Kurz und knapp

Wir und fast alle unsere Verwandten im Tierreich sind atmungsaktive Lebewesen. Das bedeutet, dass wir alle von dieser vereinfachten Gleichung abhängig sind, um zu funktionieren:

Glukose + Sauerstoff → Kohlendioxid + Wasser + Energie

Wir atmen Sauerstoff ein, der die Kohlenhydrate in unseren Körperzellen oxidiert. Diese chemische Reaktion liefert uns die Energie, die wir für die Bewältigung all unserer vielfältigen Aufgaben benötigen, vom Blinzeln bis zum Marathonlauf. Die Abbauprodukte dieses Prozesses sind Kohlendioxid und Wasser. Während die Luft, die wir einatmen, knapp 420 ppm CO₂ enthält, enthält die Luft, die wir ausatmen, 40.000–50.000 ppm CO₂, was einer hundertfachen Konzentration entspricht, wenn man die vereinfachte Gleichung oben zugrunde legt.

Da wir ständig atmen, ist dieser schnelle Gasaustausch mit unserer Umgebung ebenfalls konstant und dauert an, solange wir leben. Wir sind Teil des schnellen Kohlenstoffkreislaufs, der die Zirkulation von Kohlenstoff durch die belebte Welt umfasst. Zur belebten Welt gehören natürlich auch Pflanzen. Pflanzen nehmen Kohlendioxid auf, um in Verbindung mit Sonnenlicht mit dem Wasser in ihren Zellen zu reagieren. Kurz gesagt ist dies die Photosynthese, also der Prozess, der für die pflanzlichen Kohlenhydrate verantwortlich ist, die wir essen.

Wir sind dem Pflanzenreich in Bezug auf Kohlenstoffbiomasse weit unterlegen. Von den geschätzten fast 500 Milliarden Tonnen Biomasse-Kohlenstoff auf der Erde machen Tiere nur 0,4 % aus, während Pflanzen 90 % ausmachen. Kein Wunder, dass die Diagramme der gemessenen CO₂-Werte eine jährliche Schwankung zeigen, die ein symmetrisches Wellenmuster bildet. Diese Schwankungen entsprechen den Jahreszeiten auf der Nordhalbkugel, da sich dort der Großteil der Landmasse der Erde befindet. In der Vegetationsperiode, in der die Pflanzen Photosynthese betreiben, sinkt der CO₂-Gehalt, um in der Ruheperiode wieder anzusteigen. Die jährlichen Schwankungen sind wie der Herzschlag des Planeten, ein regelmäßiger Rhythmus entlang des Aufwärtstrends, der eine Folge unserer Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe darstellt.

Stellen wir uns eine Welt ohne die Verbrennung fossiler Brennstoffe vor. Das jährliche Auf und Ab des saisonalen Wachstums und der Ruhephase der Pflanzen würde über die Lebensspanne des Menschen hinweg von einem nahezu konstanten CO₂-Niveau überlagert werden. Nur gelegentliche Ereignisse, die über Zehntausende bis hin zu vielen Millionen Jahren auftreten, würden dieses nahezu konstante Niveau stören. Das liegt daran, dass es einen zweiten, langsamen Kohlenstoffkreislauf gibt, der sich über geologische Zeiträume erstreckt. In der geologischen Vergangenheit kam es zu plötzlichen Veränderungen des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre, hauptsächlich aufgrund von Vulkanismus in einem Ausmaß, das kein Mensch, weder lebend noch tot, je erlebt hat. Die Fossilienfunde zeigen, dass das Ergebnis nie gut war.

Fossile Brennstoffe sind Teil des langsamen Kohlenstoffkreislaufs. Sie stellen eines von mehreren langfristigen geologischen Reservoirs dar, in denen Kohlenstoff eingeschlossen wird. Aber weil wir fossile Brennstoffe aus dem Boden herausholen oder pumpen und sie verbrennen, stören wir den langsamen Kohlenstoffkreislauf. Keine andere Spezies hat jemals absichtlich in den langsamen Kohlenstoffkreislauf eingegriffen: Dies ist eine Premiere auf dem Planeten Erde in seiner 4,5 Milliarden Jahre langen Existenz. Die Person, die in der roten Textbox oben zitiert wird, ist ein Geologe. Er sollte es besser wissen.

