Treibhausgase

Kohlendioxid

Treibhauseffekt

Aufgrund seiner Molekülstruktur absorbiert Kohlendioxid einen Teil der von der Erde ausgehenden Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwelligere Strahlung, d.h. die Einstrahlung von der Sonne, passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlendioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Nach Wasserdampf ist Kohlenstoffdioxid aufgrund seinem vergleichsweise hohen Mengenanteil das wirksamste der Treibhausgase, wenngleich die spezifischen Wirksamkeiten von Methan und Ozon höher sind. Alle Treibhausgase zusammen erhöhen die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche von ca. −18 °C auf die beobachteten +15 °C (natürlicher Treibhauseffekt).

Entwicklung der Konzentrationen

Der CO2-Anteil in der Erdatmosphäre war im Verlauf der Erdgeschichte beträchtlichen Schwankungen unterworfen, die verschiedene biologische, chemische und physikalische Ursachen haben. Seit wenigstens 650.000 Jahren lag der Anteil jedoch immer unterhalb von 280 ppm (ppm = parts per million; millionstel Volumenanteile). 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 blieb relativ konstant bei 280 ppm. Die Bilanz des Kohlendioxidkreislaufes war somit in dieser Zeit weitgehend ausgeglichen. Mit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert stieg der CO2-Anteil in der Atmosphäre auf bislang 381 ppm (2006) und steigt z. Zt. weiter um durchschnittlich 1,5 bis 2 ppm pro Jahr.

Quellen und Senken

Die anthropogenen, d. h. vom Menschen verursachten, Emissionen von jährlich ca. 9,9 Gt (Gigatonnen; Milliarden Tonnen) Kohlenstoff (8,4 Gt durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe und Zementproduktion, sowie 1,5 ± 0,5 Gt durch Landnutzungsänderungen wie der Abholzung von Wäldern)[6] sind nur ein kleiner Anteil des überwiegend aus natürlichen Quellen stammenden Kohlendioxids von jährlich etwa 150 Gt Kohlenstoff .

Dies bedeutet allerdings nicht, dass von Menschen verursachte 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 setzt dagegen unter Vernachlässigung des landwirtschaftlichen Energieverbrauchs in der Bilanz nur CO2-Mengen frei, die vorher photosynthetisch gebunden worden waren. Das Fördern und Verbrennen fossiler Kohlenstoffvorräte wie Kohle, Öl und Erdgas dagegen, die nur innerhalb von Jahrmillionen aus organischem Material entstehen, stellt somit einen Kurzschluss des Kohlenstoffkreislaufs dar.

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 also 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

Insgesamt verbleiben (im Mittel seit den 50er Jahren) etwa 60% des ausgestoßenen Kohlendioxids in der Luft, der Rest wird von den genannten Senken 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 die Biosphäre in einem wärmeren Klima nicht mehr als so verlässliche Kohlenstoffsenke wirken wird.

Literatur und Links

• Carbon Dioxide Information Analysis Center des U.S. Department of Energy
• European Energy Exchange
• 12.000 CO₂-emittierende Industrieanlagen (EU25) (interaktive Karte)
• Der Treibhauseffekt aus chemischer Sicht
• Carbon Monitoring for Action (CARMA) - Datenbank mit Informationen zu den Kohlenstoffdioxidemissionen von über 50.000 Kraftwerken und 4.000 Energieunternehmen weltweit.