Treibhausgase

Aus Klimawandel
Abb. 1: Änderung der globalen Konzentration der drei wichtigsten Treibhausgase Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Distickstoffoxid (N2O) 1984 bis 2021.

Treibhausgase sind gasförmige Bestandteile der Atmosphäre, die den sogenannten Treibhauseffekt verursachen. Dabei absorbieren sie langwellige Strahlung (Wärmestrahlung), die von der Erdoberfläche, den Wolken und der Atmosphäre selbst abgestrahlt wird. Normalerweise würde diese Strahlung wieder an den Weltraum abgegeben werden. Die Treibhausgase strahlen die Wärme nun jedoch sowohl Richtung Weltall als auch Richtung Erdoberfläche ab, sodass die untere Atmosphäre zusätzlich erwärmt wird. Treibhausgase stammen sowohl aus natürlichen wie aus menschlichen Quellen. Entsprechend unterscheidet man den natürlichen vom anthropogenen (vom Menschen verursachten) Treibhauseffekt. Ihre Wirkung steht im Gegensatz zu der der Aerosole, die hauptsächlich durch die Reflexion der kurzwelligen Strahlung im Mittel eine Abkühlung bewirken.

Das wichtigste natürliche Treibhausgas in der Atmosphäre ist Wasserdampf, dessen Beitrag zum natürlichen Treibhauseffekt zwei- bis dreimal so hoch wie der von Kohlendioxid ist.

Treibhausgase und Strahlungsantrieb

Das globale Klima wird grundlegend durch die Einstrahlungsenergie der Sonne und durch die Eigenschaften der Erdoberfläche und der Atmosphäre bestimmt. Die Schwankungen der Sonneneinstrahlung können über größere Zeiträume von mehreren Jahrtausenden einen starken Einfluss auf das Klima haben, vor allem weil sie Rückkopplungsprozesse bei der Eisbedeckung der Erde und der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre anstoßen. So werden die Unterschiede zwischen Warm- und Kaltzeiten im gegenwärtigen Eiszeitalter durch die Unterschiede in der Einstrahlung erklärt, die durch die Veränderung der Erdbahnparameter verursacht werden (Milankovitch-Theorie). In Zeiträumen von Jahrzehnten und Jahrhunderten spielt die Sonneneinstrahlung dagegen eine geringere Rolle. Die Eigenschaften der Erdoberfläche, wozu die Bedeckung mit Eis, Wasser oder Vegetation gehören, besitzen einen direkten Einfluss auf den Energiehaushalt der Atmosphäre, vor allem über ihre Fähigkeit, Strahlung zu reflektieren oder zu absorbieren.

In der Atmosphäre selbst wird der Strahlungshaushalt stark durch die chemische Zusammensetzung geregelt. Dabei sind die Hauptbestandteile der Atmosphäre, Sauerstoff und Stickstoff, kaum von Bedeutung, obwohl sie etwa 99 % der Masse der Atmosphäre ausmachen. Die nur in Spuren vorhandenen Treibhausgase dagegen absorbieren die langwellige Wärmestrahlung. Sie verändern damit stark den Energiehaushalt und die mittlere Temperatur der irdischen Atmosphäre. Die wichtigsten natürlichen Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon, Methan und Distickstoffoxid. Die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre wurde seit Beginn der Industrialisierung durch anthropogene Emissionen erhöht. Hinzugekommen sind außerdem die rein anthropogenen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)[1], die allerdings aufgrund ihres Potentials, Ozon in der Stratosphäre zu zerstören, inzwischen weitgehend durch Nachfolgegase (fluorierte Treibhausgase) ersetzt wurden, die zwar ebenfalls den Strahlungshaushalt beeinflussen, aber noch in sehr geringen in der Atmosphäre vorhanden sind.[2]

Abb. 2: Historischer Strahlungsantrieb durch Treibhausgase, Landnutzung, Aerosole und die Sonne 1750 bis 2022

