Treibhausgase

Aus Klimawandel

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

Strahlung und Treibhausgase

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] Im Vergleich zur vorindustriellen Zeit ist der anthropogene Strahlungsantrieb durch diese langlebigen Treibhausgase bis 2011 um etwa 2,83 W/m² gestiegen. Die größte Erwärmung geht dabei auf die (indirekt) erhöhte Konzentration von Kohlendioxid (1,82 W/m²) zurück, gefolgt von Methan (0,48 W/m²) und Distickstoffoxid (0,17 W/m²).[2]

Quellen und Senken

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

Die atmosphärische Konzentration wichtiger langlebiger Treibhausgase in den letzten 2000 Jahren.

Aus dem Verhalten in der Atmosphäre resultiert die atmosphärische Verweilzeit (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.

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 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 (FCKW). Außerdem verändert der Mensch auch die Konzentration des kurzlebigen Treibhausgases Ozon in der Troposphäre und die Zusammensetzung und Konzentration von Aerosolen.

Anthropogene Treibhausgase (Tabelle)

Übersicht über wichtige anthropogene Treibhausgase [3]
Spurengas vorindustrielle Konzentration[4] Konzentration 2011 Verweilzeit in Jahren[5] Treibhaus-
potential [6] 		RF[7] in W/m2
CO2 279 ppm 391 ppm ~30 - ~1000[8] 1 +1,82 (± 0.19)
CH4 730 ppb 1803 ppb 9,1 25 +0,48 (±0.05)
N2O 270 ppb 324 ppb 131 298 +0.1o7 (±0.03)
FCKW-12 0 528 ppt 100 5200 +0.17
O3(troposph.) regional
unterschiedlich 		      0.40 (0.20 bis 0.60)[9]

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Hobbs, P. V.: Introduction to Atmospheric Chemistry (2000). ISBN: 0-521-77143-9 (hb).
  2. ↑ nach IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, 8.5.1
  3. ↑ nach IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, Table 8.2
  4. ↑ nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I, Technical Summary, Table TS.2
  5. ↑ nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I, Technical Summary, Table TS.2
  6. ↑ "Treibhauspotential" = Global Warming Potential, siehe Strahlungsantrieb; Zeithorizont: 100 Jahre
  7. ↑ RF = Radiative Forcing = Strahlungsantrieb (Veränderung der Strahlungsbilanz seit 1750), ein Maß für den Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt
  8. ↑ 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.
  9. ↑ nach IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, 8.3.3


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