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Weiterführende Informationen

Das erste Mal, dass Sie etwas über Kohlendioxid gehört haben, war wahrscheinlich in der Schule, wo Ihnen beigebracht wurde, dass wir Sauerstoff einatmen und Kohlendioxid ausatmen. Der als aerobe Atmung bekannte Prozess wird von der überwiegenden Mehrheit der Tiere durchgeführt. In unseren Zellen findet die folgende enzymgesteuerte Reaktion statt:

C₆H₁₂O₆+6O2 → 6CO₂+6H₂O

Es ist etwas komplizierter, aber die Gleichung gibt einen repräsentativen Überblick. Kohlenhydrate werden zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Die Reaktion ist exogen, d. h. sie setzt Energie in Höhe von etwa 3000 Kilojoule pro Mol Glukose frei. Und während wir Luft mit fast 420 ppm CO₂ einatmen (Wert von 2023), sollte es nicht überraschen, dass die Luft, die wir ausatmen, 40.000–50.000 ppm (4–5 %) CO₂ enthält, was einer hundertfachen Zunahme entspricht. Das ist das Ergebnis der aeroben Atmung.

Wenn wir mit der Herausforderung konfrontiert werden, unsere Kohlenstoffemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu reduzieren, rufen manche Menschen verärgert: „Warum sollten wir uns die Mühe machen? Selbst das Ausatmen verursacht Kohlenstoffemissionen!“

Wenn jemand eine solche Aussage macht, werden zwei entscheidende Punkte übersehen. Erstens spielt unsere Atmung im großen Ganzen keine Rolle. In Bezug auf die Kohlenstoffbiomasse sind wir im Vergleich zum Pflanzenreich winzig. Tiere machen nur 0,4 % der geschätzten fast 500 Milliarden Tonnen Biomasse-Kohlenstoff auf der Erde aus. Pflanzen machen 90 % aus.

Durch die Photosynthese nehmen Pflanzen Kohlendioxid auf und setzen Sauerstoff frei. Diese chemische Reaktion ist im Grunde das Gegenteil unserer aeroben Atmung. Pflanzen führen zwar auch eine gewisse Atmung durch, da auch sie Stoffwechselprozesse durchlaufen, doch diese werden durch die Photosynthese ausgeglichen. Der Kohlenstoff, den sie aus dem CO₂ in der Luft aufnehmen und durch Photosynthese in Kohlenhydrate umwandeln, bildet ihr Gewebe – Wurzeln, Stängel, Blätter, Früchte und so weiter. Diese Gewebe werden von allen möglichen Tieren gefressen, die wiederum von anderen Tieren gefressen werden. Wir Menschen sind Teil dieser Nahrungskette. Der gesamte Kohlenstoff in unserem Körper stammt entweder direkt oder indirekt von Pflanzen, die ihn erst vor kurzem aus der Luft aufgenommen haben. Wenn wir ausatmen, wird das gesamte Kohlendioxid, das wir ausatmen, lediglich wieder an die Luft abgegeben. Wir geben einfach den gleichen Kohlenstoff zurück, der von Anfang an vorhanden war. Auf diese Weise nehmen wir aktiv am schnellen Kohlenstoffkreislauf teil. Aber unsere Beteiligung ist im Vergleich zu der von Pflanzen winzig.

