Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre

300px|mini|CO2-Fluss aus der Biosphäre im Verlauf des 8. Juli 2006, also im Nordsommer (NOAA-Carbon Tracker, 3-Stunden-Schritte), negativer Fluss, durch pflanzliche Photosynthese auf der Tagseite, ist in blauen Farbtönen dargestellt 300px|mini|Gleiches am 28. Dezember 2006, nun überwiegt die Aktivität auf der Südhalbkugel

Kohlenstoffdioxid (CO2), allgemeinsprachlich Kohlendioxid, ist als Spurengas mit einem Volumenanteil von etwa 0,04 % (etwa 400 ppm) in der Erdatmosphäre enthalten. Der Massenanteil beträgt etwa 0,06 % (Stand 2009).Mass of atmospheric carbon dioxide IGSS, Institute for green and sustainable Science.

Kohlenstoffdioxid ist als Spurengas für das Leben auf der Erde in vielerlei Hinsicht von elementarer Bedeutung: Pflanzen nehmen die für sie lebensnotwendige Kohlenstoffverbindung auf, bilden daraus Biopolymere und geben Sauerstoff ab (Photosynthese). Bei der Atmung der allermeisten Lebewesen wird Kohlenstoffdioxid freigesetzt und in die Erdatmosphäre abgegeben.

Als Treibhausgas beeinflusst CO2 durch den Treibhauseffekt das Klima der Erde und durch seine Löslichkeit in Wasser den pH-Wert der Ozeane wesentlich. Im Verlauf der Erdgeschichte schwankte der atmosphärische CO2-Gehalt erheblich und war häufig an einer Reihe gravierender Klimawandel-Ereignisse direkt beteiligt.

Im April 2021 wurde am Mauna-Loa-Observatorium auf Hawaii erstmals eine Konzentration von mehr als 420 ppm gemessen, im Mai 2025 erstmals über 430 ppm.Highest-Ever Mauna Loa CO2 Levels in recorded human history and beyond.Keeling-Kurve Über große Teile der vorindustriellen Epoche bis etwa zur Mitte des 19. Jahrhunderts lag dieser Wert noch im Bereich von 280 ppm.

Kohlenstoffkreislauf

300px|mini|Falschfarben-Bild der Rauch- und Ozon-Verschmutzung durch Feuer in Indonesien im Jahr 1997

Im Kohlenstoffkreislauf wird ständig eine sehr große Menge an Kohlenstoff zwischen der Atmosphäre und anderen Depots, wie z. B. Meeren, Lebewesen und Böden ausgetauscht. In der Atmosphäre befanden sich vor Beginn der Industrialisierung etwa 590 Gt Kohlenstoff. Diese Menge steigt seitdem durch menschliche Emissionen; in den 2010er Jahren waren etwa 870 Gt Kohlenstoff in der Atmosphäre, was in Form von CO2 knapp 6,3 kg pro m2 der Erdoberfläche entspricht. Die meisten CO2-Quellen haben einen natürlichen Ursprung und werden durch natürliche CO2-Senken ausgeglichen. Die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration wird vom Stoffwechsel der Lebewesen auf der Erde, aber auch von Reaktionen beeinflusst, die unabhängig von jeglichem Leben ablaufen und ihren Ursprung in physikalischen und chemischen Prozessen haben. Die Zeitkonstante, d. h. die Geschwindigkeit dieser Vorgänge, variiert stark und reicht von wenigen Stunden bis zu vielen Jahrmillionen.

Die Kohlenstoffdioxidkonzentration der jungen Erde hatte ihren Ursprung in vulkanischer Aktivität, die der Atmosphäre bis heute Kohlenstoffdioxid zuführt und aktuell ca. 150 bis 250 Megatonnen Kohlenstoffdioxid jährlich freisetzt.Volcanic Gases and Climate Change Overview. USGS. Seit Bestehen der Erde wird das Spurengas durch Verwitterung von Gestein wieder aus der Atmosphäre entfernt. Ein Teil wird auch durch biogene Sedimentation abgelagert und dem Kreislauf damit entzogen.

Diesen abiotischen Prozessen stehen erheblich größere Stoffströme gegenüber, die von der Atmung von Lebewesen herrühren. Zu den natürlichen Kohlenstoffdioxid-Quellen zählt auch die Verbrennung organischen Materials durch Waldbrände.

Da sich CO2 gut in Wasser löst, beeinflusst eine Konzentrationsänderung dieses Spurengases in der Luft auch den Gehalt an Kohlensäure und damit den pH-Wert der Meere und Seen der Erde. Der Anstieg der atmosphärischen Kohlenstoffdioxidkonzentration seit Beginn der industriellen Revolution führt daher sowohl zu einer Versauerung der Meere – fast die Hälfte des vom Menschen in die Atmosphäre eingebrachten Kohlenstoffdioxids ist in den Weltmeeren gelöst – als auch zur Versauerung von Süßwasserseen.

