Kohlendioxid-Konzentration

Die atmosphärische Konzentration von Kohlendioxid vom Beginn der Zeitrechnung bis zum Jahre 2015. Im eingefügten Kästchen die Konzentrations- und Emissionsentwicklung seit 1970.

Die aktuelle Kohlendioxidentwicklung

Emissionen

• Hauptartikel: Kohlendioxid-Emissionen

Statt als Kohlendioxid (CO₂) werden die emittierten Mengen CO₂ zumeist als Kohlenstoff (C) angegeben.
1 Gt C entspricht 3,67 Gt CO₂.

Aktuelle Entwicklung der Kohlendioxkonzentration am Mauna Loa.
Rot: Monatsmittel; schwarz: Monatsmittel saisonbereinigt.
Umrechnung: 1 ppm CO₂ = 7,814 Gt CO₂

Wachstumsrate der Kohlendioxidkonzentration am Mauna Loa 1959-2015.Schwarze Balken: Mittel der Jahrzehnte.

Aktuelle Änderung der Konzentration

Die kumulativen Kohlendioxidemissionen aus der Verbrennung fossiler Energieträger zwischen 1850 und 2022 betrugen 475 GtC und die aus Landnutzungsänderungen 205 GtC, zusammen also 680 GtC (bzw. 2492 GtCO₂). Davon verblieben 280 GtC in der Atmosphäre, 180 im Ozean und 2010 in der Landbiosphäre. Jährlich sind es gegenwärtig (2022) 5,3 GtC, die in der Atmosphäre verbleiben. 2,9 GtC/Jahr werden vom Ozean und 3,4 GtC/Jahr von der Landvegetation aufgenommen

Das zusätzliche Kohlendioxid führt zu einer deutlichen Erhöhung der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre, deren Wachstumsrate seit etwa 2000 eine erneute Steigerung zeigt. Während sie in den 1990er Jahren bei nur 1,49 ppm pro Jahr lag, betrug sie in den 2000er Jahren an der Messstation Mauna Loa, Hawaii, ca. 2 ppm/Jahr und überschritt 2015 und 2016 die Marke von 3 ppm jährlich Die CO₂-Konzentration wächst damit gegenwärtig stärker als je in den letzten Hunderttausenden von Jahren; im Vergleich zu natürlichen Prozessen ist sie geradezu explosiv. So übertrifft sie die natürliche starke Zunahme von Kohlendioxid am Ende der letzten Eiszeit um das 200fache. Das Rekordwachstum der CO₂-Konzentration von 2015/16 ist eine erwartete Konsequenz aus der hohen Nutzung fossiler Energieträger in Kombination mit dem ungewöhnlich starken El Niño von 2015/16. Durch das El-Niño-Phänomen werden zusätzliche Emissionen aus tropischen Wäldern durch Dürren und Feuer verursacht.

Die Folge der immer höheren Wachstumsrate ist eine stetig steigende Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre. Seit Beginn der Zeitrechnung bis zum Beginn der Industrialisierung schwankte die atmosphärische Konzentration von Kohlendioxid nur geringfügig zwischen 275 und 285 ppm. Um 1750 lag die CO₂-Konzentration bei 278 ppm und stieg dann während des industriellen Zeitalters auf 390,5 ppm im Jahre 2011. Für die ersten 50 ppm der CO₂-Erhöhung waren über 200 Jahre nötig, die nächsten 65 ppm wurden dagegen in nur noch 35 Jahren erreicht. 2015 wurde sogar die symbolische Grenze von 400 ppm überschritten. Und nur vier Jahre später, im Jahr 2019, lag das Jahresmittel bei 410,5 ppm und 2022 wurden 417 ppm gemessen. Das bedeutet eine Steigerung um ca. 50% im Vergleich zur vorindustriellen Zeit. Trotz der Corona-Krise 2020 und der damit verbundenen Verringerung der Emissionen von CO₂, die vorläufig auf 4,2-7,5% für das gesamte Jahr 2020 geschätzt werden, ist die CO₂-Konzentration davon kaum berührt.

