Kreisläufe des Lebens

Kohlenstoffkonsumenten sind Pflanzen, die den Kohlenstoff aus der Luft aufnehmen und ihn durch Photosynthese in Zucker und Sauerstoff umwandeln. Die Glukose nutzen sie selbst, um organisches, kohlenstoffhaltiges Material herzustellen und zu wachsen. Den Sauerstoff geben sie an die Atmosphäre ab. Nachdem sie absterben, zersetzen Destruenten wie Pilze und Bakterien das organische Material und setzen den Kohlenstoff wieder frei.

Dazwischen gibt es die Gruppe der Konsumenten: Menschen und Tiere ernähren sich zur Energiegewinnung von Pflanzen und atmen Sauerstoff ein. Beim Verstoffwechseln entstehen Kohlenstoffdioxid und kohlenstoffhaltige Ausscheidungen, die am Ende ebenfalls von Destruenten zersetzt werden.

Ein ähnlicher Prozess läuft in Gewässern ab: Phytoplankton (darunter Algen) nutzt CO₂ zur Photosynthese. Wird es von Fischen gefressen, geben sie CO₂ und kohlenstoffhaltige Verbindungen ab, die wiederum von Bakterien und Pilzen zersetzt werden. Der natürliche CO₂-Austausch zwischen Land und Wasser wird durch Überschwemmungen oder Vögel, die Fische fressen, ermöglicht. Ein Teil des aufgenommenen Kohlenstoffs in Gewässern bleibt aber gebunden: Im Wasser gelöst, bildet er Carbonat-Ionen, die mit Calcium-Ionen zu Kalk werden und gemeinsam mit abgestorbenen Wasserlebewesen zu Boden sinken. Über Jahrhunderte lagert sich immer mehr Sediment ab, sodass aus den organischen Kohlenstoffverbindungen Erdöl und Erdgas entstehen.

Lebensfreundliches Klima

Nur 50 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung erreichen die Erdoberfläche und werden von ihr absorbiert. Die Erde gibt die aufgenommene Energie dann in Form von langwelliger Infrarotstrahlung wieder ab – was in Kombination mit den Treibhausgasen in der Atmosphäre letztlich für den Treibhauseffekt sorgt. Er ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass es auf der Erde Leben gibt. Ohne den Treibhauseffekt läge die mittlere Temperatur auf der Erde nicht wie jetzt bei 15 Grad Celsius, sondern bei ungemütlich kalten minus 18 Grad Celsius.

Zu viel des Guten darf es aber auch nicht sein. Wenn mehr und mehr Treibhausgase in die Atmosphäre eingebracht werden, wie durch menschliche Eingriffe seit Beginn des Industriezeitalters, wird mehr Wärmestrahlung zurückgehalten und die Erdoberfläche erwärmt sich. Der natürliche Treibhauseffekt bekommt einen gefährlichen Gefährten: den anthropogenen Treibhauseffekt, der das Klima und damit die Ökosysteme auf der Erde maßgeblich verändert.

Was hat der Kohlenstoffkreislauf mit dem Klima zu tun?

Das Element Kohlenstoff ist der Grundbaustein des Lebens auf der Erde. Und als Bestandteil des wichtigsten Treibhausgases CO₂ bestimmt er das Klima auf unserem Planeten. Ist viel Kohlenstoff in den Ozeanen und im Boden gebunden, ist es auf der Erde eher kühl. Je mehr davon in die Atmosphäre gelangt, desto wärmer wird es. In den letzten 10.000 Jahren war die Atmosphärenkonzentration durch den stabilen Kohlenstoffkreislauf nahezu unverändert.

Erst vor rund 250 Jahren hat der Mensch begonnen, durch die Verbrennung von Erdöl, Erdgas und Kohle zusätzliches, im Erdboden gebundenes CO₂ freizusetzen und damit in den Kohlenstoffkreislauf einzugreifen. Gleichzeitig zerstört der Mensch Wälder, die mit den Ozeanen die wichtigsten Kohlenstoffsenken darstellen – Orte, an denen mehr CO₂ gebunden als ausgestoßen wird.

