Die wunderbare Vielfalt der natürlichen Kohlenstoffspeicher
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Das CO2 in der Erdatmosphäre ist nur eine von vielen Formen, die Kohlenstoff in einem globalen Kreislauf annimmt. Schaut man sich die Wege des Treibhausgases einmal genau an, wird klar, wie verschiedene Prozesse ineinandergreifen: Riesige Pilze, fleißige Biber und tosende Wirbelstürme – zahlreiche solcher Akteure, große wie unscheinbare, übernehmen jeweils andere Aufgaben und sorgen insgesamt für ein stabiles und faszinierendes Gleichgewicht. Um zu verstehen, wie der Mensch es schafft, dieses ins Schwanken zu bringen, muss man in die spannende Welt der natürlichen CO2-Senken eintauchen.
Der Artikel nimmt Sie mit auf eine Reise durch die verschiedenen Ökosysteme der Erde. Er beleuchtet die teils erstaunlichen Wege, mit denen sie Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre entfernen und so das Leben, wie wir es kennen, ermöglichen.
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Text von Henri Wagner
Erstveröffentlicht am 18.09.2026
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Die zwei Pumpen
Die erste Station gibt direkt den Takt an: Der Ozean ist der größte Kohlenstoffdioxidspeicher der Erde. Er enthält ein Vielfaches der Menge an CO2, die in Atmosphäre, Boden und Biosphäre zusammen gespeichert ist, und fungiert somit als zentraler Regulator für den Kohlenstoffdioxidhaushalt der Erde.
Der immerwährende Kohlenstoffaustausch mit der Atmosphäre findet hauptsächlich an der Oberfläche statt, das heißt in den obersten 100 Metern der Meere. Der Hauptteil des CO2-Flusses von der Atmosphäre in die Meere lässt sich anhand von zwei Prozessen erklären: der physikalischen und der biologischen Pumpe.
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Die physikalische CO2-Pumpe ergibt sich direkt aus der globalen Zirkulation der Meere und einem chemischen Prinzip: Kaltes Wasser kann deutlich mehr Gas aufnehmen als warmes. In kalten Polarregionen entsteht ein Konzentrationsgefälle von der Atmosphäre zur Oberfläche des Ozeans. Das CO2 löst sich im Wasser, reagiert dort zu HCO3– (Hydrogencarbonat) und sinkt mit dem kalten und dadurch dichteren Wasser in die Tiefe. Hier folgt es für mehrere Hundert Jahre dem Tiefenwasserstrom, bis es in wärmeren Äquatorregionen durch Aufstiegsströmungen wieder das Licht der Sonne erblickt und sich der Prozess umkehrt. Dieser Vorgang ist für über 90 Prozent des CO2-Flusses aus der Atmosphäre in den Ozean verantwortlich. Das CO2 ist allerdings nicht weg – früher oder später steigt es wieder an die Oberfläche. Für temporäre CO2-Spitzen kann die physikalische Pumpe ein Polster schaffen: Wenn die Konzentration in der Atmosphäre steigt, arbeitet auch die physikalische Pumpe effizienter. Welche Rückkopplungen genau entstehen, wenn mehr Kohlenstoffdioxid in der Tiefsee ankommt, ist noch nicht gut verstanden.
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Kaltes Wasser kann mehr Kohlenstoffdioxid (CO2) aufnehmen als warmes. Im Wasser reagiert CO2 hauptsächlich zu Hydrogencarbonat (HCO3–) und folgt der Tiefenströmung über Jahrhunderte. In wärmeren Gebieten dreht sich der Prozess um, und CO2 gelangt als Gas zurück in die Atmosphäre.
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Die zweite, die biologische Pumpe, transportiert CO2 deutlich gemächlicher als die physikalische, schafft es aber, einen Teil davon permanent aus dem Kreislauf zu entfernen. Betrieben wird sie durch die »Wälder der Meere«: Phytoplankton, mikroskopische Organismen, die seit Urzeiten die Meere bevölkern. Sie lassen sich in den sonnendurchfluteten Wasserschichten treiben und verwandeln CO2 in Sauerstoff (O2) – und betreiben damit den ältesten Fotosynthese-Prozess der Erde, der einst die Atmosphäre mit Sauerstoff füllte. Stirbt das Phytoplankton, sinkt es in tiefere Meeresschichten, wo es als »marine snow« (Meeresschnee) auch die Lebewesen in der Tiefsee ernährt.
