Eine Studie der Universität Oxford legt nahe, dass Gesteinsverwitterung eine Hauptquelle für Kohlendioxid sein könnte, die mit vulkanischen Emissionen konkurriert. Diese Erkenntnis ist für zukünftige Prognosen zum CO2-Budget von entscheidender Bedeutung. Neue Forschungsergebnisse widerlegen die herkömmliche Meinung, dass natürliche Gesteinsverwitterung als Kohlendioxidsenke fungiert, die der Atmosphäre Kohlendioxid entzieht. Umgekehrt ist auch die natürliche Gesteinsverwitterung eine große Kohlendioxidquelle, vergleichbar mit der von Vulkanen.

Sedimentgestein an den Ufern des kanadischen Mackenzie River, einem großen Flusseinzugsgebiet, in dem Gesteinsverwitterung eine Kohlendioxidquelle darstellt. Bildnachweis: Robert Hilton

Diese Ergebnisse haben wichtige Implikationen für die Modellierung von Klimawandelszenarien, allerdings erfasst die Klimamodellierung derzeit nicht die Freisetzung von Kohlendioxid aus der Gesteinsverwitterung. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, ob menschliche Aktivitäten die Freisetzung von Kohlendioxid aus der Gesteinsverwitterung erhöhen und wie dies kontrolliert werden kann.

Ein Paradigmenwechsel im Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs

Eine neue von der Universität Oxford durchgeführte Studie widerlegt die Vorstellung, dass natürliche Gesteinsverwitterung als Kohlendioxidsenke fungiert, und zeigt, dass natürliche Gesteinsverwitterung auch als große Kohlendioxidquelle fungieren kann, mit einer Rolle, die mit der von Vulkanen vergleichbar ist. Die Forschungsergebnisse wurden am 4. Oktober in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und sind von großer Bedeutung für die Simulation von Klimawandelszenarien.

Schiefer hoch in den abgelegenen Mackenzie Mountains Kanadas enthält große Mengen an organischem Gesteinskohlenstoff und ist ein Hotspot für die Freisetzung von Kohlendioxid. Quelle: Robert Hilton

Gesteine ​​und der Kohlenstoffkreislauf

Gesteine ​​enthalten große Mengen Kohlenstoff und sind die uralten Überreste von Pflanzen und Tieren aus der Zeit vor Millionen von Jahren. Das bedeutet, dass der „geologische Kohlenstoffkreislauf“ wie ein Thermostat wirkt und dabei hilft, die Temperatur der Erde zu regulieren. Beispielsweise absorbieren Gesteine ​​bei chemischer Verwitterung Kohlendioxid, wenn bestimmte Mineralien durch schwache Säuren im Regenwasser erodiert werden. Dieser Prozess trägt dazu bei, die ständige Freisetzung von Kohlendioxid aus Vulkanen auf der ganzen Welt auszugleichen und ist Teil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs der Erde, der die Oberfläche des Planeten für eine Milliarde Jahre oder länger bewohnbar hält.

Neuer Mechanismus zur Freisetzung von Kohlendioxid entdeckt

Die neue Studie ist jedoch die erste, die einen anderen natürlichen Prozess misst, durch den Gesteine ​​Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzen, und kommt zu dem Ergebnis, dass dieser ebenso wichtig ist wie der, der von Vulkanen auf der ganzen Welt freigesetzt wird. Derzeit berücksichtigen die meisten Modelle des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs diesen Prozess nicht.

Erdrutsche im Hochland der peruanischen Anden führen dazu, dass Gesteine ​​voller organischer Substanz verwittern und Kohlendioxid freisetzen. Quelle: Robert Hilton

Dieser Prozess findet statt, wenn Gesteine, die auf alten Meeresböden entstanden sind (in denen Pflanzen und Tiere in Sedimenten begraben waren), an die Erdoberfläche zurückgedrängt werden, beispielsweise bei der Entstehung von Gebirgszügen wie dem Himalaya oder den Anden. Dadurch kann der organische Kohlenstoff im Gestein mit dem Sauerstoff der Luft und des Wassers in Kontakt kommen, wodurch er reagiert und Kohlendioxid freisetzt. Dies bedeutet, dass verwittertes Gestein eine Quelle für Kohlendioxid sein kann und nicht, wie allgemein angenommen, eine Senke.

