Radiocarbon Dating. The Time Machine that Reveals How Long Carbon Hides in Soil

 

Carbon as a time machine: How long does CO₂ remain in the soil?

What does a flask of air reveal about climate change? We use it as a time machine to measure how quickly carbon returns from the soil to the atmosphere. In doing so, we show which ecosystems help slow climate change—and why protecting ancient carbon stores is crucial.

It is a rainy summer day in northern Sweden. Pine trees stretch endlessly around me. I kneel for the twenty-fourth time and place a small glass bottle over the soil. For fifteen minutes, I must stay still while mosquitoes find every bit of uncovered skin. At first, it feels strange that I am collecting air. But after some contemplation, I realize that it is not just air. It is the breath of the soil that brings with it a piece of history. Beneath my boots, soil has rested quietly for decades, sometimes since long before humans built cities. That soil contains carbon that has been slowly accumulating like a living archive that stores stories about Earth’s past and that now is threatened to open and release.

Carbon is the backbone of life. Look around: everything you see contains carbon or depends on it—plants, food, clothes, and the people you love. Life on Earth runs on a giant loop called the carbon cycle where plants take carbon from the air to grow and animals and microbes return it to the air when they breathe and decompose. For millions of years, this loop moved at its own patient pace—until humans suddenly broke its rhythm. By burning fossil fuels and cutting forests, we moved huge amounts of carbon from underground and living ecosystems into the atmosphere within only a few generations. Plants have not been able to absorb this excess of carbon fast enough. The result is climate change.

Earth’s temperature depends on how much carbon stays in the ground and how much escapes into the air as carbon dioxide. Even a small increase of this carbon in the air can warm the planet. So one question becomes critical: how long does carbon stay in the soil before it returns to the air? The answer helps us understand where we can store carbon without disturbing the climate. It is like knowing where patients can rest without getting worse or making everyone else sick.

Carbon has different ages depending where it resides, for example it can live in leaves for days, in wood for decades, and in soil for centuries or even thousands of years. Soils matter because they store more carbon than the atmosphere and all living plants combined. Although soils look quiet from the outside, inside they are busy with life. The speed at which microbes eat organic matter and breathe out carbon dioxide depends on how favorable temperature, water, and oxygen conditions are. Hence, whether soils slow or accelerate climate change depends not only on how much carbon they hold, but on how long they can keep it.

For a long time, scientists struggled to answer this time question, since to measure time we needed a clock. The clock was in the least expected place: inside carbon itself. A tiny fraction of carbon carries a special mark called radiocarbon. It is extremely rare—like a few colored grains of sand on an entire beach—but it is everywhere, even inside our bodies. Radiocarbon slowly fades with time, and the fainter it becomes, the older the carbon is, like ink that gradually disappears from a letter, which allows us to tell when it was written by reading how much of it remains. This clock became even clearer after nuclear bomb tests in the 1950s and 1960s added large amounts of radiocarbon to the air. By tracking this signal, we can follow carbon as it travels through plants, animals, and soils, allowing us finally to disentangle the mystery of the time question: how old is the carbon that soils breathe back into the air?

My research group at the Max Planck Institute for Biogeochemistry in Jena collaborated with the Chinese Academy of Sciences, the University of California, Irvine, and the Swedish Infrastructure for Ecosystem Science. Together, we studied soil types from very different regions that all store large amounts of carbon: grasslands, peatlands, Arctic tundra, and forests.

In our laboratories, we processed samples from China and Sweden. Through experiments, we recreated the climate of the future — heat, rain, drought — and observed how the soil responded to these different conditions.

The results are as varied as the origins of the soils themselves. Some ecosystems store young carbon — grasslands, for example, pass carbon from leaves and young roots into the soil, where microbes decompose it within years or decades and release it as carbon dioxide. As temperatures rise, this process speeds up, meaning these environments react quickly to change. Other systems, such as peatlands and frozen tundra, have been accumulating carbon since the end of the last ice age. Extreme conditions — low temperatures, flooding, lack of oxygen, and frost — reduced microbial decomposition activity, keeping this ancient carbon from returning to the atmosphere.

This protection, however, depends on stable conditions: when peatlands lose their water, oxygen enters the soil, activating microbial species. These in turn quickly process the abundant carbon that had rested safely for centuries, releasing it within weeks.

