Ohne die Hilfe der Natur hätte das von der modernen Zivilisation beim Verbrennen von Kohle, Erdöl und Erdgas in die Luft geblasene Kohlendioxid die Temperaturen an der Oberfläche der Erde bisher erheblich weiter als die gemessenen Werte in die Höhe getrieben. Doch dank einiger natürlicher Filter von den Weltmeeren bis zu den Wäldern wurde ein Teil dieses Klimagases wieder aus der Luft gefischt und weggepackt. Solche Kohlenstoffsenken sehen sehr unterschiedlich aus, funktionieren aber nach einem ähnlichen Grundprinzip: Sie wandeln das Kohlendioxid der Luft in andere Kohlenstoffverbindungen um, die so nicht mehr als Treibhausgas zur Verfügung stehen und daher auch das Klima nicht mehr anheizen können.

Eine ganz große Nummer spielen unter diesen Kohlenstoffsenken die Ozeane. Sie schlucken derzeit immer noch rund ein Viertel des Kohlendioxids, das fossile Kraftwerke, Öl- und Gasheizungen, Verbrennungsmotoren und Co sowie natürliche Quellen in die Luft blasen. Dieses Kohlendioxid löst sich im Wasser und wird zu Kohlensäure. Dabei wird der Luft Klimagas entzogen, das allerdings die Ozeane saurer macht.

Aus Sicht des Klimaschutzes hat dieser Prozess neben der wachsenden Versauerung des Wassers ein weiteres Handikap: Er lässt sich kaum beschleunigen, weil Kohlendioxid ja über die Meeresoberfläche ins Wasser gelangt, die sich kaum vergrößern lässt. Obendrein kann die Wasserschicht an der Oberfläche nur eine begrenzte Menge Kohlendioxid speichern. Ist die Kapazität erschöpft, kann neues Klimagas erst dann wieder aufgenommen werden, wenn frisches Wasser zur Verfügung steht. Dauerhaft braucht dieser Prozess also Strömungen. Deren Geschwindigkeit wiederum setzt dem Austausch zwischen Luft und Wasser ebenfalls Grenzen. Daher stecken in den Weltmeeren riesige Wassermengen, die sehr viel Kohlendioxid aufnehmen können. Nur dauert das halt. »Lässt man ihnen viele Jahrtausende Zeit, können die Ozeane 73 bis 93 Prozent des von uns Menschen freigesetzten Kohlendioxids aufnehmen«, erklärt Andreas Oschlies vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel. Die Meere können uns also retten, brauchen dafür aber sehr viel Zeit.

Stabilisator fürs Weltklima

Auch der zweite Prozess, mit dem die Meere Kohlendioxid aus der Luft holen, braucht seine Zeit: die Verwitterung. Dabei reagiert zum Beispiel Basalt mit der aus Kohlendioxid entstandenen Kohlensäure im Wasser und bildet so genanntes Bikarbonat, das im Meerwasser längere Zeit gelöst bleibt. Letztlich entzieht die Verwitterung so der Luft Kohlendioxid.

»Langfristig halten diese Reaktionen in den Weltmeeren das Klima relativ stabil«, sagt Andreas Oschlies. Steigt zum Beispiel die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre, treibt das die Temperaturen in die Höhe. Diese Wärme wiederum beschleunigt die Verwitterung, das Treibhausgas Kohlendioxid verschwindet dadurch schneller aus der Atmosphäre, und der Klimawandel wird gebremst. Sinken umgekehrt die Temperaturen, verwittert Basalt langsamer und entzieht so der Luft weniger Kohlendioxid. Mit der Zeit pendelt sich das Klima auch nach stärkeren Ausschlägen wieder ein.

So beruhigend dieser Rückkopplungsmechanismus zunächst auch klingt, entfaltet die Klimasenke Meer ihre volle Wirkung leider erst über etliche Jahrtausende. Es sei denn, man beschleunigt die natürliche Verwitterung mit Hilfe von Baggern, Radladern und anderem Gerät. »Bei dieser künstlichen Verwitterung könnte man das reichlich vorhandene Gestein Basalt fein mahlen und es zum Beispiel in den Meeren nicht weit vor der Küste ausstreuen«, erläutert Andreas Oschlies, der Sprecher des über sechs Jahre laufenden Schwerpunktprogramms »Climate Engineering – Risiken, Herausforderungen, Chancen?« der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG. 20 bis 30 Prozent des von der modernen Zivilisation in die Luft geblasenen Kohlendioxids könnte diese künstliche Verwitterung wieder einfangen, haben die Forscher ausgerechnet.

