Untere Atmosphäre

Mehr

Die Treibhausgase Kohlendioxid und Methan

Obwohl Wasserdampf das wichtigste Treibhausgas ist, machen oft Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) die Schlagzeilen. Die Konzentration dieser Gase ist bei weitem geringer, als die von Wasserdampf, aber sie schließen teilweise das schmale atmosphärische Fenster, durch welches die Wärmestrahlung die Atmosphäre verlassen kann. Und ihre Konzentration steigt immer weiter an ...

Die Abbildung zeigt, warum Kohlendioxid und Methan als Treibhausgase sehr effizient sind. Wasserdampf absorbiert in einem weiten Wellenlängenbereich die von der Erde emittierte Infrarotstrahlung und verzögert so den Abfluss der Wärme. Bei manchen Wellenlängen jedoch ist die Absorption schwach oder nahe null und die Barriere Wasserdampf hat ein durchlässiges Fenster. Genau an diesen Stellen beschränken die Absorptionen von CO₂ und CH₄, aber auch von Distickstoffmonoxid, Ozon und FCKW die Durchlässigkeit dieses Fensters.

Die Auswirkung ist viel stärker als ein vergleichbarer Anstieg im Wasserdampfgehalt der Luft. Diese Treibhausgase sind effizienter. Die erzeugte Erwärmung hängt somit zum einen von der Konzentration eines Gases ab, zum anderen aber auch von seiner Effizienz.
Das Konzept des Erderwärmungspotentials (Global Warming Potential, GWP) wurde entwickelt, um die Fähigkeit verschiedener Gase, Wärme in der unteren Atmosphäre zu halten, zu vergleichen. Kohlendioxid wurde hierbei als Referenz gewählt (GWP = 1).

Treibhausgase, ihre Konzentrationen im Jahr 1750 (vorindustriell) und 2005, ihre Lebenszeit LZ in der Atmosphäre (in Jahren) sowie das auf 100 Jahres-Basis berechnete Erderwärmungspotential (GWP) relativ zu CO₂. Daten (außer Ozon) aus: IPCC AR4 2007.

Treibhausgas Vorkommen 1750 Vorkommen 2005 LZ 100 a GWP Kohlendioxid CO2 280 ppm 379 ppm 50-200 1 Methan CH4 700 ppb 1774 ppb 12 25 Lachgas N2O 270 ppb 319 ppb 114 298 troposph. Ozon* O3 25 DU (10 ppb) 34 DU (30-40 ppb)   Freon-11 CFCl3 0 251 ppt 45 4750 Freon-12 CF2Cl2 0 538 ppt 100 10900 1 DU = Dobson Unit = 0,01 mm Säule an reinem Ozon *Da Ozon in der Atmosphäre nicht gleichmäßig verteilt ist, kann nur eine grobe Abschätzung des Mischungsverhältnisses in ppb für die untere Tropophäre vorgenommen werden.

Entwicklung der CO₂-Emissionen

Aus der Analyse von Eisbohrkernen, die in der Arktis oder Antarktis genommen wurden, wissen wir, dass während der letzten 600.000 Jahre die Konzentration an CO₂ in der Luft immer zwischen ungefähr 180 ppm in Eiszeiten und 280 ppm in Warmzeiten geschwankt hat. Dieser Trend änderte sich mit Beginn der Industrialisierung und der zunehmenden Nutzung fossiler Brennstoffe (Kohle, Öl, Gas) zur Energiegewinnung. Der Anteil des CO₂ in der Luft stieg exponentiell an und erreicht heute einen Wert von 385 ppm (Stand 2007). Verglichen mit der sehr stabilen Situation über mehrere hunderttausend Jahre zuvor, ist dieser Anstieg innerhalb von 200 Jahren extrem schnell und vor allem vom Menschen verursacht. Welche Emissionen trugen hierzu bei?
 

2. Trend der Mischungsverhältnisse der Treibhausgase CO₂, N₂O und Methan während der letzten 600.000 Jahre aus der Analyse antarktischer Eisbohrkerne. Die Sterne zeigen die Höhe der Werte im Jahr 2000 an.
Quelle: IPCC AR4 2007 fig 6.3

Jedes Jahr werden mehrere Milliarden Tonnen Kohlenstoff (1 Petagramm C = PgC = 1 Gigatonne C = GtC = 1 Mrd. Tonnen = 1x10¹⁵ g) in Form von CO₂ in die Atmosphäre emittiert. 5,4 ± 0,3 PgC/Jahr waren es in den 80er Jahren, 6,3 ± 0,4 PgC/Jahr in den 90ern. Zwischen 1999 und 2005 jedoch stiegen die Emissionen weiter von 6,5 PgC/Jahr auf 7,8 PgC/Jahr. Dies entspricht einer jährlichen Steigerung von 3%, die über den Erwartungen des letzten Weltklimaberichtes liegt.
 
 

Sie kamen fast ausschließlich aus der Verbrennung fossiler Energieträger und der Zementproduktion. Weitere 0,5 - 2,7 PgC/Jahr kommen aus der Umwandlung von Nutzflächen, hierbei vor allem aus dem Niederbrennen von Wäldern und Vegetation. Größere Unklarheit herrscht über die Senken von CO₂. Aus der Konzentration in der Luft wissen wir, dass nur etwa 3,5 ± 0,1 PgC/Jahr auch in der Atmosphäre verbleiben. Die Ozeane nehmen etwa weitere 2 PgC/Jahr auf. Hier endet CO₂ in Form von Carbonat.
 
