Koolstofkringloop.

Snelle en trage kringloop

De koolstofkringloop wordt vaak in twee snelheden beschreven. De snelle kringloop verbindt atmosfeer, oceaan en levende organismen. Planten en algen leggen koolstof vast via fotosynthese; door cellulaire ademhaling, decompositie en verbranding komt het terug in de lucht. Op deze tijdschaal draait de kringloop in dagen, maanden of jaren.

De trage kringloop beweegt koolstof tussen oceaan, sediment en gesteenten. Schelpdieren en koraal leggen calciumcarbonaat (CaCO₃) vast. Op de zeebodem hoopt zich kalkslib op, dat door geologische processen tot kalksteen wordt geperst. Door subductie en vulkanisme keert die koolstof uiteindelijk terug in de atmosfeer. Tijdschaal: miljoenen jaren.

Reservoirs op een rij

Het grootste deel van de koolstof op aarde zit in sedimentaire gesteenten. Wat de actieve kringloop betreft, ligt de meeste koolstof in oceanen — vooral als opgelost waterstofcarbonaat (HCO₃⁻). Daarna komen de bodem (organisch materiaal en humus), de vegetatie en pas dan de atmosfeer. De atmosfeer is dus relatief klein, en daardoor gevoelig: een verschuiving uit andere reservoirs verandert de samenstelling sneller.

Fossiele brandstoffen — steenkool, olie, gas — zijn een aparte categorie. Het is koolstof die honderden miljoenen jaren geleden uit de actieve kringloop is gehaald, opgeslagen in de aardkorst. Verbranding ervan brengt die oude koolstof terug in een ritme dat de natuurlijke kringloop niet bijhoudt.

Stromen tussen reservoirs

De grootste stromen in de snelle kringloop zijn die tussen atmosfeer en oceaan, en tussen atmosfeer en biosfeer. CO₂ lost op in zeewater volgens een evenwicht: koud water neemt meer op, warm water minder. Daarom geeft de oceaan in de tropen koolstof af, en neemt hij die in poolregio's juist op. Op grotere schaal vormt dit de biologische pomp: organismen aan het oppervlak nemen koolstof op, sterven, en zinken naar de diepte.

Op het land neemt vegetatie elk groeiseizoen koolstof op uit de lucht en geeft een deel daarvan via ademhaling weer af. De netto opname — wat er uiteindelijk in hout, wortels en bodem blijft — is een belangrijke rem op CO₂-stijging in de atmosfeer. Bossen, veengebieden en bodems zijn samen een aanzienlijke koolstofopslag.

Methaan

Naast CO₂ circuleert koolstof als methaan (CH₄). Methaan ontstaat onder anaerobe omstandigheden — in moerassen, rijstvelden, het maagdarmkanaal van herkauwers en in smeltend permafrost. Per molecuul is methaan een sterker broeikasgas dan CO₂, maar het verblijft veel korter in de atmosfeer (in de orde van een decennium) voordat het oxideert tot CO₂ en water.

Menselijke verstoring

Het verbranden van fossiele brandstoffen voegt elk jaar koolstof toe aan de atmosfeer die uit de trage kringloop komt. Daarnaast komt koolstof vrij door ontbossing en oxidatie van veen en bodem. De atmosferische CO₂-concentratie is sinds de industriële revolutie aanzienlijk gestegen — exacte waarden worden bijgehouden door onder andere KNMI en NOAA. De gevolgen voor klimaat staan beschreven onder CO₂ en klimaatverandering.

Een deel van de extra CO₂ wordt opgenomen door oceanen en vegetatie. Dat dempt de stijging in de atmosfeer, maar leidt in zee tot oceaanverzuring: opgeloste CO₂ vormt koolzuur en verlaagt de pH. Voor schelpdieren en koraal is dat een directe stressfactor.

Koppeling met andere kringlopen

De koolstofkringloop is verweven met de zuurstofkringloop: fotosynthese en ademhaling zijn elkaars omgekeerde, en betreffen dezelfde moleculen. Met de waterkringloop deelt hij oceanen als groot reservoir. Met de stikstofkringloop is de koppeling minder direct, maar plantengroei vereist beide elementen, plus fosfor.