Verwitterung beschleunigen

Abgesehen vom Abbau, dem Raspeln des Gesteins und dem Transport zur Küste wäre diese Kohlenstoffsenke ein natürlicher Prozess, bei dem das Gesteinsmehl verwittert und dabei Kohlendioxid aus dem Wasser dauerhaft bindet. Vier Tonnen gemahlenes Basaltgestein Olivin würden so eine Tonne Kohlenstoff aus dem Wasser entfernen, der anschließend in Form von Kohlendioxid wieder aus der Luft aufgenommen wird. Derzeit werden beim Verfeuern von Öl, Gas und Kohle jedes Jahr etwa zehn Milliarden Tonnen Kohlenstoff freigesetzt, die man also mit rund 40 Milliarden Tonnen Gestein kompensieren könnte.

Theoretisch könnte man jedes Jahr einen Basaltberg von der Größe des Matterhorns zu feinem Pulver raspeln, das man anschließend vor der Küste im Meer verteilt. Das würde reichen, um die Hälfte der von uns Menschen verursachten Kohlendioxidemissionen auszugleichen. Diese Menge klingt zwar erst einmal utopisch, entspricht aber ungefähr den derzeitigen Bergbauaktivitäten. Der Vorteil dieser Methode: Sie funktioniert auch in kalten Gewässern. Und man muss ja nicht gerade das Matterhorn opfern, sondern könnte weniger spektakuläre Felsen verwenden. Am besten natürlich solche, die nicht weit von der Küste entfert liegen, um Transportkosten zu sparen.

In den Weltmeeren verbergen sich aber noch weitere Kohlenstoffsenken. So könnte man den Südozean mit Eisen düngen und dort das Wachstum von Minialgen ankurbeln. Wenn viele dieser Organismen nach ihrem Tod auf den Meeresgrund sinken, entziehen sie das beim Wachsen aufgenommene Kohlendioxid dem Klimakreislauf. Auch dieser Prozess ahmt einen natürlichen Vorgang nach: In Kaltzeiten sanken die Niederschläge, und kräftige Winde trugen riesige Mengen Staub von den Kontinenten ins Südpolarmeer. Das darin enthaltene Eisen ist dort Mangelware und wirkt daher als Dünger. Allerdings klappt dieser Prozess wohl nur im Südpolarmeer, weil dort reichlich Phosphat und Nitrat als weitere Dünger vorhanden sind. In den anderen Meeren sind diese Substanzen dagegen knapper, und eine Eisendüngung würde diese Vorräte rasch erschöpfen. Immerhin könnte im Südpolarmeer mit einer solchen Eisendüngung bis zu zehn Prozent des momentanen Kohlendioxidausstoßes kompensiert werden.

Nebenwirkungen kaum erforscht

Allerdings sind mögliche Nebenwirkungen einer solchen Maßnahme bisher kaum erforscht. Obendrein weiß niemand so recht, ob diese Kohlenstoffsenke nicht durch das Wirken des Menschen bereits geschädigt ist. Im Südpolarmeer haben früher die großen Wale mit ihren Ausscheidungen reichlich Dünger ausgebracht. Seit die Waljäger die Bestände drastisch dezimiert haben, fehlt ein großer Teil dieses Düngers, und die Senke könnte einen Teil ihrer Wirksamkeit verloren haben.

In den Meeren könnte aber auch eine weitere Kohlenstoffsenke an Bedeutung gewinnen. Durch die Klimaerwärmung scheinen sich die Zonen mit sehr wenig Sauerstoff im Wasser erheblich auszuweiten. Dort werden mehr Nährstoffe freigesetzt, die Algenblüten düngen. In den sauerstofffreien Zonen sinken diese Organismen nach ihrem Absterben zu Boden und können dort nicht mehr von Sauerstoff atmenden Organismen abgebaut werden. So lagern sich die toten Algen als Faulschlamm am Grund der Meere ab. »Diese Schlammschichten sind gute Kohlenstoffsenken und verwandeln sich je nach den Umweltbedingungen im Lauf der Jahrmillionen in Schiefer oder in Erdöl«, betont Andreas Oschlies.

