Unter Kohlenstsoffzyklus oder Kohlenstoffkreislauf versteht man den Austausch kohlenstoffhaltiger Verbindungen zwischen den globalen Systemen Lithosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre, Biosphäre.

Die Kenntnis dieser Kreisläufe ermöglicht es, die Eingriffe des Menschen und ihre Auswirkungen auf das globale Klima abzuschätzen und angemessen zu reagieren.

Systembetrachtung

Das System Erde wird als geschlossenes System betrachtet. Zufuhr von Kohlenstoff z. B. durch Meteorite oder kernchemische Vorgänge und Verlust von Kohlenstoff z. B. durch Raumfahrt wird außer acht gelassen. Auf der Makroebene des Systems Erde ist der Gesamtkohlenstoffgehalt konstant.

Jedes der vier Teilsysteme ist durch Speicher-Kapazität, Verweildauer, Zufluss und Abfluss (Flussrate) und Speicherformen des Kohlenstoffs charakterisiert.

Kohlenstoffspeicher

Die globale Kohlenstoffmenge beträgt 75 Millionen GtC (Giga-Tonnen Kohlenstoff).

Atmosphäre

In der Atmosphäre befinden sich 720 GtC, das sind 0,001 % des globalen Gesamt-Kohlenstoffes. Sie ist damit wie die Biosphäre der kleinste Kohlenstoffspeicher, reagiert also auf Änderung der Flussraten am empfindlichsten. Dagegen weist die Atmosphäre die höchsten Flussraten auf Grund biochemischer Vorgänge auf. Sie ist damit Bestandteil der kurzfristigen Kreisläufe.

Wichtigste Kohlenstoffverbindung ist das Kohlenstoffdioxid (CO2) mit einem Anteil am Luftgemisch von 0,03 Volumen-% bzw. 0,046 Massen-%.

Daneben kommen noch Spurengase und Verunreinigungen vor:

		Konzentration in ppm	Verweilzeit	Zunahme in % pro Jahr
Kohlenstoffdioxid	CO₂	350	1-10 a	0,4
Methan	CH₄	1,7	10 a	1,5
Kohlenstoffmonoxid	CO	0,05-0,2	60…180 d
Fluorchlorkohlenwasserstoffe	FCKW	10^-3	70…100a
Tetrachlorkohlenstoff	CCl₄	<10^-4	?
flüchtige Kohlenwasserstoffe
Rußpartikel

a = Jahre, d = Tage, ppm = parts per million

Hydrosphäre

Die Hydrosphäre enthält 38000 GtC in Form von physikalisch gelöstem CO₂, sowie gelöster Hydrogencarbonat- und Carbonat-Ionen. Dies entspricht 0,05 % des globalen Kohlenstoffgehaltes. Dazu kommen noch Spuren von physikalisch gelöstem Methan und organischen Schwebstoffen.

Zur Hydrosphäre werden auch die Polkappen, Eisschilde und Gletscher gezählt (Kryosphäre). Das im Eis eingeschlossene Kohlenstoffdioxid nimmt allerdings nicht an den schnellen Austauschprozessen mit der Atmosphäre teil.

Lithosphäre

Mit 99,5 % Anteil am globalen Gesamt-Kohlenstoff stellt sie den größten Kohlenstoffspeicher dar. Allerdings sind die Flussraten gering. Sie ist damit Bestandteil der langfristigen Kohlenstoffkreisläufe.