CO₂-Konzentrationen von über 400 ppm hat die Erde seit mehreren Millionen von Jahren nicht gesehen. Falls die fossilen Emissionen nicht bald deutlich unter das gegenwärtige Niveau gesenkt werden, wird das CO₂-Niveau die 450-ppm-Marke nach Einschätzung des bekannten amerikanischen Klimaforschers Ralph Keeling um 2035 und die 500-ppm-Grenze um 2065 überschreiten. Nach Keeling wird es mindestens 1000 Jahre dauern, bevor die CO₂-Konzentration wieder unter 350 ppm fällt, jenes Niveau, das viele Experten als Grenze für eine gefährliche Klimaentwicklung ansehen.

Verteilung des emittierten Kohlendioxids

Die Änderung der CO₂-Emissionen durch die Verbrennung fossiler Energien und Zementproduktion (oben links) und durch die Änderung der Landnutzung (unten links),sowie die Veränderung der CO₂-Senkenanteile der Atmosphäre (oben rechts), der Landvegetation (Mitte rechts) und des Ozeans (unten rechts). Die Prozentangaben sind gerundet.

CO₂-Senken auf dem Land (oben) und im Ozean (unten). Grüne und blaue Farben bezeichnen Netto-CO₂-Aufnahmen aus der Atmosphäre (Senken), gelbe und rote Farben Netto-CO₂-Abgaben an die Atmosphäre (Quellen).

Nur etwas weniger als die Hälfte des emittierten Kohlenstoffs verbleibt jedoch in der Atmosphäre. Der Rest wird von der Landbiosphäre (Böden und Vegetation) und dem Ozean aufgenommen. Für das Klima der nächsten Jahrzehnte ist es von grundlegender Bedeutung, wie sich die Kohlenstoff-Senken Land und Ozean in Zukunft entwickeln. Werden sie weiterhin so viel Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnehmen oder wird sich ihre Senkenkapazität abschwächen? Allgemein wird angenommen, dass die globale Erwärmung zu einer Abschwächung der Senken von Land und Ozean führt. Ein warmer Ozean kann weniger Kohlendioxid aufnehmen als ein kalter. Und bei der Landbiosphäre könnten höhere Temperaturen dazu führen, dass durch die stärkeren Verwitterungsprozesse mehr CO₂ freigesetzt als durch den CO₂-Düngungseffekt zusätzlich aufgenommen wird.

Die Landsenke

In den 1960er Jahren nahme die Landvegetation 1,2 GtC pro Jahr auf, in den 2010er Jahren belief sich die Land-Senke bereits auf 3,1 GtC/Jahr. Die vermehrte Aufnahme von CO₂ aus der Atmosphäre durch die Landbiosphäre (Vegetation und Boden) ist vor allem durch den sog. CO₂-Düngungseffekt infolge der Zunahme der atmosphärischen CO₂-Konzentration bedingt, aber auch durch klimatische Änderungen wie eine Verlängerung der Wachstumszeit in höheren Breiten. Die Erhöhung der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre fördert das Wachstum der Landvegetation und verstärkt damit die CO₂-Speicherung von Ökosystemen. Dieser CO₂-Düngungseffekt wird beeinflusst durch die Temperatur und die Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen. Klimasimulationen zeigen, dass die CO₂-Aufnahme durch die Landvegetation bis zum Ende des 21. Jahrhunderts bei dem hohen Szenario SSP8.5 auch weiterhin zunimmt, bei den niedrigeren Szenarien allerdings zurückgehen wird. Der Rückgang ist dabei vor allem durch Nährstoffmangel verursacht.

Seit 1850 hat sich die Kohlenstoffsenke an Land auf 195 Gt C summiert, was über den gesamten Zeitraum gerechnet 30% der anthropogenen Emissionen ausmacht. Die durch den anthropogenen Treibhauseffekt verursachten Klimaänderungen fördern das Wachstum in den hohen Breiten und hemmen es in Gebieten mit abnehmender Bodenfeuchte sowie in den von Abholzung betroffenen tropischen Wäldern wie im Amazonasgebiet. Insgesamt ist der Anteil der Landsenke an den Gesamtemissionen jedoch auch über die letzten 60 Jahre relativ konstant geblieben. Allerdings wird die CO₂-Senke an Land zu einem Teil durch CO₂-Emissionen infolge der anthropogenen Landnutzungsänderungen kompensiert.

