09.09.2020

Aus der Klimageschichte lernen

Von Patrick Mellor

Titelbild

Foto: derwiki via Pixabay / CC0

Mittels paläoklimatischer Aufzeichnungen lassen sich Analogien zu und Lösungen für heute finden. Die Eisendüngung der Meere böte viele Vorteile.

Die Kohlendioxidkonzentration in der Erdatmosphäre liegt heute bei knapp 410 ppm (Parts per Million: Anteile pro Million). Dies ist der höchste Wert seit über drei Millionen Jahren, 45 Prozent höher als der Durchschnittswert von 280 ppm, der vom Ende der letzten großen Vergletscherung bis zum Beginn der Industriellen Revolution anhielt. Das letzte Mal waren die CO2-Werte im mittleren Pliozän so hoch. Damals war die durchschnittliche globale Temperatur fünf Grad Celsius höher als heute, und der Meeresspiegel lag 25 Meter höher. Im frühen Miozän, vor rund 20 Millionen Jahren, erreichte der Wert für atmosphärisches CO2 wieder mehr als 400 ppm und der Meeresspiegel lag um fast 100 Meter höher als heute.

Schätzungen der Erwärmung bis zum Ende des Jahrhunderts reichen heute bis zu einem Temperaturanstieg von 4 bis 5 Grad, ermittelt für ein „Business as usual“-Szenario, bei dem wir aus irgendeinem Grund nicht in der Lage sind, etwas gegen den CO2-Anstieg zu unternehmen. 1 Die CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre liegen in diesen Modellen bis 2100 zwischen 600 und 800 ppm. In unseren optimistischsten Prognosen erreichen die Emissionen indes bald ihren Höhepunkt und beginnen innerhalb der nächsten 20 Jahre zu sinken. In diesem Fall würden die Konzentrationen im 21. Jahrhundert bei etwa 400 ppm konstant bleiben, was einen prognostizierten Temperaturanstieg von zwei Grad Celsius ergäbe.

Das Pariser Abkommen betrachtet dies als einen Grenzwert, bevor wirklich katastrophale Folgen eintreten (das Intergovernmental Panel on Climate Change, Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC), hat den Wert inzwischen auf 1,5 Grad Celsius nach unten korrigiert). Aber dieser Anstieg ist weniger als die Hälfte von dem, was in der paläoklimatischen Aufzeichnung für die CO2-Konzentration in der Atmosphäre bereits ermittelt wurde. Die meisten Modelle gehen davon aus, dass wir (aufgrund der Verweilzeit von CO2 in der Atmosphäre von etwa einem Jahrhundert) diesen Erwärmungsgrad im besten Fall durch einen stetigen Rückgang des atmosphärischen CO2 nach 2100 vermeiden werden.

Langsame CO2-Absorption

Das Konzept einer festen Verweilzeit für CO2 ist jedoch höchst irreführend. 2 CO2 wird entweder durch Sequestrierung oder durch Auflösung im Meer entfernt. Die Absorption durch Photosynthese ohne Sequestrierung der erzeugten Biomasse ist klimaneutral. Während die lebende und tote Biomasse in Wäldern eine kurz- bis mittelfristige Bindung von Kohlenstoff darstellt, bleibt der Kohlenstoff nur dann dauerhaft außerhalb der Atmosphäre, wenn das tote Material nicht zersetzt wird. In borealen Wäldern ermöglichen kühle Temperaturen und die Widerstandsfähigkeit von Nadelbäumen und Holz eine längerfristige Bindung als in tropischen Wäldern, wo die Vielfalt der Zersetzer und die Effizienz des Nährstoffkreislaufs dafür sorgen, dass Kohlenstoff schnell wieder abgegeben wird. Aber die Sequestrierfähigkeit der Wälder wurde weit überschätzt. Es ist viel einfacher, das von einem Wald aufgenommene CO2 zu messen als den Prozentsatz des Kohlenstoffs, der wieder abgegeben wird. Der jüngste Anstieg von Waldbränden und Insektenschäden sowie die allgemeine durch Menschen verursachte Degradation haben dazu geführt, dass viele tropische Wälder in den letzten Jahren mehr CO2 emittieren, als sie aufnehmen. 3

„Wir müssen im Kontext der geologischen Geschichte verstehen, wie ungewöhnlich das gegenwärtige globale Klima ist.“

Irreführende Schätzungen der Waldabsorption von zehn bis 20 Prozent der jährlichen Emissionen ignorieren die Unterscheidung zwischen Absorption, kurzfristiger Speicherung und langfristiger Sequestrierung. Die gleichen Überlegungen gelten für die Kohlenstoffspeicherung in Böden. Während eine riesige Menge an Kohlenstoff in terrestrischen Böden enthalten ist und die Erhaltung von Umgebungen, die die Bildung organischer Substanz in Böden begünstigen, sicherlich von Vorteil ist, verhindern wir, indem wir die Speicherkapazität erhalten und geschädigte Umgebungen wiederherstellen, eher weitere Emissionen, als dass wir einen effektiven Abscheidemechanismus schaffen.

Ozeanversauerung

Die Auflösung von CO2 in den Ozeanen verringert zwar die Konzentration in der Atmosphäre, führt aber zur Versauerung der Ozeane, was das Potenzial für eine biologische Sequestrierung durch Meeresorganismen verringert und im Allgemeinen negative Umweltauswirkungen hat, die denen der Erwärmung selbst entsprechen. Der durchschnittliche pH-Wert des Weltmeeres ist seit 1750 von 8,25 auf 8,14 gesunken, das höchste Tempo, das in der geologischen Geschichte je beobachtet wurde. CO2 ist in kaltem Wasser viel besser löslich als in warmem Wasser, und ein Großteil des gelösten CO2 sammelt sich im kalten Tiefenwasser an. Dieser Mechanismus entfernt etwa 20 Prozent der jährlichen menschlichen CO2-Emissionen, aber das Tiefseewasser wird nun gesättigt. CO2-wird beim Auftrieb von kaltem Wasser an die Oberfläche abgegeben, und die Schalen von Meeresorganismen neigen in immer flacheren Gewässern zur Auflösung. Neben der Beeinträchtigung von Flachwasser-Ökosystemen wird dadurch auch die Speicherung von Kalziumkarbonat als Kreide und Kalkstein auf dem Meeresboden verhindert. Angesichts der Komplexität dieser Prozesse, sowohl an Land als auch im Meer, wird die Bestimmung der Verweilzeit auf Basis von Sequestrierungsraten sehr zweifelhaft, wenn man nicht sehr sorgfältig begründet, warum bestimmte Sequestrierungsraten angenommen wurden.

Eine einfache Erklärung für die Diskrepanz zwischen unseren prognostizierten Erwärmungswerten und denen, die in der paläoklimatischen Aufzeichnung beobachtet werden, ist die verzögerte Reaktion des Klimasystems auf Einflussfaktoren wie steigende CO2-Konzentrationen. Dies würde darauf hindeuten, dass, wenn wir die Emissionen reduzieren, das CO2 aufgrund der oben beschriebenen Prozesse von allein stetig abnehmen würde, auch wenn wir akzeptieren, dass wir damit keine feste Verweilzeit für CO2 in der Atmosphäre bestimmen können. Um zu verstehen, warum diese Schlussfolgerung gefährlich falsch ist, müssen wir im Kontext der geologischen Geschichte verstehen, wie ungewöhnlich das gegenwärtige globale Klima ist.