 

Es wird angenommen, dass eine größere Menge an CO₂ auch durch neu entstehende Vegetation (ca. 2 PgC/Jahr) aufgenommen werden kann. Dies würde bedeuten, dass der Gesamtbestand an Pflanzenmasse auf der Welt zunimmt. Die Aufnahme durch Pflanzen unterliegt aber hohen Schwankungen und kann sich von Jahr zu Jahr verdoppeln oder halbieren, z.B. verursacht durch ein El Niño Ereignis.

6. Der CO₂-Haushalt: Grobe Abschätzung der mittleren Werte für Quellen und Senken von Kohlendioxid in den 90er Jahren in Milliarden Tonnen Kohlenstoff (PgC) pro Jahr. Verbrennung fossiler Energieträger und Niederbrennen von Vegetation sind die Hauptquellen, neu entstehende Vegetation und die Ozeane die wichtigsten Senken.
Bild: Anja Kaiser © ESPERE, Daten aus: IPCC TAR 2001 / AR4 2007

Der Kohlenstoffkreislauf

Der Austausch von CO₂ zwischen der Biosphäre und der Atmosphäre erfolgt in weit größerem Umfang als im Bild oben dargestellt ist. Es wird angenommen, dass jährlich etwa 270 PgC im Blattwasser von Laub gelöst werden und dort während der Atmung vorübergehend gespeichert sind. Etwa 60 PgC tragen zum jährlichen Pflanzenwachstum bei, eine Größe, die man als primäre Nettoproduktion (net primary production, NPP) bezeichnet. Da sich der natürliche Kohlenstoffzyklus jedoch im Gleichgewicht befindet, geht diese Menge auch wieder über die Atmung bei Zersetzungsprozessen und Verbrennung von Biomasse in die Atmosphäre zurück. Die Konzentration in der Atmosphäre ändert sich hierbei kaum. Dieses Gleichgewicht wird durch zusätzliche Beiträge aus menschlicher Aktivität gestört, wie oben beschrieben.

Quellen von Methan

Im weltweiten Mittel lag das Vorkommen von Methan in der Luft im Jahr 2005 bei 1774 ppb. Der Anstieg des Methananteils in der Luft hat sich über die letzten Jahre verringert. Methan verteilt sich gleichmäßig über die Atmosphäre. Die Gesamtmenge ist ein gut gesicherter Wert. Problematisch ist eher die Zuordnung, woher das Methan kommt. Feuchtgebiete geben stark schwankende Mengen an Methan ab. Der Beitrag aus dem Anbau von Reis wurde vermutlich zu hoch geschätzt (vielleicht beträgt er nur 40 Mio t pro Jahr). Die Tabelle gibt eine Übersicht mit Daten aus zwei wissenschaftlichen Veröffentlichungen.
 

Quellen von Methan (weltweite Emissionen pro Jahr):

Quellen (ausgewählt) Emissionen [Tg CH4 / Jahr] (Hein et al., 1997) Emissionen [Tg CH4 / Jahr] (Lelieveld et al., 1998) Feuchtgebiete + Reis 325 (237 + 88) 225 Energiesektor 97 110 Wiederkäuer (Kühe, Schafe ...) 90 (incl. Abfall) 115 Mülldeponien 35 40 Biomasseverbrennung 40 40 andere - (70) Summe 587 600

Etwa 60% der heutigen Methanemissionen stammen aus menschlichen Aktivitäten: aus der Landwirtschaft, aus der Nutzung fossiler Brennstoffe und aus Mülldeponien. Auf Grund des wachsenden vom Menschen verursachten Anteils hat sich die Methankonzentration während der letzten 1000 Jahre mehr als verdoppelt.

Die wichtigste Senke für Methan ist die Reaktion mit OH:
OH + CH₄ -> CH₃ + H₂O

Diese Reaktion ist allerdings relativ langsam. Daher hat Methan in der Atmosphäre eine Lebenszeit von etwa 12 Jahren.

Methanhydrate

Enorme Mengen an Methan sind als bislang ungenutzte riesige Energiequelle in Form so genannter Methanhydrate gespeichert. Hierbei handelt es sich um feste Methan-Eis-Mischungen, die unter hohem Druck und bei niedrigen Temperaturen stabil sind, z.B. auf dem Grund der Ozeane und in Permafrost-Böden. Man nimmt an, dass etwa 10.000 PgC in dieser Form vorhanden sind. Dies ist das Doppelte aller auf der Welt bekannten fossilen Energieträger (Öl, Gas, Kohle) zusammen. Die Eisbohrkernanalyse der letzten 600.000 Jahre gibt keinen Hinweis darauf, dass von diesen Methanvorräten jemals größere Mengen freigesetzt worden wären. Wir können uns jedoch nicht sicher sein, ob die zunehmende Erderwärmung nicht zu einer beginnenden Zersetzung dieser Methanhydrate führen kann. Sie würden dann den Treibhauseffekt nochmals verstärken.

About this page:

author: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz
scientific reviewing: Dr. Benedikt Steil - MPI Chemistry, Mainz
educational proofreading: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02, Yvonne Schleicher - Uni Erlangen
Letzte Überarbeitung: 2008-06-23

Bild Nr. 6 auf dieser Seite entstand durch Unterstützung der Chemieverbände Rheinland-Pfalz.