Der globale Kohlenstoff-Haushalt: schöne Zahlen, vorge­täuschtes Vertrauen, aber höchst fragwürdig (Teil 3)

Der Zyklus, der uns fast immer präsentiert wird, ist der der Messstation auf dem Vulkan Mauna Loa auf Hawaii. Sie hat die längste Messreihe von allen Stationen und gilt als repräsentativ für den durchschnittlichen CO₂-Gehalt auf der Erde. Bevor ich mich mit diesem Thema befasste, dachte ich immer, dass die so genannte Keelingkurve mit ihrem typischen Sägezahnmuster repräsentativ für die globale CO₂-Konzentration sei. Das ist jedoch bei weitem nicht der Fall. Das atmosphärische CO₂ ist nicht homogen über die Erde verteilt. Offenbar sind große Zirkulationen, Wind und Turbulenzen nicht in der Lage, das CO₂-Gas gleichmäßig über den ganzen Planeten zu verteilen.

Zum Beispiel messen Stationen in hohen Breitengraden der nördlichen Hemisphäre eine viel größere jahreszeitliche Amplitude als wir es vom Mauna Loa zu sehen gewohnt sind. Im Gegensatz dazu zeigen Messstationen in hohen Breiten in der südlichen Hemisphäre kaum ein Sägezahnmuster. In Abbildung 1 habe ich die Daten (dank NOAA) von drei Stationen, Alaska, Hawaii und Tasmanien, in einer Grafik zusammengefasst:

Ein weiterer interessanter Aspekt des Sägezahns ist, dass der Zeitraum, in dem die Photosynthese eine Nettoabnahme von CO₂ bewirkt, nur 4,5 Monate lang ist. Die Periode des CO₂-Anstiegs beträgt also 7,5 Monate. Dieses Verhältnis war jedoch vor 50 Jahren anders: 5 und 7 Monate. Mehr dazu weiter unten.

Wenn der Mauna Loa den Durchschnitt darstellt, würde dies bedeuten, dass die Atmosphäre zu dieser Jahreszeit einen Rekord von 888 GtC (= 417 ppm) erreicht hat, da der Sägezahn um Mitte Mai sein jährliches Maximum erreicht. Der tiefste Punkt in diesem Jahr wird um den 25. September mit einem Niveau von etwa 410 ppm (= 873 GtC) erreicht werden. Daraus könnte gefolgert werden, dass die Photosynthese während der Sommersaison im Durchschnitt nur 7 ppm (= 15 GtC) absorbiert. Wie lässt sich das mit den 120 GtC in Einklang bringen, die im Kohlenstoffhaushalt immer erwähnt werden? Die Erklärung liegt in der Tatsache, dass diese 15 GtC das Netto-Endergebnis von zwei gegenläufigen Prozessen sind: der Photosynthese und der Boden- und Pflanzenatmung. Im Sommer siegt die Photosynthese über die Boden- und Pflanzenatmung, was zu einer Nettoabnahme von 15 GtC zwischen Mai und September führt.

Die Tatsache, dass die Sägezahngraphik insgesamt einen Aufwärtstrend von 2 ppm/Jahr zeigt, bedeutet auch, dass jedes Jahr mehr CO₂ in die Atmosphäre gelangt als aus ihr entfernt wird. Aber was ist mit der von Satelliten beobachteten Begrünung durch CO₂-Düngung (Abbildung 2 und Ref. 1)? Die CO₂-Zunahme verursacht zwar eine Begrünung, aber sie reicht nicht aus, um sowohl die menschlichen Emissionen als auch die erhöhte natürliche Atmung zu absorbieren (siehe Teil 1). Eine logische Frage, die man sich stellen kann: wirkt sich diese Begrünung auch auf das Sägezahnmuster aus? Ich habe das untersucht und bin zu einigen interessanten Schlussfolgerungen gekommen.