Farther north, in Alaska, climate change is bringing more snowfall. There, we studied deeply frozen soils in an experiment that has added extra snow to the ground since 1994. Snow acts like a thick blanket, keeping the soil warmer in winter and allowing deeper thawing in summer. This gives microbes access to a feast: carbon that had previously been locked in ice. Using radiocarbon, we discovered that ancient carbon is making its way toward the surface and escaping as carbon dioxide. In this way, carbon from the distant past is beginning to mix with today's atmosphere.

The forests, too, revealed a secret that now challenges a common belief: that planting trees permanently removes carbon from the atmosphere. Yes, trees do store carbon — but unfortunately, only for a relatively short time, because once they die, much of that carbon returns to the atmosphere. In our forest studies, fresh material — new leaves, young roots, and recent plant remains — released most of the carbon within days to decades. Only a minimal portion made it into the soil and stayed there long enough to influence the global climate.

These findings reach far beyond the laboratory. Many climate policies focus only on capturing new carbon by changing land use or planting more trees. But our carbon time machine teaches us this: planting new forests helps, yet if the carbon never reaches the soil and stays there, we have gained nothing. Our generation must now do one thing above all: protect the carbon stores that already exist. Peatlands must stay wet. Frozen soils must stay frozen. Forests must stay resilient. If these systems fail, they release carbon that no technology can simply put back into the ground.

One thing is important above all: no matter exactly where carbon is released, it affects the entire planet. That is why climate research requires us to work together across borders. Our work has connected muddy boots in remote landscapes with shared lab work, experiments, and ideas. It shows that science works best when knowledge flows freely — just like carbon.

When I stood soaked in the rain, I was convinced I was only capturing air in a bottle. Today I understand: I was holding time in my hands — a message that had bridged decades, or even centuries. It told me that climate change concerns not only the future but already our here and now, as it shakes the past awake from its deep sleep. Understanding how long carbon remains in the soil teaches us something simple yet powerful: time matters. Every moment that carbon stays underground is time in which we protect the world above it.

 

Zeitreisen durch eine Flasche Luft

Kohlenstoff als Zeitmaschine: Wie lange bleibt CO₂ im Boden?

Was verrät uns eine Flasche Luft über den Klimawandel? Wir nutzen sie als Zeitmaschine und messen, wie schnell Kohlenstoff aus Böden in die Atmosphäre zurückkehrt. So zeigen wir, welche Ökosysteme das Klima bremsen – und warum der Schutz alter Kohlenstoffspeicher entscheidend ist. 

 Es ist ein regnerischer Sommertag im Norden Schwedens. Umzingelt von unzähligen Kiefern knie ich mich zum 24. Mal hin und stelle ein Glasfläschchen auf den Boden. Meine ehrenvolle Aufgabe: Luft sammeln!

Aber es ist doch mehr als bloße Luft. Die Atmosphäre um mich herum ist der Atem der Erde, der ein Stück Geschichte in sich trägt. Unter meinen Stiefeln liegt der Boden, der über Jahrtausende hinweg – lange bevor Menschen überhaupt damit begannen, Städte zu bauen – ein Element angereichert hat, das Aufzeichnungen der Vergangenheit offenbart: Kohlenstoff. 

Kohlenstoff bildet das Fundament unserer Existenz. Schau dich um: Alles, was du siehst, enthält Kohlenstoff oder hängt davon ab – Pflanzen, Nahrung, Kleidung und die Menschen, die du liebst. Das Leben auf der Erde läuft in einem riesigen Kreislauf, dem Kohlenstoffkreislauf. Dabei nehmen Pflanzen Kohlenstoff aus der Luft auf, um zu wachsen, während Tiere und Mikroben ihn durch Atmen und Zersetzen als Kohlenstoffdioxid wieder in die Atmosphäre zurückgeben. Millionen von Jahren bewegte sich dieser Kreislauf in seinem eigenen geduldigen Rhythmus – bis der Mensch plötzlich seinen Takt störte. Durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe und das Roden von Wäldern haben wir in nur wenigen Generationen enorme Mengen an Kohlenstoff aus der Erde und ihren Ökosystemen in die Atmosphäre verlagert. Bereits ein sehr geringer Anstieg von Kohlenstoffdioxid erwärmt den Planeten. Das Ergebnis: der Klimawandel. 