Leise rieselt der Meeresschnee, nährt die Tiefsee und entfernt damit CO2 aus dem globalen Kreislauf.
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Ein kleiner Teil dieses toten organischen Materials sinkt bis zum Grund und bildet dort dicke, kohlenstoffreiche Schichten, die durch natürliche Prozesse nicht mehr abgebaut werden. Unter bestimmten Umständen können sich daraus Erdöl und Erdgas bilden. Andere Arten von Phytoplankton, insbesondere Kalkalgen (Coccolithophoriden), bilden mikroskopische Kalkplättchen aus Calciumcarbonat (CaCO3). Nach dem Absterben der Algen sinken diese Plättchen auf den Meeresboden und sammeln sich über Millionen Jahre zu teils mächtigen Sedimentablagerungen an. Durch geologische Prozesse werden diese Sedimente zu Gestein verfestigt und können schließlich ganze Gebirgszüge oder markante Felsformationen bilden. Ein bekanntes Beispiel sind die Kreidefelsen von Dover, die überwiegend aus den kalkhaltigen Überresten solcher mikroskopischen Meeresorganismen entstanden sind.
Die Klippen vor Dover sind vor Urzeiten durch abgestorbene Kalkalgen entstanden.
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Nur etwa zwei Drittel des Meeresschnees gelangen überhaupt in eine Tiefe von 100 Metern – der Rest endet vorher entweder als Futter anderer Tiere oder er löst sich im Wasser einfach wieder auf und wird in seine Bestandteile zersetzt. Die Vielfalt der photoaktiven Kleintiere und Algen am Anfang der Nahrungskette entscheidet darüber, wie viel Biomasse am Grund ankommt – und damit, wie gut die biologische Pumpe des Ozeans funktioniert. Neuere Forschungen deuten darauf hin, dass eine wärmere Wasseroberfläche zu insgesamt mehr biologischer Aktivität führt und daher weniger totes Plankton durch die aktive Schicht absinkt. Der Klimawandel schwächt die biologische Pumpe also ab.
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Holzige Angelegenheit
Die nächste Station ist ein Ort, der sich das Image als Klimafreund redlich verdient hat. Wälder sind, abgesehen von den Ozeanen, die Hauptsenken für atmosphärisches CO2. Vor allem die Bäume – beziehungsweise deren Blätter – stellen durch Fotosynthese aus den energiearmen Stoffen Wasser und Kohlendioxid mithilfe von Sonnenenergie organisches Material her. Das solchermaßen eingebaute CO2 wird der Atmosphäre entzogen und in den Pflanzen selbst gespeichert.
Die Effizienz dieser wäldergetriebenen Pumpe hängt stark davon ab, in welchem Material die Bäume das aufgenommene Kohlendioxid speichern:
des Gewichts von Holz besteht aus CO2.
Wächst ein Baum also und bildet neues Holz, so wird der Kohlenstoff darin langfristig gebunden. Es kann Jahrhunderte und Jahrtausende dauern, bis er daraus wieder in Form von CO2 in die Atmosphäre gelangt. Ein anderer, ebenfalls großer Teil des Kohlenstoffs fließt wiederum in Blätter und Früchte, die keinen langfristigen Kohlenstoffspeicher abgeben.
Lange währte die Hoffnung, dass eine erhöhte CO2-Konzentration in der Atmosphäre auch die Fotosynthese der Bäume ankurbeln würde und sich damit ein natürlicher Effekt einstellt, der den Klimawandel ausbremst. Neue Studien bestätigen diese Vorstellung jedoch nicht: Damit ein Baum das Mehr an CO2 auch langfristig in Holz einbauen könnte, bräuchte er unter anderem eine Menge Wasser – bei Wasserknappheit verliert er jedoch den inneren Wasserdruck, den er zum Wachsen benötigt. Ohne ausreichend Wasser verwendet er einen Großteil des CO2 für die kurzlebigen Stoffwechselprozesse, die das Treibhausgas früh wieder zurück in die Atmosphäre abgeben.
Auch andere Faktoren bestimmen, wie effektiv die Wälder Kohlenstoff einlagern: Zwar kann temporär beschleunigtes Wachstum in jungen Wäldern, etwa nach einem Brand, für kurze Zeit sehr viel CO2 speichern. Trotzdem sind alte Wälder auf lange Sicht deutlich effektivere Kohlenstoffsenken. In einer Studie von 2025 maßen Forschende, dass über 200 Jahre alte Wälder mehr als doppelt so viel Kohlenstoff binden wie jene, die erst weniger als 20 Jahre bestehen.