Wechselwirkung mit Pflanzen mini|hochkant=1.8|Abhängigkeit der Photosyntheserate von der CO2-Menge in der Luft bei C3- und C4-Pflanzen.

Pflanzen wandeln Kohlenstoffdioxid mit Hilfe der Photosynthese in Zucker, insbesondere Glucose, um. Die für diese Reaktion nötige Energie gewinnen sie über die Absorption von Sonnenlicht durch Chlorophyll; als Abfallprodukt entsteht Sauerstoff. Dieses Gas wird von den Pflanzen in die Atmosphäre abgegeben, wo es anschließend für die Atmung heterotropher Organismen und anderer Pflanzen benutzt wird; damit entsteht ein Kreislauf. Durch diese Stoffströme wird das Kohlenstoffdioxid der Atmosphäre durchschnittlich alle drei bis fünf Jahre vollständig ausgetauscht.Global Turnover times and reservoires. Department of Earth System Science, University of California. Landpflanzen nehmen hierbei bevorzugt das leichtere Kohlenstoffisotop 12C auf. Dieser Effekt kann mit Hilfe von Isotopenuntersuchungen gemessen werden.

Der natürliche Zerfall organischen Materials in Wäldern und Grasland sowie in der Natur immer wieder auftretende Brände führen zu einer jährlichen Freisetzung von ca. 439 Gigatonnen Kohlenstoffdioxid. Neues Pflanzenwachstum gleicht diesen Effekt vollständig aus, denn dadurch werden jährlich ca. 450 Gigatonnen absorbiert.Climate Change 2007 (AR4) Vierter Sachstandsbericht des IPCC.

Die vorindustrielle Konzentration von 280 ppm,IPCC AR4, Kapitel 2.3.1 Atmospheric Carbon Dioxide aber auch die gegenwärtig deutlich erhöhte Konzentration von über 400 ppm liegt für C3-Pflanzen unterhalb des für ein ideales Wachstum optimalen Wertes. In Gewächshäusern wird der Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft deshalb künstlich auf Werte von 600 ppm und mehr angehoben. Durch diese Kohlenstoffdioxid-Düngung kann das Pflanzenwachstum bei sonst idealen Bedingungen um bis zu 40 % gesteigert werden. In der Natur ist eine derart hohe Wachstumssteigerung durch CO2-Düngung jedoch nur dort zu erwarten, wo das Pflanzenwachstum nicht durch Knappheit von Nährstoffen und/oder Wasser begrenzt wird. doi:10.1126/science.abb7772 Über den Zeitraum von 1982 bis 2010 ist ein signifikanter, global nachweisbarer Effekt durch CO2-Düngung festgestellt worden. Daneben wurde im Jahr 2010 von der Biosphäre auch doppelt so viel Kohlenstoffdioxid resorbiert wie im Jahre 1960; die menschengemachten Emissionen vervierfachten sich jedoch in diesem Zeitraum.A. P. Ballantyne, C. B. Alden, J. B. Miller, P. P. Tans, J. W. White: Increase in observed net carbon dioxide uptake by land and oceans during the past 50 years. In: Nature. Band 488, Nummer 7409, August 2012, S. 70–72. doi:10.1038/nature11299. PMID 22859203. Zwar sind 90 % aller Pflanzenarten C3-Pflanzen, jedoch sind 40 % der Erdoberfläche von C4-Pflanzen besiedelt (wie Mais, Zuckerrohr oder Hirse), deren ökologische und ökonomische Bedeutung daher hoch ist. Hier Seiten 88–101. Ähnlich wie die an sehr trockene und warme Habitate angepassten CAM-Pflanzen reagieren C4-Pflanzen auf eine CO2-Düngung nur mit einer Wachstumssteigerung von wenigen Prozent, da sie das Spurengas schon in der vorindustriellen atmosphärischen Konzentration sehr gut aufnehmen konnten.

Auswirkungen des Klimawandels mini|thumbtime=41|Kohlenstoffdioxid als Klimafaktor. Wie verursacht CO2 den Treibhauseffekt? 3:38 min.

Die Leistungsfähigkeit des für die Photosynthese von Pflanzen verantwortlichen Enzyms Rubisco hängt von seiner Temperatur sowie von der CO2-Konzentration in der Umgebungsluft ab. Obwohl die Toleranz gegenüber höheren Temperaturen mit steigender CO2-Konzentration ebenfalls steigt, ist zu erwarten, dass die mit der Erhöhung des CO2-Gehalts der Atmosphäre verbundene globale Erwärmung bei einigen Pflanzenarten zu einer abnehmenden Photosyntheserate und damit abnehmenden Primärproduktion führt.

