CO2-Senken und CO2-Quellen: Moore speichern CO2, sogar während Dürreperioden

Der Kohlenstoffzyklus tauscht jährlich enorme Mengen aus. Zwischen Ozean und Atmosphäre wandern jährlich 80 Milliarden Tonnen Kohlenstoff hin und her, zwischen Land und Atmosphäre sogar 120 Milliarden Tonnen. Eine Milliarde Tonnen entspricht übrigens einer GigaTonne bzw. einem Pentagramm (Pg), nur falls sie mal woanders andere Einheiten finden. Heute schauen wir auf neue Forschungserkenntnisse zu den CO2-Quellen und CO2-Senken. Wo kommt zusätzliches CO2 her, wo wird es dem System entzogen?

CO2-Quellen:

Die University of Washington gab 2018 bekannt, dass die eisfreien Meeresbereiche um die Antarktis im Winter unerwartet viel CO2 an die Atmosphäre abgeben. Das ergaben jetzt Messungen mit Schwimmrobotern. Die tiefen Wasserschichten sind dort sehr kohlenstoffreich, und der Kohlenstoff scheint einen Weg zur eisfreien Meeresoberfläche zu finden. Lange hatte man gedacht, dass der Südliche Ozean um die Antarktis eine CO2-Senke wäre. Die neuen Erkenntnisse enttäuschen diese Hoffnung nun jedoch. Der „Southern Ocean“ ist wohl doch eher insgesamt CO2-neutral. Paper: Gray et al. 2018.

Lange hatte man angenommen, dass im Zuge des Klimawandels austrocknende Moore und Sümpfe durch Zersetzung von Torf und anderen organischen Ablagerungen große Mengen an CO2 und Methan an die Atmosphäre abgeben könnten. Dabei hatte man die Feuchtgebiete aber offenbar unterschätzt, wie Forscher der Duke University herausfanden. Die Sümpfe und Moore haben nämlich offenbar einen natürlichen biochemischen Schutzmechanismus der ihnen hilft, sich gegen die Zersetzung ihrer Ablagerungen zu schützen, selbst bei wärmeren Temperaturen und extremen Dürren. Paper: Hodgkins et al. 2018.

Immer wenn es in Ney York City kräftig regnet, muss die Stadt ungeklärtes Wasser in die nahen Feuchtgebiete leiten. Forscher weisen nun daraufhin, dass dies zu zusätzliche CO2- und Methanemissionen führt, die die Stadt verbuchen muss. Paper: Brigham et al. 2018

Und auch in Los Angeles wurde etwas näher hingeschaut. Etwa ein Fünftel aller CO2-Emissionen der Stadt stammen offenbar von Rasenflächen und Golfplätzen. Merke: Der Klimaschützer besitzt lieber einen japanischen Steingarten und vermeidet das Golfspielen.

Die Zeit im August 2019:

Klimawandel: Afrikas Tropenwälder stoßen unerwartet viel CO2 aus

Wo Wälder und Böden intakt sind, speichern sie Kohlendioxid. Doch Afrikas Tropenwälder geben große Mengen des Treibhausgases ab. Eine mögliche Ursache: degenerierte Böden

[…] Für eine aktuelle Studie (Nature Communications: Palmer et al., 2019) haben Geowissenschaftler um Paul Palmer von der University of Edinburgh nun Satellitendaten aus den Jahren 2009 bis 2017 ausgewertet und dabei Überraschendes festgestellt: Während die tropischen Waldgebiete in Südamerika – also etwa im Amazonasgebiet –, Asien und Australien wie zu erwarten in der Bilanz weiterhin zuverlässig CO2 speichern, zeigte sich, dass einige tropische Waldregionen Afrikas im Durchschnitt einiger Jahre große Mengen an Treibhausgas abgegeben haben – und zwar in einer Menge, die weit über den Erwartungen liegt. Die höchsten Werte stellte das Forscherteam über dem Kongobecken und Äthiopien fest.