Historische Betrachtung

Wie bereits erwähnt, lagen die CO2-Konzentration zuletzt im mittleren Pliozän, vor rund drei Millionen Jahren, über 400 ppm. Dies war jedoch ein kurzzeitiges Ereignis, das durch niedrigere Konzentrationen sowohl davor als auch danach begrenzt war. Derzeit befinden wir uns in einer interglazialen Periode einer Eiszeit, die seit 2,6 Millionen Jahren anhält. Wenn wir 20 Millionen Jahre zurückgehen, ins Miozän, erreicht das CO2 wieder das aktuelle Niveau. Davor, also für den größten Teil der Erdgeschichte, lagen die Werte deutlich darüber. Sowohl im Miozän als auch im Pliozän war der Arktische Ozean im Sommer eisfrei, und die nördlichen Ränder der umliegenden Kontinente waren mit gemäßigten Wäldern bedeckt. Der antarktische Eisschild bedeckte nur einen kleinen Bereich um den Pol herum, der Rest des Kontinents umfasste Mischwälder aus Nadelhölzern und Scheinbuchen. Die Küstenlinien der Kontinente befanden sich viele Kilometer weiter im Landesinneren als heute.

„Sowohl im Miozän als auch im Pliozän war der Arktische Ozean im Sommer eisfrei, und die nördlichen Ränder der umliegenden Kontinente waren mit gemäßigten Wäldern bedeckt.“

Im Gegensatz zu einigen aktuellen apokalyptischen Erzählungen waren die Tropen keine verbrannten kargen Einöden, sondern von üppigen Regenwäldern bedeckt, die bis zu 100 Affenarten beheimateten, darunter die ersten Mitglieder der Linie, die später zum Menschen führen sollte. Wie jüngste Beobachtungen zeigen, konzentrierte sich die Erwärmung auf hohe Breitengrade, was zu geringeren saisonalen Schwankungen in der Nord- und Südhalbkugel führte. Die tropischen Temperaturen waren etwa vier Grad Celsius höher als heute, an den Polen waren es dagegen zehn Grad Celsius. Das Klima in der vorangegangenen Epoche, dem Oligozän, schwankte um ähnliche Bedingungen wie das Miozän, durchsetzt mit etwas kühleren Perioden, aber ohne signifikante Vereisung im Vergleich zu modernen Niveaus. Im Eozän, vor etwa 33 Millionen Jahren, war das Klima extrem warm und nass, mit stark reduzierter Saisonalität. Regenwälder bedeckten die meisten Kontinente und erstreckten sich fast bis zu den Polen. Das letzte Mal, als das Klima dem heutigen ähnlich war, war während der Karbonzeit, vor 300 Millionen Jahren, als wiederholte Vergletscherungen über einen Zeitraum von 60 bis 100 Millionen Jahren auftraten. Davor lag die Ordovizische Gletscherzeit vor 450 Millionen Jahren, die aber wahrscheinlich nur eine Million Jahre dauerte, die einzige verbleibende Eiszeit seit der Entwicklung der mehrzelligen Organismen.

Eine einfache Berechnung wird zeigen, dass unsere aktuellen Bedingungen in der Erdgeschichte sehr anomal sind. Auf der Erde herrschten für höchstens 20 Prozent der letzten 540 Millionen Jahre günstige Bedingungen für polare Eiskappen. Während der restlichen 80 Prozent, einschließlich der gesamten mesozoischen Ära, herrschten Verhältnisse, die oft als Treibhausbedingungen bezeichnet werden. Der Treibhauszustand ist der Normalzustand, und größere Klimaabweichungen werden tendenziell durch negative Rückkopplungen verhindert, die das System wieder in dieses Gleichgewicht bringen. Gletscher- oder Eishausperioden sind dagegen metastabil und sehr anfällig für leichte Störungen. Es handelt sich um vergleichsweise kurzfristige Ereignisse, die aufgrund bestimmter Bedingungen auftreten.

Paläohistorische Ursachen des Klimawandels

Historische Veränderungen im Klimagleichgewicht sind eng mit der Zugabe und Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre verbunden. Atmosphärische CO2-Anstiege sind in der Regel mit massiven und anhaltenden vulkanischen Aktivitäten in einem Ausmaß verbunden, das in der Menschheitsgeschichte noch nie da war. So sind beispielsweise weite Teile Sibiriens und Nordindiens mit so genannten Flutbasalten bedeckt, den Überresten von Lavaströmen, die sich über Hunderte von Kilometern erstrecken und von Eruptionen stammen, die über Dutzende von Jahrtausenden anhielten.

Die sibirischen Flutbasalte entstanden gleichzeitig mit dem Perm-Trias-Massenaussterben, dem schlimmsten in der Geschichte, bei dem 95 Prozent der marinen und 70 Prozent der terrestrischen Arten ausgelöscht wurden. Die Ausbrüche von Wrangellia im Karn verursachten eine weitere Masseninjektion von CO2 in die Atmosphäre und eine weitere Episode plötzlicher Erwärmung. Diese erhöhte die Verdunstung aus den Ozeanen in einem solchen Maße, dass die daraus resultierenden extremen Wetterverhältnisse zu einem enormen Niederschlagsanstieg über den Kontinenten führten. Dies reichte aus, um Signaturen von fast kontinuierlichen Überschwemmungen in der geologischen Aufzeichnung auf dem gesamten Planeten zu hinterlassen. Aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die durchschnittlichen globalen Niederschläge für einen Zeitraum von zwei Millionen Jahren das Niveau erreichten, das wir heute in den gemäßigten Regenwäldern an der Pazifikküste der Vereinigten Staaten und Kanadas haben. Dies ist bekannt als das Raibl-Ereignis (Carnian Pluvial Event) und verursachte weitere große Veränderungen in der Biosphäre, die für die Entwicklung der Dinosaurier entscheidend waren. Die Entstehung der indischen Flutbasalte, oder Dekkan-Trapps, fällt mit dem Massensterben an der Kreide-Paläogen-Grenze (vor ca. 66 Millionen Jahren) und dem Untergang der Dinosaurier zusammen (diese Ausbrüche wurden möglicherweise durch den gleichzeitigen Einschlag eines sechs Meilen großen Asteroiden in den Golf von Mexiko verstärkt).

„Auf der Erde herrschten für höchstens 20 Prozent der letzten 540 Millionen Jahre günstige Bedingungen für polare Eiskappen.“

Es folgte eine Erwärmungsphase, die zum Paläozän-/Eozän-Temperaturmaximum führte, einem Ereignis, das häufig als mögliches Analogon zum aktuellen Klimawandel untersucht wurde. Der vulkanische Hotspot unter dem Yellowstone-Nationalpark ist eine mögliche Quelle für ein zukünftiges Flutbasaltereignis. Die klimatischen Auswirkungen dieser Ausbrüche zeigen die deutliche Signatur einer anfänglichen globalen Abkühlung, gefolgt von einer starken Erwärmung. Dies ist wahrscheinlich auf den dämpfenden Effekt der immensen Freisetzungen von Schwefeldioxid und Aerosolen in die obere Atmosphäre zurückzuführen, gefolgt von einer Erwärmung, die sich bei deren Auflösung einstellte. Die enge zeitliche Korrelation von Flutbasalten und Massenaussterben ist wahrscheinlich auf die besonderen Auswirkungen auf die Biosphäre zurückzuführen, die sich aus hohen Konzentrationen von CO2 bei gleichzeitig niedrigeren Lichtwerten und kühleren Bedingungen ergeben, auf die eine plötzliche Erwärmung folgt.

