Seit 1990 bindet der Ozean immer größere Anteile des Kohlendioxids, das durch fossile Brennstoffe in die Atmosphäre freigesetzt wurde. Die Netto-Kohlenstoffaufnahme, also die Bilanz aus Verlusten durch Landnutzung und Speicherung in ungestörten Wäldern, Böden und anderen Landökosystemen, blieb hingegen in den letzten 30 Jahren nahezu unverändert. Zu diesem Ergebnis kommt eine neue Studie, die von Wissenschaftlern der Scripps Institution of Oceanography der UC San Diego, USA, geleitet wurde.
Die am 12. November in der Zeitschrift Science veröffentlichte Studie stützt sich auf Messdaten des atmosphärischen Sauerstoffs und des Kohlendioxids (CO₂), die über mehr als 30 Jahre an abgelegenen Standorten erfasst wurden. Die Ergebnisse tragen zu einem deutlich verbesserten Verständnis dazu bei, wie sich die Kohlenstoffsenken des Planeten im Laufe der Zeit verändert haben. Ozeane und Landökosysteme haben etwa die Hälfte der CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Energieträger ausgeglichen. Dadurch wurde der Anstieg des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre deutlich verlangsamt und die Erwärmung des Klimas gemildert.
„Ohne die Land- und Meeresökosysteme, die die Hälfte des CO₂ aus den Emissionen fossiler Brennstoffe binden, würden wir auf einem ganz anderen Planeten leben“, sagte Eric Morgan, Hauptautor der Studie und Wissenschaftler bei Scripps. „Diese Senken lassen sich jedoch nicht direkt beobachten. Herauszufinden, wie viel CO₂ sie genau gebunden haben und wie sie sich im Laufe der Zeit verändert haben, ist ein zentrales Ziel bei der Erforschung des Kohlenstoffkreislaufs und des Klimasystems.“
Erkenntnisse aus atmosphärischen Messungen
„Seit den frühen 1960er Jahren ist aus direkten Messungen bekannt, dass der CO2-Gehalt in der Atmosphäre aufgrund der Verbrennung fossiler Energieträger ansteigt. Gleichzeitig bewirkt derselbe Prozess einen Rückgang des Sauerstoffgehalts, da bei der Verbrennung von Kohle, Gas und Öl nicht nur CO₂ entsteht, sondern auch Sauerstoff (O₂) verbraucht wird. An Land bewirkt die Photosynthese der Pflanzen ein Absenken des CO₂-Gehalts und setzt gleichzeitig Sauerstoff frei. In den Ozeanen wird CO₂ vor allem durch chemische Reaktionen im Meerwasser gebunden, was aber keinen Einfluss auf den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre hat. Durch diesen Unterschied im O2-Kreislauf kann die anteilige CO2-Aufnahme zwischen Ozeanen und Landökosystemen bestimmt werden.
Im Rahmen des Scripps-O₂-Forschungsprogramms werden seit mehr als 30 Jahren regelmäßig Luftproben an weltweiten Standorten entnommen, an das Scripps-Institut geschickt und dort der Gehalt an O₂ und CO₂ in jeder Probe gemessen. Anhand der langfristigen Trends von Sauerstoff und CO₂ aus diesen Aufzeichnungen konnten die Forscher über lange Zeiträume ermitteln, wie viel CO₂ in die Ozeane und wie viel in die Ökosysteme der Landoberfläche gelangt.
Die Forscher stellten fest, dass Ozeane von 1990 bis 2019 im Durchschnitt jährlich 2,8 Milliarden Tonnen (Petagramm) CO₂ aufnahmen. Dies entspricht etwa 35 % der CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen in diesem Zeitraum. Diese CO₂-Senke der Ozeane steigerte sich pro Jahrzehnt um 0,63 Milliarden Tonnen Kohlenstoff. Damit wurde der CO₂-Anstieg in der Atmosphäre verlangsamt. Sie hat jedoch auch negative Folgen für die Ozeane. Durch Aufnahme von CO2 im Meerwasser sinkt der pH-Wert, was auch als Ozeanversauerung bekannt ist und reduziert so die Pufferwirkung des Ozeans.
Die Netto-Kohlenstoffsenke an Land zeigte hingegen keinen nennenswerten langfristigen Trend. Von 1990 bis 2019 nahmen Landökosysteme durchschnittlich 1 Milliarde Tonnen Kohlenstoff pro Jahr auf – etwa 13 % der Emissionen aus fossilen Brennstoffen –, wobei die Intensität von Jahrzehnt zu Jahrzehnt stark schwankte. Die Kohlenstoffsenke an Land erreichte ihren Höchststand im Jahrzehnt um 2009 und ist seitdem insgesamt zurückgegangen.
Dieses Ergebnis steht im Widerspruch zu der Mehrzahl von Erdsystemmodellen, die eine wachsende natürliche Kohlenstoffsenke der Landvegetation simulieren. Denn steigende CO₂-Konzentrationen und die Stickstoffdüngung fördern das Pflanzenwachstum. Um den in den Modellen prognostizierten Zuwachs der Senkenfunktion auszugleichen, hätten daher die Kohlenstoffemissionen bedingt durch Entwaldung und andere Landnutzungsänderungen stark ansteigen müssen. Aktuelle Berechnungen zeigen aber, dass diese Emissionen zurückgehen.
„Die mit diesen Daten aufgezeigte Stagnation der Landsenke war zunächst für uns überraschend, bedeutet aber nicht, dass die direkten Düngeeffekte in den Modellen grundsätzlich überschätzt werden“, meint Sönke Zaehle, Direktor am MPI für Biogeochemie und Mitautor der Studie. „Vielmehr deutet dieser Trend darauf hin, dass Kohlenstoffverluste von Landökosystemen entweder durch natürliche Prozesse, oder aber durch Störungen wie Feuer grösser sind als zuvor gedacht. Das bedeutet, dass die Landsenke möglicherweise auf den Klimawandel stärker reagiert, als bisher angenommen.“
Auch wenn die Ozeansenke in den letzten Jahrzehnten an Stärke gewonnen hat, wird sie in Zukunft durch die Erwärmung der Ozeane an Wirksamkeit verlieren. Wärmeres Wasser kann nämlich nicht so viel CO₂ binden. Außerdem vermischt sich wärmeres Oberflächenwasser weniger effizient mit den Tiefenschichten des Ozeans, wo das CO₂ für viele Jahrhunderte aus der Atmosphäre entfernt wird.
„Diese langfristigen Messungen sind nicht leicht aufrecht zu erhalten und sehr aufwändig, aber der Nutzen für ein besseres Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs ist enorm“, sagte Ralph Keeling, Professor für Geowissenschaften am Scripps-Institut und Mitautor der Studie.
Die Studie weist auch darauf hin, dass die genaue Erfassung dieser Senken für die Gestaltung globaler Maßnahmen gegen den Klimawandel entscheidend ist. Denn Klimamodelle beschreiben, basierend auch auf der Stärke der Senken, die Wege und Stellschrauben, mit denen Emissionsminderungen zum Erreichen eines Temperaturziels möglich sind.
Ein Messrekord, der über Jahrzehnte hinweg entstanden ist
Das 1989 vom Geowissenschaftler Ralph Keeling ins Leben gerufene Programm dient der Messung von Veränderungen des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre. Heute werden an zehn Messstationen entlang eines Transekts über den Pazifik von der Arktis bis zum Südpol Messungen durchgeführt. Das Programm ergänzt die sogenannte Keeling-Kurve, die Aufzeichnung der atmosphärischen CO₂-Konzentration, die Charles David Keeling 1958 am Mauna Loa auf Hawaii begann.