Die Ozeansenke

Der Ozean speichert nicht nur einen Großteil der durch den erhöhten Treibhauseffekt verursachten Wärme (gegenwärtig ca. 90%), sondern auch einen Großteil der anthropogenen CO₂-Emissionen. Durch beide Prozesse wird die mittlere globale Erwärmung an der Erdoberfläche stark verlangsamt. Während des Jahrzehnts 2012-2021 hat der Ozean 26 % der anthropogenen Emissionen von Kohlendioxid aufgenommen. Die Aufnahme von Kohlendioxid in den Ozean ist regional sehr unterschiedlich. Sie findet vor allem in Regionen mit absinkenden Wassermassen statt wie im Nordatlantik und im Südlichen Ozean, während in den Tropen hohe Temperaturen für eine Abgabe von CO₂ an die Atmosphäre sorgen. Von der gesamten Kohlenstoffmenge in den oberflächennahen Speichern Atmosphäre, Land und Ozean befinden sich etwa 90% bzw. 39.000 PgC im Ozean, drei Viertel davon bisher noch in den obersten 100 m. Der Transport in tiefere Schichten hängt wesentlich von der großräumigen ozeanischen Umwälzzirkulation ab. Der Anteil von anthropogenem Kohlenstoff an der gesamten ozeanischen Kohlenstoffmenge ist mit 0,4% gegenüber dem anthropogenen CO₂-Gehalt der Atmosphäre von 50% verschwindend gering.

Vor Beginn der Industrialisierung war der CO₂-Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre weitgehend ausgeglichen. Seit 1850 hat der Ozean von der in die Atmosphäre emittierten Gesamtmenge von 455 Gt C an anthropogenem Kohlenstoff 170 Gt C aufgenommen. Besonders seit den 1960er Jahren ist damit der Ozean zu einer wichtigen Senke für die CO₂-Emissionen durch den Menschen geworden. In den letzten Jahrzehnten hat der Ozean in Reaktion auf die erhöhten anthropogenen Emissionen in die Atmosphäre deutlich mehr Kohlendioxid aufgenommen. In den 1960er Jahren betrug die Aufnahmerate 1,1 Gt C/Jahr. In den 2010er Jahren (2012-2021) hatte sie sich auf 2,9 Gt C/Jahr fast verdreifacht. Der Anteil an den anthropogenen Emissionen blieb jedoch mit rund 25% bemerkenswert konstant. Die stetige Zunahme der absoluten Menge folgt der Zunahme der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre. Für eine geringere Aufnahme anthropogenen Kohlenstoffs in den Ozean gibt es bislang keine Anzeichen. Modellprojektionen weisen jedoch auf eine mögliche Abschwächung der ozeanischen Aufnahmekapazität von CO₂ in der 2. Hälfte des 21. Jahrhunderts hin. Ein Grund ist die weitere Erwärmung des Ozeans, durch die weniger CO₂ im Wasser gelöst wird. Die Erwärmung führt außerdem infolge einer stärkeren Schichtung der Wassersäule zu einer Abschwächung der Tiefenzirkulation. Dadurch gelangt weniger kohlenstoffreiches Wasser in den tieferen Ozean und weniger kohlenstoffarmes Wasser erreicht die oberen Schichten der Wassersäule, um dort neuen Kohlenstoff aufzunehmen.