Das CO2 kann durch Pflanzenwachstum nicht schnell genug entfernt werden und löst sich in den Ozeanen auf, was zur Versauerung der Ozeane und zum Aussterben der Meereslebewesen führt. Das betrifft sogar Phytoplankton, das ansonsten äußerst effizient in der Kohlenstoffsequestrierung ist. Die folgende Erwärmung trifft daher eine Biosphäre, die bereits durch frühere Kühlung und Ozeanversauerung gestört ist, und wird durch das Fehlen wirksamer Mechanismen der CO2-Abscheidung in ihrer Intensität erhöht.

Oft dauert es mehrere Millionen Jahre, bis die CO2-Werte langsam durch Photosynthese und Sequestrierung von Biomasse wieder auf das Ausgangsniveau zurückgehen. Über längere Zeiträume hinweg entzieht auch die Verwitterung von Gesteinen, die durch die Hebung von Gebirgszügen exponiert werden, der Atmosphäre Kohlenstoff. Daher korrelieren langfristige Erwärmungs- und Abkühlungstrends mit der Gebirgsentstehung und der Kontinentalverschiebung. In jüngster Zeit hat die Isolation der Antarktis vom Rest des globalen Klimasystems aufgrund ihrer Lage über dem Südpol und der entsprechenden zirkumpolaren Strömung, gepaart mit der anhaltenden Erhebung des Himalaya, zur antarktischen Vergletscherung und zum CO2-Abbau durch Verwitterung beigetragen.

Massenextraktionen von atmosphärischem CO2 durch biologische Sequestrierung

Historisch gesehen wurde der massive Anstieg von CO2 in der Atmosphäre im Allgemeinen durch Vulkanausbrüche verursacht, und durch die Reaktion der Biosphäre auf diesen Anstieg ist ein langsamer Kohlenstoffabbau erfolgt, der zu einem Treibhausgleichgewicht zurückführt. Im Gegensatz dazu wird der plötzliche CO2-Abbau nicht durch einen gemeinsamen geophysikalischen Mechanismus, sondern durch ausgeprägte und zufällige biologische Ereignisse verursacht und führt zu einem metastabilen Eishauszustand. Der derzeitige Anstieg von CO2 unterscheidet sich von diesem Muster dadurch, dass er durch biologische Aktivitäten (unsere Gewinnung und Verbrennung fossiler Brennstoffe) verursacht wird und in einem viel kürzeren Zeitrahmen und mit einer höheren Rate als üblich erfolgt, wenn auch mit einer geringeren potenziellen Gesamtzunahme.

Die natürliche Massenextraktion von CO2 aus der Atmosphäre ist mit Ereignissen verbunden, bei denen ungewöhnliche und zufällige Faktoren es ermöglichen, große Mengen an Pflanzenmaterial aus dem Kreislauf zu entfernen – und zwar durch unterirdische Ablagerung –, bevor die Biomasse entweder zersetzt oder von Pflanzenfressern aufgenommen wird.

„Historisch gesehen wurde der massive Anstieg von CO2 in der Atmosphäre im Allgemeinen durch Vulkanausbrüche verursacht.“

Sobald die Bedingungen im Eishaus hergestellt sind, bleiben sie erhalten, bis der Sequestrierungsmechanismus nicht mehr funktioniert oder bis physikalische Veränderungen, wie z.B. Trockenheit durch die Verringerung der Ozeanverdunstung oder die Reflexion der Sonneneinstrahlung durch Eis, eintreten. In der frühen Erdgeschichte geschah dies mehrfach, und diese Eiszeiten werden als Schneeball-Erde-Ereignisse bezeichnet. Die früheste wurde wahrscheinlich durch die Disruption der Biosphäre verursacht, und zwar aufgrund der Einbringung großer Mengen an Sauerstoff in die Atmosphäre durch frühe photosynthetische Organismen, verbunden mit der Oxidation und Entfernung von Methan – einem stark erwärmenden Gas, das damals wesentlicher Bestandteil der Atmosphäre war. Ein Großteil des damaligen einzelligen Lebens war an extrem niedrige Sauerstoffkonzentrationen angepasst und wurde vergiftet, so dass Algen solange CO2 aufnehmen konnten, bis die Werte so niedrig wurden, dass fast die gesamte Oberfläche des Planeten mit Eis bedeckt war. Während die Ursachen für die beiden zweiten Ereignisse unsicherer sind, spielte die Kohlenstoffsequestrierung wahrscheinlich eine große Rolle.

Diese Ereignisse wurden, wie in anderen Eiszeiten auch, wahrscheinlich durch die Injektion von CO2 durch den Durchbruch von Flutbasalten durch die Eisdecke beendet. Zum Vergleich: In der intensivsten Phase der dekkanischen Vulkanausbrüche vor 66 Millionen Jahren wurden über einen Zeitraum von etwa 30.000 Jahren 4 mehrere zehntausend Gigatonnen CO2 in die Atmosphäre abgegeben 5 (und die Schätzungen der gesamten CO2-Injektion sind stetig gestiegen). Seit 1750 haben wir etwa 550 Gigatonnen emittiert, die Hälfte davon in den letzten 40 Jahren. Wir haben etwa 3000 Gigatonnen potenzieller Emissionen aus leicht zugänglichen fossilen Brennstoffen. Um diese freizusetzen, müssten wir aber die gesamte Kohle der Welt gewinnen und verbrennen, was unwahrscheinlich ist.

Selbst unter der Annahme, dass diese Zahlen zu niedrig geschätzt sind, und unter Berücksichtigung von CO2-Äquivalenten in Methan und anderen klimawirksamen Gasen ist es daher unwahrscheinlich, dass die insgesamt realisierten und potenziellen anthropogenen Emissionen 4000 Gigatonnen überschreiten. Dies ist um ein Vielfaches geringer als die Gesamtmenge des bei den größten Ausbrüchen im Dekkan freigesetzten CO2; und realistischerweise werden wir angesichts der Tatsache, dass wir nicht alle verfügbaren Kohlereserven nutzen werden und die Kohlenstoffintensität des Wirtschaftswachstums entweder flach fortschreitet oder in einer langsamen Abnahme begriffen ist, nur etwa ein Zehntel des bei einem Basaltflutvulkanereignis freigesetzten CO2 emittieren. Unsere Emissionen treten jedoch über einen Zeitraum von Jahrhunderten und nicht über Dutzende von Jahrtausenden auf. Wenn wir beispielsweise insgesamt 2000 Gigatonnen über 400 Jahre emittieren, liegen wir im Durchschnitt bei etwa fünf Gigatonnen pro Jahr. Im Vergleich dazu kommen selbst die extremsten Naturereignisse nur auf etwa 1 Gigatonne pro Jahr. 2017 lagen die globalen CO2-Emissionen bei etwa 32,5 Gigatonnen.

