Information
Wenn Pflanzen und Ozean CO₂ aufnehmen, warum reichert es sich dann in der Luft an? Vor der Industriellen Revolution wurde das, was die Natur der Luft entzog, im gleichen Maß zurückgegeben. Die menschlichen Emissionen sind ein zusätzlicher Fluss ohne Gegenstück. Pflanzen und Ozean reagieren auf den Überschuss und nehmen mehr auf, aber nur einen Teil. Im Simulator sind von den rund 750 GtC, die von 1850 bis 2025 ausgestoßen wurden, etwa 42 % in der Luft geblieben, 26 % in den Ozean gegangen und der Rest, etwa ein Drittel, in Pflanzen und Böden (fast so viel, wie die Entwaldung ihnen genommen hat). Sieh dir das Diagramm Verbleib an.
Wenn der Ozean so groß ist, warum nimmt er nicht das ganze zusätzliche CO₂ auf? Aus drei Gründen. Nur die oberste Schicht (etwa 100 m) tauscht CO₂ mit der Luft aus, und das Wasser braucht Jahrzehnte, um die Zwischenschicht zu erreichen, und etwa tausend Jahre bis zum Meeresgrund. Außerdem reagiert das gelöste CO₂ mit dem Wasser und mit dem darin gelösten Carbonat; je mehr Kohlenstoff der Ozean schon aufgenommen hat, desto weniger Carbonat bleibt für diese Reaktion übrig, und jede zusätzliche GtC lässt sich schwerer aufnehmen (Revelle-Faktor, von 9,5 auf heute etwa 11; es ist dieselbe Chemie wie bei der Versauerung der Ozeane). Schließlich löst wärmeres Wasser weniger Gas. Im Szenario Konstante Emissionen nimmt der Ozean im Jahr 2100 mehr Kohlenstoff pro Jahr auf als heute (4,2 gegenüber 3,5 GtC/Jahr), aber pro zusätzlichem ppm CO₂ in der Luft nimmt er nur die Hälfte dessen auf, was er heute aufnimmt.
Was zeigt das Diagramm ΔT × GtC? Die Erwärmung wächst fast direkt proportional zur Gesamtmenge des bereits ausgestoßenen Kohlenstoffs und nicht zum Tempo der Emissionen. Im Simulator sind es etwa 1,6 °C pro 1000 GtC (der IPCC schätzt 1,65 °C, mit einer wahrscheinlichen Spanne von 1,0 bis 2,3 °C). Daher kommt die Idee des Kohlenstoffbudgets: Um unter einer bestimmten Erwärmung zu bleiben, darf insgesamt nur eine begrenzte Menge ausgestoßen werden, und die Erwärmung hört erst auf zu steigen, wenn die Emissionen nahe null sind.
Was passiert, wenn die Emissionen auf null sinken? Im Szenario Null in 25 Jahren erreicht die Erwärmung um 2050 etwa 1,4 °C und sinkt danach langsam (1,3 °C im Jahr 2100). Zwei Effekte heben sich fast auf: Das CO₂ in der Luft nimmt ab, weil Pflanzen und Ozean weiter aufnehmen, aber die Tiefsee, die noch kälter als die Oberfläche ist, nimmt immer weniger Wärme auf. Das CO₂ kehrt nicht auf 280 ppm zurück: Im Szenario Puls sind nach 100 Jahren noch etwa 43 % des freigesetzten Kohlenstoffs in der Luft, nach 1000 Jahren 21 %.
Warum berücksichtigt der Simulator nur CO₂? CO₂ ist das Gas, das am meisten zur Erwärmung beiträgt und am längsten in der Luft bleibt, und es ist das einzige, das zwischen den hier gezeigten Speichern zirkuliert. Andere Gase wie Methan und Lachgas erwärmen den Planeten ebenfalls, und die Aerosole aus der Luftverschmutzung kühlen ihn. Deshalb ist das ΔT des Simulators die durch CO₂ verursachte Erwärmung und sollte nicht direkt mit der beobachteten Gesamterwärmung verglichen werden. Die Linien bei 1,5 °C und 2 °C in den Diagrammen Temperatur und ΔT × GtC markieren die Ziele des Pariser Abkommens, die für die Gesamterwärmung gelten (mit all diesen Effekten): Sie dienen als Orientierung, nicht als genauer Vergleich.