Der Preis für eine solche Kohlenstoffsenke ist allerdings extrem hoch, weil der Faulschlamm ein komplettes Ökosystem durch eine Art Unterwasserwüste ersetzt: In diesen sauerstoffarmen Zonen überleben weder Fische, noch Krebse oder Tintenfische und viele andere Lebewesen.

Flickenteppich Dauerfrostboden

Da hat das feste Land schon angenehmere Kohlenstoffsenken zu bieten: »Vom tropischen Regenwald bis zu den Dauerfrostböden Sibiriens holt die Biosphäre an Land rund 25 Prozent der von uns Menschen verursachten Kohlendioxidemissionen wieder aus der Luft«, sagt Martin Heimann vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena und der Universität Helsinki. Mit 300 Meter hohen Messtürmen und einigen anderen Einrichtungen beobachten Martin Heimann und seine Kollegen in der Taiga und Tundra Sibiriens, in der Amazonasregion, auf den Shetland-Inseln und an etlichen anderen Orten der Erde, welche Mengen der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan zwischen Luft und festem Land ausgetauscht werden. Die Forscher messen damit praktisch den Pulsschlag der Kohlenstoffsenken und -quellen.

Dieser Pulsschlag aber ist mancherorts alles andere als konstant. So speichern die riesigen Flächen der Dauerfrostböden in Sibirien und Nordamerika gigantische Mengen Kohlenstoff, den dort wachsende Pflanzen einst als Kohlendioxid aus der Luft gefischt und in Blätter, Holz, Wurzeln und andere Biomasse umgewandelt hatten. Taut diese Kohlenstoffsenke im Sommer an der Oberfläche auf, zersetzen Mikroorganismen diese Überreste aus vergangenen Zeiten. Dabei entsteht erst einmal Methan, das ein viel stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid ist. Steigen dann auch noch die Temperaturen, taut der Dauerfrostboden länger auf und produziert entsprechend mehr Methan – die Kohlenstoffsenke droht sich in eine Quelle zu verwandeln.

Strömt dieses Methan zum Beispiel durch Schilfhalme rasch aus dem Boden an die Oberfläche, passiert das auch tatsächlich. Schon ein paar Meter weiter fehlen vielleicht die Schilfhalme, und das Methan steigt nur langsam im Boden nach oben. Unterwegs aber warten schon andere Mikroorganismen, die sich von Methan ernähren und dabei das viel schwächere Treibhausgas Kohlendioxid produzieren. So entsteht in den Dauerfrostböden Sibiriens ein schwer überschaubarer, gigantischer Fleckenteppich, aus dem jeder Fleck andere Mengen von Treibhausgasen freisetzt.

Die höheren Temperaturen geben den Pflanzen auf diesen Dauerfrostböden im Sommer auch mehr Zeit zum Wachsen, gleichzeitig beschleunigt der steigende Kohlendioxidgehalt der Luft das Wachsen weiter. So holt die Vegetation mehr Kohlendioxid aus der Luft. »Insgesamt wirkt die Tundra daher vermutlich immer noch als Kohlenstoffsenke«, fasst Martin Heimann die Situation zusammen.

»Der Beitrag der Feuchtgebiete zur gesamten Klimabilanz ist nicht allzu groß«
Martin Heimann

Ähnliches gilt auch für die Feuchtgebiete anderer Breiten: In den Tiefen dieser Sümpfe zersetzen Mikroorganismen Pflanzenreste und produzieren so das Treibhausgas Methan, das auf dem Weg nach oben langsam von anderen Mikroorganismen abgebaut und in Kohlendioxid verwandelt wird. Gleichzeitig holen die Pflanzen oben jede Menge Kohlendioxid aus der Luft und speichern das Klimagas als Biomasse. Die toten Pflanzenreste werden nur zum Teil wieder in Klimagase zurückverwandelt. Dadurch wächst die im Boden gespeicherte Biomasse langsam weiter, und die Feuchtgebiete bleiben eine Kohlenstoffsenke. »Allerdings ist ihr Beitrag zur gesamten Klimabilanz nicht allzu groß«, schränkt Martin Heimann ein.

