Das Zeitalter der Industrie

Treibhausgase

Vom Menschen freigesetzte Treibhausgase und andere Emissionen sind die wichtigste Ursache des derzeitigen >> Klimawandels. Auf dieser Seite finden Sie weitere Informationen, was Treibhausgase eigentlich sind, zu ihrer Bedeutung für den Klimawandel und zu anderen Emissionen, die das Klima beeinflussen.

Was sind eigentlich Treibhausgase?

Treibhausgase sind Gase in der Erdatmosphäre, die den >> Strahlungshaushalt der Erde verändern. Die Erde gibt, wie jeder warme Körper, Wärmestrahlung an ihre Umgebung ab. Die Wärmeabstrahlung eines idealen "schwarzen Körpers" (so nennen Physiker Körper, die ihre Wärme ungehindert abstrahlen können) hängt von seiner Temperatur ab und wird vom Planckschen Strahlungsgesetz beschrieben. Die Wärmeabstrahlung der meisten realen Körper unterscheidet sich mehr oder weniger deutlich von diesem Ideal, da ihre Wärmeabstrahlung behindert wird. Dies ist auch bei der Erde der Fall, wie die folgende Abbildung zeigt:

Satellitenmessungen des Spektrums der thermischen Strahlung der Erde

Satellitenmessungen der thermischen Abstrahlung der Erde
im Vergleich zur theoretischen Abstrahlung eines idealen
"schwarzen Körpers". Die Messung wurde 1970 über der Sahara
mit dem IRIS (Infrared Interferometer Spectrometer) der NASA
durchgeführt. Abbildung © Makiko Sato für James Hansen,
Storms of my Grandchildren, mit freundlicher Genehmigung.
Eigene Übersetzung. Original >> www.columbia.edu/~mhs119/.

Im Fall der Erde sind es Gase in der Atmosphäre, die die Wärmeabstrahlung behindern. Gase absorbieren Strahlung in ganz charakteristischen Wellenlängen, an denen sie eindeutig zu erkennen sind - "Absorptionsspektren" verwendet man daher auch in der Umweltanalytik, um Gase zu identifizieren, oder zur Erforschung der Atmosphäre weit entfernter Planeten. Daher sind auch die Gase eindeutig zu identifizieren, die die Wärmeabstrahlung der Erde behindern: die Absorption bei der Wellenlänge von 15 μm wird beispielsweise durch Kohlendioxid verursacht. Bei der Absorption von Wärmestrahlung erwärmen sich die Gase selber und strahlen Wärme ab - aber in alle Himmelsrichtungen, also nicht nur ins Weltall, sondern auch zur Erde zurück. Dadurch erwärmt die Erde sich stärker, als aufgrund der Sonneneinstrahlung eigentlich zu erwarten wäre (>> mehr).

Da die fraglichen Gase die kurzwellige Sonnenstrahlung nicht behindern, sondern nur die Wärmeabstrahlung, wirken sie in der Atmosphäre wie die Scheiben eines Treibhauses: daher die Bezeichnung Treibhausgase.

Der Beitrag der Treibhausgase zum Klimawandel

Die Erwärmung der Erde durch Treibhausgase ist ein natürlicher Vorgang, ohne den die Erde etwa 33 Grad Celsius kälter wäre (>> Klima). Aber wenn sich die Konzentration an Treibhausgasen durch menschliche Aktivitäten erhöht, erhöht sich auch die Temperatur der Erde - und dann sprechen wir von einem vom Menschen verursachten Klimawandel. Dass menschliche Aktivitäten die Konzentration an Treibhausgasen erhöhen, ist inzwischen nachgewiesen (siehe auch das >> Beispiel Kohlendioxid); den Beitrag der einzelnen Klimagase zeigt die folgende Abbildung:

Beitrag der Treibhausgase zum Klimawandel

Anteil der einzelnen Treibhausgase an den gesamten vom Menschen verursachten
Treibhausgas-Emissionen im Jahr 2004 in Kohlendioxid-Äquivalent - das heißt,
die Abbildung zeigt den Beitrag der Klimagase zum Klimawandel. Abbildung
aus dem >> 4. UN-Klimareport 2007, Syntheseband, eigene Übersetzung.