Boxmodell mit fünf Kohlenstoffspeichern (Vorräte in GtC; 1 ppm CO₂ ≈ 2,124 GtC) und zwei Temperaturschichten, integriert mit dem Runge-Kutta-Verfahren 4. Ordnung (Schrittweite 0,25 Jahr).
Kohlenstoff. Atmosphäre $C_A$, Vegetation $C_V$, Böden $C_S$, Oberflächenozean $C_M$ (bis 100 m) und Tiefsee, aufgeteilt in Zwischenschicht $C_I$ (100 bis 1000 m) und Meeresgrund $C_P$ (der Simulator zeigt die Summe $C_I + C_P$):
$$\begin{aligned} \dot C_A &= R_V + R_S + F_{\text{out}} - P\\ &\quad - F_{\text{in}} + E_{\text{fos}} + E_{\text{def}}\\ \dot C_V &= P - R_V - L - E_{\text{def}}\\ \dot C_S &= L - R_S\\ \dot C_M &= F_{\text{in}} - F_{\text{out}} + F_{\text{up}} - F_{\text{down}}\\ \dot C_I &= F_{\text{down}} - F_{\text{up}} + G_{\text{up}} - G_{\text{down}}\\ \dot C_P &= G_{\text{down}} - G_{\text{up}} \end{aligned}$$Addiert man die sechs Gleichungen, bleibt nur $E_{\text{fos}}$ übrig: Der Gesamtkohlenstoff nimmt nur durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu; die Entwaldung ($E_{\text{def}}$) überträgt Kohlenstoff von der Vegetation in die Atmosphäre.
Landflüsse. Photosynthese $P$, Atmung der Pflanzen $R_V$, Fall von Blättern und Zweigen $L$ und Bodenatmung $R_S$:
$$\begin{aligned} P &= P_0\,[1 + \beta \ln(C_A/C_{A0})]\\ R_V &= P/2\\ L &= \tfrac{P_0}{2}\,C_V/C_{V0}\\ R_S &= \tfrac{P_0}{2}\,(C_S/C_{S0})\,Q_{10}^{\,T/10} \end{aligned}$$mit $P_0 = 120$ GtC/Jahr; der Faktor $Q_{10}^{\,T/10}$ wirkt nur bei eingeschalteter Bodenrückkopplung.
Ozeanflüsse. Austausch mit der Luft ($F_{\text{in}}$, $F_{\text{out}}$), Durchmischung der Oberfläche mit der Zwischenschicht ($F_{\text{down}}$, $F_{\text{up}}$) und der Zwischenschicht mit dem Meeresgrund ($G_{\text{down}}$, $G_{\text{up}}$):
$$\begin{aligned} F_{\text{in}} &= k\,p_{\text{atm}}\\ F_{\text{out}} &= k\,p_{\text{oc}}\\ p_{\text{oc}} &= p_q(D)\,e^{0{,}0423\,T}\\ F_{\text{down}} &= \frac{C_{I0}}{\tau_{\text{mix}}}\,\frac{C_M}{C_{M0}}\\ F_{\text{up}} &= \frac{C_I}{\tau_{\text{mix}}}\\ G_{\text{down}} &= \frac{C_{P0}}{\tau_{\text{deep}}}\,\frac{C_I}{C_{I0}}\\ G_{\text{up}} &= \frac{C_P}{\tau_{\text{deep}}} \end{aligned}$$mit $k = 80/280$ GtC/Jahr pro ppm, $p_{\text{atm}} = C_A/2{,}124$ und $p_{\text{oc}}$ in ppm sowie $\tau_{\text{deep}} = 1000$ Jahre (Alter des Tiefenwassers nach Kohlenstoff-14). Der Faktor $e^{0{,}0423\,T}$ (4,2 % pro °C) wirkt nur bei eingeschalteter Ozeanrückkopplung.