Der Einfluss erhöhter Kohlenstoffdioxid-Konzentration, die bisher bei einigen Kulturpflanzen als vorteilhaft angesehen wird, wurde im Hinblick auf die Biosphäre im Rahmen des FACE-Experiments untersucht. Dabei zeigten sich – je nach Pflanze – unterschiedliche Ergebnisse.

2016 wurde bestätigt, dass mit steigender atmosphärischer CO2-Konzentration in Verbindung mit erhöhten Temperaturwerten sowie der Wasserdampf-Rückkopplung die Starkregenereignisse zunehmen.

Räumliche und zeitliche Schwankungen der atmosphärischen Konzentration mini|300px|Räumliche Verteilung der Kohlenstoffdioxidkonzentration des Jahres 2003. Hohe Konzentrationen von ca. 385 ppm erscheinen in Rot, niedrige Konzentrationen in Höhe von ca. 360 ppm sind blau dargestellt.

Da der Stoffwechsel von Pflanzen unmittelbar vom Licht abhängt, schwanken bodennahe CO2-Konzentrationen im Tagesgang. Bei ausreichender Pflanzendecke zeigt sich in der Nacht ein Maximum und am Tag ein Minimum. In und um Ballungszentren ist die CO2-Konzentration hoch, in Wäldern im Vergleich zum Umland jedoch deutlich abgesenkt.Scripps CO2-Programm: In einigen Regionen Südamerikas und Afrikas treten Schwankungen von ca. 60 ppm im Tagesverlauf auf. In geschlossenen Räumen kann die Konzentration bis zum Zehnfachen des Durchschnittswerts der mittleren Konzentration in freier Natur ansteigen.

Bei Betrachtung des Verlaufs der Konzentration über mehrere Jahre ist eine jährliche Schwankung in Höhe von 3–9 ppmv erkennbar, die in der Vegetationsperiode der Nordhemisphäre ihre Ursache hat. Der Einfluss der Nordhemisphäre dominiert den jährlichen Zyklus der Schwankung der Kohlenstoffdioxidkonzentration, denn dort befinden sich weit größere Landflächen und somit eine größere Biomasse als auf der Südhemisphäre. Die Konzentration ist im Mai auf der Nordhemisphäre am höchsten, da das im Frühling stattfindende Ergrünen zu dieser Zeit beginnt; sie erreicht ihr Minimum Ende August/Anfang September, wenn die Photosynthese betreibende Biomasse am größten ist.

Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des pflanzlichen Stoffwechsels ergibt sich auch ein Unterschied zwischen äquatornahen CO2-Konzentrationen mit den in arktischen Breiten gewonnenen Daten; diese zeigen den jahreszeitlichen Einfluss der Wachstumsperiode: Während der Jahresgang der Kurven äquatornah nur ca. 3 ppm beträgt, liegt er in arktischen Breiten bei 20 ppm.

Bei der Erforschung der Kohlenstoffdioxidkonzentration der Erdatmosphäre leistete Charles Keeling Pionierarbeit. Dieser beschrieb in den späten 1950er Jahren nicht nur erstmals die oben erwähnten Oszillationen, sondern konnte mit Hilfe der von ihm erstellten Keeling-Kurve auch erstmals belegen, dass der Mensch die Konzentration dieses Spurengases erhöht.

Bedeutung als Treibhausgas mini|Illustration der Streck- und Biegeschwingungen des Kohlenstoffdioxids, die durch die Absorption von Infrarotstrahlung angeregt werden.

CO2 ist ein bedeutendes Treibhausgas: Es absorbiert und emittiert Infrarotstrahlung bei Wellenlängen von 4,26 µm und 14,99 µm (asymmetrische Streck- bzw. Biegeschwingung). Modellrechnungen deuten an, dass die Differenz des Flux der langwelligen Strahlung (Flux-Differenz mit und ohne Treibhaus-Gase) an der Oberfläche der Atmosphäre einen Wert von 26 % (bei klarem Himmel) hat. Nur die Senkung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen kann, wegen der Langlebigkeit von CO2 in der Atmosphäre, langfristig Abhilfe gegen die Klimaerwärmung schaffen.

60 % des Treibhauseffekts sind zwar auf Wasserdampf zurückzuführen, jedoch hängt die Konzentration von Wasserdampf in der Erdatmosphäre über die Clausius-Clapeyron-Gleichung allein von der globalen Durchschnittstemperatur der Erde (d. h. vom Dampfdruck) ab und lässt sich nur darüber dauerhaft verändern. Wasserdampf wirkt auf diese Weise lediglich verstärkend auf globale Temperaturveränderungen. Damit ist Kohlenstoffdioxid das wichtigste Treibhausgas, dessen Konzentration nachhaltig unmittelbar geändert werden kann. Das Treibhauspotential anderer Spurengase wird auf das von CO2 bezogen.