Kohlendioxid (CO2)

Kohlendioxid wurde bereits Mitte des 19. Jahrhunderts von dem irischen Physiker John Tyndall als Treibhausgas erkannt (>> mehr); es ist die Ursache für mehr als drei Viertel Anteil der vom Menschen verursachten Erwärmung, und damit heute das mit Abstand wichtigste “künstliche” Treibhausgas. Eine Verdoppelung des Gehalts an Kohlendioxid in der Atmosphäre könnte die Temperatur der Erde zwischen 2 und 4,5 °C erhöhen (>> mehr). Durch energiebedingte Emissionen - die Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Öl, Gas) zur Stromerzeugung, in der Industrie, in Hausheizungen und im Straßenverkehr werden weltweit jedes Jahr weit über 30 Milliarden Tonnen (2011: 34,7 Milliarden Tonnen [50]) dieses Treibhausgases freigesetzt.

Dazu kamen im Jahr 2011 3,3 Milliarden Tonnen aus dem Abbrennen von Wäldern, vor allem der tropischen Regenwälder Amazoniens und Südostasiens. Knapp die Hälfte der Gesamtemissionen von 38 Milliarden Tonnen werden von natürlichen Kohlenstoffsenken aufgenommen, vor allem den Weltmeeren, aber auch von Landökosystemen. Im Durchschnitt der Jahre 2002 bis 2011 nahmen die Weltmeere 26 Prozent auf (das entspräche im Jahr 2011 knapp 10 Milliarden Tonnen) und die Landökosysteme (wachsende Wälder und Torfmoore) 28 Prozent (das entspräche im Jahr 2011 10,6 Milliarden Tonnen; oder netto - also nach dem Abzug der Emissionen durch das Abbrennen von Wäldern - 7,3 Milliarden Tonnen). Dieser Wert kann je nach Zustand der Vegetation von Jahr zu Jahr aber deutlich schwanken.

Beitrag der verschiedenen Kohlendioxid-Quellen zum Treibhauseffekt

Beitrag der relevanten Quellen zum Anstieg der
Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre (51).
(Eine Tonne Kohlenstoff entspricht 3,667 Tonnen
Kohlendioxid; Abbildung aus IPCC-Bericht 2007
[Arbeitsgruppe 1, S. 513], eigene Übersetzung).

Damit verbleiben durchschnittlich 17,5 Milliarden Tonnen pro Jahr in der Atmosphäre, und lassen deren Kohlendioxid-Gehalt um 2 ppm pro Jahr ansteigen. Die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre stieg von vorindustriellen 280 ppm auf aktuell 392 ppm. (Die vorindustriellen Werte sind aus Eisbohrkernen (>> mehr) bekannt; seit 1958 gibt es kontinuierliche Messungen auf dem Mauna Loa auf Hawaii, die den Anstieg seit damals dokumentieren; sie sind in der Abbildung >> hier dargestellt.) Einmal in die Atmosphäre gelangtes Kohlendioxid verbleibt dort lange: Nach 1.000 Jahren wird noch die Hälfte in der Luft sein. Aufgrund dieser Verweildauer wird auf lange Sicht die Bedeutung des Kohlendioxids für den Klimawandel noch zunehmen.

In Deutschland hat Kohlendioxid heute schon einen Anteil von 85 Prozent an allen Treibhausgasen; die energiebedingten Emissionen betragen ca. 865 Millionen Tonnen/Jahr.

>> mehr zum Kohlenstoffkreislauf & Klimawandel

Woher stammt das Kohlendioxid?