Die beispiellose Rate anthropogener Emissionen dürfte zu einer erheblichen Instabilität des globalen Klimasystems führen, das im Eishauszustand bereits prekär ist. Eine solche kurzfristige Instabilität wurde bei den Übergängen zwischen glazialen und interglazialen Perioden in der aktuellen Eiszeit beobachtet, wenn auch nicht direkt durch CO2-Emissionen verursacht. Der klimatische Übergang vom letzten Gletschermaximum zu unserem heutigen Interglazial war nicht allmählich oder stabil. Die Temperaturen stiegen und fielen innerhalb von Jahrzehnten um mehrere Grad Celsius. Beim Kälterückfall in der jüngeren Dryaszeit vor nur 13.000 Jahren sanken die globalen Temperaturen innerhalb von etwa 30 Jahren von ähnlichen Werten wie heute um zwei bis sechs Grad Celsius, nachdem sie in einer ähnlichen Zeitspanne gestiegen waren. Das kältere Klima dauerte 1000 Jahre, so dass sich die Gletscher in ganz Eurasien und Nordamerika wieder ausbreiteten, und endete dann so abrupt, wie es begonnen hatte. Es gibt Hinweise darauf, dass der plötzliche Anstieg der Trockenheit, der in dieser Zeit verursacht wurde, die frühe Entwicklung der Landwirtschaft in der Levante unterbrochen und verschoben hat.

„Die beispiellose Rate anthropogener Emissionen dürfte zu einer erheblichen Instabilität des globalen Klimasystems führen.“

Unsere Wirtschaftssysteme und Siedlungsmuster sind nicht gut darauf vorbereitet, mit diesem Grad der Instabilität oder mit dem möglichen Ergebnis einer Rückkehr zum Treibhausgleichgewicht umzugehen. Um zu verstehen, wie wir in das globale Klimasystem eingreifen können, um die aktuellen Bedingungen zu erhalten, müssen wir einige der historischen Mechanismen untersuchen, bei denen massenhaft Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt wurde. Die beiden wichtigsten Ereignisse traten in der Zeit des Karbons und des Eozäns auf.

Entwicklung von Landpflanzen vor effektiven Zersetzern

Im Karbon, vor 320 Millionen Jahren, sank die CO2-Konzentration plötzlich um das Zehnfache von über 2000 ppm auf etwa 200 ppm und damit auf ähnliche Werte wie beim letzten Gletschermaximum. Es war das einzige Mal, dass sie in den letzten 600 Millionen Jahren so tief gefallen ist. Kein Wunder, dass dies zu einer besonders ausgeprägten und langen Eiszeit führte, die über 60 Millionen Jahre andauerte. Der Kohlenstoffabbau wurde durch die Evolution der Landpflanzen zu einer Zeit, als es noch keine landbewohnenden Pflanzenfresser gab und bevor die Pilze die Fähigkeit zur Verdauung von Holz entwickelt hatten, verursacht. Riesige Wälder wuchsen über die Kontinente, tote Bäume lagen einfach dort, wo sie fielen, ohne abgebaut zu werden, und wurden schließlich von der nachfolgenden Vegetation begraben. So wurde in Millionen von Jahren genug Kohlenstoff im Boden versenkt, um die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre auf 35 Prozent zu erhöhen (heute sind es 20 Prozent). Dies ermöglichte die Entwicklung von Rieseninsekten, deren Atmung auf diese erhöhte Sauerstoffkonzentrationen angewiesen war, und das Auftreten von schrecklich zerstörerischen Feuerstürmen, bei denen sogar nasses Holz verbrannt wurde. Als sich Pilze, Termiten und pflanzenfressende Wirbeltiere entwickelt und soweit vermehrt hatten, dass der Sequestrierungsprozess endete und der in abgestorbener Vegetation eingeschlossene Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre zurückgeführt wurde, endete die Eiszeit. Weitere 270 Millionen Jahre lang fand auf der Erde keine Vereisung statt. Ein Großteil der Kohle, die wir heute verbrennen, besteht aus Kohlenstoff, der während dieser Eiszeit aus der Atmosphäre entfernt wurde.

Das Azolla-Ereignis

Das zweite Beispiel, das Azolla-Ereignis, wurde erst in den letzten 20 Jahren entdeckt und war in seinem Mechanismus äußerst spezifisch. Im frühen Eozän lagen die globalen Oberflächentemperaturen acht Grad Celsius höher als heute. Tropenwälder erstreckten sich fast bis zu den Polen, und die CO2-Konzentration in der Atmosphäre betrug 3500 ppm – im Gegensatz zu den heutigen 400 ppm. Vor 49 Millionen Jahren kühlte das globale Klima um sechs Grad Celsius ab, während das atmosphärische CO2 gleichzeitig auf 650 ppm zurückging. Die Ursache für diesen Temperatur- und CO2-Abfall war lange unbekannt. Erst 2004 wurde eine überzeugende Hypothese aufgestellt. Zu dieser Zeit nutzte die Arctic-Coring-Expedition die reduzierte Eisbedeckung, um Kernproben aus dem Lomonossow-Rücken im nördlichen Arktischen Ozean zu entnehmen. Zu ihrer Überraschung entdeckten die Forscher riesige Ablagerungen des Süßwasserfarns Azolla, die unter dem Meeresboden eingeschlossen waren. Diese bis zu 20 Meter tiefen Ablagerungen waren 49 Millionen Jahre alt und hatten sich über 800.000 Jahre dort angesammelt, was genau mit dem beobachteten Rückgang von Temperatur und CO2 übereinstimmte. In Anbetracht dieses Zusammenhangs vermuten die Forscher einen kausalen Zusammenhang zwischen dem Wachstum von Azolla und dem massiven Rückgang des atmosphärischen Kohlendioxids, der für die plötzliche globale Abkühlung im späten Eozän verantwortlich und inzwischen weithin akzeptiert ist.

Azolla ist nicht in der Lage, im Salzwasser zu wachsen, und konnte im Arktischen Ozean nur aufgrund einer Reihe von ungewöhnlichen Faktoren in großen Mengen gedeihen. Diese Faktoren sorgten auch dafür, dass der durch die Photosynthese vom Farn aufgenommene Kohlenstoff auf dem Meeresboden abgesondert und nicht bei der Zersetzung der Pflanzen in die Atmosphäre zurückgeführt wurde. Während des Eozäns hatte der Arktische Ozean einen begrenzten Wasseraustausch. Es mündeten aber eine Reihe großer Flüsse in ihn. Das Süßwasser aus diesen Flüssen mit geringerer Dichte sammelte sich an der Oberfläche und sorgte dafür, dass eine Schicht mit niedrigem Salzgehalt entstand. Diese Schicht verhinderte die Vermischung der Wassersäule und führte dazu, dass der Meeresboden sauerstofffrei wurde, während sich gleichzeitig Azolla an der Oberfläche vermehren konnte. Als schwimmende Pflanze mit Blättern über dem Wasser hatte Azolla direkten Zugang zum atmosphärischen CO2. Darüber hinaus ist Azolla in der Lage, über eine bakterielle Symbiose Stickstoff direkt aus der Atmosphäre zu binden, was das Wachstum noch weiter fördert. Die meisten zersetzenden Organismen benötigen für ihren Stoffwechsel Sauerstoff, der auf dem Meeresboden jedoch kaum vorhanden war. Deshalb blieben die Farne, die starben und absanken, intakt, bis sie durch Sedimente begraben wurden, und der Kohlenstoff, den sie aufgenommen hatten, wurde in Sedimentgestein unter dem Meer eingeschlossen. Die Öl- und Erdgasressourcen im Arctic National Wildlife Refuge bestehen hauptsächlich aus diesen Azolla-Ablagerungen.