Aufgrund ihrer langen Verweilzeiten sorgen z.B. Kohlendioxid, Distickstoffoxid und auch Methan global für einen langfristig erhöhten Strahlungsantrieb in der unteren Atmosphäre, indem sie die von der Erdoberfläche ausgehende und ansonsten in den Weltraum entweichende langwellige Strahlung absorbieren und wieder in alle Richtungen emittieren/streuen. Die Veränderung des Strahlungsantriebs durch die anthropogenen Treibhausgase wird in W/m2 im Vergleich zu 1750 gemessen, z.T. auch zu 1850-1900. Der anthropogene Strahlungsantrieb hat sich zwischen der vorindustriellen Zeit (hier 1750) und 2022 durch die Zunahme der Konzentration langlebiger Treibhausgase in der Atmosphäre um 3,44 W/m2 erhöht. Den mit Abstand wichtigsten Anteil daran hat Kohlendioxid mit 2,25 W/m2, gefolgt von Methan mit 0,56 W/m2. Dem haben die Zunahme von anthropogen bedingten Aerosolen mit -0,98 W/m2 sowie Landnutzungsänderungen (Besonders die Umwandlung von dunklen Wald- in hellere Agrarflächen) entgegengewirkt. In der Summe betrug der anthropogene Antrieb 1750-2022 2,91 W/m2. Demgegenüber spielten die natürlichen Einflussfaktoren durch Änderungen der Sonneneinstrahlung und Vulkanausbrüche eine sehr untergeordnete Rolle von weniger als 0,1 W/m2. Im Vergleich zum letzten IPCC-Bericht von 2021 hat sich der anthropogene Strahlungsantrieb in den letzten drei Jahren um 0,19 W/m2 erhöht.[3] Die wichtigsten Antriebe dieser jüngsten Veränderung sind die Erhöhung der Treibhausgaskonzentration und die Abnahme des Aerosol-Antriebs. Aerosole haben zwar weiterhin eine abkühlende Wirkung, aber sie nimmt seit den 1980er Jahren ab. Insofern besitzt die Änderung des Aerosol-Antriebs einen Erwärmungseffekt.

Quellen und Senken

Abb. 3: Quellen und Senken von Treibhausgasen und Aerosolen. Rote Schrift: anthropogen beeinflusste bzw. erzeugte Treibhausgase, rote Pfeile: anthropogene Quellen; blaue Pfeile: natürliche Quellen; gestrichelte Pfeile: Senken

Eine Eigenschaft, nach der sich die Treibhausgase unterscheiden lassen, sind ihre Quellen und Senken. Alle Treibhausgase mit Ausnahme der Fluorchlokohlenwasserstoffe (FCKW) und ihrer Nachfolgestoffe besitzen neben den anthropogenen auch natürliche Quellen. Die meisten dieser Gase werden von den Quellen an der Erdoberfläche direkt emittiert. Eine Ausnahme ist das troposphärische Ozon (O3), das aus einer Reihe von Vorläuferstoffen wie Methan (CH4), Stickstoffoxiden (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und VOC (VOC=Volatile Organic Compounds (flüchtige organische Verbindungen)) durch chemische Reaktion unter Einfluss der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre entsteht. Eine zusätzliche Quelle für O3 ist der Transport von stratosphärischem Ozon in die Troposphäre.

Mit Ausnahme von CO2 und H2O werden die Treibhausgase aus der Atmosphäre durch chemische Reaktion entfernt. Dabei spielt für einige Gase wie besonders für das troposphärische Ozon, aber auch für Methan das Hydroxylradikal OH eine entscheidende Rolle, das auch als "Waschmittel" der Atmosphäre bezeichnet wird. Für die Entstehung wie die Entfernung von Treibhausgasen sind teilweise komplexe chemische Interaktionen und photochemische Prozesse verantwortlich. Photochemisch bedeutet, dass für das „waschen“ der Atmosphäre u.a. Sonnenlicht benötigt wird. Wenn nachts oder in den Polargebieten im Winter kaum bis keine Einstrahlung gegeben ist, wird hier der Abbau von Ozon und anderen Treibhausgasen eingeschränkt.[1] CO2 ist dagegen in der Atmosphäre chemisch inert, reagiert also nicht mit anderen Substanzen, und wird nur durch Lösung im Wasser und die Photosynthese der Pflanzen aus der Atmosphäre entfernt. Auch die FCKWs gehen in der Troposphäre keine chemische Reaktion ein, werden aber in der Stratosphäre unter Einfluss der Sonnenstrahlung chemisch umgewandelt. Vorwiegend in der Stratosphäre wird auch N2O abgebaut.

Verweilzeit und Konzentration

Abb. 4: Die atmosphärische Konzentration wichtiger langlebiger Treibhausgase in den letzten ca. 2000 Jahren.

Aus dem Verhalten in der Atmosphäre resultiert die atmosphärische Verweilzeit (engl. lifetime): Zusammen mit CO2 gehören einige dieser Gase wie Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O) und die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zu den langlebigen Treibhausgasen, d.h. ihre Verweilzeit in der Atmosphäre dauert mindestens ein Jahr, so dass sie rund um den Globus in der Atmosphäre gut durchmischt vorkommen. Aufgrund dieser langen Verweilzeiten sorgen z.B. Kohlendioxid und Distickstoffoxid für einen langfristig erhöhten Strahlungsantrieb.[1] Dagegen ist ein so wichtiges Treibhausgas wie das troposphärische Ozon (O3) nur sehr kurzlebig, so dass seine atmosphärische Konzentration in der Nähe des Entstehungsortes wesentlich höher ist als in größerer Entfernung davon. Methan nimmt eine mittlere Rolle ein und besitzt eine Verweilzeit von 9,1 Jahren.[4] Methan wird vom IPCC in seinem 6. Sachstandsbericht nicht zu den langlebigen, aber zu den gut durchmischten Treibhausgasen gezählt. In aktuellen Darstellungen der WMO (World Meteorological Organization) gehört Methan dagegen zu den langlebigen Treibhausgasen.[2]

