Methan

Aus Klimawandel
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Abb. 1:Änderungen der atmosphärischen Methan-Konzentration in den letzten 640 000 Jahren sowie Schwankungen von Deuterium als Proxy (Stellvertreterdaten) für Temperatur im arktischen Eis.

Methan gehört mit Kohlendioxid, Lachgas und FCKW zu den langlebigen Treibhausgasen und beeinflusst den Strahlungshaushalt der Atmosphäre und damit den anthropogenen (menschengemachten) Treibhauseffekt.

1 Atmosphärische Konzentrationsänderungen

Nach Kohlendioxid ist Methan das zweitwichtigste anthropogene Treibhausgas, mit einem Strahlungsantrieb von 0,48 W/m2 gegenüber 1,66 bei CO2. Während der letzten 650 000 Jahre lag die Methankonzentration der Atmosphäre zwischen 400 ppb während der Kaltzeiten und 700 ppb während der Warmzeiten. Sie hat sich seit 1750 von 722 ppb auf ca. 1803 ppb im Jahre 2011 mehr als verdoppelt.[1] Der aktuelle Wert ist in den letzten 650 000 Jahren beispiellos (s. Abb. 1). Während frühere Daten aus in Eis oder Firn eingeschlossenen Luftbläschen stammen, wird die Methankonzentration seit 1983 direkt in der Atmosphäre und global repräsentativ gemessen. In dieser Zeit ist die Methankonzentration noch einmal deutlich angestiegen. Die Wachstumsrate der Methanzunahmen ist allerdings seit den frühen 1980er Jahren bis 2005 auf nahezu Null zurückgegangen. Dieser Rückgang ist in der Forschung bis heute nicht hinreichend verstanden. Die Hypothesen reichen von einer geringeren anthropogenen Emission bis zu Veränderungen in den Senken. Bei der wichtigsten Senke, der Reaktion mit dem Hydroxyl-Radikal OH (s.u.), lassen sich allerdings keine nennenswerten Änderungen nachweisen. Der Rückgang der anthropogenen Emission kann zum einen durch den wirtschaftlichen Zusammenbruch der früheren Sowjetunion erklärt werden. Aber auch Änderungen in den Methoden des Reisanbaus, besonders in China, bei dem neue Sorten weniger lange Bewässerungszeiten erfordern, kommen in Frage. Hinzu kommen möglicherweise längere Trockenperioden in den nördlichen Feuchtgebieten.[2][3]

Abb. 2:Methankonzentration 1987-2012

Auffällig an der Zuwachsrate der Methankonzentration sind die starken jährlichen Schwankungen. Für einige dieser Schwankungen in den letzten 25 Jahren sind Erklärungen versucht worden. So ist der Abfall der Zuwachsrate im Jahre 1992 mit dem Ausbruch des Mt. Pinatubo in Verbindung gebracht worden. Bei dem Vulkanausbruch sind große Mengen an Aerosolen und Schwefeldioxid in die untere Stratosphäre geschleudert worden, die die photochemischen Prozesse und die Entfernung von CH4 durch OH negativ beeinflusst haben sollen. Möglicherweise waren auch durch die geringeren Temperaturen und Niederschläge infolge des Pinatubo-Ausbruchs die Emissionen aus Feuchtgebieten reduziert. Umgekehrt hat die deutliche Zunahme der Wachstumsrate 1998 nach Ansicht mancher Forscher mit der Erwärmung durch den El Niño 1997/98 zu tun, die die Emission aus Feuchtgebieten und die Verbrennung von Biomasse in der borealen Klimazone gefördert haben könnte.[4]

Im Jahre 2007 gab es jedoch eine deutliche Wende in der Entwicklung der Methankonzentration (s. Abb. 2). Die Konzentration stieg wieder an und hat inzwischen die 1800-ppb-Grenze überschritten. Ob sich hier bereits zusätzlich das Auftauen des Permafrostbodens in der Arktis bemerkbar macht, ist noch ungeklärt.[5] Andere Gründe können zunehmende Emissionen aus der wachsenden Energieproduktion in China und Indien sein oder stärkere Emissionen aus tropischen Feuchtgebieten.[3]

2 Quellen und Senken

Abb. 3: Natürliche (grün) und anthropogene (rot) Methanquellen und Methansenken in Teragramm pro Jahr im Zeitraum 2000-2009

2.1 Quellen

Methan (CH4) ist ein Treibhausgas, das sowohl aus natürlichen (z.B. Sümpfen, Termiten, Wäldern) als auch anthropogenen Quellen (z.B. Reisfeldern, Mülldeponien oder Erdgasgewinnung und -transport) stammt. Das Gas entsteht in der Regel bei Fäulnisprozessen unter anaeroben Bedingungen (d.h. unter Luftabschluss) mit Beteiligung von Mikroorganismen.