„Unabhängig von der Debatte um moralische Zulässigkeit und unvorhergesehene Folgen sind die aktive CO2-Extraktion oder das Geoengineering praktische Notwendigkeiten, um das globale Klima kurzfristig stabilisieren zu können.“

Wie oben gezeigt, endeten frühere Erwärmungsepisoden erst dann, wenn bestimmte Ereignisse in der Biosphäre zu einem Massenabfluss von CO2 führten. Die Einstellung der Emissionen allein und die Hintergrundrate des Kohlenstoffabbaus aus der Atmosphäre waren noch nie ausreichend, um das atmosphärische CO2 in einem ausreichend kurzen Zeitraum zu reduzieren, um für die menschliche Zivilisation relevant zu sein. Wenn wir mittelfristig keine Maßnahmen zur Absenkung von CO2 ergreifen, riskieren wir entweder eine dramatische klimatische Instabilität oder einen Phasenübergang in ein stabiles Treibhausgleichgewicht. Dies würde bedeuten, dass die Faktoren, die dieses Gleichgewicht aufrechterhalten, so stark werden, dass sie unsere Bemühungen um eine Rückkehr zum vorherigen Zustand übertreffen könnten.

Eine aktive Intervention in das Klimasystem ist daher notwendig und würde sich grundsätzlich nicht von früheren Beispielen wie dem Azolla-Ereignis unterscheiden, das besonders aufschlussreich ist, da es zeigt, wie spezifische Bedingungen, die in der physikalischen Umgebung herrschen, zu einem selbsttragenden biologischen Prozess mit einem günstigen Verhältnis von Kohlenstoffabbau zu Energieaufwand führen können. Unabhängig von der Debatte um moralische Zulässigkeit und unvorhergesehene Folgen sind die aktive CO2-Extraktion oder das Geoengineering praktische Notwendigkeiten, um das globale Klima kurzfristig stabilisieren zu können. Während frühere Beispiele für den biologischen Kohlenstoffabbau meist über Zeiträume von mindestens mehreren Jahrtausenden erfolgten, müssten unsere Maßnahmen allerdings in einem viel kürzeren Zeitraum Wirkung entfalten.

Vier realistische Optionen für das Geoengineering

Es gibt vier Kandidaten für realistisch praktikable Geoengineering-Methoden. Dies sind 1) direkte Luftabscheidung (direct air capture, DAC), 2) Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS), 3) Injektion von Aerosolen in die obere Atmosphäre und 4) ozeanische Eisendüngung.

Direct Air Capture

Das direkte Abscheiden aus der Luft ist die einfachste Methode, hat aber derzeit erhebliche Probleme bei der Wirtschaftlichkeit. Im Moment liegen die Kosten für die Extraktion einer Tonne CO2 aus der Atmosphäre bei etwa 100 US-Dollar, wie von der kanadischen Firma Carbon Engineering geschätzt. Wie bei anderen bestehenden DAC-Startups plant Carbon Engineering nicht, das aus der Luft gezogene CO2 zu lagern. Um den Prozess kurzfristig profitabel zu machen, wollen sie den abgetrennten Kohlenstoff zur Herstellung emissionsneutraler Kraftstoffe nutzen. Ihr Modell ist daher, wenn es auf erneuerbare Energiequellen setzt, bestenfalls klimaneutral. Während staatliche Mittel es diesen Unternehmen ermöglichen könnten, abgetrenntes CO2 aus dem Verkehr zu ziehen, sind die Probleme der Skalierbarkeit noch nicht gelöst. Die Pilotanlage von Carbon Engineering entfernt nur eine Tonne CO2 pro Tag. Während DAC wahrscheinlich Bestandteil langfristiger CO2-Minderungsstrategien sein wird, ist es unwahrscheinlich, dass die Technologie kurzfristig ausgereift und wirtschaftlich tragfähig wird.

Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung

BECCS wird in der Regel als eine Weiterentwicklung der bestehenden Biokraftstoffindustrie und nicht als eine Methode des Geoengineerings eingestuft. Dies hat es ermöglicht, das Vorgehen als einen Mainstream-Ansatz für die Erreichung des Niveaus der negativen Emissionen zu betrachten, das zur Erreichung der Ziele des Pariser Abkommens erforderlich ist. So wurde es in die Roadmaps des IPCC aufgenommen, die nun auf die groß angelegte Einführung von BECCS zur Begrenzung der Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius setzen. 6 Die grundlegende Methodik von BECCS beinhaltet jedoch aktive technologische Eingriffe in die Biosphäre und ist daher durchaus als eine Art Geoengineering zu betrachten. Bei BECCS wird Biomasse angebaut und als Rohstoff für die Herstellung von Biokraftstoffen wie Ethanol verwendet, die fossile Brennstoffe ersetzen oder direkt zur Stromerzeugung verbrannt werden. Das dabei freigesetzte CO2 wird aufgefangen und tief unter der Erde, meist in poröse Gesteinsformationen, eingelagert. Dadurch kann ein Teil des von den Pflanzen in der Photosynthese gesammelten CO2 abgesondert werden, während der Rest zur Herstellung von klimaneutralem Biokraftstoff und Strom verwendet wird. Theoretisch ermöglicht dies, negative Netto-Emissionen zu erreichen und gleichzeitig wirtschaftlich rentabel zu bleiben, wenn Biokraftstoffe und elektrische Energie verkauft werden.

