Kohlenstoffhaushalt und -flüsse

Die Größe der wichtigsten Kohlenstoffreservoire der Erde und der zwischen ihnen stattfindenden Flüsse ist nicht genau bekannt. Dies betrifft insbesondere die Kohlenstoffgehalte in der Vegetation, im Boden, in Sedimenten, in der Tiefsee und die Nettoflüsse zwischen Land und Atmosphäre und zwischen Meer und Atmosphäre. Am Besten bekannt ist der Zusammenhang zwischen den Emissionen durch die Nutzung fossiler Energieträger und dem Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre. Kohlenstoffgehalte und -flüsse sind in den beiden Abbildungen unten unterschiedlich detailliert dargestellt. Die Emissionen aus der Nutzung fossiler Energieträger betragen 6,4±0,4 Gt C jährlich, zieht man die Verluste durch die Festlegung von Kohlenstoff in Senken an Land und in den Meeren ab, so führen diese Emissionen zu einer Nettoerhöhung des atmosphärischen Kohlenstoffgehaltes von 3,2±0,1 Gt C pro Jahr.

Kohlenstoffgehalte in Gt C in den Reservoiren Vegetation, Boden, Atmosphäre und Ozean und Flüsse in Gt C pro Jahr (anhand von Pfeilen verdeutlicht) zwischen diesen Kohlenstoffspeichern (Gt C: Gigatonnen oder 10⁹ Tonnen Kohlenstoff).
Quelle: Energieministerium der Vereinigten Staaten, verändert

Detaillierte Übersicht der Gehalte und Flüsse im globalen Kohlenstoffkreislauf in den 1990ern. Werte der vorindustriellen Zeit oder ‘natürliche’ Werte sind in schwarz dargestellt, anthropogen beeinflusste Werte in rot.
Quelle: IPCC

Szenario

Offensichtlich handelt es sich bei den Meeren um eine bedeutende Senke für Kohlendioxid, welches bei der Verbrennung von Öl und Gas in die Atmosphäre ausgestossen wird. Obwohl die im Meer enthaltene Biomasse sehr viel geringer ist als an Land, ist die biologische Produktivität fast gleich hoch. Deshalb erfolgt eine Fixierung von Kohlenstoff in derselben Größenordnung. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass zurzeit Versuche unternommen werden, die biologische Produktivität der Meere zu erhöhen. Dabei wird darauf gehofft, dass ein wesentlicher Teil des in Phytoplanktonpartikeln fixierten Kohlenstoffes in die Tiefsee absinkt. Wenn es dazu kommt, dann ist der Kohlenstoff dort 'begraben'. Da die Meeresströmungen sehr langsam sind, wird der Kohlenstoff als Treibhausgas für tausende von Jahren aus dem Klimasystem entfernt.

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Das klingt doch nach einer guten Idee: die Düngung der Meere soll die Festlegung von Kohlenstoff in der Tiefsee erhöhen und dadurch die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre reduzieren!

Fragen

Welche Faktoren (z.B. Licht, Temperatur, Salzgehalt, Transparenz des Wassers, Nährstoffgehalte, ...) bestimmen die biologische Produktivität des Meeres? Welche Größen sind am Wichtigsten, welche weniger bedeutend? Bestehen wesentliche Unterschiede zur Vegetation an Land?
Welche Faktoren (z.B., Abgrasen durch Zooplankton und Fische, Bakterienbefall, Nährstoffmangel, ...) führen zur Abnahme des Phytoplanktons?
Angenommen eine Phytoplanktonblüte schrumpft aufgrund der unter Punkt 2) genannten Umstände. Die Planktonpartikel beginnen dann, in die Tiefe abzusinken. Welche Prozesse könnten zum Abbau der Partikel während des Absinkens führen, sodass sie den Meeresgrund gar nicht erreichen?
Finden Sie Argumente zur Stützung der folgenden Hypothesen:
- Die biologische Produktivität des Ozeans ist durch Nährstoffe limitiert. Demzufolge sollte eine Düngung zur Erhöhung der Produktivität und somit zu einer erhöhten Aufnahme von Kohlenstoff durch das Phytoplankton führen, welches dann in der Tiefsee gespeichert wird.
- Aufgrund von Abbauprozessen im oberen Bereich der Wassersäule führt eine erhöhte biologische Produktivität nicht zu einer Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes in der Tiefsee. Stattdessen findet ein rascher Abbau von Biomasse statt. Organischer Kohlenstoff wird zu Kohlendioxid oxidiert und anschließend an die Atmosphäre abgegeben.

Benötigte Zeit:

Zwei Unterrichtsstunden und eine Aufgabe als Hausaufgabe

Ablauf:

Erste Unterrichtsstunde: Die Schüler bilden Gruppen von nicht mehr als fünf Personen und
- diskutieren die gestellten Fragen zur Kohlendioxidkonzentration und zum Temperaturanstieg
- überlegen, welche Hintergrundinformationen sie zum Beantworten der Fragen benötigen
- verteilen Aufgaben an alle Gruppenmitglieder, die bis zur nächsten Unterrichtsstunde bearbeitet werden sollen

Hausaufgabe: Die Schüler bearbeiten die Aufgaben, die ihnen von ihrer Gruppe zugewiesen wurden.
Zweite Unterrichtsstunde: Die Schüler
- stellen vor, was sie innerhalb ihrer Gruppe gelernt haben
- ?FALSCHE FRAGEN?überlegen, wie ihnen ihre Ergebnisse dabei helfen können, Frage 4 zu beantworten, d.h. eine Vorhersage der zukünftigen Temperatur der Atmosphäre zu treffen
- tragen die Ergebnisse ihrer Gruppe dem Rest der Klasse vor