Kohlendioxid in der früheren Atmosphäre

Kohlendioxid seit Beginn der Erdgeschichte

Wie die Temperatur so unterlag auch der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre im Laufe der Erdgeschichte starken Schwankungen. Die Uratmosphäre vor ca. 4 Milliarden Jahren besaß keinen Sauerstoff, dafür aber einen sehr hohen Gehalt an Kohlendioxid, Wasserdampf und Methan. Obwohl die Sonneneinstrahlung zu dieser Zeit um 25-30 % schwächer war als heute, herrschten durch die hohe Treibhausgaskonzentration globale Durchschnittstemperaturen von über 50 °C. In dem durch Abkühlung allmählich entstehenden Urozean wurde aus der Atmosphäre CO₂ gelöst und in Sedimenten gebunden. Ebenso wurde CO₂ durch Verwitterung von Gesteinen an Land aus der Atmosphäre gebunden und in Sedimenten ebenfalls dem Ozean zugeführt. Später kam die Entwicklung der Vegetation hinzu, die durch Photosynthese Kohlendioxid aus der Atmosphäre entnahm. Die Folge war eine zunehmende Abkühlung der Atmosphäre. Die Sedimente gerieten jedoch teilweise ins Erdinnere und wurden aufgeschmolzen. Durch Vulkanismus wurde das Kohlendioxid dann z.T. wieder der Atmosphäre zugeführt, woraus eine erneute Erwärmung folgte. Dieser Kohlendioxidregelkreis sorgte im Laufe der Erdgeschichte dafür, dass die Temperaturen der Erde nicht in ein Extrem abdrifteten, sondern zwischen sehr warmen Phasen von bis zu 50 °C und sehr kalten Phasen, in denen die Erde weitgehend vereist war, variierten.

Über die letzten 500 Millionen Jahre liegen über diese Schwankungen etwas bessere Informationen vor. In den ersten 100 Millionen Jahren dieses Zeitraums lag der CO₂-Gehalt zwischen 4000 und 6000 ppm (zum Vergleich: der CO₂-Gehalt liegt heute bei ca. 420 ppm - das ist der Jahresmittelwert für das Jahr 2022). Dann folgte eine Phase mit ähnlich niedrigen CO₂-Werten wie heute und einer Eisbedeckung fast bis zum 30. Breitengrad. Zwischen 100 und 250 Millionen Jahren vh. lag der CO₂-Gehalt wieder deutlich über 1000 ppm. Es war die Zeit der Dinosaurier mit um acht Grad wärmeren Temperaturen als heute.

Kohlendioxid im Känozoikum

Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in den letzten ca. 60 Millionen Jahren. Die Daten beruhen hauptsächlich auf ozeanbasierten Proxydaten, die vom 6. IPCC-Bericht als deutlich verlässlicher eingeschätzt werden als etwa die landbasierte Stomata-Methode.

In den letzten 65 Millionen Jahren, dem Känozoikum (Erdneuzeit), hat der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre dann die Entwicklung genommen, die zu den heutigen Klimaverhältnissen führte. In den ersten 30 Millionen Jahren lag er bei etwa 1000 ppm, wobei er um 50 Millionen Jahre v.h. sogar den Wert von 1500 ppm überschritt. In dieser ersten Hälfte des Känozoikums war die Erde noch eisfrei. Ab etwa 35 Millionen Jahren v.h. zeigt sich eine tendenzielle Anbnahme der CO₂-Konzentration bis auf schließlich ca. 300 ppm, womit vor etwa 35 Millionen Jahren die Vereisung der Antarktis und vor etwa zweieinhalb Millionen Jahren das gegenwärtige Eiszeitalter eingeleitet wurden.

Der Hauptgrund für die Änderungen des CO₂-Gehaltes im Känozoikums wird in Bewegungen der afrikanischen und indischen Platte gesehen. Sie haben zunächst zu den starken Gebirgsauffaltungen der Alpen und des Himalaya und damit zu intensiver vulkanischer Aktivität geführt. Nach der Heraushebung vor allem des Himalaya und des tibetischen Plateaus verbrauchten starke chemische Verwitterungsprozesse sehr viel atmosphärisches Kohlendioxid, das mit den Sedimenten dem Meer zugeführt und über lange Zeiträume dem Kohlenstoffkreislauf entzogen wurde.