„Es gibt vier Kandidaten für realistisch praktikable Geoengineering-Methoden.“

BECCS ist eine Weiterentwicklung von einfachem carbon capture and storage (CCS), bei dem das CO2 aus den Abgasen von fossilen Kraftwerken abgeschieden wird. Eine weitere Variante ist die Verbrennung von Biomasse in Abwesenheit von Sauerstoff zu Holzkohle (Biokohle), die dann tief vergraben oder als Bodenverbesserungsmittel verwendet wird. Diese Verfahren sind bereits im Einsatz und werden durch Ausgleichszahlungen von Unternehmen, die ihren CO2-Ausstoß neutralisieren wollen, mittels sogenannter Carbon Credits finanziert. Aufgrund seiner engen Integration mit bestehenden Technologien und Emissionsquellen ist BECCS derzeit die bevorzugte Methode zur Erreichung negativer Netto-Emissionen, leidet aber wie DAC unter Problemen der Skalierbarkeit. Um einen negativen Emissionsstatus zu erreichen, muss ein BECCS-Projekt zudem in der Lage sein, sowohl seine Kraftstoff- und Stromerzeugung als auch seine Methode der Kohlenstoffsequestrierung durch den Verkauf der produzierten Rohstoffe wirtschaftlich zu unterstützen. Dies ist ohne entsprechende CO2-Bepreisung oder den erheblichen und anhaltenden Anstieg der Preise für fossile Brennstoffe – was durch das Aufkommen von Fracking und anderen Techniken zur Gewinnung von Öl und Gas aus Schiefer unwahrscheinlich geworden ist – auf kurze Sicht nicht realisierbar. Mit den derzeitigen Methoden würde die Entfernung von zehn Gigatonnen CO2 pro Jahr mit BECCS eine Landfläche von der Größe Indiens erfordern, 7 die allein zu diesem Zweck unter Bewirtschaftung gestellt werden müsste, was eine in der jüngeren Geschichte unvergleichliche Ausweitung der landwirtschaftlichen Nutzfläche mit sich brächte und an sich schon ökologisch verheerend wäre. Wenn BECCS-Projekte die bestehende Landwirtschaft ersetzen würden, würde das Land für die Lebensmittelerzeugung fehlen.

BECCS wird mit ziemlicher Sicherheit Bestandteil zukünftiger Strategien zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes sein, kann aber nicht in dem erforderlichen Umfang innerhalb kurzer Zeit eingeführt werden. Die Abhängigkeit von BECCS als Einzellösung wäre auch äußerst umweltschädlich und würde die globale Nahrungsmittelversorgung gefährden, wenn nicht gleichzeitig kurzfristige und groß angelegte Effizienzgewinne den Landverlust ausglichen.

Aerosolinjektion in der oberen Atmosphäre

Die nächste Methode, das Einbringen von Aerosolen (die meisten Modelle schlagen Schwefeldioxid (SO2) vor) in die Stratosphäre als Sonnenschutz, ist nicht in Mainstream-Modellen oder Roadmaps enthalten, wäre aber äußerst wirtschaftlich und scheinbar effizient. Durch die direkte Reduzierung der einfallenden Sonneneinstrahlung und die damit verbundene globale Verdunkelung ahmt die SO2-Injektion die kurzfristigen Auswirkungen eines großen Vulkanausbruchs nach und ermöglicht die Vermeidung einer Erwärmung unabhängig von den CO2-Emissionen. Die Aerosolbelastung durch die Industrie hat wahrscheinlich einen Teil der Auswirkungen der Erhöhung des CO2-Gehalts im 20. Jahrhundert verschleiert, und die Erwärmung hat sich beschleunigt, da diese Belastung in den letzten Jahrzehnten in vielen Bereichen abgenommen hat. Während SO2 bei Freisetzung in geringer Höhe sauren Regen verursacht, hätte es bei Injektion in die obere Atmosphäre wenig bis gar keine Effekte am Boden und würde bei kontinuierlichem Nachschub für eine effektive Kühlung sorgen. SO2 könnte durch große Schläuche, die an Fesselballons befestigt sind, aus Druckkanistern an Bord von Flugzeugen oder durch Kanonen in die Atmosphäre gebracht werden. Einige Millionen Tonnen SO2 pro Jahr wären ausreichend, um den Erwärmungseffekt der verdoppelten CO2-Konzentrationen auszugleichen. Dies ist eine vergleichsweise kleine Menge, die von einer Flotte von modifizierten 747-Flugzeugen für eine oder zwei Milliarden Dollar pro Jahr verteilt werden könnte. 8

So wäre eine wirksame Eindämmung des Klimawandels innerhalb von Monaten und mit Kosten, die mit denen des Betriebs einer kleinen Fluggesellschaft vergleichbar sind, möglich. Die meisten Staaten oder sogar wohlhabende Personen könnten das realisieren. Die einfache Implementierung dieser Methode macht es fast unvermeidlich, dass sie irgendwann unilateral eingesetzt wird. 9 Wenn zum Beispiel in einer Stadt in Südasien während einer Zeit hoher Luftfeuchtigkeit eine starke Hitzewelle auftritt, was wahrscheinlich irgendwann in den nächsten Jahrzehnten der Fall sein wird, und die Temperaturen über 35 Grad Celsius steigen, wird dies zu vielen Opfern führen, die auf den Klimawandel zurückzuführen wären. Derzeit werden die Auswirkungen von Hitzewellen als eine Erhöhung der allgemeinen Sterblichkeitsrate angesehen. Betroffen sind vor allem sehr alte, sehr junge und Menschen mit gesundheitlichen Problemen. Aber in diesem Fall würden auch gesunde Menschen ohne Zugang zu Klimatisierung auf der Straße sterben.

„So wäre eine wirksame Eindämmung des Klimawandels innerhalb von Monaten und mit Kosten, die mit denen des Betriebs einer kleinen Fluggesellschaft vergleichbar sind, möglich.“

Dieses Ausmaß an offensichtlichen Auswirkungen würde es für die Regierung des betreffenden Landes zwingend erforderlich werden lassen, etwas zu tun, um die Situation zu mildern. Angesichts der niedrigen Kosten und ihrer unmittelbaren Wirkung besteht große Wahrscheinlichkeit, dass die Injektion von SO2 in die Stratosphäre ihre Antwort sein wird. Dies ließe sich mit Verweis darauf, dass die Tragödie das Ergebnis jahrhundertelanger Emissionen großer wohlhabender Nationen war, auch leicht rechtfertigen. Dies könnte komplexe geopolitische Folgen haben, da die Aerosolinjektion das globale Klima schnell und sichtbar verändern und zu einer leicht beobachtbaren Aufhellung des Himmels führen würde.

Auf den ersten Blick scheint die Aerosolinjektion der ultimative Joker für den Klimawandel zu sein, und sie hat einen Platz, um katastrophale Sofortfolgen der durchgehenden Erwärmung zu verhindern. Ich zweifle nicht daran, dass sie irgendwann eingesetzt wird. Sie bietet jedoch keine langfristige Lösung. Die Verschattung des Planeten hat keinen Einfluss auf die Versauerungsrate der Ozeane, die ebenfalls zu schweren Problemen führt. Jedes Aerosol-Injektionssystem würde ein kontinuierliches Management und eine kontinuierliche Kalibrierung erfordern, um den richtigen Kühlungsgrad zu erreichen. Ein erfolgreiches kurzfristiges Klimamanagement mit dieser Methode würde wahrscheinlich die Anstrengungen bei der Emissionsreduzierung und den Einsatz negativer Emissionstechnologien verringern.

Wenn die CO2-Konzentrationen während einer Zeit eines effektiven Sonnenstrahlungsmanagements weiter ansteigen, kommt es zu einer instabilen Situation, in der eine Unterbrechung oder Fehlkalibrierung der Aerosolinjektion zu einer plötzlichen extremen Erwärmung führen kann. Dies ist derselbe Mechanismus, der, wie oben erwähnt, das frühere Massenaussterben nach Basaltflutereignissen verursacht hat. Während ein Massensterben aufgrund der Fähigkeiten menschlicher Gesellschaften, sich an veränderte Bedingungen anzupassen, unwahrscheinlich ist, würde dennoch auf jeden Fall eine unnötige Verletzlichkeit geschaffen, wenn wir darauf verzichten würden, längerfristige Lösungen zu verfolgen.

