Kohlenstoffzyklus

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Unter Kohlenstoffzyklus oder Kohlenstoffkreislauf versteht man das System der chemischen Umwandlungen kohlenstoffhaltiger Verbindungen in den globalen Systemen Lithosphäre, Hydrosphäre, Erdatmosphäre und Biosphäre sowie den Austausch dieser Verbindungen zwischen diesen Erdsphären. Die Kenntnis dieses Kreislaufs einschließlich seiner Teilprozesse ermöglicht es unter anderem, die Eingriffe des Menschen in das Klima und damit ihre Auswirkungen auf die globale Erwärmung abzuschätzen und angemessen zu reagieren.

Das System „Erde“ wird als geschlossenes System betrachtet. Zufuhr von Kohlenstoff beispielsweise durch Meteorite oder kernchemische Vorgänge und Verlust von Kohlenstoff beispielsweise durch Raumfahrt werden dabei außer Acht gelassen. Unter dieser Bedingung kann man den Gesamtkohlenstoffgehalt des Systems „Erde“ als konstant betrachten.

Jedes der fünf Teilsysteme Atmosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre, Biosphäre und Pedosphäre bildet einen Kohlenstoffspeicher oder Kohlenstoffreservoir. Ein solches Reservoir hat eine Speicherkapazität und einen gespeicherten Kohlenstoffvorrat, auch Kohlenstoffpool genannt.

Ein Reservoir ist durch die Speicherformen des Kohlenstoffs charakterisiert. So speichert die Lithosphäre Kohlenstoff unter anderem in Form von Carbonatgesteinen (Kalkstein), die Biosphäre in Form organischer Kohlenstoffverbindungen sowie in Kalkskeletten der Tiere.

Zwischen Reservoirs gibt es Kohlenstoffflüsse (auch Kohlenstoff-Fluxe). Wichtige Kenngrößen, die sich aus den Flüssen ergeben, sind Verweildauer im Reservoir, Zufluss und Abfluss (Flussraten). Gibt ein Reservoir R₁ pro Zeiteinheit mehr Kohlenstoff an ein anderes Reservoir R₂ ab, als es aus diesem aufnimmt, handelt es sich bei R₁ um eine Kohlenstoffquelle in Bezug auf R₂, während R₂ eine Kohlenstoffsenke ist.

Im Zusammenhang mit dem Kohlenstoffzyklus ist das Kohlenstoffbudget, auch Kohlenstoffbilanz, eine budgetmäßige Aufstellung der Zu- und Abflüsse eines Reservoirs. (Der Begriff Kohlenstoffbudget kann – vor allem in der Klimapolitik – auch speziell die Aufnahmekapazität der Atmosphäre bezeichnen, die noch verbleibt, bis die globale Temperatur eine bestimmte Grenze überschreitet, siehe CO₂-Budget.)

Die hier skizzierten Begriffe können allgemein für beliebige Reservoirs und auch für andere Stoffe als Kohlenstoff verwendet werden. Im Zusammenhang mit dem gegenwärtigen Klimawandel werden sie oft in Bezug auf die Atmosphäre als Referenzreservoir verwendet

Flussraten können sich ändern. Beispielsweise wird damit gerechnet, dass die Aufnahmefähigkeit der Ozeane mit zunehmender CO₂-Konzentration in der Atmosphäre abnimmt. Reservoirs können infolge der relativen Änderung von Flussraten ihre Rolle vertauschen, also z. B. von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle werden.

Beispielsweise ist die terrestrische Biosphäre im nordhemisphärischen Winter eine Kohlenstoffquelle und im Sommer eine Kohlenstoffsenke, da die Landmasse auf der Nordhalbkugel größer ist. Dies zeigt sich im jährlichen Auf und Ab der Keeling-Kurve, die den CO₂-Gehalt der Atmosphäre darstellt