Während der 2000er Jahre lag der Anteil der natürlichen Methanquellen an den gesamten globalen Emissionen von Methan bei 35-50 %. Über die Mengen, die von einzelnen Quellen emittiert werden, besteht große Unsicherheit. Die wichtigste natürliche Quelle sind Feuchtgebiete, aus denen 177-284 Tg [6] Methan pro Jahr entweichen.[7] Sie befinden sich vor allem in den Tropen, aus denen Anfang der 2000er Jahre 70 % der Emissionen aus den globalen Feuchtgebieten stammten, und in borealen Breiten.[4] Feuchtgebiete reagieren sehr empfindlich auf Klimaänderungen, insbesondere auf höhere Niederschläge. Außerdem wurde beobachtet, dass die CH4-Emissionen aus Feuchtgebieten als Reaktion auf höhere atmosphärische CO2-Konzentration zunehmen, was offensichtlich damit zusammenhängt, dass der Wasserbedarf der Pflanzen bei höherer CO2-Konzentration sinkt und damit die Bodenfeuchte zunimmt.[7] Auch Termitenhügel sind mit 20-30 Tg/Jahr eine wichtige Quelle. Andere natürliche Quellen, über deren Größenordnung Unklarheit besteht, sind Ausgasungen aus dem Ozean und aus der Erdkruste, natürliche Waldbrände, wilde Tiere und Methanhydrate an den Kontinentalrändern der Ozeane. In jüngster Zeit sind bedeutende Ausgasungen aus den oberen Schichten des küstenfernen arktischen Ozeans gemessen worden, deren Menge möglicherweise mit dem Abschmelzen des arktischen Meereises im Zusammenhang steht und damit anthropogen beeinflusst wäre.[8]

50 bis 65 % der globalen Methan-Emissionen der 2000er Jahre stammen aus anthropogenen Quellen.[7] Die wichtigste anthropogene Quelle ist mit 87-94 Tg/Jahr die Viehzucht von Wiederkäuern, insbesondere Rindern, die bei der Verdauung Methan produzieren. Indien, China, Brasilien und die USA tragen hierzu am meisten bei. Allein aus Indien, dem Land mit der höchsten Rinderpopulation der Welt, stammten im Jahr 2003 11,8 Tg/Jahr. Eine weitere wichtige anthropogene Quelle ist der Nassreisanbau mit 33-40 Tg/Jahr, auf dessen überschwemmten Feldern anaerobe Fäulnisprozesse ablaufen. 90 % dieser Emissionen stammen aus dem tropischen Asien, vor allem aus China und Indien. Außerdem spielen die Gewinnung und der Transport von Gas mit 85-105 Tg/Jahr und der Kohlebergbau eine bedeutende Rolle. Auch Mülldeponien und die Verbrennung von Biomasse werden als wichtige Quelle genannt.[7]

2.2 Senken

Abb. 4: Mittlere globale OH-Konzentration 1979-2004

In der Atmosphäre hat Methan eine verhältnismäßig kurze Verweilzeit von 9 Jahren.[9] Die wichtigste Senke ist die chemische Reaktion mit dem Hydroxyl-Radikal OH in der Troposphäre:

OH + CH4 -> CH3 + H2O

Durch diesen Prozess werden pro Jahr 511 Tg Methan aus der Atmosphäre entfernt. Außerdem wird ein geringer Teil vom Boden aufgenommen (30 Tg/Jahr) und in der Stratosphäre durch Reaktion mit OH, Cl und O umgewandelt (40 Tg/Jahr).[10] Das Hydroxyl-Radikal (OH), das nicht nur Methan, sondern auch andere klimatisch und toxisch wichtige Spurenstoffe wie Stickoxide und Kohlenmonoxid kontrolliert, entsteht hauptsächlich durch die photolytische Spaltung von Ozon (O3 + hv -> O + O2). Elektronisch angeregte O-Atome reagieren anschließend mit Wasserdampf zu Hydroxyl-Radikalen:

O* + H2O -> 2 OH

Die im globalen Mittel wichtigsten Senken für OH sind die Reaktion mit Kohlenmonoxid (CO) und CH4. Es reagiert aber außerdem mit einer Reihe von anderen Spurengasen. Diese Reaktionen führen häufig zur Entstehung von H2O-Radikalen, durch die es über eine Reaktion mit O3 oder NO wieder zur Entstehung von OH kommt. Aufgrund dieser und anderer Reaktionen unterliegt auch die OH-Konzentration (und damit auch die Reaktion mit Methan) Schwankungen im Laufe der Zeit. Eine wichtige Rolle spielen in diesem Zusammenhang Waldbrände, die große Mengen an Kohlenmonoxid emittieren. So sind wahrscheinlich die starken Waldbrände in Indonesien als Folge des El Niño von 1997/98 für das Minimum der globalen OH-Konzentration in den letzten Jahrzehnten verantwortlich. Nach dem Maximum um 1990 und dem Minimum um 1997/98 hat die OH-Konzentration wieder zugenommen (Abb. 4).

3 Auswirkungen klimatischer Änderungen

Abb. 5: Änderungen der Methanemissionen gegenüber dem Mittel der gesamten Periode aus verschiedenen Quellen

Wie geologische Daten zeigen, werden Methanquellen und –senken auch durch klimatische Parameter wie Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst. Das ist vor allem für die Übergangsphasen zwischen Warm– und Kaltzeiten während des Eiszeitalters nachgewiesen. Beim Methan sind es vor allem die Feuchtgebiete, deren Methanemissionen durch klimatische Faktoren variiert werden, aber auch z.B. Reisfelder und die Verbrennung von Biomasse. Letztere prägt, wie oben gezeigt, auch die OH-Konzentration, die wichtigste Senke von Methan. Methan ist daher nicht nur ein wichtiges Treibhaugas, sondern wird selbst wiederum durch Klimaänderungen beeinflusst.

3.1 Feuchtgebiete

Methanemissionen aus Feuchtgebieten werden stark durch die Temperatur und den Wasserstand beeinflusst. Höhere Temperaturen begünstigen die Zersetzungsprozesse bzw. machen sie beim Auftauen von Permafrost überhaupt erst möglich. Hohe Niederschläge und damit höhere Wasserstände fördern die anaeroben Bedingungen, unter denen es überhaupt erst zur Methanbildung kommt. Methanemissionen aus Feuchtgebieten sind die Hauptursache für die jährlichen globalen Schwankungen, aber auch von mehrjährigen Trends der Methanemissionen.

So ist zwar die Abnahme der Wachstumsrate der Methankonzentration in den 1990er Jahren in erster Linie auf die abnehmende anthropogene Emission durch den Zusammenbruch der Industrien im früheren Ostblock zurückzuführen. Singulär spielte aber auch die vorübergehende Abkühlung durch den Mt.-Pinatubo-Ausbruch 1991 eine Rolle. Geringere Temperaturen und geringere Niederschläge als Folge des Vulkanausbruchs haben die Methanemissionen in den Feuchtgebieten wahrscheinlich unterdrückt.[11] Auch seit 1999 nahmen die Methanemissionen vor allem in den Feuchtgebieten der Tropen Asiens und Südamerikas über mehrere Jahre lang ab. Der Grund war eine größere Trockenperiode. Diese klimabedingte Abnahme maskierte vorübergehend die steigenden industriellen Emissionen durch den Wirtschaftsboom in China und anderen Ländern.[12]

Für die zukünftige Entwicklung ergaben Modellsimulationen bei einer Zunahme der Temperatur um 2 °C und der Niederschläge um 10 % eine Erhöhung der Methanemissionen um 21 %. Bei einer Erwärmung um 3,4 °C (als Folge einer Verdoppelung der CO2-Konzentration der Atmosphäre) würde die Methanemission aus Feuchtgebieten nach Modellberechnungen sogar um 78 % zunehmen.[13] Als bedeutende Methanquelle der Zukunft wird vor allem das Auftauen von Permafrost in den hohen nördlichen Breiten eingeschätzt. Aber auch eine Erwärmung und Ausdehnung der nördlichen Feuchtgebiete wird sehr wahrscheinlich zu einer höheren Methanemission führen. Die gesamte im Permafrost der Nordhalbkugel gespeicherte Menge an Methan wird auf 7,5 bis 400 Gigatonnen Kohlenstoff (Gt C) geschätzt. Die Methanmenge in der Atmosphäre beträgt dagegen nur ca. 4 Gt C.[14]