Ozeanische Eisendüngung

Die ideale Geoengineering-Methode würde einen natürlich ablaufenden Prozess nachahmen, der nachweislich vergangene Episoden der globalen Erwärmung mildert, nicht unerschwinglich teuer oder umweltschädlich ist, positive Auswirkungen über die Verringerung des Klimawandels hinaus hat, nicht von einem kontinuierlichen, sorgfältigen Management abhängig ist und bei falscher Anwendung sich selbst begrenzende negative Folgen hätte. Eine solche Methode existiert, ist seit Jahrzehnten experimentell nachgewiesen und erfordert keine massive Infrastruktur oder technologische Innovation. Diese Methode ist die ozeanische Eisendüngung.

„Die ideale Geoengineering-Methode würde einen natürlich ablaufenden Prozess nachahmen, der nachweislich vergangene Episoden der globalen Erwärmung mildert.“

Die Eisendüngung nutzt die Tatsache aus, dass das Wachstum des marinen Phytoplanktons in erster Linie durch die Verfügbarkeit von Mikronährstoffen, insbesondere von Eisen, begrenzt ist und dass die Verfütterung von verfügbarem Eisen in der photischen Zone der Ozeane massive Algenblüten hervorrufen kann, die dann zum Meeresgrund sinken und dort große Mengen an Kohlendioxid ablagern. Die Eisendüngung wurde seit 1993 zwölfmal experimentell demonstriert, vor allem 2007 im Südatlantik durch ein deutsch-indisches Konsortium (Projekt LOHAFEX) und 2012 im Nordpazifik durch die Haida Salmon Restoration Corporation (HSRC). In beiden Fällen führte die Zugabe von Eisensulfat in Mengen zwischen 10 und 100 Tonnen zu massiven Planktonblüten, die aus dem Weltraum sichtbar waren, mit einer geschätzten Produktion von bis zu 100.000 Tonnen Algen pro Tonne Eisen. Selbst wenn angenommen wird, dass ein Großteil des in diesen Algen enthaltenen Kohlenstoffs schließlich wieder in die Atmosphäre zurückgeführt wird, ist dies ein sehr günstiges Verhältnis. Der Ozeanograph John Martin war sich dessen bereits 1988 bewusst, als er sagte: „Gebt mir einen halben Tanker voll Eisen, und ich werde euch eine Eiszeit geben“.

Mehrere Eisendüngungsexperimente waren von zweifelhaftem Rechtsstatus, und die gesellschaftlichen Reaktionen darauf waren sowohl in der Presse als auch im akademischen Kontext polarisiert. Die HSRC-Freisetzung wurde von der HSRC in Zusammenarbeit mit Russ George, dem Gründer des in San Francisco ansässigen Unternehmens Planktos Inc., organisiert. George wurde anschließend in vielen Medien als „Schurken-Geoingenieur“ 10 und „Hacker im Pazifischen Ozean“ beschrieben und beschuldigt, die Haida manipuliert zu haben, um sein Vorhaben zu unterstützen. In Wirklichkeit war das Projekt kooperativ und die Haida war vollwertiger Partner. Im Falle des HSRC-Projekts gab es 2013 einen korrelierten Anstieg der Jahresausbeute des Rotlachses um bis zu 400 Prozent aufgrund der erhöhten Verfügbarkeit von Futterfischen. Während ein kausaler Zusammenhang nicht nachgewiesen werden kann, kam es in den Jahren nach dem Ausbruch des Vulkans Kasatochi in Alaska, 11 der eine große Menge an eisenreichem Staub in die Atmosphäre eintrug, 2008 zu einem ähnlichen Anstieg der Lachspopulation. Das ist ein starker Hinweis darauf, dass die Eisendüngung generell die Fischbestände erhöht.

Derzeit stammt der größte Teil des Eiseneintrags in die Tiefsee aus Wüstenstaubstürmen über der Sahara und Zentralaustralien, die aufgrund ihres globalen Transports durch Windströme in der oberen Atmosphäre auch zur Fruchtbarkeit des Amazonas-Regenwaldes beitragen. 12 Es gibt Hinweise darauf, dass der erhöhte Eintrag von eisenreichem Staub in die Ozeane aufgrund der Trockenheit im letzten Gletschermaximum teilweise dafür verantwortlich war, niedrige CO2-Werte und Temperaturen aufrechtzuerhalten. 13 Die Menge dieses windgetriebenen Staubes ist in den letzten Jahrzehnten zurückgegangen, was mit einem Rückgang der Fruchtbarkeit des Ozeans einherging.

Eine weitere wichtige Quelle für Eisen und andere Nährstoffe ist Walkot. 14 Wale verteilen Nährstoffe im gesamten Ozean der Welt, indem sie sich von Krill und kleinen Fischen in produktiven Gebieten des Tiefenwasseraufstiegs ernähren und während ihrer Wanderungen durch ihre Ausscheidungen Nährstoffe in Oberflächengewässern verteilen. Krill enthält so viel Eisen, dass der Kot von Walen, der das 10-Millionenfache der Eisenkonzentration in den Oberflächengewässern der Ozeane enthält, rot gefärbt ist. Die globale Großwalpopulation beträgt trotz eines jahrzehntelangen Verbots immer noch nur 20 bis 30 Prozent der Menge aus der Zeit vor dem industriellen Walfang. Studien zur durchschnittlichen Wassertransparenz deuten darauf hin, dass die Populationen des ozeanischen Phytoplanktons im Laufe des 20. Jahrhunderts jährlich um ein Prozent zurückgegangen sind. 15

„Es wären rund 0,2 Prozent der jährlichen Eisenproduktion erforderlich, wobei die Verwendung von Schrott und recyceltem Eisen vorzuziehen wäre.“

Während eine Tonne Eisen theoretisch etwa 83.000 Tonnen CO2 binden kann, wird die tatsächliche Abscheideleistung durch mehrere Faktoren reduziert. Wie bereits erwähnt, war das HSRC-Projekt mit einem starken Anstieg der Lachspopulation verbunden. Es ist also viel Kohlenstoff in die Körper dieser Fische gelangt. Einige wurden gefangen und gegessen, andere kehrten zu den Flüssen ihrer Geburt zurück, um zu laichen. Nichts von diesem Kohlenstoff wurde abgesondert, aber die erhöhte Produktivität der Lachsfischerei und die Übertragung von Nährstoffen in die Küstenwälder des Pazifiks sind an sich schon vorteilhaft. Die Sequestrierung ist abhängig von den Abwärtsströmungen, die das Phytoplankton vom Nährstoffkreislauf der Oberfläche trennen. Aus diesem Grund ist die Wahl des richtigen Standortes für die Düngung von größter Bedeutung. Der antarktische Zirkumpolarstrom und Gebiete des Zentralpazifiks mit anhaltender Abwärtsströmung sind derzeit die führenden Kandidaten.