Der veränderte Kohlenstoffkreislauf bewirkt eine Klimaerwärmung – und andersherum beeinflussen auch die Klimaveränderungen selbst den Kreislauf. Eine aktuelle Studie vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena zeigt, dass die Kohlenstoffaufnahme der europäischen Wälder schwächer wird. Nicht nur, weil die Holzernte zugenommen hat, sondern auch, weil häufigere Hitzewellen und Dürren das Wachstum der Pflanzen beeinträchtigen. Auch Baumsterben und Waldbrände werden durch den Klimawandel häufiger. „Unsere Forschung warnt seit der Hitzewelle 2003 vor diesen Auswirkungen des Klimawandels und der Klimaextreme. Jetzt bestätigt sich: Sie beeinträchtigen die Ökosysteme nicht nur kurzfristig, sondern schwächen langfristig die Kohlenstoffaufnahme unserer Wälder“, so Geowissenschaftler Markus Reichstein, der an der Studie beteiligt war. Eine solche Schwächung der Kohlenstoffaufnahme tritt nicht nur bei europäischen Wäldern, sondern weltweit auf.

Auch der Ozean wird in seiner Funktion als Kohlenstoffsenke geschwächt, denn wärmeres Wasser kann weniger CO₂ aufnehmen. Hinzu kommt, dass sich das Wasser an den Polen am stärksten erwärmt, was den Austausch von Oberflächen- und Tiefenwasser stören könnte. Dieser findet hauptsächlich an den Polen statt, weil das Oberflächenwasser dort genug abkühlt, um sich mit dem Tiefenwasser zu mischen. Ansonsten sind beide Wassermassen durch ihre Dichteunterschiede stabil voneinander getrennt. Dort, wo die Ozeane vermehrt CO₂ aufnehmen, steigt dagegen der pH-Wert des Wassers, was die Kalkbildung und damit die dauerhafte Speicherung von Kohlenstoff verhindert.

Ein Förderband für lebenswichtige Stoffe

Es ist ganz egal, wo auf der Erde Treibhausgase emittiert werden: Über die atmosphärische Luftzirkulation werden Atmosphärengase über den gesamten Planeten verteilt. Das hat den Vorteil, dass lebenswichtiger Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid überall in gleichbleibenden Konzentrationen vorkommen. So können auch Photosynthese und Zellatmung auf jedem Winkel des Planeten stattfinden – die beiden Grundprozesse des Lebens. Gleichzeitig bedeutet es, dass vom Menschen freigesetztes CO₂ globale Folgen hat. Die atmosphärische Zirkulation entsteht, weil die Sonnenenergie nicht gleichmäßig auf der Erde verteilt ist. Zum einen gibt es immer eine Nacht- und eine Tagseite, zum anderen treffen die Sonnenstrahlen am Äquator nahezu senkrecht auf und transportieren damit viel mehr Energie als an den Polen, wo der Einfallswinkel sehr flach ist. Das Temperaturgefälle vom warmen Äquator zu den kalten Polen setzt die gesamte Luft der Troposphäre in Bewegung.

Warme Luft hat eine geringere Dichte als kalte Luft und tendiert dazu, aufzusteigen. Am Äquator entsteht dadurch ein gewaltiger Konvektionsstrom an aufsteigender Luft. Je weiter sie sich von der warmen Erdoberfläche entfernt, desto mehr kühlt sie ab und wird komprimiert. So herrscht hoch über dem Äquator ein hoher Luftdruck. Auf derselben Höhe ist der Luftdruck an den Polen viel geringer, weil die kalte Luft hier kaum aufsteigt. Um das Druckgefälle auszugleichen, strömt die Höhenluft vom Äquator in Richtung der Pole. Dabei kühlt sie ab und sinkt. An den Polen herrscht dadurch in Bodennähe ein Hochdruckgebiet, das ausgeglichen wird, indem die bodennahe Luft zurück in Richtung Äquator strömt.

