahren 2000 und 2009 um jährlich 2,0 ppm angestiegen.[72][73]

Diese gegenwärtige Konzentration liegt um 40 % oberhalb des vorindustriellen Wertes[73] von 280 ppm[74] und um 33 % über dem höchsten in den vergangenen 800.000 Jahren jemals erreichten Wert.[60] Auch während der letzten 14 Millionen Jahre (seit dem Mittleren Miozän) existierten keine signifikant höheren CO2-Werte als gegenwärtig.[75]

Der jüngste drastische Anstieg der CO2-Konzentration ist gänzlich menschlichen Aktivitäten zuzuschreiben.[76] Forscher wissen dies aus drei Gründen: Einerseits kann man die freigesetzte Kohlenstoffdioxid-Menge anhand verschiedener nationaler Statistiken errechnen; zum anderen kann man das Verhältnis der Kohlenstoffisotope in der Atmosphäre untersuchen,[76] da die Verbrennung von lange Zeit vergrabenem Kohlenstoff aus fossilen Energieträgern CO2 freisetzt, das ein anderes Isotopenverhältnis als lebende Pflanzen aufweist. Dies ermöglicht es Forschern, zwischen natürlichen und menschengemachten Beiträgen zur CO2-Konzentration zu unterscheiden. Und zum Dritten führt eine Verbrennung nicht nur zu einer Zunahme der CO2-Konzentration, sondern im selben Maße auch zu einer Abnahme der O2-Konzentration in der Atmosphäre. Demgegenüber ist eine vulkanische CO2-Freisetzung nicht mit einer Abnahme der Sauerstoffkonzentration verbunden. Durch Messungen des atmosphärischen O2-Gehaltes konnte klar belegt werden, dass das freigesetzte CO2 zum allergrößten Teil aus Verbrennungen stammt und nicht vulkanischen Ursprungs ist.[77]

Die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle und Erdöl ist der Hauptgrund für den anthropogenen Anstieg der CO2-Konzentration; Entwaldung ist die zweitwichtigste Ursache. Im Jahr 2012 wurden 9,7 Gigatonnen Kohlenstoff, bzw. 35,6 Gigatonnen CO2 aus der Verbrennung fossiler Energieträger und durch die Zementherstellung freigesetzt. Im Jahr 1990 waren es noch 6,15 Gigatonnen Kohlenstoff bzw. 22,57 Gigatonnen CO2; es ist dies ein Anstieg um 58 % in 23 Jahren.[78] Änderungen der Landnutzung im Jahr 2012 führten zu einer Freisetzung von 0,9 Gigatonnen, im Jahr 1990 waren es 1,45 Gigatonnen.[78] Bei dem großflächigen asiatischen Smogereignis von 1997[79] wurden alleine schätzungsweise zwischen 13 % und 40 % der durchschnittlich weltweit durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzten Kohlenstoffmenge emittiert.[80][81] In der Zeit zwischen 1751 und 1900 wurden durch die Verbrennung fossiler Energieträger ca. 12 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Das bedeutet, dass das allein im Jahr 2012 global emittierte Kohlenstoffdioxid 80 % der in den 150 Jahren zwischen 1750 und 1900 global freigesetzten Stoffmenge entspricht.

Die in der globalen terrestrischen Vegetation gespeicherte Kohlenstoffmenge wuchs von ca. 740 Milliarden Tonnen im Jahr 1910 auf 780 Milliarden Tonnen im Jahr 1990.[82]

Emittenten

Die sechs größten Emittenten von Kohlenstoffdioxid[83] sind im Folgenden tabellarisch aufgeführt.

Länder mit den höchsten CO2-Emissionen
Land Kohlenstoffdioxidemissionen pro
Jahr (Millionen Tonnen) (2014) 		Anteil an der globalen Gesamtmenge
China Volksrepublik Volksrepublik China 9.761,1 27,5 %
Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten 5.994,6 16,9 %
Indien Indien 2.088,0 5,9 %
Russland Russland 1.657,2 4,7 %
Japan Japan 1.343,1 3,8 %
Deutschland Deutschland 798,6 2,2 %

Die sechs Länder mit den höchsten CO2-Emissionen pro Kopf sind:[84]

Länder mit den höchsten CO2-Emissionen pro Kopf
Land CO2-Emissionen pro Jahr
(Tonnen pro Person) (2011)
Katar Katar 43,89
Trinidad und Tobago Trinidad und Tobago 37,19
Kuwait Kuwait 29,13
Brunei Brunei 23,97
Aruba Aruba 23,92
Oman Oman 21,44

Es wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, dieses überschüssige CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen und in Kohlenstoffsenken zu verbringen.