Und genau daraus ergibt sich eine spannende und entscheidende Frage: Wie lange bleibt Kohlenstoff eigentlich im Boden, bevor er wieder in die Luft wandert? Die Antwort darauf ist der Schlüssel, um zu verstehen, wo wir Kohlenstoff speichern können, ohne das Klima ins Chaos zu stürzen. 

Kohlenstoff hat je nach Aufenthaltsort unterschiedliche Speicherzeiten: In Blättern kann er Tage, in Holz Jahrzehnte und im Boden Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende verweilen. Böden speichern sogar mehr Kohlenstoff als die Atmosphäre und alle lebenden Pflanzen zusammen. In ihrem Inneren zersetzen Mikroorganismen organische Reste, wobei Temperatur, Feuchtigkeit und Sauerstoffangebot bestimmen, wie schnell das geht. Ob der Erdboden den Klimawandel verlangsamt oder beschleunigt, hängt also nicht nur davon ab, wie viel Kohlenstoff er enthält, sondern auch davon, wie lange er ihn speichern kann.

Lange haben sich Forschende an dieser Frage die Zähne ausgebissen – denn um Zeit zu messen, braucht man schließlich eine Uhr. Die Lösung befand sich an ganz unerwarteter Stelle: Unsere Uhr ist der Kohlenstoff selbst. Ein winziger Teil des Kohlenstoffs trägt einen ganz besonderen Fingerabdruck: den Radiokohlenstoff. Er existiert natürlicherweise in der Atmosphäre, ist aber extrem selten, wie vereinzelte bunte Sandkörner an einem riesigen weißen Sandstrand. Dennoch ist er überall, sogar in unseren Körpern. Radiokohlenstoff verblasst mit der Zeit, wie Tinte, die allmählich von einem Brief verschwindet. Indem wir messen, wie viel davon noch übrig ist, finden wir heraus, wie alt der Kohlenstoff ist. 

Meine Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena arbeitete mit der Chinese Academy of Sciences, der University of California in Irvine und der Swedish Infrastructure for Ecosystem Science zusammen. Dabei untersuchten wir Bodenarten aus sehr unterschiedlichen Regionen, die alle große Mengen Kohlenstoff speichern: Grasland, Moore, arktische Tundra und Wälder. 

In unseren Laboren bearbeiteten wir schließlich Proben aus China und Schweden. In Experimenten stellten wir das Klima der Zukunft nach – Hitze, Regen, Trockenheit – und beobachteten, wie der Boden auf die unterschiedlichen Bedingungen reagiert. 

Die Ergebnisse sind so unterschiedlich wie die Herkunft der Böden selbst: Einige Ökosysteme speichern jungen Kohlenstoff, beispielsweise Grasländer, die Kohlenstoff aus Blättern und jungen Wurzeln an den Boden weitergeben. Dort zersetzen ihn Mikroben innerhalb von Jahren oder Jahrzehnten und setzen ihn als Kohlendioxid frei. Bei steigenden Temperaturen beschleunigt sich dieser Prozess, was bedeutet, dass diese Umgebung schnell auf Veränderungen reagiert. Andere Systeme hingegen, etwa Moore und gefrorene Tundra, sammeln Kohlenstoff seit dem Ende der letzten Eiszeit an. Extreme Bedingungen wie sehr niedrige Temperaturen, Überschwemmungen, Sauerstoffmangel und Frost verringerten die Zersetzungsaktivität der Mikroben. Das hielt den uralten Kohlenstoff von der Rückkehr in die Atmosphäre ab. 

Der Schutz hängt allerdings von stabilen Bedingungen ab: Verlieren Moore ihr Wasser, gelangt Sauerstoff in den Boden, wodurch Mikrobenarten aktiviert werden. Diese wiederum verarbeiten dann schnell den reichlich vorhandenen Kohlenstoff, der jahrhundertelang sicher ruhte, und setzen ihn innerhalb von Wochen frei. 

