Kohlendioxid-Konzentration

Die atmosphärische Konzentration von Kohlendioxid vom Beginn der Zeitrechnung bis zum Jahre 2007. Im eingefügten Kästchen die Konzentrations- und Emissionsentwicklung seit 1970.

Die aktuelle Kohlendioxidentwicklung

Emissionen

• Hauptartikel: Kohlendioxid-Emissionen

Aktuelle Entwicklung der Kohlendioxid-Konzentration am Mauna Loa.

Aktuelle Änderung der Konzentration

Zwischen 1959 und 2010 wurden etwa 60 Gigatonnen Kohlenstoff (GtC) durch Landnutzung und 290 GtC durch Verbrennung fossiler Brennstoffe emittiert, zusammen also 350 GtC. Der emittierte Kohlenstoff verbindet sich in der Atmosphäre mit Sauerstoff und wird in Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt. Jährlich sind es gegenwärtig 4,6 GtC, die der Mensch in die Atmosphäre emittiert.

Das zusätzliche Kohlendioxid führt zu einer deutlichen Erhöhung der CO₂-Konzentration, deren Wachstumsrate seit etwa 2000 eine erneute Steigerung zeigt. Während sie in den 1990er Jahren bei nur 1,49 ppm/Jahr lag, betrug sie in den 2000er Jahren an der Messstation Mauna Loa, Hawaii, ca. 2 ppm/Jahr und überschritt 2015 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 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 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 im April 2016 lag die Konzentration sogar bei 408 ppm. Hieran war neben den anthropogenen Emissionen und dem bereits erwähnten El Niño von 2015/16 auch der typische Jahresgang des CO₂-Gehalts beteiligt. Im April/Mai ist der Boden auf der Nordhalbkugel mit ihren großen Landflächen für eine stärkere Verwitterung von organischem Material schon warm genug, so dass dadurch mehr CO₂ in die Atmosphäre gelangt als in den Monaten zuvor. Andererseits ist die Photosyntheseleistung (und damit die Speicherung von Kohlendioxid) der Pflanzen noch relativ gering, die jedoch wenige Wochen später die Bodenemission übertreffen wird, wodurch dann der CO₂-Gehalt der Atmosphäre wieder sinkt.

CO₂-Konzentrationen von über 400 ppm hat die Erde in den letzten 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

Nur etwa die Hälfte des emittierten Kohlenstoffs verbleibt jedoch in der Atmosphäre. Der Rest wird von der Landbiosphäre 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. Mehrere Untersuchungen, die sich auf Beobachtungen und Modellergebnisse stützen, haben bereits eine Abschwächung der Ozean-Senke festgestellt.

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

Der Ozean nimmt 20-34 % der anthropogenen Emissionen von Kohlendioxid auf. Über den genauen Anteil bestehen jedoch große Unsicherheiten. Auf Beobachtungen basierende Untersuchungen zeigen, dass die ozeanische Senke seit den 1950er Jahren besonders stark zugenommen hat. Die deutliche Zunahme in den 1950er Jahren ist wahrscheinlich eine Folge der höheren atmosphärischen Wachstumsrate von Kohlendioxid. 2008 betrug der Bestand von anthropogenem Kohlendioxid im Ozean ca. 151 GtC. Die Aufnahmerate lag 2008 bei 2,3 GtC pro Jahr. Die wichtigste Senke regional ist der Südliche Ozean ungefähr südlich von 40 °S, der 2008 etwa 40 % der ozeanischen CO₂-Senke ausmachte.

Modellanalysen und Beobachtungsdaten zeigen, dass die ozeanische Senke sich im Zeitraum 1981-2007 um 12 % abgeschwächt hat. Die Ursachen liegen in der Änderung von Windmustern und in der Erwärmung des Ozeans. Am stärksten wirken sich die durch Wind veränderten Strömungen aus, und zwar hauptsächlich im äquatorialen Pazifik und im Südlichen Ozean. Dabei handelt es sich hauptsächlich um verstärktes Auftriebswasser, das viel vorantropogenes CO₂ enthält. Die zunehmenden Windstärken im Südlichen Ozean, die mit der Abnahme des Ozons in der Stratosphäre in Verbindung gebracht wurden, machen ebenfalls 20 % aus. Hierbei geht es um eine Verstärkung der zirkumpolaren Westwinde rund um die Antarktis, die CO₂-reiches Wasser aus tieferen Ozeanschichten an die Oberfläche transportieren, wo das Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben werden kann. Da diese Verstärkung hauptsächlich auf das Ozonloch über der Antarktis zurückgeführt wird, könnte die Abschwächung der CO₂-Aufnahme eine vorübergehende Erscheinung sein. Die Erwärmung des Ozeans spielt vor allem im Nordatlantik eine Rolle. Insgesamt macht die Erwärmung aber nur 20 % der Abschwächung der ozeanischen Senke aus.

Die Quellen dieser Ergebnisse sind jedoch mit Unsicherheiten behaftet. Die Abschwächung regionaler Senken ist zwar durch Beobachtungen für den Nordatlantik und den Südlichen Ozean belegt. Eine Zunahme der CO₂-Aufnahme durch den Ozean wurde jedoch im Nordpazifik beobachtet. Insgesamt sind die vorhandenen Beobachtungen nur begrenzt aussagefähig, weil sie nicht flächendeckend sind. Klimamodelle liefern zwar ein Gesamtbild, sie berücksichtigen jedoch nicht alle Prozesse, die von Bedeutung sein könnten wie z.B. die Reaktion der marinen Ökosysteme auf die Versauerung der Meere. Ein Vergleich der Emissionen mit der Aufnahme von CO₂ durch die Atmosphäre, aus dem die Aufnahme von Land und Ozean zusammengenommen einfach abgeleitet werden kann, zeigt jedenfalls keine erkennbare Abschwächung in der Summe der beiden Senken. Vielmehr hat sich die Aufnahmerate von Land und Ozean pro Jahrzehnt deutlich erhöht, von 2,5 GtC pro Jahr in den 1960er Jahren auf 4,6 GtC seit 2000. In der Atmosphäre hat die Aufnahme von Kohlendioxid von 1,8 GtC pro Jahr in den 1960ern auf 4,1 GtC jährlich zwischen 2000 und 2010 allerdings ebenfalls deutlich zugenommen, wobei die Steigerung besonders stark zwischen den 1990er und den 2000er Jahren war.

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 (heute 385 ppm). 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 8 Grad wärmeren Temperaturen als heute.

Kohlendioxid im Känozoikum

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Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in den letzten 60 Millionen Jahren.

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 atmosphärischen CO₂-Konzentration in den letzten 640 000 Jahren sowie Schwankungen von Deuterium als Proxy (Stellvertreterdaten) für Temperatur im arktischen Eis. Braune Streifen: Warmzeiten.

Noch bessere Informationen über den CO₂-Gehalt der Atmosphäre gibt es über die vergangenen 740 000 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, 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 und für die aktuelle Erwärmung 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").