Quelltext der Seite Kohlendioxid-Konzentration

[[Bild:CO2_2007.jpg|thumb|520px|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]]
 
[[Datei:Konzentration CO2 aktuell.jpg|thumb|520px|Aktuelle Entwicklung der Kohlendioxkonzentration am Mauna Loa. Rot: Monatsmittel; schwarz: Monatsmittel sainsonbereinigt. ]]
[[Bild:CO2 Mauna Loa Wachstumsrate.jpg|thumb|520px|Wachstumsrate der Kohlendioxidkonzentration am Mauna Loa 1959-2015.Schwarze Balken: Mittel der Jahrzehnte.]]

===Aktuelle Änderung der Konzentration===
Die kumulativen Emissionen aus der Verbrennung fossiler Energieträger zwischen 1850 und 2019 betrugen 450 GtC und die aus Landnutzungsänderungen 205 GtC, zusammen also 655 GtC (bzw. 2340 GtCO<sub>2</sub>). Davon verblieben 260 GtC in der Atmosphäre, 160 im Ozean und 200 in der Landbiosphäre. Der emittierte Kohlenstoff verbindet sich in der Atmosphäre mit Sauerstoff und wird in Kohlendioxid (CO<sub>2</sub>) umgewandelt.<ref>1 t C entspricht 3,67 t CO<sub>2</sub></ref> Jährlich sind es gegenwärtig 4,9 GtC, die in der Atmosphäre verbleiben.<ref name="Friedlingstein 2019">Friedlingstein, P., M.W. Jones, M. O'Sullivan, et al. (2019): Global Carbon Budget 2019, Earth Syst. Sci. Data, 11, 1783–1838, https://doi.org/10.5194/essd-11-1783-2019</ref> 

Das zusätzliche Kohlendioxid führt zu einer deutlichen Erhöhung der CO<sub>2</sub>-Konzentration, deren Wachstumsrate seit etwa 2000 eine erneute Steigerung zeigt. Während sie in den 1990er Jahren bei nur 1,49 ppm/Jahr lag,<ref name="PNAS">Josep G. Canadell et al. (2007): Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 10.1073/pnas.0702737104 [http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/0702737104v1 Online]</ref> 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<ref>NOAA Earth System Research Laboratory: [http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/gr.html Annual Mean Growth Rate for Mauna Loa, Hawaii]</ref> Die CO<sub>2</sub>-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.<ref>NOAA (März, 2016): [http://www.noaa.gov/record-annual-increase-carbon-dioxide-observed-mauna-loa-2015 Record annual increase of carbon dioxide observed at Mauna Loa for 2015]</ref> Das Rekordwachstum der CO<sub>2</sub>-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 CO<sub>2</sub>-Konzentration bei 278 ppm und stieg dann während des industriellen Zeitalters auf 390,5 ppm im Jahre 2011.<ref>IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.2</ref> 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 CO<sub>2</sub>-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 CO<sub>2</sub> 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 CO<sub>2</sub>-Gehalt der Atmosphäre wieder sinkt.

CO<sub>2</sub>-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 CO<sub>2</sub>-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 CO<sub>2</sub>-Konzentration wieder unter 350 ppm fällt, jenes Niveau, das viele Experten als Grenze für eine gefährliche Klimaentwicklung ansehen.<ref>Ralph Keeling (2016): [https://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/2016/04/20/comment-on-recent-record-breaking-co2-concentrations/#more-1406 Comment on Recent Record-Breaking CO2 Concentrations]</ref>

=== 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 CO<sub>2</sub> freigesetzt als durch den CO<sub>2</sub>-Düngungseffekt zusätzlich aufgenommen wird. Mehrere Untersuchungen, die sich auf Beobachtungen und Modellergebnisse stützen, haben bereits eine Abschwächung der Ozean-Senke festgestellt. 

[[Bild:CO2_anteile.jpg|thumb|420px|Die Änderung der CO<sub>2</sub>-Emissionen durch Änderung der Landnutzung, Verbrennung fossiler Energien, Zementproduktion u.a. (oben links) sowie die Veränderung der CO<sub>2</sub>-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.<ref>S. Khatiwala, F. Primeau & T. Hall (2009):  Reconstruction of the history of anthropogenic CO2<sub>2</sub> concentrations in the ocean, Nature 462, 346-350</ref> 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 CO<sub>2</sub>-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 CO<sub>2</sub> 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 CO<sub>2</sub>-reiches Wasser aus tieferen Ozeanschichten an die Oberfläche transportieren, wo das Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben werden kann. Da diese Verstärkung hauptsächlich auf das [[Ozonveränderungen und Klimawandel|Ozonloch]] über der Antarktis zurückgeführt wird, könnte die Abschwächung der CO<sub>2</sub>-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. <ref>Le Quéré, C., et al. (2010): Impact of climate change and variability on the global oceanic sink of CO2, Global Biogeochemical Cycles 24, doi:10.1029/2009GB003599
</ref><ref>Sarmiento, J. L., et al. (2010): Trends and regional distributions of land and ocean carbon sinks, Biogeosciences 7, 2351–2367</ref> 

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 CO<sub>2</sub>-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.<ref>Le Quéré, C., et al. (2009): Trends in the sources and sinks of carbon dioxide, Nature Geoscience 2, 831–836</ref><ref>Baker, D.F. (2007): Reassessing Carbon Sinks, Science 22 June, Vol. 316, 1708-1709 </ref> Ein Vergleich der Emissionen mit der Aufnahme von CO<sub>2</sub> 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.<ref>A. P. Ballantyne1, et al. (2012): Increase in observed net carbon dioxide uptake by land and oceans during the past 50 years, Nature 488, 70-73</ref>

== 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&nbsp;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&nbsp;% schwächer war als heute, herrschten durch die hohe Treibhausgaskonzentration globale Durchschnittstemperaturen von über 50&nbsp;°C. In dem durch Abkühlung allmählich entstehenden Urozean wurde aus der Atmosphäre CO<sub>2</sub> gelöst und in Sedimenten gebunden. Ebenso wurde CO<sub>2</sub> 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&nbsp;°C und sehr kalten Phasen, in denen die Erde weitgehend vereist war, variierten.