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Und dann sind da natürlich noch die Vulkane. Der vulkanische CO2-Ausstoß wird vom IPCC auf 100 Million Tonnen Kohlenstoff geschätzt. Allerdings liegen nur von den wenigsten Vulkanen der Erde Messdaten vor, die dann hochgerechnet werden. Evgenia Ilyinskaya und Kollegen haben nun am isländischen Vulkan Katla Messungen vorgenommen und waren erstaunt, dass allein dieser Vulkan 4% der globalen CO2-Emissionen zu verantworten hat. Die Forscher stellen sich die Frage, ob der vulkanische CO2-Ausstoß vielleicht viel größer ist und die Katla damit gar nicht so außergewöhnlich ist wie sie jetzt scheint. Abstract von Ilyinskaya et al. 2018:

Globally Significant CO2 Emissions From Katla, a Subglacial Volcano in Iceland

Volcanoes are a key natural source of CO2, but global estimates of volcanic CO2 flux are predominantly based on measurements from a fraction of world’s actively degassing volcanoes. We combine high‐precision airborne measurements from 2016 and 2017 with atmospheric dispersion modeling to quantify CO2 emissions from Katla, a major subglacial volcanic caldera in Iceland that last erupted 100 years ago but has been undergoing significant unrest in recent decades. Katla’s sustained CO2 flux, 12–24 kt/d, is up to an order of magnitude greater than previous estimates of total CO2 release from Iceland’s natural sources. Katla is one of the largest volcanic sources of CO2 on the planet, contributing up to 4% of global emissions from nonerupting volcanoes. Further measurements on subglacial volcanoes worldwide are urgently required to establish if Katla is exceptional, or if there is a significant previously unrecognized contribution to global CO2 emissions from natural sources.

Das GFZ-Potsdam weist auf die kontinentalen Riftzonen hin, aus denen wohl mehr CO2 emittiert wird als angenommen. Pressemitteilung, Paper von Brune et al. 2017.

CO2-Senken:

Kommen wir nun zu den CO2-Senken. Der Kohlenstoffzyklus ist offenbar gar nicht so gut bekannt wie der IPCC uns in seinen farbenfrohen Graphiken vorgibt. Resplandy et al. 2018 äußern Bedenken, dass die Südliche Hemisphäre, Flüsse und viele andere Komponenten noch nicht richtig dargestellt sind. Auszug aus der Pressemitteilung der Princeton University:

„Rivers have been largely overlooked,“ Resplandy said. „We need to better constrain the transport of carbon from the land to the ocean by rivers. Otherwise, this carbon is attributed to the land sink and is missing from the ocean sink. If carbon goes into the land or into the ocean, it doesn’t have the same impact.“

Resplandy and her co-authors used models and field observations to find that the world’s oceans transport heat between the northern and southern hemispheres in the same way that carbon is transported. The transport of heat, however, is easier to observe. By tracking this heat, the researchers discovered that the ocean in the southern hemisphere is a much smaller carbon sink than previously thought and that the land at the same latitude is an almost non-existent source of carbon.

At the same time, the land in the northern hemisphere is a much smaller sink, meaning that it absorbs less carbon than climate models had accounted for. Instead, the researchers found that this carbon is sent to the ocean by rivers and transported to the southern hemisphere by ocean currents with 20 to 100 percent more strength than previous studies and models had shown.

For scientists, the world’s carbon „budget“ is like a bank ledger, Resplandy said. The carbon being absorbed into the global cycle needs to match the carbon being emitted. While the ocean carbon cycle is well documented, direct observations of carbon flux on land are difficult to obtain and influenced by numerous factors. As a result, the extent to which land acts as a sink or source is largely deduced by assigning it whatever carbon is left over after ocean data are considered, Resplandy said.

„In the southern hemisphere, the ocean sink was overestimated. As a result, the land, which is deduced from observed atmospheric carbon dioxide and the assumed ocean sink in the same region, was found to be a source“, Resplandy said.

Eine wichtige Kohlenstoff-Senke sind die Ozeane. Dort sinken große Mengen an organischer Materie aus den Oberflächenschichten in die Tiefsee, wo sie dann sedimentieren und dem Kreislauf vorerst entzogen werden. Allerdings erreicht wohl weniger Material den Tiefseeboden als gedacht. Stukel et al. 2018 fanden nämlich in der Wassersäule einzellige Mikroorganismen, die 20% der herabrieselnden organischen Partikel aufhalten und möglicherweise wieder in den Kohlenstoffkreislauf zurückbringen. Siehe auch Forschungsaktivitäten von Geomar/Uni Kiel zu einem ähnlichen Thema.

Seegras puffert große Mengen an CO2. Aber die Seegrasbestände der Welt gehen zurück. Schrumpft die CO2-Senke? Paper: Röhr et al. 2018.

