Kohlenstoff ist eines der bedeutendsten Elemente auf der Erde. Als Grundbaustein für biologische Verbindungen spielt er eine zentrale Rolle für alle Lebewesen, aber auch für das Gleichgewicht unseres Planeten ist das Element verantwortlich. So wird durch den Treibhauseffekt ein warmes Klima ermöglicht und verhindert, dass die aktiven Prozesse des Himmelskörpers wie etwa Plattentektonik und Vulkanismus stoppen und die Erde in einen irreversibel passiven Zustand gerät. Die verschiedenen Sphären stehen im engen Austausch zu einander und auch der Kohlenstoff bleibt dabei nicht außen vor. In zahlreichen Prozessen wechselt das Element mit der 6. Ordnungszahl zwischen verschiedenen Zuständen von Reservoir zu Reservoir. Im folgenden Abschnitt werden diese Speicher vorgestellt und ihre wichtigsten Austauschprozesse erläutert.
Reservoirs
Im C-Kreislauf gibt es 5 wesentliche Speicher, welche insgesamt etwa 75 Millionen Gt Kohlenstoff beinhalten: Die Atmosphäre, Hydrosphäre, Pedosphäre, Biosphäre und den geologischen Speicher. Diese sind von unterschiedlicher Größe und haben verschiedene Verweilzeiten.
Atmosphäre
Die Atmosphäre besteht zum größten Teil aus drei Hauptkomponenten: Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Argon (0,93). Die restlichen Gase werden als Spurengase zusammengefasst, da ihr prozentualer Anteil an der Atmosphäre sehr gering ist. Darunter fallen auch Gase welche Kohlenstoff enthalten wie z.B. Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, welches mit ca. 0,04% den größten Anteil an der Atmosphäre hat. Die Atmosphäre ist mit ca. 850 Gt Kohlenstoff ein kleines Reservoir, hat allerdings auch eine geringe Verweildauer und steht deshalb im regen Austausch mit den anderen Speichern. Die wichtigsten Austauschprozesse sind hier die Respiration und Photosynthese, vulkanische Ausgasungen und Bildung sowie chemische Verwitterung von Silikat-Gesteinen und Kalk.
Hydrosphäre
In der Hydrosphäre betrachtet man das gesamte Vorkommen von flüssigem Wasser. Dort liegt Kohlenstoff in gelöster Form von
CO2, Hydrogencarbonat- und Carbonat vor. Etwa 38000 Gt C sind so gebunden. Im Ozean, dem größten Teil der Hydrosphäre, wird aufgrund des höheren Partialdrucks von CO2 in der Atmosphäre dieser aufgenommen. Kohlendioxid aus der Luft wird gelöst und reagiert zu Hydrogenkarbonat und Karbonat. Die Hydrosphäre steht durch Respiration und Photosynthese ebenfalls mit der Biosphäre im Austausch. Eine Besonderheit hierbei ist die Bildung von Kalkschalen von Organismen. Einige Lebewesen fällen Karbonat aus um eine schützende Hülle zu erschaffen. Diese Schalen und tote organische Substanz sinkt in der Wassersäule zu Boden und geht dort durch Diagenese in den geologischen Speicher über.
Pedosphäre
Die Pedosphäre beschreibt den Boden der Erde. Sie ist Schnittstelle für alle anderen Speicher und ebenfalls im regen Austausch mit ihnen. Der wichtigste Prozess im Bezug auf den Kohlenstoffkreislauf ist hierbei die Fixierung durch Pflanzen. Photosynthese betreibende Organismen entziehen der Atmosphäre Kohlenstoff und bei deren Tod wird dieser z.B. in Mooren gebunden und kann in Form von Kohlevorkommen sogar in die Geosphäre übergehen. Ein weiterer großer C-Speicher der Pedosphäre sind Permafrostböden. In Regionen in denen die Bodentemperaturen das ganze Jahr über unter 0° C bleiben wird organische Substanz nicht von Destruenten abgebaut und so der darin enthaltene Kohlenstoff nicht in Form von CO2 an die Atmosphäre abgegeben.
Biosphäre
Das Reservoir mit der kürzesten Verweildauer ist die Biosphäre. Alle lebendigen Organismen sind dort zusammengefasst. Durch Stoffwechselvorgänge nehmen Lebewesen Kohlenstoff auf und speichern diesen in organischen Verbindungen und Kalk, oder geben Kohlenstoff an ihre Umgebung in Form von CO2 oder Methan ab. Nach ihrem Ableben geht der Kohlenstoff aus den Organismen in andere Sphären über, wie z.B. die Pedo- oder Hydrosphäre.