Die globale Luftzirkulation

In der Realität verläuft die globale Luftzirkulation nicht ganz so direkt zwischen Äquator und Polen. Der Grund dafür ist die Erdrotation. Da die Erde eine Kugel ist, dreht sie sich am Äquator am schnellsten: Ein Punkt auf dem Äquator muss in der gleichen Zeit eine größere Strecke zurücklegen. Das verursacht die scheinbare Corioliskraft, die zu den Polen hin immer stärker wird. Sie lenkt die Luftströmungen in Richtung Pol nach Osten und die Luftströmungen in Richtung Äquator nach Westen ab. Dadurch erreicht die über dem Äquator aufsteigende Luft den Pol nicht direkt, sondern beginnt bereits vorher, abzukühlen und zu sinken – etwa am 30. Breitengrad. Es entstehen drei Windsysteme: Die Hadley-Zelle zwischen dem Äquator und dem 30. Breitengrad, die Ferrell-Zelle zwischen dem 30. und dem 60. Breitengrad und die Polarzelle zwischen dem 60. Breitengrad und den Polen.

Und selbst dieses Modell der atmosphärischen Zirkulation ist noch stark vereinfacht. „Das Modell erklärt die troposphärische Zirkulation im zeitlichen Mittel. Aber zu jedem Zeitpunkt sieht die Atmosphäre an jedem Punkt vollkommen anders aus“, erklärt Physikerin Claudia Stephan vom Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik in Kühlungsborn. Komplexer wird es zum Beispiel, weil auf einem Breitengrad niemals ein einheitliches Hoch- oder Tiefdruckgebiet herrscht. Wasserflächen erhitzen sich weniger stark als Landflächen – die Luft darüber bleibt kühler und steigt nicht so weit auf. Deshalb gibt es auch Druckunterschiede in östlicher und westlicher Richtung, die zu kleineren Luftströmungen führen und miteinander wechselwirken. Diese unterschiedlichen „Hochs“ und Tiefs“ werden zudem ständig verschoben.

Verantwortlich dafür sind die Jetstreams. Das sind bis zu 500 Kilometer pro Stunde schnelle Starkwinde an der oberen Grenze der Troposphäre, die vom Äquator in Richtung der Pole wehen und durch die Corioliskraft nach Osten abgelenkt werden. Sie ziehen sich wie geschwungene Bänder um die Planeten. Die „Kurven“ der Jetstreams breiten sich als sogenannte Rossby-Wellen in der gesamten Atmosphäre aus und brechen schließlich in der Stratosphäre, wo sie eine eigene Windzirkulation auslösen: Die Brewer-Dobson-Zirkulation. Sie ist verantwortlich für die Verteilung von Sauerstoff und Ozon in der Stratosphäre und damit maßgeblich an der Bildung der lebenswichtigen Ozonschicht beteiligt. Außerdem entstehen dadurch die stratosphärischen Polarwirbel, die normalerweise jeden Winter stabil über den Polen wehen. Erwärmt sich die Stratosphäre aber stark, können sie abschwächen. Dann entweicht die eisige Polarluft und sorgt für Kältewellen über den USA und Europa, wie zuletzt Anfang 2025 in Chicago.

Kein Leben ohne Wasser

Warme Luft ist nicht nur leichter als kalte, sondern hat noch eine weitere, wichtige Eigenschaft: Sie kann viel mehr Luftfeuchtigkeit aufnehmen. Wo Sonnenstrahlen auf Wasser treffen, verdunstet ein Teil davon zu Wasserdampf und steigt mit der warmen Luft nach oben. Kühlt die Luft ab, sinkt ihre Fähigkeit, Wasser zu binden, sodass sie schließlich übersättigt ist und Wasser freigeben muss: Der Wasserdampf kondensiert zu Tröpfchen und es entstehen Wolken, die mit den Luftströmungen weitergetragen werden – bis die Wassertropfen so schwer sind, dass sie als Niederschlag zurück auf die Erde fallen, in Form von Regen, Hagel oder Schnee. So wird das Wasser der Ozeane auf die Landmassen umverteilt – auf den Ozeanen verdunstet rund siebenmal so viel Wasser wie an Land. Über Flüsse gelangt ein Teil des Wassers schließlich zurück in den Ozean, der Rest sinkt als Grundwasser ab oder bildet Quellen, Seen, Moore und Teiche, die einer riesigen Artenvielfalt als Lebensraum dienen.

