Unter Kohlenstoffkreislauf oder Kohlenstoffzyklus versteht man das System der chemischen Umwandlungen kohlenstoffhaltiger Verbindungen in den globalen Systemen Lithosphäre, Hydrosphäre, Erdatmosphäre, Biosphäre und Pedosphäre sowie den Austausch dieser Verbindungen zwischen diesen Erdsphären. Die Kenntnis dieses Kreislaufs einschließlich seiner Teilprozesse ermöglicht es unter anderem, die Eingriffe des Menschen in das Klima und damit ihre Auswirkungen auf die globale Erwärmung abzuschätzen und angemessen zu reagieren.
Systembetrachtung mini|hochkant=2|Diagramm des Kohlenstoffkreislaufs: Die schwarzen Zahlen zeigen an, wie viele Milliarden Tonnen oder Gigatonnen Kohlenstoff (Gt C) in den verschiedenen Kohlenstoffspeichern vorhanden sind; die violetten Zahlen geben an, wie viel Kohlenstoff zwischen den einzelnen Speichern pro Jahr (Gt/a C) ausgetauscht wird. Stand: ca. 2006Im Jahr 2006 übernommen aus Das System „Erde“ wird als geschlossenes System betrachtet. Zufuhr von Kohlenstoff beispielsweise durch Meteorite oder kernchemische Vorgänge und Verlust von Kohlenstoff beispielsweise durch Raumfahrt werden dabei außer Acht gelassen. Unter dieser Bedingung kann man den Gesamtkohlenstoffgehalt des Systems „Erde“ als konstant betrachten.
mini|Schematische Darstellung der Begriffe Der Kohlenstoffzyklus des Systems Erde gliedert sich in die fünf Teilsysteme Atmosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre, Biosphäre und Pedosphäre. Im Erdsystem Kryosphäre, also der Gesamtheit aller Eismassen des Planeten, ist nur wenig Kohlenstoff in Form von fossilem CO2 vorhanden. Sie enthalten alle Kohlenstoff in unterschiedlichen Formen. Unter diesem Aspekt können sie als Kohlenstoffspeicher verstanden werden. (Statt Kohlenstoffspeicher sagt man auch Kohlenstoffreservoir oder Kohlenstoffpool.Der IPCC versteht in seinem fünften Sachstandsbericht unter einem Reservoir nur Hydro-, Litho-, Bio- und Pedosphäre, nicht jedoch die Atmosphäre; mit einem Pool kann jede der fünf Sphären gemeint sein (siehe IPCC AR5, WG III, Annex 1, Glossary).) Ein solcher Speicher hat eine Speicherkapazität und einen gespeicherten Kohlenstoffvorrat.Manchmal wird der Kohlenstoffvorrat auch Kohlenstoffpool genannt, siehe z. B. Ein Kohlenstoffspeicher ist durch die Speicherformen des Kohlenstoffs charakterisiert. So speichert die Lithosphäre Kohlenstoff unter anderem in Form von Carbonatgesteinen (Kalkstein), die Biosphäre in Form organischer Kohlenstoffverbindungen sowie in Kalkskeletten der Tiere.
Zwischen den Kohlenstoffspeichern gibt es Kohlenstoffflüsse (auch Kohlenstoff-Fluxe). Wichtige Kenngrößen, die sich aus den Flüssen ergeben, sind Verweildauer im Speicher und die pro Zeitspanne zu- und abfließenden Mengen an Kohlenstoff (Flussraten).
Gibt ein Speicher (S1) pro Zeitspanne mehr Kohlenstoff an einen anderen Speicher (S2) ab, als er aus diesem aufnimmt, handelt es sich bei S1 um eine Kohlenstoffquelle in Bezug auf S2, während S2 eine Kohlenstoffsenke ist. Im Zusammenhang mit dem Kohlenstoffzyklus ist das Kohlenstoffbudget, auch Kohlenstoffbilanz, eine budgetmäßige Aufstellung der Zu- und Abflüsse eines Kohlenstoffspeichers. (Der Begriff Kohlenstoffbudget kann – vor allem in der Klimapolitik – auch speziell die Aufnahmekapazität der Atmosphäre bezeichnen, die noch verbleibt, bis die globale Temperatur eine bestimmte Grenze überschreitet, siehe CO2-Budget.)
Die hier skizzierten Begriffe werden in der Biogeochemie allgemein für beliebige Speicher und auch für andere Stoffkreisläufe als den des Kohlenstoffs verwendet.Siehe zum Beispiel Im Zusammenhang mit dem gegenwärtigen Klimawandel werden sie oft in Bezug auf die Atmosphäre als Referenz-Kohlenstoffspeicher verwendet.
Flussraten können sich ändern. Beispielsweise wird damit gerechnet, dass die relative Aufnahmefähigkeit der Ozeane mit zunehmender CO2-Konzentration in der Atmosphäre abnimmt. Kohlenstoffspeicher können infolge der relativen Änderung von Flussraten ihre Rolle vertauschen. Aus einer Kohlenstoffsenke kann eine Kohlenstoffquelle werden und umgekehrt.