Ganz anders sieht es dagegen bei den Bäumen aus. »Von der gesamten Vegetation auf dem Land nehmen Wälder das meiste Kohlendioxid auf«, erklärt Lena Boysen vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg. Insgesamt holen die Pflanzen an Land jedes Jahr 120 Milliarden Tonnen Kohlenstoff aus der Luft, von denen die eine Hälfte dauerhaft im Pflanzenmaterial bleibt, während die Gewächse die andere Hälfte wieder ausatmen. Von diesen 60 Milliarden Tonnen Kohlenstoff, die jährlich in den Pflanzen festgehalten werden, speichern die Wälder der Tropen rund 40 Prozent und die Wälder außerhalb der Tropen weitere 25 Prozent. An Land sind also die Wälder die mit Abstand bedeutendste Kohlenstoffsenke. Allerdings wird der allergrößte Teil dieses in den Pflanzen festgehaltenen Kohlenstoffs, wenn das Laub abfällt oder nach dem Tod der Gewächse, wieder als Treibhausgas frei, so dass die Vegetation jährlich in der Gesamtbilanz nur zwei oder drei Milliarden Tonnen Kohlenstoff längerfristig speichert. Das wiederum entspricht einem guten Viertel der Kohlendioxidemissionen, für die wir Menschen verantwortlich zeigen.

»Das aus den Wäldern geholte Holz wandert nicht mehr in den Boden und wirkt so nicht mehr als Kohlenstoffsenke«
Lena Boysen

Völlig zu Recht nennen wir die Wälder daher eine »grüne Lunge«, die jedoch genau umgekehrt wie unsere eigene Lunge funktioniert: Wälder atmen Kohlendioxid ein und Sauerstoff aus, die menschliche Lunge macht es andersherum. Allerdings funktioniert nicht jeder Wald gleich gut als Kohlenstoffsenke. So holen in einem Wirtschaftswald die Bäume zwar reichlich Kohlendioxid aus der Luft. Nur holen die Förster eben auch etliche Bäume aus diesen Wäldern. Wird deren Holz verbrannt, wird das vorher gespeicherte Kohlendioxid wieder frei, und die Kohlenstoffsenke ist keine mehr. Werden aus dem Holz Möbel, Gebäude oder Konstruktionen gemacht, verlängert sich die Wirkung als Kohlenstoffsenke zwar deutlich, dauerhaft ist sie trotzdem nicht. »Das aus den Wäldern geholte Holz wandert nicht mehr in den Boden und wirkt so nicht mehr als Kohlenstoffsenke«, bewertet Lena Boysen die Situation.

Die effektivste Kohlenstoffsenke sind daher nicht genutzte Wälder, und die werden ebenfalls Mangelware. Obendrein setzt der Klimawandel mancherorts den Wäldern erheblich zu. So haben längere Trockenperioden am Anfang des 21. Jahrhunderts an der kanadischen Pazifikküste Insektenplagen ausgelöst, die Wälder auf einer Fläche von der Größe Deutschlands vernichtet haben. Schlagartig wurden diese Regionen so von einer Kohlenstoffsenke zu einer Quelle.

Schadet Aufforsten dem Klima?

Trotzdem bleiben Wälder die wichtigste Kohlenstoffsenke an Land und das Klimaschutz-Übereinkommen von Paris wünscht daher, Wälder anzupflanzen, um den Klimawandel zu bremsen. Allerdings sollten sehr große, weitgehend kahle Flächen wie die Sahara in Wald verwandelt werden, um einen kräftigen Effekt zu erzielen. Diese Wälder könnte man mit Grundwasser versorgen und so eine Fläche von der Größe der Vereinigten Staaten von Amerika aufforsten. Nur hätte eine solche Klimasenke durchaus Nebenwirkungen, fasst Andreas Oschlies Modell-Rechnungen des DFG-Schwerpunkt-Programms zusammen. So würde die brennende Sonne der Subtropen viel Wasser aus diesen neuen Wäldern verdunsten. Das meiste davon würde zwar auf die Sahara zurückregnen. Ein kleiner Teil aber würde am Ende in den Ozeanen landen und so den Meeresspiegel bis zum Ende des 21. Jahrhunderts um zusätzliche 13 Zentimeter steigen lassen.