Siehst du den Baum vor lauter Wald nicht mehr?
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Dreck und Stein
Ein etwas weniger populärer Mitspieler verbirgt sich unter unseren Füßen. Der Erdboden scheint in erster Linie ein Kohlenstoffspeicher, aber keine Senke zu sein. Er hält mehr CO2 als die Atmosphäre und die globale Vegetation zusammen. Wie bei den Wäldern beschrieben, steckt in ihm vor allem der Kohlenstoff, den die Bäume aus der Luft gebunden haben – entweder, weil Holz diesen noch sehr lange in der Erde bindet, oder indem Pilznetzwerke die kohlenstoffhaltigen Verbindungen in die Tiefe befördern.
Allerdings kann auch Gestein selbst mit Kohlendioxid reagieren und so als langfristige Kohlenstoffsenke dienen. Ausgangspunkt dafür ist zu einem großen Teil Regenwasser, das CO2 aus der Atmosphäre aufnimmt und damit Kohlensäure bildet:
CO2 + H2O ⇌ H2CO3
Am Boden geschieht dann das, was allgemein als Verwitterung bekannt ist: Die Kohlensäure greift die Oberfläche der mineralischen Gesteine an und startet eine chemische Reaktion, bei der ein Teil des CO2 als festes Carbonatgestein gebunden wird. Sowohl Carbonate, Hauptbestandteile von tiefen Gesteinen, als auch Silikate, die Basis für fast alle Gesteine der Erdkruste, können in diesem Prozess mit der Kohlensäure aus dem Regenwasser reagieren.
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Als Kohlenstoffsenke interessant sind dabei vor allem die Silikate. Die Kohlensäure löst beispielsweise aus dem Silikat Wollastonit (CaSiO3) den mineralischen Bestandteil (Ca2+) heraus, während Hydrogencarbonat (HCO3–) und Wasserstoffionen zurückbleiben. Flüsse tragen die Produkte dieser Reaktion ins Meer, wo ein Teil des Kohlenstoffs als Kalk (CaCO3) ausfällt. Dieser bildet, ganz wie die Kalkalgen, marine Sedimente.
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Bei der Silikatverwitterung von Wollastonit (CaSiO3) wird Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre in gelösten anorganischen Kohlenstoff umgewandelt und im Meer als Carbonat (CaCO3) langfristig gespeichert.
»Ein großer Teil des ehemals gasförmigen atmosphärischen CO2, das durch chemische Reaktionen der Gesteinsverwitterung im Bodenwasser als Kohlenstoff gebunden wird, gelangt durch Flüsse in die Ozeane und wird erst dort langfristig gespeichert«, erklärt Felix Havermann, Forscher beim »CDRterra – Forschungsprogramm zur CO2-Entnahme an Land« im Gespräch mit »Spektrum.de«.
Die Silikatverwitterung könne man als klassischen geologischen Thermostat begreifen, veranschaulicht Havermann: »Wenn sich die Erde erhitzt und die CO2-Konzentration in der Atmosphäre erhöht ist, verwittern auch die Gesteine schneller.« Infolge der beschleunigten Verwitterung sinke dann auch die CO2-Konzentration in der Luft. »Umgekehrt wird bei kälterem Klima weniger CO2 durch Verwitterung aus der Atmosphäre aufgenommen«, fügt der Wissenschaftler hinzu. Bis heute sei dies die geltende Theorie dafür, wie das Klima über Zehntausende bis Millionen Jahre so stabil und die Erde damit für Menschen und Tiere »bewohnbar« bleiben konnte. Stabilisierung für den menschengemachten Klimawandel kann dieser Prozess allerdings nicht bieten, wie Havermann betont: »Die Silikatverwitterung entfernt im Jahr unterm Strich grob um die 0,12 Gigatonnen Kohlenstoff aus der Atmosphäre. Das ist etwa ein Hundertstel dessen, was die Menschheit momentan jährlich an CO2 ausstößt.«
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In eisigen Höhen
Für das letzte Ökosystem unserer Reise geht es hoch hinaus. Die CO2-Aufnahme in Bergregionen beruht auf Verwitterungsprozessen, ebenso wie sonst in Böden. Allerdings sorgt die markante Topografie für einen bedeutenden Unterschied: Durch häufige Erdrutsche ist der Boden in den Bergen bis in viel tiefere Schichten aktiv. Laut einer Mitte 2026 veröffentlichten Studie haben Forschende die Kohlenstoffaufnahme in Gebirgsregionen bislang deutlich unterschätzt. Üblicherweise gehen Modelle davon aus, dass die Bodenschicht, in der Gestein verwittert und Kohlenstoff gebunden wird, nur etwa 30 Zentimeter mächtig ist.