Für die klimatische Entwicklung des Känozoikums hin zu einer erneuten Vereisung wird der CO₂-Gehalt der Atmosphäre als der dominierende Faktor angesehen. Andere Antriebe wie die Sonneneinstrahlung oder die Änderung von Meeresströmungen haben nur eine sehr untergeordnete Rolle gespielt. Die Sonneneinstrahlung hat im Känozoikum sogar um 0,4 % zugenommen, was aber nur einem Strahlungsantrieb von +1 W/m² entsprach - gegenüber einem negativen Antrieb von -10 W/m² durch den abnehmenden Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre.

Kohlendioxid im Eiszeitalter

Änderungen der Temperatur und der atmosphärischen CO₂-Konzentration in den letzten 720 000 Jahren nach Daten aus Eisbohrkernen der Antarktis. Holozän, Eem: gegenwärtige und letzte Warmzeit; LGM: Höhepunkt der letzten Eiszeit.

Noch bessere Informationen über den CO₂-Gehalt der Atmosphäre gibt es über die vergangenen 720 000 Jahre von Eisbohrkernen aus der Antarktis, die auch besonders gut die Korrelation zwischen Temperatur und Kohlendioxidkonzentration belegen. Diese Zeit umfasst knapp die letzte Hälfte des so genannten Eiszeitalters, das durch fast regelmäßige Schwankungen zwischen Warm- und Kaltzeiten charakterisiert ist. Grundlegende Ursache für diese Schwankungen sind Änderungen in den Parametern der Erdbahn um die Sonne. Die hierdurch bedingten zunächst relativ geringen Einflüsse auf den Strahlungshaushalt der Erde werden jedoch durch Änderungen der Albedo und der atmosphärischen Konzentration der Treibhausgase, vor allem des Kohlendioxids, erheblich verstärkt. So führt eine Verringerung der Sonneneinstrahlung zur Bildung von Eis- und Schneeflächen, die einfallende Sonnenstrahlen reflektieren und damit die eingeleitete Abkühlung verstärken. Außerdem reduziert sich durch die anfängliche Abkühlung die CO₂-Konzentration (und die anderer Treibhausgase) in der Atmosphäre. Die primäre Ursache dafür liegt in der größeren Aufnahmefähigkeit von CO₂ durch den kälteren Ozean. Erst durch die höhere Albedo und die geringere CO₂-Konzentration werden also die anfänglich nur gering fallenden Temperaturen um mehrere Grad gesenkt und eine neue Eiszeit beginnt. Umgekehrt läuft der Prozess zu Beginn einer neuen Warmzeit: Schmelzendes Eis verringert die globale Albedo, wodurch mehr Sonnenstrahlen in Wärmestrahlen umgewandelt werden, und der höhere CO₂-Gehalt, der primär aus der CO₂-Abgabe des sich erwärmenden Ozeans stammt, erwärmt die Atmosphäre.

Atmosphärischer Kohlendioxid und globale Temperatur beeinflussen sich wechselseitig. Eine verringerte globale Temperatur senkt den CO₂-Gehalt, und ein niedrigerer CO₂-Gehalt führt zu einer noch stärkeren Temperaturabsenkung. Der CO₂-Gehalt bewegt sich dabei in einer Spanne zwischen 180 und 300 ppm. Die gegenwärtige Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre liegt jenseits der eiszeitlichen Schwankungen und lässt sich nicht aus einer vorhergegangenen Erwärmung ableiten. Sie ist eine Folge anthropogener Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und anderen Quellen und für die aktuelle Erwärmung primär verantwortlich.

Weblinks

• Trends in Atmospheric Carbon Dioxide aktuelle Monatswerte und andere Daten vom Mauna Loa (Graphiken)
• Mauna Loa CO2 monthly mean data Monatsmittelwerte (Daten)
• Mauna Loa CO2 annual mean data Jahresmittelwerte (Daten)
• Mauna Loa CO2 annual mean growth rates jährliche Wachstumsraten (Daten)
• Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC): Global Fossil-Fuel CO₂ Emissions
• Christopher Schrader (tp vom 29.11.2010): Der Klima-Gipfel: Mauna Loa, Hawaii • Eine Kurve verändert die Welt

Ein lesenswerter Artikel über die von Charles David Keeling initiierte kontinuierliche Messung des CO₂ in der Luft auf dem Mauna Loa ("Keeling-Kurve").