Dazu kommt ein weiterer Effekt: Bisher reflektiert die vorher kaum bewachsene Wüste das meiste Sonnenlicht in Richtung Weltraum zurück. Dunkle Wälder würden dagegen einen großen Teil der Strahlung und damit viel mehr Wärme aufnehmen. Das könnte die Windsysteme und so den Monsunregen ändern, auf den Länder wie Indien angewiesen sind. Vor allem aber könnten die Wälder der Sahara so viel Sonnenlicht zusätzlich einfangen, dass die Durchschnittstemperaturen auf dem Globus steigen würden, zeigen die Computerberechnungen. Das Aufforsten der Sahara könnte also eine Kohlenstoffsenke schaffen und trotzdem das Klima aufheizen.

Auch in anderen Weltgegenden sollte man sich keine allzu großen Hoffnungen auf die Kohlenstoffsenke Aufforstung machen: In der Theorie könnte man zwar weltweit bis zu 30 Millionen Quadratkilometer und damit eine Fläche von der Größe des zweitgrößten Kontinents Afrika aufforsten. Solange dieser Wald wächst und nicht wieder abgeholzt wird, könnte er etwa zwei Drittel der von uns Menschen verursachten Treibhausgasemissionen wieder aus der Luft holen. In der Praxis aber steht viel weniger Land für eine Aufforstung zur Verfügung, weil ein großer Teil der möglichen Aufforstungsflächen schon heute für Äcker und Weiden genutzt wird und auch in Zukunft für die Ernährung benötigt wird.

Die Böden dieser Äcker, Wiesen und Weiden zählen wiederum zu den großen Unbekannten im Hinblick auf ihre Wirkung als Kohlenstoffsenken und Quellen. Wohl weil sie schlicht zu vielfältig sind. Zwar gibt es durchaus Fortschritte wie neue Reissorten in China, die weniger lang überflutet werden als herkömmliche Sorten. »Entwickelt wurden diese Sorten, um Wasser zu sparen«, erklärt Martin Heimann. Für die Klimabilanz haben sie trotzdem eine angenehme Nebenwirkung: Weil nur überflutete Reisfelder das Klimagas Methan in großen Mengen freisetzen, heizen Reisfelder seither das Klima weniger auf.

Biokohle als Kohlenstoffsenke

In der Landwirtschaft könnte eine weitere Entwicklung in Zukunft neue Kohlenstoffsenken schaffen: Die Bauern könnten Biokohle in den Boden einarbeiten. Das ist im Prinzip Holzkohle, die zum Beispiel aus Pflanzenresten hergestellt werden kann. Dabei entsteht zwar aus einer Hälfte der Biomasse Kohlendioxid, die andere Hälfte wird zu Biokohle. Diese verbessert die Eigenschaften des Bodens enorm, weil sie von winzigen Löchern und Kratzern übersät ist, die ihre Oberfläche stark vergrößern. Diese große Oberfläche hält Nährstoffe, Wasser und für die Bodenfruchtbarkeit wichtige Mikroorganismen sehr gut fest. Das aber steigert die Erträge. Und das, ohne die Biokohle nennenswert zu verbrauchen.

Die Biokohle bleibt offensichtlich sehr lange Zeit und vielleicht sogar viele Jahrtausende im Boden und speichert das Kohlendioxid, das die Pflanzen einst aus der Luft holten, aus denen die Biokohle hergestellt wurde. Diese Kohlenstoffsenke könnte ebenfalls zehn Prozent des heute von uns Menschen freigesetzten Kohlendioxids dauerhaft im Ackerboden binden, lassen erste Schätzungen vermuten.

Allerdings stehen solche Schätzungen noch auf sehr wackligem Beinen, weil bisher niemand den gesamten Kreislauf gut abgeschätzt hat. Und weil überhaupt nicht klar ist, welche Mengen von Biomasse für diese Methode überhaupt zur Verfügung stehen könnten. Einfache und rasche Lösungen für den hausgemachten Klimawandel stellen also auch die Kohlenstoffsenken auf der Erde nicht dar. Aber sie mildern immerhin das Problem.