Über die letzten 500&nbsp;Millionen Jahre liegen über diese Schwankungen etwas bessere Informationen vor. In den ersten 100&nbsp;Millionen Jahren dieses Zeitraums lag der CO<sub>2</sub>-Gehalt zwischen 4000 und 6000 ppm (heute 385&nbsp;ppm)<ref>ppm (Teile pro Million) ist das Verhältnis der Anzahl von Treibhausgasmolekülen zur Gesamtzahl der Moleküle in trockener Luft.</ref>. Dann folgte eine Phase mit ähnlich niedrigen CO<sub>2</sub>-Werten wie heute und einer Eisbedeckung fast bis zum 30. Breitengrad. Zwischen 100 und 250&nbsp;Millionen Jahren vh. lag der CO<sub>2</sub>-Gehalt wieder deutlich über 1000&nbsp;ppm. Es war die Zeit der Dinosaurier mit um 8&nbsp;Grad wärmeren Temperaturen als heute.

=== Kohlendioxid im Känozoikum ===
[[Bild:CO2_60Mio.jpg|thumb|420px|Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in den letzten 60 Millionen Jahren.]]
In den letzten 65&nbsp;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&nbsp;ppm, wobei er um 50&nbsp;Millionen Jahre v.h. sogar den Wert von 1500&nbsp;ppm überschritt. In dieser ersten Hälfte des Känozoikums war die Erde noch eisfrei. Ab etwa 35&nbsp;Millionen Jahren v.h. zeigt sich eine tendenzielle Anbnahme der CO<sub>2</sub>-Konzentration bis auf schließlich ca. 300&nbsp;ppm, womit vor etwa 35&nbsp;Millionen Jahren die Vereisung der [[Antarktischer Eisschild|Antarktis]] und vor etwa zweieinhalb Millionen Jahren das gegenwärtige [[Eiszeitalter]] eingeleitet wurden.<ref>Hansen, J. et al. (2008): [http://www.columbia.edu/~jeh1/2008/TargetCO2_20080407.pdf Target Atmospheric CO2: Where Should Humanity Aim?]</ref> 

Der Hauptgrund für die Änderungen des CO<sub>2</sub>-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 CO<sub>2</sub>-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&nbsp;% zugenommen, was aber nur einem [[Strahlungsantrieb]] von +1 W/m<sup>2</sup> entsprach - gegenüber einem negativen Antrieb von -10&nbsp;W/m<sup>2</sup>  durch den abnehmenden Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre.

=== Kohlendioxid im Eiszeitalter ===
[[Bild:CO2_640000.jpg|thumb|420px|Änderungen der atmosphärischen CO<sub>2</sub>-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 CO<sub>2</sub>-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 [[Eiszeitalter]]s, 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 Atmosphäre|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 [[Schnee]]flächen, die einfallende Sonnenstrahlen reflektieren und damit die eingeleitete Abkühlung verstärken. Außerdem reduziert sich durch die anfängliche Abkühlung die CO<sub>2</sub>-Konzentration (und die anderer Treibhausgase) in der Atmosphäre. Die primäre Ursache dafür liegt in der größeren Aufnahmefähigkeit von CO<sub>2</sub> durch den kälteren Ozean. Erst durch die höhere Albedo und die geringere CO<sub>2</sub>-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 CO<sub>2</sub>-Gehalt, der primär aus der CO<sub>2</sub>-Abgabe des sich erwärmenden Ozeans stammt, erwärmt die Atmosphäre.

Atmosphärischer Kohlendioxid und globale Temperatur beeinflussen sich wechselseitig. Eine verringerte globale Temperatur senkt den CO<sub>2</sub>-Gehalt, und ein niedrigerer CO<sub>2</sub>-Gehalt führt zu einer noch stärkeren Temperaturabsenkung. Der CO<sub>2</sub>-Gehalt bewegt sich dabei in einer Spanne zwischen 180 und 300&nbsp;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.

== Einzelnachweise ==
<references/>

== Weblinks ==
* [http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ Trends in Atmospheric Carbon Dioxide] aktuelle Monatswerte und andere Daten vom Mauna Loa (Graphiken)
* [ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2_mm_mlo.txt Mauna Loa CO2 monthly mean data] Monatsmittelwerte (Daten)
* [ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2_annmean_mlo.txt Mauna Loa CO2 annual mean data] Jahresmittelwerte (Daten)
* [ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2_gr_mlo.txt Mauna Loa CO2 annual mean growth rates] jährliche Wachstumsraten (Daten)
* Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC): [http://cdiac.ornl.gov/trends/emis/tre_glob.html Global Fossil-Fuel CO<sub>2</sub> Emissions]
* Christopher Schrader (tp vom 29.11.2010): [http://www.heise.de/tp/r4/artikel/33/33742/1.html Der Klima-Gipfel: Mauna Loa, Hawaii • Eine Kurve verändert die Welt]
: ''Ein lesenswerter Artikel über die von Charles David Keeling initiierte kontinuierliche Messung des CO<sub>2</sub> in der Luft auf dem Mauna Loa ("[http://de.wikipedia.org/wiki/Keeling-Kurve Keeling-Kurve]").''

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