So tauschen beispielsweise die terrestrische Biosphäre und die Atmosphäre im Jahresverlauf ihre Rollen: Im nordhemisphärischen Winter ist die Biosphäre für die Atmosphäre eine Kohlenstoffquelle, im nordhemisphärischen Sommer wird sie zur Senke. Denn auf der Nordhalbkugel befindet sich erheblich mehr Vegetation in deutlichem Abstand zum Äquator als auf der Südhalbkugel (z. B. borealer Nadelwald, gemäßigter Regenwald). Sie betreibt im Winter kaum Photosynthese, weil es zu kalt ist und das Licht fehlt. Global betrachtet gibt deshalb die gesamte terrestrische Biosphäre im nordhemisphärischen Winter mehr CO2 ab, als sie aufnimmt. Dieser natürliche Rollenwechsel zeigt sich im halbjährlichen Auf und Ab der Keeling-Kurve, die den CO2-Gehalt der Atmosphäre darstellt.
Aber auch durch menschliche Eingriffe können aus Kohlenstoffsenken Kohlenstoffquellen werden: In einem gesunden Moor mit ausreichend hohem Grundwasserspiegel versinken Pflanzen, die bei ihrem Wachstum CO2 aus der Atmosphäre entnommen haben. Dort verrotten sie nicht, weil der Sauerstoff fehlt. Langfristig entsteht aus ihnen Torf und später Braunkohle. Das Moor ist eine Kohlenstoffsenke in Bezug zur Atmosphäre. Wird aber der Grundwasserspiegel durch Drainagen abgesenkt oder gar Torf abgebaut, dann gerät Luft an das organische Material und es verrottet, CO2 wird frei. Aus der Kohlenstoffsenke ist eine Kohlenstoffquelle geworden. Alleine aus den trockengelegten Mooren Deutschlands entweichen jährlich 45 Millionen Tonnen CO2.
Kohlenstoffspeicher Kohlenstoff ist im Universum und auf der Erde ein relativ seltenes Element (Prozent-Angaben bedeuten Atomzahlenverhältnisse):
Häufigste Elemente im Universum: Wasserstoff (92,7 %) und Helium (7,2 %), (Kohlenstoff dagegen nur 0,008 %) Häufigste Elemente der Erdkruste: Sauerstoff 49 %, Eisen 19 %, Silicium 14 %, Magnesium 12,5 % (Kohlenstoff dagegen nur 0,099 %) Häufigste Elemente im menschlichen Körper: Wasserstoff (60,6 %), Sauerstoff (25,7 %) und Kohlenstoff (10,7 %)
Die globale Kohlenstoffmenge beträgt 75 Millionen Gt.
Atmosphäre In der Atmosphäre befanden sich mit Stand 2017 ca. 850 Gt Kohlenstoff. Das sind rund 0,001 % des globalen Gesamt-Kohlenstoffes. Die Atmosphäre und die Biosphäre sind die kleinsten Kohlenstoffspeicher. Der Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre reagiert also auf Änderung der Flussraten besonders empfindlich. Aufgrund biochemischer Vorgänge weist die Atmosphäre jedoch die höchsten Kohlenstoff-Flussraten auf und ist damit Bestandteil der kurzfristigen Kreisläufe.
Die mengenmäßig dominierende Kohlenstoffverbindung (und Abbauprodukt weiterer Spurengase) ist das Kohlenstoffdioxid (CO2). Da durch die Verbrennung fossiler Energieträger seit Beginn der Industrialisierung den Stoffflüssen in der Umwelt zuvor langfristig gebundener Kohlenstoff als CO2 hinzugefügt wird, steigt die Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre. Sie betrug 426 ppm (Stand Jan. 2025) – ein Anstieg von knapp 150 Parts per million (ppm) gegenüber dem vorindustriellen Wert von ca. 280 ppm.
Insgesamt wurden seit Beginn der Industrialisierung ca. 635 Gt Kohlenstoff (entspricht ca. 2300 Gt CO2) durch fossile Energieträger freigesetzt, von denen etwa knapp die Hälfte in der Atmosphäre verblieb und jeweils gut ein Viertel von Ozeanen und Landökosystemen aufgenommen wurde (Stand 2019).Markus Reichstein: Universell und Überall. Der terrestrische Kohlenstoffkreislauf im Klimasystem. In: Jochem Marotzke, Martin Stratmann (Hrsg.): Die Zukunft des Klimas. Neue Erkenntnisse, neue Herausforderungen. Ein Report der Max-Planck-Gesellschaft. Beck, München 2015, ISBN 978-3-406-66968-2, S. 123–136, S. 125–127.
