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Kohlendioxid-Recycling : Wo Kohlenstoff Lücken hinterlässt

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Während der isländische Vulkan „Eyjafjallajökull“ im Mai 2010 Asche und Gase in die Luft schleudert, schlummert „Katla“ noch unter dem Eis (im Hintergrund) Bild: Picture-Alliance, dpa

Vulkane stoßen weit mehr Kohlendioxid aus, als durch natürliche geologische Prozesse nachgeliefert wird. Wo ist der Nachschub an Kohlenstoff abgeblieben? Eine Spurensuche in der Tiefsee.

          Wenn heutzutage vom Kohlenstoffkreislauf die Rede ist, geht es fast immer um das für die Klimaentwicklung relevante CO₂-Budget in der Atmosphäre. Wie groß sind die natürlichen Quellen für das Kohlendioxid, wie viel dieses Gases verschwindet in Senken wie Wäldern oder den Ozeanen? Wie viel trägt die Oxidation des in fossilen Energieträgern enthaltenen Kohlenstoffs zur Kohlendioxid-Bilanz (CO₂-Bilanz) bei?

          Im Zuge dieser Debatte gerät allerdings ein auf großen Zeitskalen ablaufender Kreislauf oft völlig in den Hintergrund: Die Erde selbst nimmt nämlich große Mengen an Kohlendioxid auf, um es Jahrmillionen später wieder in Vulkangebieten als Gas auszuatmen. Unklar war aber bisher, wie viel Kohlenstoff überhaupt im tiefen Erdinneren verschwindet und welcher Anteil davon später wieder an die Erdoberfläche gelangt. Meeresgeologische Untersuchungen vor Indonesien liefern nun ein überraschendes Ergebnis.

          Obwohl die statistischen Angaben mit großen Unsicherheiten behaftet sind, stoßen alle Feuerberge und geothermisch aktiven Gebiete auf der Erde im langfristigen Jahresmittel etwa 250 Millionen Tonnen Kohlendioxid aus. Davon stammen allein knapp sechs Millionen Tonnen vom Ätna, der zurzeit größten vulkanischen Kohlendioxidschleuder auf unserem Planeten. Aber nicht nur aktive Vulkane wie der Ätna können große Mengen an CO₂ emittieren. So fand eine internationale Forschergruppe um Evgenia Ilyinskaya von der University of Leeds kürzlich eine überraschende Kohlendioxidquelle unter der ausgedehnten Eiskappe Islands.

          Der natürliche Weg des Kohlenstoffs

          Dort stoße der vor knapp hundert Jahre zuletzt aktive Vulkan Katla etwa fünf Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr aus, schreiben die Wissenschaftler in den „Geophysical Research Letters“ . Dennoch sind die gegenwärtigen natürlichen CO₂-Emissionen vergleichsweise gering. Sie betragen nur rund ein Sechzigstel des jährlichen anthropogenen Eintrags des Treibhausgases in die Atmosphäre, etwa durch die Verbrennung fossiler Energieträger.

          Im Laufe der Erdgeschichte gab es aber immer wieder längere Phasen mit wesentlich höherem vulkanischen Ausstoß an Kohlendioxid. Das geschah immer dann, wenn es zu den Eruptionen von Flutbasalten kam. Diese gewaltigen Ausbrüche hielten oft mehrere Millionen Jahre an. Dabei ergossen sich riesige Mengen an Basalten über große Fläche der Erdoberfläche. Solche Eruptionen fanden beispielsweise vor etwa 250 Millionen Jahren im heutigen Sibirien oder vor 66 Millionen Jahren in Indien statt. Die hierbei freigesetzten vulkanischen Gase verursachten signifikante und langfristige Klimaänderungen, die wiederum häufig ein Massenaussterben vieler Tier- und Pflanzenarten auslösten, darunter die Dinosaurier.