Weiter nördlich, in Alaska, führt der Klimawandel zu mehr Schneefall. Dort untersuchten wir in einem Experiment tief gefrorene Böden, denen seit 1994 zusätzliche Schneemengen zugeführt wurden. Schnee wirkt wie eine dicke Decke, hält den Boden im Winter wärmer und ermöglicht im Sommer ein tieferes Auftauen. Mikroben erhalten dadurch Zugang zu einem Festmahl: Kohlenstoff, der zuvor im Eis eingeschlossen war. Mithilfe von Radiokohlenstoff entdeckten wir, dass sich alter Kohlenstoff seinen Weg Richtung Oberfläche bahnt und als Kohlendioxid entweicht. So beginnt Kohlenstoff aus der fernen Vergangenheit, sich mit der heutigen Atmosphäre zu vermischen. 

Auch die Wälder verrieten uns ein Geheimnis, das nun eine gängige Vorstellung infrage stellt, welche lautet: Wer Bäume pflanzt, entferne damit den Kohlenstoff dauerhaft aus der Atmosphäre. Ja, Bäume speichern zwar Kohlenstoff, aber leider nur für relativ kurze Zeit. Denn sobald sie sterben, kehrt ein Großteil davon in die Atmosphäre zurück. In unseren Waldstudien setzte frisches Material, zum Beispiel frische Blätter, junge Wurzeln und neue Pflanzenreste, den meisten Kohlenstoff innerhalb von Tagen bis Jahrzehnten frei. Nur ein minimaler Teil gelangte in den Boden und blieb dort lange genug, um das globale Klima zu beeinflussen. 

Diese Erkenntnisse sind weitreichender als nur das Labor. Viele Klimapolitiken konzentrieren sich nämlich nur darauf, neuen Kohlenstoff zu speichern, indem sie die Landnutzung ändern oder mehr Bäume pflanzen. Unsere Kohlenstoff-Zeitmaschine lehrt uns jedoch: Es hilft zwar, neue Wälder zu pflanzen, aber wenn der Kohlenstoff am Ende nicht im Boden landet und auch dort verbleibt, haben wir nichts gewonnen. Unsere Generation muss jetzt vor allem eines tun: bestehende Kohlenstoffspeicher schützen. Moore müssen nass bleiben. Eisige Böden müssen gefroren bleiben. Wälder müssen widerstandsfähig bleiben. Versagen diese Systeme, so setzen sie Kohlenstoff frei, den keine Technologie einfach wieder in der Erde verstauen kann. 

Eins ist dabei besonders wichtig: Ganz egal, wo genau der Kohlenstoff freigesetzt wird, er wirkt sich immer auf den gesamten Planeten aus. Deshalb erfordert Klimaforschung, dass wir über Grenzen hinweg zusammenarbeiten. Unsere Arbeit hat schlammverschmutzte Stiefel in entlegenen Landschaften mit gemeinsamen Laborarbeiten, Experimenten und Ideen verbunden. Das zeigt: Wissenschaft funktioniert am besten, wenn das Wissen frei fließt – genauso wie Kohlenstoff. 

Als ich klitschnass im Regen stand, war ich überzeugt, nur Luft in einer Flasche einzufangen. Heute ist mir klar: Ich hielt Zeit in den Händen – eine Botschaft, die Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte überbrückt hat. Sie verriet mir, dass der Klimawandel nicht nur die Zukunft betrifft, sondern bereits unser Hier und Jetzt, da er die Vergangenheit aus dem Tiefschlaf rüttelt. Zu verstehen, wie lange Kohlenstoff im Boden verbleibt, lehrt uns etwas ganz Einfaches und doch Mächtiges: Zeit zählt. Jeder Moment, in dem der Kohlenstoff im Untergrund bleibt, ist Zeit, in der wir die Welt darüber schützen.

Poster _ GYSS - Using machine learning to predict greenhouse gases in peatlands

 

PhD Defense _ Timescales of carbon cycling in organic rich soils under environmental change

 

Presentation - How long does carbon remain in the different parts of a forest and where should we then store it? - ICOS Conference 2024

 

Poster - How long does carbon stay in the soils, vegetation and air in a boreal forest?

 

Poster - How temperature and moisture affect the time that carbon stays in soils from grasslands and peatlands in the Tibetan Plateau. WCRP Open Science Conference 2023 - Kigali, Rwanda