Weitere kohlenstoffhaltige Gase in der Atmosphäre sind Methan mit 1,7 ppm, das Kohlenmonoxid mit 50–200 ppb und die halogenierten Kohlenwasserstoffe mit ca. 0,7 ppb.
Hydrosphäre Der Begriff der Hydrosphäre wurde in der Geschichte unterschiedlich verwendet und definiert. Teilweise verstand man darunter die Gesamtheit allen irdischen Wassers in allen Aggregatszuständen. Für den Kohlenstoffkreislauf ist nur das flüssige Wasser der Erdoberfläche relevant. Denn hier finden die Flüsse kohlenstoffhaltiger Gase und anderer Materialien statt. Modernere Definitionen von Hydrosphäre beschränken sich daher auf diesen Bereich. Nach dieser Definition enthält die Hydrosphäre 38.000 Gigatonnen Kohlenstoff, wovon jedoch nur ein kleiner Teil (im Oberflächenwasser) in direktem Austausch mit der Atmosphäre steht, während sich über 97 % in der Tiefsee befinden.
Die Polkappen, Eisschilde und Gletscher werden als Kryosphäre bezeichnet. In ihnen ist fossiles Kohlendioxid enthalten, das nicht am Kreislauf teilnimmt. Grundwasser wird zur Lithosphäre gerechnet, das Wasser im Erdboden zur Pedosphäre. Gasförmiges Wasser, also der Wasserdampf ist das wirksamste Treibhausgas und sorgt für den natürlichen Treibhauseffekt. Es gehört zur Atmosphäre.
Lithosphäre Die Lithosphäre umfasst die äußeren festen Gesteinsschichten der Erde und stellt mit 99,95 % des globalen Gesamtkohlenstoffs den größten Kohlenstoffspeicher dar. Aufgrund der geringen Flussraten ist die Lithosphäre Bestandteil der langfristigen Kohlenstoffkreisläufe. Erscheinungsformen von Kohlenstoff (C) in der Lithosphäre Menge in Gigatonnen C anorganischer C in Sedimenten und daraus entstandenen Carbonatgesteinen: Calcit CaCO3 und Dolomit CaMg(CO3)2 60.000.000 organischer C als Kerogen (fossile organische Stoffe, beispielsweise in Ölschiefer) 15.000.000 organischer C als Gashydrate 10.000 organischer C als fossile Brennstoffe Kohle, Erdöl, Erdgas 4.100 elementarer C in Form von Diamant und Graphit zu vernachlässigen
Durch Infrarotspektroskopie an natürlichen Manteldiamanten konnte nachgewiesen werden, dass Kohlendioxid in großen Tiefen (über 200 km) in fluiden Inklusionen fixiert und selbst bei Raumtemperatur unter hohen Restdrücken (über 5 GPa) als feste Phase konserviert wird. Dies belegt die Rolle des oberen Mantels als Kohlenstoffspeicher und Transportsystem im Rahmen des tiefen Kohlenstoffkreislaufs.
Gashydrate sind Komplexe aus Wasser und Gas ohne feste chemische Verbindung. Wasser hat aufgrund der Wasserstoffbrückenbindung eine Art Gitterstruktur. Diese bietet Hohlräume oder Zwischenräume für andere Moleküle. Verschiedene Gase können diese Räume besetzen und mit dem Wasser einen räumlichen Komplex, das Gashydrat bilden. Natürliche Gashydrate bilden sich vor allem aus Methan, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Methanhydrate kommen auf dem Meeresboden oder in Lockersedimenten vor in einer Tiefe von 440 Meter bis 650 Meter. Nur in diesem Bereich sind die Temperatur- und Druckverhältnisse zu ihrer Bildung geeignet. Dort haben die Gashydrate dann eine feste Konsistenz.
Biosphäre Der Begriff Biosphäre bezeichnet die Gesamtheit aller auf der Erde existierenden Lebewesen und den Raum, in dem sie vorkommen.
Das Leben auf der Erde basiert auf der Verwendung des Elements Kohlenstoff. Im Laufe der Evolution haben die Lebewesen die Fähigkeit erworben, daraus eine große Zahl unterschiedlicher Verbindungen und Produkte herzustellen. Sie machen sich die globalen Kohlenstoffkreisläufe zu Nutze, einzelne können sogar elementaren Kohlenstoff herstellen.
Speicherformen des Kohlenstoffs in der Biosphäre sind vor allem organische Stoffe. 90 % der Biomasse besteht aus Polysacchariden. In der Reihenfolge der Häufigkeit sind dies Cellulose, Lignin und Chitin. Sie haben Strukturaufgaben bei Pflanzen, Pilzen und Gliederfüßern (hier als Außenskelette).
Anorganische Kohlenstoffverbindungen haben nur einen geringen Anteil, beispielsweise Carbonate (in der Regel Calciumcarbonat CaCO3). Sie dienen als Baustoff für Außenskelette bei Mollusken, Foraminiferen und Coccolithophoridae, Innenskelette aus Carbonaten bei Korallen.