          Woher stammt aber das von Vulkanen ausgestoßene CO₂? Einer gängigen Hypothese zufolge kommt das Kohlendioxid ursprünglich von der Erdoberfläche, gelangt von dort in verschiedenen Formen ins Meer und lagert sich schließlich auf dem Meeresboden in den Sedimenten ab. Diese Schichten verschwinden schließlich in den Subduktionszonen mit abtauchenden Lithosphärenplatten im Erdmantel, ein Vorgang der Dutzende von Millionen Jahren dauern kann. Wenn die Platten schmelzen, wandert der Kohlenstoff mit dem dabei entstehenden Magma in höhere Erdschichten und gelangt schließlich bei Vulkanausbrüchen im oxidierten Zustand als CO₂ wieder an die Erdoberfläche. Die Wissenschaftler wussten aber bisher auch nur annähernd, wie viel Kohlenstoff mit den Meeressedimenten in den Erdmantel gelangt.

          Verräterische Sedimente in der Tiefsee

          Eine amerikanische Forschergruppe ist nun dieser Frage mit Messungen und Modellrechnungen nachgegangen. Dazu hat sie die geologischen Prozesse im Sundagraben vor Indonesien analysiert. Dieser Tiefseegraben zieht sich in einem mehr als 3000 Kilometer weiten Bogen vom Golf von Bengalen entlang der indonesischen Insel Sumatra bis an den Ostrand von Java.

          In diesem Graben taucht die indoaustralische Platte mit einer Geschwindigkeit von bis zu sechs Zentimetern pro Jahr unter Fragmente der eurasischen Platte und gleitet dabei in den Erdmantel. Brian House von der Scripps Institution of Oceanography im kalifornischen La Jolla und seine Kollegen untersuchten die Bohrkerne von Meeressedimenten auf der indoaustralischen Platte westlich und südlich des Grabens.

          Dabei stießen sie auf große Unterschiede. So haben sich im Nordteil der Platte sehr dicke Sedimentschichten abgelagert, die ursprünglich von Flüssen stammten, die erodiertes Material aus dem Himalaja mittransportierten. Diese Sedimente enthalten große Mengen an organischem Kohlenstoff. Im Südteil des Grabens vor der Insel Java bestehen die Ablagerungen dagegen hauptsächlich aus abgestorbenen marinen Kleinstlebewesen, in denen der Kohlenstoff in Form von Kalziumkarbonat gebunden ist.

          Anhand von Modellrechnungen haben die kalifornischen Forscher um House nachvollzogen, wie diese Sedimente im Tiefseegaben abtauchen. Dabei stellten sie fest, dass offenbar etwa nur ein Zehntel aller Sedimente tatsächlich mit der abtauchenden indoaustralischen Platte im tiefen Erdmantel versinkt. Der Rest sammelt sich vor der Küste in einem sogenannten Akkretionskeil und bleibt dort liegen.

          Damit würde aber auch nur etwa ein Zehntel des insgesamt in den Sedimenten enthaltenen Kohlenstoffs in den Erdmantel gelangen, schreiben die Forscher in der Zeitschrift „Geology“. Ihr Schluss: Der in den Sedimenten gebundene Kohlenstoff hat nur einen geringen Anteil am Kohlenstoff, der von den vielen Vulkanen auf den indonesischen Inseln als CO₂ an die Erdoberfläche und damit in die Atmosphäre gelangt.

          Hochgerechnet auf die insgesamt von den aktiven indonesischen Vulkanen ausgestoßene Gasmenge, trägt der sedimentäre Kohlenstoff nur etwa ein Fünftel zu den Gesamtemissionen bei. Aus welcher Quelle der Rest des vulkanischen Kohlendioxids stammt, bleibt weiterhin ein Rätsel. Damit klafft auch global gesehen eine riesige Lücke im natürlichen Kohlenstoffkreislauf, die in den aktuellen Klimamodellen nicht berücksichtigt wird.

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