Kohlendioxid-Konzentration

Kohlendioxid vor dem Eiszeitalter

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 über 1000 ppm. Es war die Zeit der Dinosaurier mit um 8 Grad wärmeren Temperaturen als heute. Seit 50 Millionen Jahren sank der CO₂-Gehalt allmählich auf schließlich ca. 300 ppm und läutete damit das gegenwärtige Eiszeitalter ein.

Kohlendioxid im Eiszeitalter

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. Der eigentliche Temperaturabfall bzw. -anstieg folgt daher dem CO₂-Anstieg mit einer Verzögerung von einigen 100 Jahren.

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.

Kohlendioxid seit der Industrialiserung

Seit Beginn der Industrialisierung greift der Mensch in den natürlichen Kreislauf ein, indem er in immer stärkerem Maße fossile Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle, in denen Kohlendioxid über viele Hunderte von Millionen Jahren dem natürlichen Kreislauf entzogen war, verbrennt und damit die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre erhöht. Hinzu kommt die direkte Zerstörung von Vegetation durch Landnutzungsänderungen bzw. Zerstörung von Wäldern, durch die ebenfalls CO₂ frei wird. Seit Beginn der Zeitrechnung bis zum Beginn der Industrialisierung schwankte atmosphärische Konzentration von Kohlendioxid nur geringfügig zwischen 275 und 285 ppm. Während des industriellen Zeitalters hat die atmosphärische Konzentration von Kohlendioxid um ca. 36% von 280 ppm auf 385 ppm im Jahre 2007 zugenommen. Für die ersten 50 ppm der CO₂-Erhöhung waren über 200 Jahre nötig, die nächsten 55 ppm wurden dagegen in nur noch 30 Jahren erreicht. Seit etwa 2000 zeigt die Wachstumsrate der CO₂-Konzentration eine erneute Steigerung. Während sie in den 1990er Jahren bei nur 1,49 ppm/Jahr lag, nahm sie im Zeitraum 2000-2006 um 1,93 ppm/Jahr zu.

Die Ursachen liegen einerseits in höheren Emissionen, andererseits - und das ist neu - in der abnehmenden Effizienz der Senken, vor allem des Ozeans. Von 1850 bis 2006 wurden durch die Verbrennung von fossiler Energie 330 GtC in die Atmosphäre entlassen, hinzu kamen 156 GtC durch Veränderungen der Landnutzung, hauptsächlich durch Waldvernichtung. Besonders stark haben die Emissionen sich in den letzten Jahren entwickelt. Während die Wachstumsrate der anthropogenen Emissionen in den 1990er Jahren noch 1,3% pro Jahr betrug, lag sie im Zeitraum 2000-2006 um fast das Dreifache höher bei 3,3%. Die gesamten anthropogenen Emissionen betrugen 2000 noch 8,4 GtC, im Jahre 2006 aber schon 9,9 GtC. Das ist ein jährliches Wachstum von 2,9% - verglichen mit 0,7% in den 1990ern. Im Mittel betrugen die Emissionen 2000-2006 9,1 GtC jährlich, davon 7,6 GtC aus Verbrennung fossiler Energierohstoffe und 1,5 GtC aus veränderter Landnutzung.

Auffällig ist nun, dass der Anteil, den die Atmosphäre von den anthropogenen Emissionen in den letzten Jahrzehnten aufgenommen hat, zugenommen, während der ozeanische Anteil deutlich abgenommen hat. Ein wichtiger Grund dafür wird in der Verstärkung der zirkumpolaren Westwinde rund um die Antarktis gesehen, 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 (vgl. Ozonveränderung und Klimawandel), könnte die Abschwächung der CO₂-Aufnahme eine vorübergehende Erscheinung sein.