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Verborgener CO₂-Kreislauf in Wüstenmineralien entdeckt
Wüstenböden geben Kohlendioxid nicht nur durch biologische Bodenatmung ab, sondern können das Gas auch direkt an ihren Mineraloberflächen binden. Messungen und Laborexperimente aus der Mojave-Wüste zeigen, dass Mineraloberflächen nachts CO₂ aufnehmen und es bei steigenden Temperaturen tagsüber wieder freisetzen. Die Forscher schließen daraus, dass dieser bislang unterschätzte abiotische Austausch in Kohlenstoffbilanzen trockener Regionen berücksichtigt werden sollte.
Berkeley (U.S.A.). Die Bodenatmung gilt als einer der großen natürlichen Kohlenstoffflüsse zwischen Land und Atmosphäre. Dabei setzen Pflanzenwurzeln und Mikroorganismen CO₂ frei, während trockene und vegetationsarme Böden meist als biologisch vergleichsweise ruhig gelten. In Wüsten wurden nachts jedoch wiederholt negative CO₂-Flüsse gemessen, bei denen Kohlenstoff scheinbar aus der Luft in den Boden gelangt.
Eine neue Studie liefert dafür nun eine physikalische Erklärung, indem sie Langzeitmessungen in der Mojave-Wüste mit Laborexperimenten an dort entnommenen Bodenproben verbindet. Im Mittelpunkt steht die Adsorption, bei der sich Gasmoleküle an feste Oberflächen anlagern, ohne in das Material einzudringen.
Seit 2017 registrierten Bodensensoren in der Mojave den CO₂-Austausch in kurzen Zeitabständen, wobei die CO₂-Konzentration in fünf Zentimetern Bodentiefe nachts zeitweise unter die Konzentration an der Oberfläche sank. Das erzeugte einen Fluss aus der Atmosphäre in den Boden, obwohl biologische Prozesse allein diese Richtung nicht erklären konnten.
Für die Laborversuche variierten die Forscher Temperatur und CO₂-Partialdruck der Bodenproben über einen Bereich, der typische Tages- und Nachtschwankungen der Wüste abbildet. Bei sinkender Temperatur band der Boden mehr CO₂ an mineralische und andere feine Partikel, während sich die Moleküle bei zunehmender Erwärmung wieder lösten und in die Gasphase übergingen. Der Vorgang ist reversibel.
„Sobald die Temperatur sinkt, steigt die Adsorptionskapazität“, erklärt Anna Abramova von der University of California, Berkeley (UC Berkeley).
Beide Messreihen zeigten denselben Rhythmus. Die unabhängigen Felddaten und Laborwerte passten in ihrem Tagesgang eng zusammen, sodass die temperaturabhängige Adsorption sowohl die nächtliche CO₂-Aufnahme als auch die Freisetzung am Tag erklären kann. Sie verändert außerdem die übliche Beziehung zwischen Bodentemperatur und gemessenem CO₂-Fluss, die bisher häufig als biologische Temperatur-Hysterese interpretiert wurde.
„Wir haben diese Laborexperimente entwickelt, um die Adsorptionsraten zu quantifizieren und sie damit zu vergleichen, wie der Prozess in der Mojave abläuft“, sagt Abramova.
Für die thermisch aktive Bodenschicht berechnen die Autoren eine jährliche Adsorption von 16,7 bis 19,3 Gramm Kohlenstoff pro Quadratmeter. Auf die weltweiten Trockengebiete hochgerechnet könnte der abiotische Austausch nach ihrer Abschätzung bis zu 2,2 bis 2,5 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr erreichen. Die Größenordnung ist eine Extrapolation aus Mojave-Böden und deshalb mit erheblicher Unsicherheit verbunden.
Das ist keine dauerhafte Kohlenstoffsenke. Ein großer Teil des nachts gebundenen Gases wird bei der Erwärmung am Tag wieder freigesetzt. Die Studie beschreibt daher vor allem einen bislang wenig berücksichtigten täglichen Austausch, der Messungen der Bodenatmung und regionale Kohlenstoffbilanzen beeinflussen kann.