Sedimente und daraus entstandene Kalkgesteine:

Carbonate Calcit CaCO₃, Dolomit CaMg(CO₃)₂, 60000000 GtC

Kerogen (z. B. Ölschiefer) 15000000 GtC

Gashydrate 10000GtC

Kohle, Erdgas, Erdöl 4100 GtC
Pedosphäre mit Humus, Torf, Sedimente, Mineralien 1500 Gt
Graphit

Biosphäre

Kohlenstoff ist im Universum und auf der Erde ein relativ seltenes Element:

Häufigste Elemente im Universum: Wasserstoff (92,7 %) und Helium (7,2 %) (Kohlenstoff 0,008 %)
Häufigste Elemente der Erde: Sauerstoff 49 %, Eisen 19 %, Silizium 14 %, Magnesium 12,5 % (Kohlenstoff: 0,099 %)
Häufigste Elemente im menschlichen Körper: Wasserstoff (60,6 %), Sauerstoff (25,7 %) Kohlenstoff (10,7 %)

(Prozent-Angaben als Atomzahlenverhältnis)

Eine Entwicklung von Leben auf Kohlenstoffbasis ist deshalb nur möglich, wenn sich die Lebewesen die globalen Kohlenstoffkreisläufe zu Nutze machen und selbst wieder einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf erzeugen.

Speicherformen des Kohlenstoffs in der Biosphäre sind zum einen organische Stoffe, zum anderen Karbonate (in der Regel Kalzit, Kalk, Kalziumkarbonat CaCO₃), die Baustoffe für Skelette (Beispiele: Säugetiere, Krebse) und Gehäuse (Beispiele: Korallen, Coccolithophoridae) darstellen.

Terrestrische Ökosysteme enthalten 800 GtC, marine 3 GtC, was insgesamt einem Anteil von 0,001 % am globalen Gesamt-Kohlenstoff entspricht. Damit gehört die Biosphäre wie die Atmosphäre zu den kleinsten Kohlenstoffspeichern, ist aber Motor der kurzfristigen Kreisläufe.

Vorgänge innerhalb der Systeme

Atmosphäre

Innerhalb der Atmosphäre finden nur physikalische Transportvorgänge statt. Da durch Wind eine beständige Durchmischung stattfindet, ist die CO₂-Konzentration in den unterern schichten der Atmosphäre überall gleich.

Nur an Orten, die über längere Zeit hinweg vor wind geschützt sind, kann sich CO₂ am Boden ansammeln. Beispiel: Kohlendioxidseen Bergwerkstollen oder in Höhlen, die in vulkanisch aktiven Gebieten liegen.

Hydrosphäre

Transportvorgänge

Physikalische Kohlenstoffpumpe: Im Meer findet durch absinkende Wassermassen ein kurzfristiger Transport von 33 GtC pro Jahr in große Tiefen des Ozeans statt.
Biologische Kohlenstoffpumpe: Absinkende marine Organismen transportieren langfristig 11 GtC pro Jahr auf den Grund des Ozeans.

Chemische Reaktionen und Gleichgewichte

Zwischen den verschiednen Formen des anorganischen Kohlenstoffs besteht ein chemisches Gleichgewicht: (Die Prozentangaben gelten für die Bedingungen T = 10 °C, pH = 8, Salzgehalt 34, 3 ‰

$CO_{2}+3H_{2}O$	<=>	$H_{2}CO_{3}+2H_{2}O$	<=>	$HCO_{3}^{-}+H_{2}O+H_{3}O^{+}$	<=>	$CO_{3}^{2-}+2H_{3}O^{+}$
1%		0 %		94 %		5 %

Änderungen der Bedingungen und der Konzentrationen ändern auch die Gleichgewichtslage. So würde eine Erhöhung der CO₂-Konzentration der Atmosphäre das Gleichgewichts nach rechts verschieben, die Hydrosphäre würde also vermehrt Kohlenstoffdioxid aufnehmen. Andererseits würde eine globale Erwärmung das Gleichgewicht nach links verschieben.

Lithosphäre

Sedimentation

Bei der Sedimentation sinken schwerlösliche anorganische und organische Stoffe langsam zu Boden. Die Sinkgeschwindigkeit hängt von der Teilchengröße und der Dichte des Wassers ab und kann in ungestörtem Wasser sehr niedrig sein. Im Kohlenstoffkreislauf spielt die Sedimentation der Kalkskelette der Coccolithiphoridae eine große Rolle.