Methoden und Erkenntnisse

Bisher war es schwierig, das Kohlendioxid zu messen, das durch die Verwitterung von organischem Kohlenstoff in Gesteinen freigesetzt wird. In der neuen Studie verwendeten die Forscher ein Spurenelement (Rhenium), das ins Wasser freigesetzt wird, wenn organischer Kohlenstoff in Gesteinen mit Sauerstoff reagiert. Die Freisetzung von Kohlendioxid kann durch Messung des Rheniumgehalts im Flusswasser quantifiziert werden. Allerdings wäre es eine große Herausforderung, alle Flussgewässer auf der ganzen Welt zu beproben, um eine globale Schätzung zu erhalten.

Um die Ausdehnung der Erdoberfläche zu vergrößern, haben Forscher zwei Dinge getan. Zunächst berechneten sie die Menge an organischem Kohlenstoff in oberflächennahen Gesteinen. Zweitens berechneten sie, wo dieser organische Kohlenstoff am schnellsten freigesetzt wird, nämlich in steilen Bergregionen, wo er der Erosion ausgesetzt ist.

Durch starke Erosion in Südfrankreich sind diese Sedimentgesteine ​​Verwitterungsprozessen ausgesetzt, die beim Abbau des alten organischen Kohlenstoffs Kohlendioxid freisetzen. Quelle: Robert Hilton

Dr. Jesse Zondervan, ein Forscher am Department of Earth Sciences der Universität Oxford, der die Studie leitete, sagte: „Die Herausforderung bestand darin, diese globalen Karten mit Flussdaten zu kombinieren und dabei Unsicherheiten zu berücksichtigen. Wir haben alle Daten in einen Supercomputer an der Universität Oxford eingespeist und das komplexe Zusammenspiel physikalischer, chemischer und hydrologischer Prozesse simuliert. Indem wir dieses riesige Planetenpuzzle zusammensetzen, können wir letztendlich die Gesamtmenge an Kohlendioxid abschätzen, die freigesetzt wird, wenn diese Gesteine ​​verwittern und ihren alten Kohlenstoff in die Luft abgeben.“

Diese Zahl können wir dann mit der Menge an Kohlendioxid vergleichen, die durch natürliche Gesteinsverwitterung von Silikatmineralien absorbiert werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Verwitterung in vielen großen Gebieten eine Quelle von Kohlendioxid ist, was aktuelle Vorstellungen darüber, wie Verwitterung den Kohlenstoffkreislauf beeinflusst, in Frage stellt. Hotspots der Kohlendioxidfreisetzung konzentrieren sich auf Gebirgszüge mit hohen Hebungsraten und exponierten Sedimentgesteinen wie dem östlichen Himalaya, den Rocky Mountains und den Anden. Die Studie ergab, dass die weltweite Freisetzung von Kohlendioxid aus der Verwitterung von organischem Gesteinskohlenstoff 68 Megatonnen Kohlenstoff pro Jahr beträgt. "

Professor Robert Hilton (Department of Earth Sciences, University of Oxford) ist Direktor des ROC-CO2-Forschungsprojekts, das die Forschung finanzierte: „Das ist etwa 100-mal weniger CO2, als Menschen heute durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe ausstoßen, entspricht aber der Menge, die von Vulkanen auf der ganzen Welt freigesetzt wird, was bedeutet, dass es eine Schlüsselrolle im natürlichen Kohlenstoffkreislauf der Erde spielt.“

Auswirkungen und zukünftige Richtungen

Diese Flüsse könnten sich in der Vergangenheit der Erde verändert haben. Während der Orogenese beispielsweise, als viele Gesteine, die organisches Material enthielten, angehoben wurden, könnte die Freisetzung von Kohlendioxid höher gewesen sein, was sich auf das vergangene globale Klima ausgewirkt hat.

Aktuelle und zukünftige Arbeiten untersuchen, wie durch menschliche Aktivitäten verursachte Erosionsveränderungen sowie die Erwärmung von Gesteinen aufgrund des anthropogenen Klimawandels diese natürliche Kohlenstoffverlagerung verstärken können. Eine Frage, die sich das Team nun stellt, ist, ob diese natürliche Freisetzung von Kohlendioxid im nächsten Jahrhundert zunehmen wird. „Wir wissen es noch nicht – unser Ansatz ermöglicht es uns, eine verlässliche globale Schätzung bereitzustellen, aber noch nicht abzuschätzen, wie sich diese ändern wird“, sagte Hilton.

„Während das durch Gesteinsverwitterung freigesetzte Kohlendioxid im Vergleich zu den heutigen menschlichen Emissionen unbedeutend ist, wird uns ein besseres Verständnis dieser natürlichen Flüsse helfen, den Kohlenstoffhaushalt besser vorherzusagen“, schließt Dr. Zondervan.