Fossilisierter Kohlenstoff im Boden setzt genauso viel CO2 frei wie Vulkane: Warum?

Die Oxidation von fossilem organischem Material aus Gesteinen, die "Geo-Atmung", ist ein Hauptprozess, der CO₂ in die Atmosphäre freisetzt und das Klima über lange Zeitskalen beeinflusst. Zwei kürzlich veröffentlichte Studien, die jeweils in PNAS und Nature erschienen sind, haben ergeben, dass diese Geo-Atmung global gesehen genauso viel CO₂ freisetzt wie Vulkane, und dass die Flüsse am stärksten in Gebirgsketten und deren assoziierten Überschwemmungsebenen sind. Diese Ergebnisse verändern unser Verständnis des geologischen Kohlenstoffkreislaufs grundlegend.


Erosions- und Verwitterungsprozesse spielen eine Schlüsselrolle in der Klimaentwicklung, indem sie langsam Kohlenstoff über lange Zeitskalen (> 100 000 Jahre) freisetzen oder einfangen. Sedimentgesteine enthalten sogenanntes "fossiles" organisches Material (aus dem sich auch Öl oder Gas bilden kann), das bei Kontakt mit Sauerstoff oxidiert und daher CO₂ freisetzen kann.

Diese "Geo-Atmung" ist neben dem Vulkanismus eine der Hauptquellen natürlicher CO₂-Emissionen in die Atmosphäre. Dennoch bleibt sie weitgehend unerforscht, da es sehr schwierig ist, dieses CO₂ fossilen Ursprungs direkt zu messen. Wenn sich jedoch fossiles organisches Material oxidiert, setzt es auch ein Spurenelement, Rhenium (Re), frei, das in großer Menge enthalten ist. Oxidiertes Rhenium ist löslich und findet sich in Flüssen gelöst. Daher kann die Geo-Atmung von fossilem Kohlenstoff auf der Ebene von Einzugsgebieten gemessen werden, indem der Fluss von gelöstem Rhenium (Re) in Flüssen quantifiziert wird.

In einer Studie, die in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht wurde, hat ein internationales Team die Konzentrationen von Rhenium in den Flüssen des Madre de Dios (Peru) im Amazonasbecken gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Konzentrationen an gelöstem Rhenium in den Andenflüssen deutlich höher sind als in den Flüssen, die ausschließlich in den Ebenen fließen (Relief < 500m).

Die Geo-Atmung ist also in den Bergen deutlich wichtiger als in den Ebenen. Sie zeigen auch, dass der Rheniumfluss der Andenflüsse weiter zunimmt, wenn die Flüsse die Anden verlassen und breite Überschwemmungsebenen bilden, in denen andine Sedimente über lange Zeiträume abgelagert werden. So setzt sich die Geo-Atmung des fossilen organischen Materials, das in den Sedimenten aus der Erosion der Anden enthalten ist, in diesen überflutbaren Ebenen fort, die an einige Gebirgsketten angrenzen.


Eine zweite Studie, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, hat erstmals genau die Gesamtmenge an CO₂ geschätzt, die global durch die Geo-Atmung von fossilem Kohlenstoff freigesetzt wird.

Die Autoren verwendeten eine Datenbank mit Rheniumkonzentrationen in mehreren großen Flüssen sowie ein räumliches Extrapolationsmodell, um die Geo-Atmung weltweit zu quantifizieren. Der global geschätzte CO₂-Fluss aus der Geo-Atmung beträgt 68 Megatonnen pro Jahr. Das ist etwa 150 Mal weniger als die jährlichen anthropogenen CO₂-Emissionen, aber von der gleichen Größenordnung wie der CO₂-Fluss, der von Vulkanen emittiert wird.

Schließlich zeigt sich, dass in den Bergen die Geo-Atmung mehr CO₂ freisetzt, als durch die Verwitterung von Silikatgesteinen in Kalksteinen gebunden wird. Auf lange Sicht ist die chemische Verwitterung von Gebirgsketten also nicht eine Kohlenstoffsenke, wie wir lange dachten, sondern eher eine Nettoquelle von CO₂ für die Atmosphäre.

Referenz:
Dellinger, M., Hilton, R. G., Baronas, J. J., Torres, M. A., Burt, E. I., Clark, K. E., Galy, V., Ccahuana Quispe, A. J., & West, A. J. "High rates of rock organic carbon oxidation sustained as Andean sediment transits the Amazon foreland-floodplain". Proceedings of the National Academy of Sciences. Veröffentlicht am 19. September 2023.
Zondervan, J. R., Hilton, R. G., Dellinger, M., Clubb, F. J., Roylands, T., & Ogrič, M. "Rock organic carbon oxidation CO2 release offsets silicate weathering sink". Nature. Veröffentlicht am 4. Oktober 2023.