Kohlendioxid

Kohlendioxid (CO₂) gehört wie Methan (CH₄) und Distickstoffoxid (N₂O) zu den langlebigen Treibhausgasen, deren Verweilzeit in der Atmosphäre mindestens ein Jahr beträgt, so dass sie rund um den Globus in der Atmosphäre gut durchmischt vorkommen. Durch seinen Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre ist es mit diesen Gasen sowohl am natürlichen und zusammen mit Fluorchlorkohlenwasserstoff (FCKW) auch am anthropogenen, d.h. vom Menschen verursachten, Treibhauseffekt beteiligt. Anthropogenes Kohlendioxid ist daher auch entscheidend für die aktuellen Klimaänderung verantwortlich. Außerdem wird der steigende Kohlendioxid-Gehalt im Ozean zunehmend ein Problem durch die Ozeanversauerung.

Tab. 1: Einheiten und Umwandlungsfaktoren von Kohlenstoffverbindungen

Entwicklung der Konzentrationen

• Hauptartikel: Kohlendioxid-Konzentration

Der CO₂-Anteil in der Erdatmosphäre war im Verlauf der Erdgeschichte beträchtlichen Schwankungen unterworfen, die verschiedene biologische, chemische und physikalische Ursachen haben. Seit wenigstens 800.000 Jahren lag der Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre jedoch immer unterhalb von 300 ppm und war mindestens 2 Mio. Jahren lang nicht so hoch wie gegenwärtig Diese Erkenntnis lässt sich mangels direkter Messungen aus so genannten Proxidaten, z.B. Eisbohrkernen, gewinnen: Bei der Bildung von Eis auf den großen Inlandeisschilden Grönlands und der Antarktis werden ständig kleine Luftbläschen eingeschlossen, so dass die Zusammensetzung der Luft vergangener Zeitalter aus Bohrungen im Eis abgeschätzt werden kann. Die CO₂-Konzentration in den letzten 10.000 Jahren, dem Nacheiszeitalter blieb relativ konstant bei 280 ppm. Die Bilanz des Kohlendioxidkreislaufs war somit in dieser Zeit weitgehend ausgeglichen. Mit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert stieg der CO₂-Anteil in der Atmosphäre auf bislang 422 ppm (2024) und steigt zur Zeit weiter um durchschnittlich 2-3 ppm pro Jahr.

Quellen und Senken

• Hauptartikel: Kohlenstoffkreislauf
• Hauptartikel: Kohlenstoffkreislauf Land
• Hauptartikel: Kohlenstoff im Ozean

Die anthropogenen, d.h. vom Menschen verursachten, Emissionen von jährlich ca. 11,2 Gigatonnen) Kohlenstoff (9,9 GtC durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe und Zementproduktion, sowie 1,2 GtC durch Landnutzungsänderungen wie der Abholzung von Wäldern) sind gegenüber den natürlichen Kohlendioxid-Emissionen von jährlich etwa 130 Gt Kohlenstoff aus Quellen auf dem Land und 80 GtC aus ozeanischen Quellen verhältnismäßig gering. Dies bedeutet allerdings nicht, dass die von Menschen verursachten Emissionen vernachlässigbar wären, denn im Gegensatz zu den natürlichen Quellen werden diese nicht komplett durch Senken kompensiert und reichern sich so in der Atmosphäre an.

Die Verbrennung von Biomasse und daraus gewonnenen Kraftstoffen emittiert nur CO₂-Mengen, die vorher photosynthetisch gebunden waren. Das Fördern und Verbrennen fossiler Kohlenstoffvorräte wie Kohle, Öl und Erdgas, die nur innerhalb von Jahrmillionen aus organischem Material entstehen, führt dagegen dem Kohlenstoffkreislauf zwischen Atmosphäre, Ozean und Landvegetation neues Kohlendioxid hinzu. Von dem gesamten durch menschliche Aktivitäten emittierten Kohlenstoff verblieb im letzten Jahrzehnt fast die Hälfte in der Atmosphäre. Rund 30% wurden von der Landvegetation aufgenommen und ein Viertel vom Ozean.