Neben den direkten spielen für den Treibhauseffekt auch die sogenannten indirekten Treibhausgase wie CO, VOC und NOx, die selbst keine Treibhauswirkung besitzen, aber die chemische Reaktion anderer Treibhausgase beeinflussen, eine gewisse Rolle. Hinzu kommen als weiterer strahlungsaktiver Spurenstoff noch die anthropogenen Aerosole, kleinste in der Atmosphäre schwebende Partikel, die wie das Ozon nur eine kurze Verweilzeit besitzen und daher räumlich in sehr unterschiedlicher Konzentration vorkommen. Im Gegensatz zu den Treibhausgasen besitzen sie allerdings eine abkühlende Wirkung, da sie Sonnenstrahlen primär reflektieren. Die Konzentration der langlebigen Treibhausgase ist in den letzten Jahrtausenden relativ konstant geblieben. Erst seit Beginn der Industrialisierung hat sie sich durch den Einfluss des Menschen deutlich erhöht. Hinzu kommt, dass der Mensch auch ein neues Treibhausgas erfunden hat, die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs). FCKWs sind wegen ihrer Zerstörung von Ozon in der Stratosphäre inzwischen weitgehend verboten. Nachfolgegase werden als fluorierte Treibhausgase (F-Gase) bzw. wasserstoffhaltige Fluorkohlenwasserstoffe bezeichnet.[5] Außerdem verändert der Mensch auch die Konzentration des kurzlebigen Treibhausgases Ozon in der Troposphäre und die Zusammensetzung und Konzentration von Aerosolen.

Übersicht über wichtige anthropogene Treibhausgase [6]
Spurengas vorindustrielle Konzentration Konzentration 2022[2] Verweilzeit in Jahren Treibhaus-
potential [7] 		RF[8] in W/m2
CO2 278 ppm 418 ppm ~30 bis ~1000[9] 1 +2,16
CH4 729 ppb 1923 ppb 9,1[10] 28 +0,54
N2O 270 ppb 336 ppb 110 298 +0.21
O3(troposph.) regional
unterschiedlich 		      0.47[11]

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Hobbs, P. V.: Introduction to Atmospheric Chemistry (2000). ISBN: 0-521-77143-9 (hb)
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 World Meteorological Organization (2023): WMO Global Greenhouse Gas Bulletin No. 19
  3. ↑ Forster, P. M., C.J. Smith, T. Walsh et al. (2023): Indicators of Global Climate Change 2022: Annual update of large-scale indicators of the state of the climate system and the human influence, Earth System Science Data, doi.org/10.5194/essd-2023-166 (außer für FCKW-12)
  4. ↑ IPCC AR6 WGI (2021): Ch. 5: Global Carbon and other Biogeochemical Cycles and Feedbacks, 5.2.2
  5. ↑ Umweltbundesamt UBA (2023): Emissionen fluorierter Treibhausgase („F-Gase“)
  6. ↑ Soweit nicht anders angegeben Daten nach: IPCC (2021): Climate Change 2021, Working Group I, Table 7.15; WMO Greenhouse Gas Bulletin No. 19 (2023): The State of Greenhouse Gases in the Atmosphere Based on Global Observations through 2022; NOAA Global Monitoring Laboratory (2020): The NOAA annual greenhouse gas index (AGGI)
  7. ↑ "Treibhauspotential" = Global Warming Potential, siehe Strahlungsantrieb; Zeithorizont: 100 Jahre
  8. ↑ RF = Radiative Forcing = Strahlungsantrieb (Veränderung der Strahlungsbilanz seit 1750), ein Maß für den Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt
  9. ↑ nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I, 7.3.1.2 - Eine betimmte Verweilzeit für Kohlendioxid in der Atmosphäre anzugeben ist nicht möglich. Einzelne Moleküle verbleiben nur wenige Jahre in der Atmosphäre und treten dann in komplizierte Austauschprozesse mit dem Ozean und der Vegetation ein. Von diesen Reservoiren wird ein Teil des CO2 wieder in die Atmosphäre emittiert, auch in Anhängigkeit von der Temperatur. Ein höherer CO2-Gehalt (z.B. durch anthropogene Aktivitäten) hält sich daher deutlich länger in der Atmosphäre. Ca. die Hälfte ist nach 30 Jahren nachweisbar und 20 % können noch einige Jahrtausende vorhanden sein. Über diese Zeiträume herrscht in der Forschung keine Einigkeit.
  10. ↑ IPCC AR6 WGI (2021): Climate Change 2021, Working Group I, 5.2.2
  11. ↑ nach IPCC AR6 WGI (2021): Climate Change 2021, Table 7.8


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