Diagenese

Diagenese ist die langfristige Verfestigung loser Sedimente durch biologische, chemische und physikalische Umwandlungen. Dabei wird zum Beispiel aus den Kalk-Skeletten der Mikroorganismen Kalkgestein. Organische Ablagerungen werden unter bestimmten Bedingungen wie sie in sauerstoffarmen, warmen Flachmeeren herrschen, stufenweise in anorganische Verbindungen umgewandelt. Es entstehen Kerogen (Ölschiefer), Teerstoffe (Bitumen), Kohle, Graphit und Erdöl sowie Methan. Die Diageneserate betägt 0,2 GtC pro Jahr.

Metamorphose

Metamorphose ist die langfristige Umwandlung von festem Gestein auf Grund veränderter Druck- und Temperaturverhältnisse: Durch Subduktion von Sedimenten des Meeresbodens werden Druck und Temperatur erhöht. An der Grenzfläche von Kalk- und Silikatsedimenten (Sand) erfolgt die chemische Umwandlung:

Calcit wird zu Calciumsilikat (Wollastonit)

CaCO_{3}+SiO_{2}\longrightarrow CaSiO_{3}+CO_{2}\uparrow

Dolomit wird zu Speckstein bzw. Talg

3CaMg(CO_{3})_{2}+4SiO_{2}+H_{2}O\longrightarrow Mg_{3}Si_{4}O_{10}(OH)_{2}+3CaCO_{3}+3CO2\uparrow

Das hierbei freiwerdende CO₂ löst sich im flüssigen Magma und wird dann bei einem Vulkanausbruch frei oder entweicht gleich über Klüfte oder Vulkane.
Durch tektonische Veränderungen werden die entstandenen Silikate an die Oberfläche transportiert und der Verwitterung ausgesetzt.

Biosphäre

Innerhalb der Biosphäre findet ein Kohlenstoff-Fluss von den organische Nährstoffe erzeugenden autotrophen Organismen zu den Näherstoffe verbrauchenden heterotrophen Organismen. Ein geschlossener Kreislauf ist erst durch die Vermittlung von Atmosphäre und Hydrosphäre möglich.

Austauschprozesse

Ein Speicher ist sowohl Quelle als auch als Senke für Kohlenstoff-Flüsse.

Zwischen den Kohlenstoff-Speichern des erfolgt ein ständiger Austausch durch chemische, physikalische, geologische und biologische Prozesse. (Beispiel: Pflanzen nehmen bei der Photosynthese Kohlendioxid (CO₂) auf. Durch Verrottung und Verwesung gelangt es wieder in die Atmosphäre zurück oder wird über Jahrtausende Bestandteil von Kohle.)

Bedeutung für den Klimawandel

Ohne Eingriffe des Menschen hat sich im Laufe der Erdentwicklung ein relativ stabiles Fließgleichgewicht eingestellt. Jeder Teilnehmer des Kreislaufs gibt Kohlenstoff ab und nimmt welchen auf, ohne dass es dabei zu wesentlichen Änderungen der Verteilung des Kohlenstoffes kommt.

Durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffe gelangt Kohlenstoff, der über Jahrtausende hinweg eingelagert worden ist, in Form von CO₂ in die Erdatmosphäre. Insgesamt "produziert" die Menschheit an der Schwelle zum 21. Jahrhundert ca. 6 GtC pro Jahr. Es gibt nicht genügend schnelle Prozesse, durch die das gesamte durch die Menschheit verbrannte CO₂ in anderen Reservoirs aufgenommen werden könnte. Das vormals vorhandene Gleichgewicht wird gestört. Die Folge ist der Treibhauseffekt und die Globale Erwärmung, wozu maßgeblich der wachsende Anteil des Treibhausgases CO₂ in der Edatmosphäre beiträgt.

An dieser Stelle setzt aber auch die menschliche Ingenieurskunst wieder an. Die CO2-Sequestrierung versucht, Verfahren zu entwickeln, um den überschüssigen Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu entziehen und in das Reservoir der Sedimente einzulagern.