Schätzungen der Sequestrierung aus den jüngsten Experimenten zur Eisendüngung gehen von durchschnittlich 20 Prozent aus, wobei das Südpolarmeer die höheren gemeldeten Werte liefert. Darüber hinaus produzieren einige Algenarten Dimethylsulfid, das nachweislich in die Atmosphäre ausgast und die Kühlung durch den gleichen Mechanismus unterstützt wie die atmosphärische SO2-Injektion. Während bei der Bestimmung der Effizienz der Sequestrierung und des Grades, in dem der Abbau anderer Nährstoffe die Reaktion des Phytoplanktons auf zugesetztes Eisen beeinflusst, noch viel Arbeit zu leisten ist, kann man doch schon eine kurze Abschätzung vornehmen. Unter der Annahme einer kurzfristigen Abscheideleistung von 20 Prozent an optimalen Standorten und unter Berücksichtigung unvermeidlicher Ineffizienzen bei der Verteilung von Eisen sowie der Emissionen beim Transport zum Freisetzungsort ist eine Abscheidung von 10.000 Tonnen CO2 pro Tonne Eisen plausibel. Die globalen anthropogenen Emissionen lagen 2017 bei 32,5 Gigatonnen.

Würden wir diese Emissionen durch Eisendüngung vollständig kompensieren, wären 3,25 Megatonnen Eisen erforderlich. Die globale Rohstahlproduktion lag 2017 bei etwa 1,7 Gigatonnen. Es wären also rund 0,2 Prozent der jährlichen Eisenproduktion erforderlich, wobei die Verwendung von Schrott und recyceltem Eisen vorzuziehen wäre. Tatsächlich wäre der Abbau dieser Kohlenstoffmenge nicht möglich, da andere Nährstoffe in den Ozeanen lange vor diesem Zeitpunkt erschöpft wären, es nicht genügend Abtriebsgebiete in den Ozeanen gibt, um solche massiven Mengen an Kohlenstoff aus dem Kreislauf zu entfernen, und die globalen marinen Ökosysteme durch eine so massive laufende Düngungskampagne stark gestört würden. In einem realistischen Szenario, das laufende Emissionsreduktionen und Einschränkungen der Düngeanstrengungen berücksichtigt, würden höchstens 25 Prozent dieser Eisenmenge verwendet, also etwa 800.000 Tonnen. Dies entspricht der Kapazität von zwei großen Öltankern. Wenn wir von der Verwendung einer leicht löslichen Eisenquelle wie Eisensulfat ausgehen, kommen wir auf bis zu 2,2 Megatonnen, also etwa sechs Tanker pro Jahr. Dies ist zwar wirtschaftlich nicht trivial, könnte aber für weniger als zehn Milliarden Dollar erfolgen. Es wäre damit BECCS und DAC vorzuziehen, die in allen Phasen des Sequestrierungsprozesses menschliches Eingreifen erfordern und mindestens mehrere 100 Milliarden kosten würden, um einen erheblichen Teil der derzeitigen Emissionen auszugleichen.

„Wir müssen uns nicht auf eine einzige Methode festlegen.“

Weitere Forschung ist erforderlich, um die möglichen negativen Auswirkungen von Phytoplanktonblüten abzugrenzen. Diese Blüten sind ein natürliches Ereignis, das jedes Jahr in mehreren Gebieten der Ozeane auftritt, so dass wir bereits eine gute Vorstellung davon haben, wo die Probleme liegen könnten. Eines besteht in der Stimulierung des Wachstums von Algen, die giftige Verbindungen produzieren, vor allem die Produktion von Domoinsäure durch Pseudo-Nitzschia-Kieselalgen. Domoinsäure ist für Vögel und Säugetiere neurotoxisch, verursacht Schäden am Hippocampus und Gedächtnisverlust (bekannt als amnestische Muschelvergiftung) und kann in marinen Organismen hohe Konzentrationen erreichen. Die Dungeness-Krabbenfischerei an der kalifornischen Küste wurde vor kurzem durch zu hohe Konzentrationen von Domoinsäure in Krabben beeinträchtigt, weshalb nun obligatorische Tests erforderlich sind, bevor Gebiete für die Fischerei geöffnet werden. 16

Pseudo-Nitzschia produziert Domoinsäure, um in eisenarmer Umgebung Eisen aufnehmen zu können (die Substanz zieht gelöstes Eisen an und chelatisiert es), so dass es das Angebot monopolisieren kann. Sie stellt die Produktion aber ein, sobald Eisen gut verfügbar ist. Es gibt aus jüngeren Experimenten zur Eisendüngung einige Hinweise darauf, dass das Wachstum von Pseudo-Nitzschia zunahm und dies mit der Produktion von Domoinsäure verbunden war. 17 Wahrscheinlich war durch die Eisendüngung eine Blüte entstanden, die viel Eisen verbrauchte und so zur verstärkten Produktion von Domoinsäure führte. Bei natürlichem und künstlichem Eiseneintrag aus Vulkanausbrüchen und dem HSRC-Experiment wurde jedoch kein Anstieg der Domoinsäure in Speisefischen beobachtet. Das Problem kann gemildert werden, indem man keine Düngung in Küstengebieten vornimmt, zumal diese in Bezug auf die Kohlenstoffbindung ohnehin ineffizient ist. Es bedarf aber weiterer Experimente zu diesen und anderen möglichen negativen Folgen.

Ausblick

In der Praxis wird zur Stabilisierung des globalen Klimas eine Kombination aus Emissionsreduzierung und negativen Emissionstechnologien erforderlich sein. Wir müssen uns nicht auf eine einzige Methode festlegen. Die Untersuchung historischer Analogien ist von großer Bedeutung für die Vorhersage der zukünftigen Folgen verschiedener Methoden, wobei zu beachten ist, dass diese oft langsamer und dafür über einen viel längeren Zeitraum erfolgt sind. Das beste Analogon zu BECCS ist beispielsweise die massenhafte Sedimentation der terrestrischen Vegetation im Zeitalter Karbon. Aerosol-induziertes globales Dimmen imitiert die Auswirkungen großer Vulkanausbrüche ohne die damit verbundene CO2-Injektion. DAC ist eine Form der beschleunigten Verwitterung. Die Eisendüngung hat Analogien sowohl zum Azolla-Ereignis als auch noch unmittelbarer zum Eintrag von eisenreichem windgetragenem Staub in die Ozeane während der letzten Eiszeiten. Erkenntnisse aus der Paläoklimatologie und der empirischen Forschung werden unsere Bewertung von Kosten und Wirksamkeit all dieser Faktoren weiter verbessern.

Derzeit erscheint jedoch die Eisendüngung aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu BECCS und DAC und aufgrund des damit verbundenen erheblichen Nutzens, d.h. der Steigerung der Meeresproduktivität und der Verbesserung der Fischerei, als führender Kandidat. Die Möglichkeit, SO2 in die Atmosphäre einzubringen, um die schlimmsten Folgen einer schnellen Erwärmung zu verhindern, bleibt bestehen. Diese Methode ändert jedoch nichts am CO2-Gehalt und damit an der Versauerung der Ozeane. Wir sollten sie daher nur als Notfallmaßnahme betrachten, auf die zurückgegriffen werden kann, während andere Technologien zur Anwendungsreife gebracht werden.