Carbonatchemie. Gelöstes CO₂ reagiert mit Wasser ($\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^- \rightleftharpoons 2\text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$), und nur der kleine Anteil, der als CO₂ bleibt, kehrt in die Luft zurück. Der gelöste anorganische Kohlenstoff der Oberfläche ist $D = D_0\,C_M/C_{M0}$ ($D_0 \approx 1986$ µmol/kg). Bei fester Alkalinität ($A_T = 2300$ µmol/kg) erhält man $[\text{H}^+]$ aus
$$\begin{aligned} A_T &= D\,\frac{K_1[\text{H}^+] + 2K_1K_2}{[\text{H}^+]^2 + K_1[\text{H}^+] + K_1K_2}\\ &\quad + \frac{B_T K_B}{K_B + [\text{H}^+]} + \frac{K_w}{[\text{H}^+]} - [\text{H}^+] \end{aligned}$$und dann $p_q = D\,[\text{H}^+]^2 / \{K_0\,([\text{H}^+]^2 + K_1[\text{H}^+] + K_1K_2)\}$, mit den Gleichgewichtskonstanten von Meerwasser bei 18 °C und Salinität 35. Der Revelle-Faktor, $\xi = (\Delta p_q/p_q)/(\Delta D/D)$, ergibt sich aus der Rechnung: ≈ 9,5 in vorindustrieller Zeit, und er wächst, während der Ozean Kohlenstoff aufnimmt (heute ≈ 11); jede zusätzliche GtC lässt sich schwerer aufnehmen. Mit ausgeschaltetem Revelle-Faktor gilt $p_q = 280\,C_M/C_{M0}$ (CO₂ würde sich wie ein beliebiges Gas lösen, $\xi = 1$).
Emissionen. $E_{\text{fos}}$ und $E_{\text{def}}$ folgen den historischen Daten bis zum letzten Jahr mit Daten; danach den Werten des Panels „Menschliche Emissionen“, in den Reduktionsszenarien verringert. Im Szenario „Puls“ gelangt der gesamte Kohlenstoff im ersten Jahr hinein.
Klima. Energiebilanz mit zwei Schichten: Oberfläche (Atmosphäre + Deckschicht des Ozeans, Anomalie $T$) und Tiefsee ($T_p$):
$$\begin{aligned} C_s\,\dot T &= \Delta F - \lambda T - \gamma\,(T - T_p)\\ C_p\,\dot T_p &= \gamma\,(T - T_p) \end{aligned}$$mit dem Antrieb $\Delta F = 5{,}35\,\ln(C_A/C_{A0})$ W/m², $\lambda = F_{2\times}/S$ ($F_{2\times} = 5{,}35 \ln 2 \approx 3{,}7$ W/m² und $S$ die Klimasensitivität), $C_s = 0{,}094\,h$ ($h$ in Metern), $C_p = 106$ W·Jahr/(m²·°C) und $\gamma = 0{,}73$ W/(m²·°C).
Vorindustrielles Gleichgewicht. $C_{A0} = 594{,}7$ (280 ppm), $C_{V0} = 450$, $C_{S0} = 1700$, $C_{M0} = 900$, $C_{I0} = 9000$ und $C_{P0} = 28\,000$ GtC, mit $T = T_p = 0$: Alle Ableitungen verschwinden (zum Beispiel erhält die Atmosphäre 60 + 60 + 80 und verliert 120 + 80 GtC/Jahr).
Der Kohlenstoff fossilen Ursprungs wird als Tracer in allen Speichern verfolgt (jeder Fluss trägt den fossilen Anteil des Speichers, aus dem er kommt). Die fossilen Reserven beginnen bei 5000 GtC, der Größenordnung der geschätzten Ressourcen. Das Modell ist didaktisch: Es berücksichtigt nur CO₂ (ohne andere Treibhausgase und ohne Aerosole). Die jährlichen historischen Emissionen (fossile Brennstoffe und Zement, abzüglich der Karbonatisierung; Landnutzungsänderung) stammen aus dem Global Carbon Budget 2025, von 1850 bis 2024, plus der Projektion für 2025.
Möchten Sie diese Simulation wirklich löschen?