Um zu wissen, ob sich das Sägezahnmuster im Laufe der Zeit verändert hat, habe ich die letzten 50 Jahre in zehn 5-Jahres-Perioden unterteilt und – nach Trendbereinigung – den Durchschnitt jeder Periode ermittelt. Abbildung 3 vergleicht die durchschnittlichen Zyklen des ersten und des letzten Jahrzehnts dieser 50-Jahres-Periode.

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Es ist nicht überraschend, dass die Amplitude um 25% gestiegen ist, da auch der CO₂-Gehalt in der Atmosphäre zugenommen hat, von 325 ppm im Jahr 1969 auf 410 ppm im Jahr 2019, was einer Zunahme von 26% entspricht. Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Amplitudenzunahme ein Maß für die Zunahme der Photosynthese und damit auch der Begrünung ist. Wenn die jährliche Gesamtaufnahme von CO₂ durch die Photosynthese derzeit auf 120 GtC geschätzt wird, würde dies bedeuten, dass vor 50 Jahren die jährliche Aufnahmekapazität etwa 95 GtC betrug, 25 GtC weniger als heute.

CO₂-Anstieg sind.

Der IPCC schätzt, dass der Ozean soviel absorbiert wie er emittiert (90 GtC/Jahr), mit Ausnahme einer kleinen zusätzlichen Aufnahme von 1,25 GtC/Jahr (im Vergleich zu 1969) aufgrund des erhöhten CO₂-Partialdrucks. Die möglichen Emissionen durch Ausgasung als Folge der Erwärmung des Ozeans werden auf 16 ppm pro Grad C Erwärmung geschätzt. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Schätzung von einer Gleichgewichtssituation an der Grenzfläche zwischen Luft und Meer ausgeht, was nicht unbedingt auf die Tiefsee zutrifft, wo Strömungen und das Aufsteigen von kaltem CO₂-reichem Wasser die Arbeit erschweren können. Die globale Erwärmung seit 1969 beträgt laut HADCRUT4 0,85 Grad C, was einer Ausgasung von 13,6 ppm (29 GtC) oder 0,6 GtC/Jahr entspricht.

Von allen oben zitierten Zahlen sind nur zwei das Ergebnis tatsächlicher harter Datenerhebung: a) CO₂-Konzentration in der Atmosphäre und b) CO₂-Emissionen des Menschen. Alle anderen Zahlen sind Gegenstand von Schätzungen, die sich auf das Verständnis/die Interpretation komplexer biologischer, chemischer und physikalischer Prozesse stützen.

Nehmen wir für einen Moment an, dass die zusätzlichen 25 GtC bei der jährlichen Photosynthese kohlenstoffneutral sind (Aufnahme entspricht den Respirationsprozessen). Der jährliche zusätzliche CO₂-Ausstoß des Menschen beträgt 5 GtC, eine der beiden harten Zahlen. Die zusätzliche Bodenatmung beträgt 12 GtC aufgrund der steigenden Bodentemperatur. Die zusätzliche Ausgasung aufgrund des Anstiegs der Wassertemperatur in den Ozeanen wird auf 0,6 GtC geschätzt, das ist eine jährliche Gesamtzunahme von 17,6 GtC im Vergleich zu 1969.

Auf der Empfängerseite haben wir drei Reservoirs: Ozean, Land und Atmosphäre.

Die Menge, die die Atmosphäre jährlich zusätzlich erhält, ist die andere unbestrittene harte Zahl: 2,4 ppm (= 5 GtC), das sind 1,6 ppm (= 3,4 GtC) mehr als die 0,8 ppm im Jahr 1969. Ozean und Land sind also für den Erhalt des Saldos von 14,2 GtC verantwortlich.

CO₂-Flüsse.

Ref. 1. Carbon Dioxide Fertilization Greening Earth. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/carbon-dioxide-fertilization-greening-earth

Ref. 2. Yadugiri V Tiruvaimozhi, et al. 2019. Soil respiration in a tropical montane grassland ecosystem is largely heterotroph-driven and increases under simulated warming. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/501155v2.full

Übersetzt von Chris Frey EIKE