Die Keeling-Kurve (Abb. 1) ist die Grafik, die den Anstieg der CO₂-Werte zeigt, die am Mauna Loa und anderen Observatorien gemessen werden. Auf ihr ist die Beteiligung der Pflanzenwelt am schnellen Kohlenstoffkreislauf zu sehen. Aufgrund der Photosynthese zeigen die CO₂-Werte eine jährliche Schwankung, die eine regelmäßige Wellenbewegung bildet. Der abfallende Teil des Auf und Ab entspricht der Vegetationsperiode auf der Nordhalbkugel. Da sich dort der größte Teil der Landfläche der Erde befindet, findet dort der größte Teil des CO₂-Abbaus statt. Im Winter auf der Nordhalbkugel, wenn die meisten Pflanzen ruhen, kommt es zum ansteigenden Teil des Auf und Ab. Das Auf und Ab ist wie ein planetarischer Herzschlag, ein regelmäßiger Rhythmus, der den Aufwärtstrend überlagert, der unsere Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe darstellt.

Abb. 1: Die Keeling-Kurve – monatliche Durchschnittswerte der CO2-Konzentration (mit gelegentlichen Vulkananomalien herausgefiltert), Mauna Loa Observatorium, 1958–2022. Der Einschub zeigt das jährliche Auf und Ab, das durch das saisonale Pflanzenwachstum und -sterben in der nördlichen Hemisphäre verursacht wird. Bild lizenziert unter der Creative Commons Namensnennung – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz.

Zweitens sind fossile Brennstoffe die Überreste des schnellen Kohlenstoffkreislaufs, die zufällig an verschiedenen Punkten entlang der geologischen Zeitachse erhalten geblieben sind. Durch diese Ablagerung und Konservierung wurden sie aus dem schnellen Kohlenstoffkreislauf herausgenommen und wurden Teil des langsamen Kohlenstoffkreislaufs, der auf langfristige Lagerung ausgelegt ist. Normalerweise läuft der langsame Kohlenstoffkreislauf über geologische Zeiträume ab. Daher lagert ein Teil der von uns abgebauten Kohle seit mehr als 300 Millionen Jahren und stammt, zutreffenderweise, aus dem Karbon.

Vergessen Sie die Atmung. Unsere Kohlenstoffemissionen aus dem langsamen Kohlenstoffkreislauf sind a) enorm und b) geologisch einzigartig. Keine andere Art in der Erdgeschichte hat den langsamen Kohlenstoffkreislauf absichtlich gestört. Aber er wurde – gelegentlich – durch geologische Prozesse gestört. Magma hat gelegentlich Kohlevorkommen gekocht, wie in Sibirien beobachtet wurde (Abb. 2). Diese schnelle Freisetzung am Ende des Perm vor 250 Millionen Jahren verlief nicht gut. Die Artenvielfalt erlitt einen massiven Schlag. Sie konnte sich zwar erholen, aber die Erholung dauerte etwa zehn Millionen Jahre.

Abb. 2: massenhaft in Basalt eingeschlossene Kohle, Sibirische Traps, Große Magmatische Provinz, aus Elkins-Tanton et al. 2020. Das aufsteigende Magma interagierte mit einem großen Kohlebecken und kochte es gründlich aus, wobei über einige tausend Jahre hinweg eine riesige Menge an fossilem Kohlenstoff freigesetzt wurde. Das Ergebnis war katastrophal und führte zum größten Massenaussterben in der gesamten Fossiliengeschichte. Foto: Scott Simper, mit freundlicher Genehmigung von Lindy Elkins-Tanton.

Verwitterung, Plattentektonik, Deformation und Metamorphose von Gesteinen haben sich alle auf den CO₂-Gehalt ausgewirkt – über Millionen von Jahren. Und genau darum geht es. Wir tun unserer Atmosphäre in wenigen Jahrhunderten an, was die meisten geologischen Prozesse nur über Millionen von Jahren erreichen konnten. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe führen wir ein einzigartiges, umfangreiches und unkontrolliertes Experiment mit unserem Heimatplaneten durch – dem einzigen, den wir haben.

Die folgende Animation wurde im September 2018 von Dr. Patrick T. Brown (Carnegie Institution for Science, Stanford University) veröffentlicht, um zu erklären, wie die menschliche Atmung in den Gesamtprozess passt.