Eine Kohlenstoffsenke ist ein natürliches oder künstliches Reservoir, das den Kohlenstoff der Atmosphäre mit physikalischen und biologischen Mechanismen absorbiert und speichert. Kohle, Öl, natürliche Gase, Methanhydrat und Kalkstein sind alles Beispiele für Kohlenstoffsenken. Nach langen Prozessen und unter bestimmten Bedingungen haben diese Senken Kohlenstoff für Jahrtausende gespeichert. Im Gegensatz dazu wird durch die Nutzung dieser als fossil geltenden Ressourcen der in ihnen gespeicherte Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre eingebracht. Heutzutage kommen andere Kohlenstoffsenken ins Spiel: Humusspeichernde Böden (wie z.B. Moore), einige vegetierende Umgebungen (wie z.B. die Bildung von Wäldern) und natürlich einige biologische und physikalische Prozesse, die in einer marinen Umgebung stattfinden.
Diese Prozesse bilden die bekannte „Kohlenstoffpumpe des Ozeans“. Sie besteht aus zwei Bereichen: einer biologischen Pumpe*, die den Oberflächenkohlenstoff über das Nahrungsnetz zum Meeresboden transportiert (dort wird er langfristig gespeichert), und der physikalischen Pumpe*, die aus der Ozeanzirkulation resultiert. In den Polarregionen fließt dichteres Wasser in Richtung Tiefsee und zieht gelösten Kohlenstoff mit sich. Tatsächlich speichert das Wasser in hohen Breitengraden CO2 leichter, weil niedrige Temperaturen die Auflösung von atmosphärischem CO2 erleichtern (daher die Bedeutung der Polarregionen im Kohlenstoffkreislauf). Es ist schwierig, die Menge des durch diese Mechanismen gespeicherten Kohlenstoffs zu bestimmen, aber es wird geschätzt, dass der Ozean 50 Mal mehr Kohlenstoff speichert als die Atmosphäre. Für einige Wissenschaftler ist die Tiefsee und ihre Wassersäule möglicherweise die größte Kohlenstoffsenke der Erde, aber ihre großräumige Zukunft ist noch unbekannt. Mit der Versauerung der Ozeane könnte dieser Prozess aufgrund eines Mangels an verfügbaren Karbonaten* auch weniger effizient werden.
Wenn man über Kohlenstoffspeicherung spricht, ist der Begriff der Zeit entscheidend. Die biologische Pumpe ist empfindlich gegenüber Störungen. Folglich kann sie destabilisiert werden und wieder Kohlenstoff in die Atmosphäre abgeben.
Die physikalische Pumpe arbeitet auf einer anderen Zeitskala. Sie ist weniger empfindlich gegenüber Störungen, aber sie ist langfristig betroffen. Ist die Maschine einmal aktiviert, lässt sie sich nur schwer wieder stoppen. Der Kohlenstoff, der durch die Ozeanzirkulation in die Tiefsee gelangt, wird vorübergehend aus dem Oberflächenkreislauf entfernt, aber dieser Prozess ist eher schlecht quantifiziert. Außerdem, was wird aus diesem Kohlenstoff nach einer Reise von mehreren hundert Jahren, wenn diese Gewässer wieder auftauchen?