Verhältnis zur Konzentration in den Ozeanen

Austausch von CO2 zwischen Atmosphäre und Meer

Die Ozeane der Erde enthalten in Form von Hydrogencarbonat- und Carbonationen eine große Menge an Kohlenstoffdioxid. Es ist etwa die 50-fache Menge, die sich in der Atmosphäre befindet.[85] Hydrogencarbonat wird durch Reaktionen zwischen Wasser, Fels und Kohlenstoffdioxid gebildet. Ein Beispiel ist die Lösung von Calciumcarbonat:

CaCO3 + CO2 + H2O ⇌ Ca2+ + 2 HCO3−

Veränderungen der Konzentration der atmosphärischen CO2-Konzentration werden durch Reaktionen wie diese abgeschwächt. Da die rechte Seite der Reaktion eine saure Komponente erzeugt, führt die Zufuhr von CO2 auf der linken Seite zu einer Absenkung des pH-Wertes des Meerwassers. Dieser Vorgang ist unter der Bezeichnung Versauerung der Meere bekannt (der pH-Wert des Ozeans wird saurer, auch wenn der pH-Wert im alkalischen Bereich bleibt). Reaktionen zwischen Kohlenstoffdioxid und Nicht-Carbonat-Felsgestein führen daneben zu einem Konzentrationsanstieg von Hydrogencarbonat in den Meeren. Diese Reaktion kann sich später umkehren und führt zur Bildung von Carbonatgestein. Über den Verlauf von Hunderten von Millionen Jahren erzeugte dies große Mengen an Carbonatgestein.

Gegenwärtig werden ca. 57 % des vom Menschen emittierten CO2 von Biosphäre und Ozeanen aus der Atmosphäre entfernt.[86] Das Verhältnis zwischen der in der Atmosphäre verbleibenden zur insgesamt emittierten Kohlenstoffdioxidmenge wird nach Charles Keeling airborne fraction genannt; der Anteil variiert um ein kurzfristiges Mittel herum, liegt aber typischerweise bei ca. 45 % über einen längeren Zeitraum von fünf Jahren. Ein Drittel bis die Hälfte des von den Meeren aufgenommenen Kohlenstoffdioxids ging in den Ozeangebieten südlich des 30. Breitengrades in Lösung.[87]

Letztlich wird der größte Teil des durch menschliche Aktivitäten freigesetzten Kohlenstoffdioxids in den Meeren in Lösung gehen, ein Gleichgewicht zwischen der Luftkonzentration und der Kohlensäurekonzentration in den Meeren stellt sich nach ca. 300 Jahren ein.[88] Selbst wenn ein Gleichgewicht erreicht sein wird, sich in den Meeren also auch Carbonat-Mineralien auflösen, wird dort die erhöhte Konzentration von Hydrogencarbonat und die abnehmende bzw. unveränderte Konzentration an Carbonat-Ionen zu einem Konzentrationsanstieg nicht-ionisierter Kohlensäure, bzw. vor allem zu einer erhöhten Konzentration gelösten Kohlenstoffdioxids führen. Dies wird, neben höheren globalen Durchschnittstemperaturen, auch höhere Gleichgewichtskonzentrationen des CO2 in der Luft bedeuten.

Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Henry-Konstante nimmt die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser mit steigender Temperatur ab.

Unumkehrbarkeit und Einzigartigkeit

Die Verbrennung der Ressourcen aller gegenwärtig bekannter fossiler Energieträger würde es ermöglichen, den CO2-Gehalt der Atmosphäre bis ca. 1600 ppm ansteigen zu lassen. Dies würde die Erde – in Abhängigkeit vom wahren Wert der Klimasensitivität, den man gegenwärtig nur näherungsweise kennt – zwischen 4 °C und 10 °C erwärmen, was unvorhersehbare Konsequenzen nach sich zöge.

Um den Anstieg der Konzentration in der Luft um gegenwärtig jährlich ca. 2 ppm zu stoppen, müssten die CO2-Emissionen schlagartig um 55 % reduziert werden. In diesem Fall bestünde für kurze Zeit ein Gleichgewicht zwischen den menschlichen Emissionen und den natürlichen, das CO2 aufnehmenden Reservoirs. Da diese jedoch zunehmend gesättigt werden, müssten die Emissionen bis zum Jahr 2060 weiter auf dann 20 % der gegenwärtigen Rate gesenkt werden, um einen weiteren Anstieg zu verhindern.[89]

Als Grenze zu einer über die Maßen gefährlichen globalen Erwärmung wurden 2 °C festgelegt, es ist das sogenannte Zwei-Grad-Ziel. Zur Erreichung dieses Ziels müssten die globalen Emissionen im Jahr 2050 um 48 % bis 72 % geringer sein als die Emissionen des Jahres 2000.[90]

Im Rahmen einer Studie wurde angenommen, dass der CO2-Eintrag ab einem bestimmten Punkt vollständig gestoppt wird und die sich über längere Zeit einstellenden Konzentrationen errechnet. Unabhängig davon, ob die Maximalkonzentration, ab der die Emissionen vollständig stoppten, bei 450 ppmV oder bei 1200 ppmV lagen, blieb über den Verlauf des gesamten dritten Jahrtausends ein relativ konstanter Anteil von 40 % der eingebrachten Menge in der Atmosphäre.[91] Geht man von vorindustriell 280 ppmV und aktuell (2015) 400 ppmV atmosphärischer Kohlenstoffxioxid-Konzentration aus, bedeutet dies, dass 40 % der eingebrachten Menge von (400 ppmV – 280 ppmV) * 40 % = 120 ppmV * 40 % = 48 ppmV ohne Maßnahmen des Geoengineerings bis zum Ende des dritten Jahrtausends in der Atmosphäre verblieben. Aber nur, wenn Ende des Jahres 2015 jegliche, von fossilen Energieträgern stammende Emissionen gestoppt worden wären. Die Konzentration in der Luft hätte am Ende des dritten Jahrtausends dann 328 ppmV betragen.[91]