3.2 Methanhydrate

Abb. 6: Vorkommen von Methanhydraten

Der Klimawandel könnte auch eine noch wesentlich größere Methanquelle angreifen, nämlich die Methanhydrate in Ozeansedimenten, von denen langfristig ein Kipppunkt im Klimasystem drohen könnte, d.h. ein Umkippen des gegenwärtigen Klimas in einen neuen Zustand.[14][15] Bei den Methanhydraten handelt es sich um unter hohem Druck und bei Temperaturen um den Gefrierpunkt entstandene Verbindungen aus Wasser und Methan, die an den Kontinentalhängen der Ozeanböden in Tiefen von ca. 400-1000 m liegen. Die gegenwärtig dort eingebundene Methanmenge ist sehr schwierig zu bestimmen und wird auf 700 bis 10 000 Gt C geschätzt.[15] Auch eine relativ geringe Freisetzung hätte bei einem atmosphärischen Gehalt an Methan von etwa 4 Gt C in der Atmosphäre eine erhebliche Wirkung.

Wie könnte es zu einer solchen Methanfreisetzung kommen? Eine Erwärmung des Meerwassers durch eine globale Temperaturzunahme könnte die eisartigen Methanhydrate zerfallen lassen und zur Emission von Methan führen. Methan kann sich im Wasser mit gelöstem Sauerstoff zu Kohlendioxid verbinden, das dann zusammen mit nicht reagiertem Methan in die Atmosphäre aufsteigen kann. Allerdings laufen alle Prozesse in sehr großen Zeitdimensionen ab. Die Erwärmung der Atmosphäre wird nur sehr langsam in die unteren Wasserschichten und in die Sedimente weitergegeben. Auch das dort freigesetzte Methan braucht lange, bis es die Atmosphäre erreicht. Es kann durch Meeresströmungen verfrachtet oder schon in den oberen Sedimenten durch Bakterien oxidiert werden.

Abb. 7: Prozesse, die zur Methanfreisetzung aus Hydraten führen können.

Geologische Daten aus Eisbohrkernen sprechen allerdings dafür, dass die Möglichkeit einer größeren Methanfreisetzung aus Hydraten nicht ausgeschlossen werden kann. Bereits in früheren Epochen der Erdgeschichte, in denen es zu einer plötzlichen Erwärmung kam, entwichen aus den Hydraten größere Mengen an Methan. Zu einer gewaltigen Methanfreisetzung dieser Art soll es vor etwa 55 Millionen Jahren im Paläozän/Eozän (zu Beginn des Känozoikums) gekommen sein.[16] Die Folge war ein starker Temperaturanstieg in den höheren Breiten um 5-8 °C. Als Ursache für diese Methanfreisetzung werden sowohl eine Erwärmung des Ozeans um 4-6 °C als auch tektonisch verursachte Erdrutsche an den Kontinentalhängen diskutiert. Auch in den eiszeitlichen plötzlichen Erwärmungsphasen, den so genannten Dansgaard-Oeschger-Zyklen, soll es zur schnellen Freisetzung von Methan aus Gashydraten am Meeresboden gekommen sein. Auch hier spielte wohl eine Erwärmung des Meerwassers um 2-3,5 °C eine Rolle. Begünstigt wurde der Zerfall der Methanhydrate während der Kaltzeiten außerdem durch einen geringen Wasserdruck, da der Meeresspiegel gegenüber heute um ca. 80 m niedriger war.[17]

An zwei wahrscheinlich besonders sensiblen Stellen auf der Erde sind in letzter Zeit Untersuchungen zur möglichen Methanfreisetzung vorgenommen worden, vor der Südostküste Nordamerikas und in den arktischen Schelfgebieten. Am Rande des westlichen Nordatlantiks wurde in den letzten 5000 Jahren eine Verschiebung und Erwärmung des Golfstroms nach Nordwesten festgestellt. Dadurch ist es im Ozean über dem Nordamerikanischen Kontinentalabhang zu einer Erwärmung um bis 8 °C gekommen. Diese Erwärmung treibt gegenwärtig eine Destabilisierung von 2,5 GtC Methanhydraten an. Das sind allerdings nur etwa 0,2 % dessen, was möglicherweise zu dem Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum vor 50 Mio. Jahren geführt hat, als die globale Mitteltemperatur um 5-6 °C anstieg.[18]