Über die Luftzirkulation werden aber nicht nur Wasser und Gase transportiert: Die Winde wirbeln Staub auf und verteilen Pollen und Sporen, mit denen sich Pflanzen und Pilze fortpflanzen. Diese Aerosole und das sogenannte Luftplanton (mehr dazu ab S. 100) spielen im Wasserkreislauf eine wichtige Rolle. Als Kondensationskerne ermöglichen sie die Wolkenbildung, lange bevor die Luft übersättigt ist. Ohne Aerosole würden in der Atmosphäre kaum Wolken entstehen – und ohne Niederschläge wären die trockenen Kontinente alles andere als lebensfreundlich. Denn Wasser dient nicht nur als Lebensraum, sondern ist auch für die meisten Funktionen eines Organismus essenziell: als Bestandteil von Zellen und Gewebe, als Transportmittel für Nährstoffe und als Reaktionspartner in der wohl wichtigsten chemischen Reaktion für das Leben – der Photosynthese.

Vom Atmosphärengas zum Zellbaustein

Neben Wasser, Kohlenstoff und Sauerstoff benötigen Lebewesen eine Reihe weiterer chemischer Verbindungen. Die Verfügbarkeit dieser Nährstoffe entscheidet darüber, welche Arten sich ansiedeln – und sie begrenzt das Wachstum von Ökosystemen. In vielen Systemen ist Stickstoff ein limitierender Faktor. Er ist ein wesentlicher Bestandteil von Proteinen, der DNS und aller Enzyme, die den Stoffwechsel lebender Organismen steuern. Außerdem macht er 78 Prozent der Atmosphärenluft aus. Dieser gasförmige Stickstoff ist für Lebewesen allerdings nicht direkt nutzbar. Stattdessen ist der Großteil des für Pflanzen verwertbaren Stickstoffs in Form von abgestorbenen Pflanzen, Humusstoffen und Lebewesen im Boden gebunden.

Der atmosphärische Stickstoff muss zunächst durch Mikroorganismen im Boden in eine nutzbare Form umgewandelt werden. Aber auch der Wasserkreislauf tut seinen Teil: Bei der elektrischen Entladung während eines Gewitters verbinden sich Sauerstoff und Stickstoff zu Stickstoffoxiden, die durch Regen ausgewaschen und in den Boden eingetragen werden. In niederschlagsreichen Gebieten werden dem Boden so jedes Jahr rund 20 bis 25 Kilogramm Stickstoff pro Hektar zugeführt. Das ist bereits ein Viertel des jährlichen Stickstoffbedarfs von Grünland.

Ein komplexes Gleichgewicht

In der Atmosphäre hängt alles miteinander zusammen. Der Strahlungshaushalt der Erde sorgt für Temperaturen, in denen Wasser in allen drei Aggregatzuständen existieren kann. Gleichzeitig erzeugt er die dynamische Luftzirkulation, über die Nährstoffe verteilt werden und Wasser durch Wolken und Niederschläge auf die Kontinente gelangt. Und die Wolken selbst sind nicht nur passive Passagiere der Luftströmungen, sondern beeinflussen ihrerseits den Strahlungshaushalt und die atmosphärische Zirkulation. So schließt sich der Kreis. Wasserkreislauf, Windzirkulation und die Stoffkreisläufe sind keine getrennten Systeme, sondern bedingen sich gegenseitig. Sie ermöglichen das Leben auf der Erde – und werden gleichzeitig durch das Leben geformt. //