Nachdem sich ein Gleichgewicht zwischen der Konzentration zwischen Meeren und Atmosphäre ausgebildet hat, wird CO2 anschließend über die sehr langsam ablaufende CaCO3-Verwitterung, also die Karbonat-Verwitterung gebunden. David Archer von der Universität Chicago berechnete, dass sich damit selbst nach 10.000 Jahren noch ca. 10 % der ursprünglich zusätzlich eingebrachten Kohlenstoffdioxid-Menge in der Atmosphäre befinden werden. Dieser Zeitraum ist so lang, dass dadurch sehr langsam wirkende Rückkopplungsmechanismen wie z. B. das Abschmelzen antarktischer Eisschilde oder der Zerfall von Methanhydraten signifikant beeinflusst werden können. So gilt es als wahrscheinlich, dass der Beginn der nächsten Eiszeit für mindestens 100.000 Jahre unterdrückt werden wird.[92][88] Archer und andere Autoren verweisen darauf, dass in der öffentlichen Wahrnehmung die Langlebigkeit des Kohlenstoffdioxids – im Gegensatz zum viel diskutierten Abfall radioaktiver Spaltprodukte – wenig thematisiert wird, jedoch eine nicht von der Hand zu weisende Tatsache darstellt.[88][93] Während des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximums wurden große Mengen Kohlenstoff in die Atmosphäre verbracht. Untersuchungen ergaben, dass die Dauer der Erwärmung, die dadurch verursacht wurde, gut mit dem Modell übereinstimmt.[88]

Ausblick

Der anthropogene Kohlenstoffdioxideintrag in die Atmosphäre wird sich nach übereinstimmender wissenschaftlicher Auffassung selbst bei einem weitgehenden künftigen Emissionsstopp nur allmählich verringern und in signifikanten Mengen das Klimasystem über die nächsten Jahrtausende nachhaltig prägen.[91] Einige Studien gehen noch einen Schritt weiter und postulieren unter Einbeziehung der Erdsystem-Klimasensitivität und verschiedener Kippelemente eine sich selbst verstärkende Erwärmungsphase mit einer Dauer ähnlich dem Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum.[94] Sollte die anthropogenen Emissionen in der aktuellen Höhe fortdauern, so werden sich wahrscheinlich Rückkopplungseffekte ergeben, die die atmosphärische CO2-Konzentration weiter steigen lassen. So erwartet man in einem Business-as-Usual-Szenario, dass etwa gegen Mitte diese Jahrhunderts die Böden nicht mehr eine Senke, sondern eine Quelle von Kohlenstoffdioxid sein werden. Ab dem Jahr 2100 werden sie dann voraussichtlich mehr emittieren, als die Meere absorbieren können. Simulationen ergaben, dass aus diesem Effekt bis zum Ende des Jahrhunderts eine Erwärmung um 5,5 K anstelle von 4 K ohne diese Rückkopplung resultiert.[95]

Verschiedene Berechnungen kommen zu dem Schluss, dass die Carbonatverwitterung in ca. 30.000 Jahren gesättigt sein wird und dass dadurch keine weitere Absenkung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre und den Ozeanen stattfindet. Da die dann wirkende Silikatverwitterung nochmals langsamer abläuft, werden in 100 000 Jahren noch etwa 5 % der vom Menschen eingebrachten Kohlenstoffmenge in der Atmosphäre vorhanden sein. In etwa 400.000 Jahren wird die Kohlenstoffmenge wieder Werte erreichen, wie sie vor dem menschlichen Eingriff in den Kohlenstoffzyklus existierten.[88][93]

Sehr wahrscheinlich werden die in der Vergangenheit stattgefundenen Ereignisse wie Klimaschwankungen, Massenaussterben oder der Megavulkanismus einer magmatischen Großprovinz weiterhin wesentliche Faktoren der künftigen Erdgeschichte sein. Über längere geologische Zeiträume wird sich mit der Abkühlung des Erdinneren der Vulkanismus abschwächen und die Rückführung von CO2 in die Atmosphäre verlangsamen. Der Kohlenstoffdioxid-Gehalt wird zuerst für C3-Pflanzen auf eine existenzbedrohende Konzentration von unter 150 ppmV sinken. Für C4-Pflanzen liegt die Untergrenze dagegen bei 10 ppmV. Über den Zeitrahmen dieser Veränderungen geben die verschiedenen Studien stark abweichende Antworten.

Weblinks

Einzelnachweise

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