Ein Erdrutsch macht tiefere Bodenschichten für Verwitterung zugänglich.
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Doch dort, wo Erdrutsche den Untergrund immer wieder aufreißen und durchmischen, reicht diese reaktive Zone wesentlich weiter in den Untergrund hinab. Die Fachleute fanden verwitterte Schichten mit hohem Kohlenstoffgehalt bis in Tiefen von rund fünf Metern. Diese Schichten sind durch die erhöhte Dynamik außerdem feinkörniger und bieten eine größere Oberfläche, an der Kohlenstoff gebunden werden kann. Erdrutsche machen damit nicht nur die Oberfläche, sondern große Teile des Untergrunds für chemische Prozesse zugänglich – und damit zu Kohlenstoffsenken.
Der in vielen Regionen herrschende Permafrost trägt ebenfalls einen großen Teil zu den Kohlenstoffsenken der Erde bei – und er ist stark gefährdet.
der Landfläche auf der Nordhalbkugel enthalten Permafrost.
Permafrost schließt eine große Menge an organischen Kohlenstoffverbindungen im gefrorenen Boden ein und verhindert damit, dass Mikroben diese zersetzen. Durch die Erwärmung taut der Permafrost jedoch immer weiter auf. Mikroorganismen können dann das bis dahin konservierte organische Material abbauen und dabei CO2 freisetzen. Bei diesem Prozess gelangen wiederum große Mengen CO2 in die Atmosphäre, was die Erderwärmung zusätzlich antreibt. So kommt eine sich selbst verstärkende Feedback-Schleife in Gang – das sogenannte »Permafrost Carbon Feedback«.
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Gleichgewicht in einem System
CO2 ist mehr als ein Problem des Menschen. Es ist ein Beleg für das Leben auf der Erde. Die oben angeschnittenen Beispiele geben nur einen kleinen Einblick in die Gesamtheit der vielfältigen Mechanismen, mit denen die Natur diesen Stoff nutzt und dessen Gehalt balanciert.
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Daten aus dem 6. IPCC-Bericht (2021) | Kapitel 5, Abbildung 5.2
Die Grafik gibt einen Überblick über die Größenordnungen der verschiedenen Prozesse. Allein aus der Menge des gespeicherten Kohlendioxids lässt sich jedoch noch wenig über die Effizienz einer Kohlenstoffdioxidpumpe ableiten: Zwar bindet die Fotosynthese an Land jährlich über 140 Milliarden Tonnen Kohlenstoff, doch nur ein Bruchteil davon bleibt langfristig gespeichert, etwa in Form vergrabener Biomasse. Der größte Teil gelangt hingegen kurz- oder mittelfristig wieder in die Atmosphäre.
Besonders deutlich wird dies an den unterschiedlichen Eigenschaften der biologischen und der physikalischen Pumpe des Ozeans: Die Meere nehmen jährlich netto knapp zwei Milliarden Tonnen Kohlenstoff auf, die anschließend über Jahrzehnte dem physikalischen Kreislauf der Meere folgen. Die biologische Pumpe hingegen entzieht der Atmosphäre im Jahr lediglich 200 Millionen Tonnen Kohlenstoff, die in Form von Meeresbiota bis auf den Meeresboden sinken. Dort bleibt dieser Kohlenstoff auf unbestimmte Zeit gespeichert und ist damit dem übrigen System entzogen.
Der durchschnittliche jährliche Anstieg des Kohlenstoffs in der Atmosphäre wiederum ist mit etwa fünf Milliarden Tonnen in einer anderen Größenordnung als die langfristigen, natürlichen Senken – das ist der Einfluss des Menschen.
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Henri Wagner
Henri Wagner hat Physik und Philosophie an der Universität Heidelberg studiert. Er war im Rahmen eines von der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung geförderten Stipendiums für Wissenschaftsjournalismus bei Spektrum der Wissenschaft.
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- Bild: Pekka Tuuri; mit frdl. Gen. von Thorsten Reusch (Ausschnitt)