Gute Nachrichten aus dem nördlichen Kanada: Gletscherflüsse nehmen offenbar CO2 auf und stellen eine Kohlenstoffsenke dar. Der Grund ist chemische Verwitterung. Pressemitteilung der University of Alberta aus dem August 2019:

Glacier-fed rivers may consume atmospheric carbon dioxide

Study shows chemical weathering is the cause of CO2 consumption in glacier-fed freshwater systems

Glacier-fed rivers in northern Canada may be consuming significant amounts of carbon dioxide from the atmosphere, according to new research by University of Alberta biologists. The study examined the Lake Hazen watershed in Quttinirpaaq National Park on Ellesmere Island in Nunavut as a model system to study the impact of melting glaciers on freshwater systems. 

“We observed that concentrations of carbon dioxide in the rivers were much lower than in the atmosphere, meaning that rivers are actively consuming carbon dioxide from the atmosphere,” explained Kyra St. Pierre, former PhD student in the Department of Biological Sciences and Vanier scholar. This is due to a process called chemical weathering, which is a series of chemical reactions that occur as materials like rocks, sediment, and soil come into contact with water and gases from our atmosphere. 

“Glacial landscapes are special in that they have huge expanses of finely ground sediments created by the glaciers themselves as they advance and retreat,” said St. Pierre, who conducted the study under the supervision of Professor Vincent St. Louis. “As these sediments mix with melt waters, which in turn mix with the atmosphere, they can undergo a number of potential chemical weathering reactions, some of which consume carbon dioxide.”

But while reducing levels of atmospheric carbon dioxide may sound like good news, it comes at the high and yet unknown cost of melting glaciers. “The melting of glaciers in mountain and polar regions is one of the most striking consequences of climate warming, but it’s not always clear what this means,” said St Pierre. “Many of the world’s rivers, including the Athabasca and Fraser Rivers here in Western Canada, originate from glaciers and yet, despite their importance in our everyday lives, we actually know very little about how glacier-fed freshwaters function.”

Future research will investigate just how common this weathering phenomenon is around the world, and how it differs between different regions with glaciers. Work in national parks in Jasper and Banff is already underway, with plans to expand to other glacier-covered areas in Canada and around the world. 

The paper, “Proglacial freshwaters are significant and previously unrecognized sinks of atmospheric CO2,” was published in PNAS (doi: 10.1073/pnas.1904241116).

Ahmed & Else 2019 dokumentieren, dass die Meeresbereiche im arktischen Kanada eine CO2-Senke sind.

Pressemitteilung der französischen CNRS aus dem September 2019:

Peatlands trap CO2, even during droughts

Although peatlands make up only 3% of the Earth’s surface, they store one third of the soil carbon trapped in soils globally.  Preserving peatlands is therefore of paramount importance for mitigating climate change, provided that these vulnerable environments are not themselves threatened by global warming.

To better determine this risk, two French scientists, including Vincent Jassey, a CNRS researcher at the Laboratoire Ecologie Fonctionnelle et Environnement (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier/INP Toulouse), studied carbon uptake by the two main species of moss that make up the Le Forbonnet peatland in Frasne (Jura). They discovered that when temperatures were high and also during droughts, the two Sphagnum species behaved in opposite ways: Sphagnum medium resists drought, whereas the photosynthesis of Sphagnum fallax is negatively impacted; conversely, in very hot but humid weather, photosynthesis, and thus carbon uptake, in Sphagnum fallax increases, whereas there is a negligible effect on photosynthesis in Sphagnum medium. In both cases, then, the peatland survives.

These results show that peatlands can withstand future climate change, provided they are not disturbed. Making peatland conservation a priority would therefore help to limit the impacts of climate change in the future. The study was published on September 9, 2019 in Global Change Biology.

Bibliography: Effects of climate warming on Sphagnum photosynthesis in peatlands depend on peat moisture and moss traits. Vincent Jassey and Constant Signarbieux. Global Change Biology,  9 September 2019. DOI : 10.1111/gcb.14788

Die Karibik ist im Winter eine CO2-Senke und im Sommer eine CO2-Quelle. Insgesamt war die Karibik während der letzten 16 Jahre eine CO2-Senke. Paper: Wanninkhof et al. 2019.

Ein Untersuchungsgebiet im Nordpazifik hat sich in den letzten Jahren von einer CO2-Senke in eine CO2-Quelle verwandelt. Paper: Sutton et al. 2017.

Führt das schrumpfende arktische Meereis zu mehr CO2-Aufnahme durch den Arktischen Ozean? Ja, sagt ocean-partners.org, aber es gibt auch Ausnahmen.