In arktischen Methanhydraten wird insgesamt eine Methanmenge von 900 GtC angenommen. Die Bodenwassertemperaturen in den arktischen Schelfgebieten werden nach Modellberechnungen in den nächsten 100 Jahren um 1-2 °C steigen. Verstärkt werden könnte dieser Betrag durch einen mögliche Zustrom von warmem Wasser aus dem Atlantik. Von dem in der Arktis durch die Erwärmung in das Porenwasser der Sedimente freigesetztem Methan werden wahrscheinlich 50 % durch anaerobische mikrobielle Oxidation im Meeresboden zurückgehalten. Das in die Wassersäule freigesetzte Methan wird durch aerobe mikrobielle Oxidation in Kohlendioxid umgewandelt, mit der Folge einer beschleunigten Versauerung des Ozeanwassers. Das insgesamt durch schmelzende arktische Hydrate in die Atmosphäre gelangende Methan wird auf 162 Mio. t CH4 pro Jahr geschätzt, was deutlich unter dem gegenwärtigen Eintrag durch anthropogene Aktivitäten von 600 Mio. t CH4 pro Jahr liegt. Computermodellrechnungen haben ergebn, dass die Methanfreisetzung aus arktischen Hydraten in den nächsten 100 Jahren einen vernachlässigbaren Effekt auf das Klimasystem hat. Über einen längeren Zweitraum könnte die globale Erwärmung allerdings durch Methanfreisetzung aus arktischen Hydraten um 0,8 °C verstärkt werden.[19]

Eine plötzliche Freisetzung von größeren Methanmengen aus Hydraten in absehbarer Zeit, d.h. in den nächsten 100 Jahren, erscheint wegen der großen Zeitdimensionen der beteiligten Prozesse als sehr unwahrscheinlich. Höhere Temperaturen und mehr Niederschläge in den nächsten 100 Jahren werden wahrscheinlich aus Hydraten und Feuchtgebieten allenfalls so viel Methanemissionen entweichen lassen, wie gegenwärtig aus direkten anthropogenen Quellen emittiert wird. In den nächsten 1000 bis 100 000 Jahren kann es allerdings durch die globale Erwärmung zu einer Methanfreisetzung aus Hydraten kommen, die diese Erwärmung signifikant verstärken dürfte.[14]

4 Einzelnachweise

  1. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.2.1.1.2
  2. Heimann, M. (2011): Enigma of the recent methane budget, Nature 476, 157-158
  3. 3,0 3,1 IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 6.3.3.1
  4. 4,0 4,1 IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.3.2 und 7.4.1 Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „AR4“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert.
  5. Mascarelli, A.L. (2009): A sleeping giant?, Nature Reports, Climate change 3, 46-49
  6. 1 Tg = 1 Teragramm = 1 Megatonne = 1 Million Tonnen
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 6.3.3.2
  8. Kort, E.A., et al. (2012): Atmospheric observations of Arctic Ocean methane emissions up to 82° north, Nature Geoscience 5, 318-321
  9. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 6.3.3.3
  10. Daten nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Table 7.6
  11. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.3.2
  12. Bousquet, P. (2006): Contribution of anthropogenic and natural sources of atmospheric methane variability, Nature 443, 439-443
  13. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 7.4.1.2
  14. 14,0 14,1 14,2 U.S. Climate Change Science Program (2008): Abrupt Climate Change
  15. 15,0 15,1 Archer, D., B. Buffett, and V. Brockin (2009): Ocean methane hydrates as a slow tipping point in the global carbon cycle, Proceedings of the National Academy of Sciences 106, 20596–20601
  16. Katz, M.E., B.S. Cramer, G.S. Mountain, S. Katz, and K.G. Miller (2001): Uncorking the bottle: What triggered the Paleocene-Eocene thermal maximum methane release? Paleoceanography 16 (6), 549-562
  17. Kennett, J.P., K.G. Cannariato, I.L. Hendy, and R.J. Behl (2000): Carbon Isotopic Evidence for Methane Hydrate Instability During Quaternary Interstadials, Science 288, 128-133
  18. Phrampus, B.J., and M.J. Hornbach (2012): Recent changes to the Gulf Stream causing widespread gas hydrate destabilization, Nature 490, 527-531
  19. Biastoch, A., et al. (2011): Rising Arctic Ocean temperatures cause gas hydrate destabilization and ocean acidification, Geophysical Research Letters 38, doi:10.1029/2011GL047222

5 Weblinks

6 Lizenzhinweis

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