Nachweis des Menschen als Ursache

Der Nachweis, dass die erhöhten CO₂-Konzentrationen tatsächlich auf Emissionen durch menschliche Aktivitäten zurückzuführen sind, erfolgt hauptsächlich über zwei Methoden: die Messung der Anteile von Kohlenstoffisotopen, sowie der atmosphärischen Sauerstoffkonzentration. Bei der Isotopenmessung wird das Verhältnis zweier verschiedener Typen von Kohlenstoffatomen (Isotope) bestimmt, die in CO₂-Molekülen auftreten können: ¹³C und ¹²C, wobei die Zahl die Masse des Atoms charakterisiert. Fossile Brennstoffe zeichnen sich durch ein geringes Verhältnis zwischen ¹³C und ¹²C aus. Wenn diese also verbrannt werden, sinkt auch das Isotopenverhältnis in der Atmosphäre, was den Schluss nahelegt, dass der Kohlenstoff nicht aus anderen Quellen (z.B. Vulkanen) stammen kann.

Außerdem lässt sich durch genaueste Messungen der Sauerstoffkonzentration zeigen, dass das zusätzliche Kohlendioxid in der Atmosphäre aus Verbrennungsprozessen stammen muss. Bei einer Verbrennung von organischen Materialien wie Kohle, Öl oder auch Biomasse wird reiner Sauerstoff im CO₂-Molekül gebunden, die Sauerstoffkonzentration in der Luft nimmt damit in einem festen Verhältnis zur CO₂-Zunahme ab.

Darüberhinaus lässt sich durch Sauerstoffmessungen nicht nur Aufschluss über die Quellen, sondern auch über die Senken atmosphärischen Kohlendioxids gewinnen. Wäre die Biosphäre die alleinige CO₂-Senke, würde durch Photosynthese genausoviel Sauerstoff gebunden, wie bei Verbrennung der gleichen Biomasse frei wurde. Es wird jedoch beobachtet, dass die Sauerstoffkonzentration in der Luft stärker abnimmt als die CO₂-Konzentration zunimmt. Dies liegt daran, dass auch der Ozean Kohlendioxid aufnimmt, ohne gleichzeitig Sauerstoff abzugeben. Es handelt sich hierbei also nicht primär um einen biologischen, sondern um einen physikalischen Vorgang.

Ausblick

• Hauptartikel: Projektionen Kohlendioxid

Insgesamt verblieben in den letzten 60 Jahren etwa 44% des ausgestoßenen Kohlendioxids in der Luft, der Rest wird vom Ozean (25%) und der Landvegetation (31%) wieder aus der Atmosphäre entfernt. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass dieser Anteil sich in Zukunft im Zuge des Klimawandels verändern könnte. So würden zum einen etwaige Änderungen der Ozeanzirkulation eine veränderte Aufnahme von CO₂ bedeuten, zum anderen könnte die Aufnahmerate durch Pflanzen aufgrund von klimabedingten Stressfaktoren wie Hitze oder Wassermangel beeinträchtigt werden. Es wird daher erwartet, dass Ozean und Pflanzen in einem wärmeren Klima nicht mehr als so verlässliche Kohlenstoffsenke wirken werden.

Unterricht

• Die Absorption von Infrarotstrahlung durch Kohlendioxid Versuch im Chemieunterricht
• Versuche mit den Treibhausgasen CO₂ und Wasser Arbeitsblatt in der ESPERE Klimaenzyklopädie

Weblinks

• Vierter Sachstandsbericht des IPCC
• Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) Website des U.S. Department of Energy mit Materialien über den CO₂-Anstieg und CO₂-Emissionen.
• World Data Centre for Greenhouse Gases (WDCGG)

• Carbon Monitoring for Action (CARMA) - Datenbank mit Informationen zu den Kohlenstoffdioxidemissionen von über 50.000 Kraftwerken und 4.000 Energieunternehmen weltweit.
• European Energy Exchange - Die European Energy Exchange (EEX) ist die führende Energiebörse, die sichere, liquide und transparente Märkte für Energie- und Rohstoffprodukte rund um den Globus entwickelt, betreibt und verbindet.

Lizenzhinweis

Kontakt: Dieter Kasang