Geologische Speicher
Auf langfristigen Skalen ist der geologische Speicher sicherlich der bedeutsamste. Unterhalb der Erdoberfläche lagern nicht nur rund 99% des globalen Kohlenstoffs, dieser wird dort auch für sehr lange Zeit gebunden. Während sich die Verweilzeiten der anderen Sphären auf Jahre bis Jahrtausende beschränken, bleiben die Vorräte in der Geosphäre bis zu mehrere Hunderte Millionen Jahre und länger im Erdinneren gebunden. Kohlenstoff ist hier in Form von Karbonatgesteinen, Öl, Gas oder Kohle gespeichert. Kohlenstoff der in die Geosphäre gelangt wird für viele Millionen Jahre gespeichert und somit als Senke aus dem kurzweiligen Zyklus genommen. Das Verbrennen von fossilen Brennstoffen entlässt Kohlenstoff in die Atmosphäre, welcher eigentlich noch nicht in den aktiven Zyklus gehört. Die Folge ist eine rapide Erderwärmung wie wir sie gerade erleben. In die Geosphäre hinein gelangt Kohlenstoff durch Diagenese, also “Versenkung” von Sedimenten, organischem Material und Gesteinsschichten ins Erdinnere oder durch plattentektonische Prozesse, bei welchen ozeanische Kruste unter kontinentale Kruste geschoben wird. Dieser Prozess wird Subduktion genannt.
Vulkanismus
Wenn Kohlenstoff aus der Geosphäre entweicht passiert dies über Vulkanismus. Unter hohem Druck und Temperatur verflüssigen sich Gesteine und werden zu Magma. Das flüssige Gestein wandert aufgrund der geringeren Dichte im Erdmantel nach oben bis es schließlich an der Oberfläche angelangt ist. Dort kommt es zur Eruption. Flüssiges Lava, Festgesteine und Gase entweichen in die Atmosphäre oder Hydrosphäre, darunter hauptsächlich CO2. Je nach Magmen-Zusammensetzung können auch größere Anteile an Methan und Kohlenmonoxid austreten. Hierbei gibt es verschiedene Auslöser. Im Mantel gibt es zirkuläre Strömungen welche dafür sorgen, dass heißes Gesteinsmaterial an bestimmten Stellen, den Mittelozeanischen Rücken, aufsteigt und zwei Platten divergent, also in entgegengesetzte Richtung zu einander, wegdriften. Dieser Vorgang wird “Seafloorspreading” genannt und Vulkanismus tritt hier in Form von schwarzen Rauchern auf. Dort entweichen Gase in den Ozean, darunter auch CO2.
Betrachtet man nun das andere Ende einer solchen ozeanischen Platte, gelangt man zu Subduktionszonen. Die ozeanische Platte wird aufgrund der geringeren Dichte unter kontinentale Plattenränder subduziert und gelangt so in den Mantel. Durch die Reibungskräfte wird viel Energie frei, welche sich in Form von Temperaturerhöhung auswirkt. Im subduzierten Gestein können auch Wassermoleküle mit verfrachtet werden, welche den Schmelzpunkt der Gesteine zusätzlich herabsetzten. Es kommt zur teilweisen Aufschmelzung der Festgesteine und Vulkane sind die Folge. Im Gegensatz zum Seafloorspreading ist der Kohlenstoff der hier entweicht nicht (nur) aus dem Mantel, sondern aus dem umliegenden Gestein. Beispiele für Vulkanismus an Subduktionszonen sind z.B Japan oder die Phillippinen. Eine Art des Vulkanismus, die nicht an Plattenaktivität gebunden ist sind sogenannte Hotspots. Sie werden ebenfalls durch Wärmeströmungen im Mantel hervorgerufen, allerdings können die aufsteigenden Magmen weit entfernt von Plattengrenzen an die Oberfläche gelangen. Beispiele hierfür sind Hawaii, Island oder der Yellowstone Nationalpark in Amerika.
Bedeutung der Vulkane im Kohlenstoffkreislauf
Auf kurzen Skalen spielt Vulkanismus eine eher kleinere Rolle. Kohlenstoff der durch Vulkanismus an die Erdoberfläche gelangt, wird weitaus geringer geschätzt als die Menge die durch anthropogene Einflüsse frei wird. In den langen geologischen Skalen der Erdgeschichte sind die Vulkane aber unabdingbar für das bestehen des Systems Erde. So sorgten Vulkanische Ausgasungen in frühen Entwicklung unseres Planeten für die Entstehung einer Atmosphäre, welche zunächst hauptsächlich aus Wasserdampf bestand, aber auch zu 10 % aus CO2. Nachdem die Erde etwas abkühlte und die ersten Ozeane entstanden dominierten CO2 und Stickstoff die Atmosphäre, bis zum ersten mal Sauerstoff durch Cyanobakterien in die Atmosphäre gelangte. Außerdem sorgen Vulkane in Zeiten drohender globaler Vereisung für einen enormen Anstieg der CO2 Konzentration und verhindern so eine “Snowball-Earth”, also eine komplette Vereisung des Planeten.