Die Quellen des zunehmenden Kohlendioxids in der Erdatmosphäre konnten mit verschiedenen Methoden ermittelt werden, besonders aussagekräftig ist die Isotopenanalyse: Kohlenstoff kommt in zwei verbreiteten Isotopen vor: 12C (zu etwa 99 Prozent) und 13C (zu etwa 1 Prozent). Fossile Brennstoffe haben jedoch ein niedrigeres Verhältnis 13C/12C als Kohlendioxid in der Atmosphäre, und unterscheiden sich zudem noch untereinander: an dieser “Signatur” ist Kohlendioxid aus fossilen Brennstoffen zu erkennen, und das sinkende Verhältnis 13C/12C zeigt den Anteil an fossilen Brennstoffen am steigenden Kohlendioxid-Gehalt insgesamt (es gibt auch andere Ursachen für ein sinkendes 13C/12C-Verhältnis, die man aber unterscheiden kann; Details und Quellenangaben siehe IPCC-Bericht 2007, Arbeitsgruppe 1, Seite 139).

Veränderung des Isotopenverhältnisses der weltweiten Kohlenstoffemissionen: Ein Nachweis für Kohlendioxid aus fossilen Brennstoffen

Darstellung der weltweiten Kohlenstoffemissionen (schwarz) und der
Veränderung des 13C/12C-Isotopenverhältnisses (rot). Die Skala
des Isotopenverhältnisses ist umgekehrt dargestellt, so dass
die ansteigende Kurve ein sinkendes 13C/12C-Isotopenverhältniss
bedeutet. Die Kurve stammt von der Messstation Mauna Loa. Abb.:
Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of
Working Group 1, Seite 138.

Vergleichsmaßstab Treibhauspotenzial

Um die anderen Treibhausgase mit Kohlendioxid vergleichen zu können, wird ihr Treibhauspotenzial (nach dem englischen Global Warming Potential oft als GWP abgekürzt) zur Umrechnung verwendet: Das Treibhauspotenzial gibt an, wie stark die Wirkung einer Substanz im Vergleich zu Kohlendioxid ist. Das Treibhauspotential von Methan beispielsweise beträgt 21, eine Tonne Methan besitzt also einen Treibhauseffekt wie 21 Tonnen Kohlendioxid. Nach Kohlendioxid sind die beiden wichtigsten Treibhausgase Methan und Distickstoffoxid (Lachgas).

Anhand dieses Treibhauspotenzials kann man auch die Konzentrationen aller Treibhausgase in der Atmosphäre angeben, dieser Wert wird Kohlendioxid-Äquivalenz-Konzentration und CO2e abgekürzt. Zur Zeit beträgt diese Konzentration etwa 445 ppm (gegenüber 392 ppm CO2).

Andere Treibhausgase

Methan

Methan (CH4) trägt mit einem Treibhauspotential von 21 weltweit mit knapp 15 Prozent zum Treibhauseffekt bei (bei den deutschen Emissionen beträgt der Anteil gut 7 Prozent). Methan entsteht immer, wenn organisches Material unter Sauerstoffabfluss abgebaut wird; dies geschieht vor allem in den Mägen von Wiederkäuern (Rindern und Schafen), beim Nassreisanbau sowie in Mülldeponien. In manchen Staaten Lateinamerikas ist Methan aufgrund der Rinderhaltung das wichtigste Treibhausgas aus der Landwirtschaft; die Methankonzentration in der Atmosphäre hat seit Beginn der Industrialisierung um 151 Prozent zugenommen.

Methangehalt in der Atmosphäre seit 1979

Zunahme des Methangehalts in der Atmosphäre seit 1979.
Quelle der Abbildung: Synthesis Report Climate Change: Global Risks,
Challenges & Decisions. Copenhagen 2009, 10-12 March.

Methan reagiert in der Erdatmosphäre mit Hydroxyl-Radikalen (“Radikale” in der Chemie sind besonders reaktionsfähige Atome oder Moleküle mit ungepaarten Elektronen) und wird dadurch über einen Zeitraum von 10 bis 12 Jahren zu Kohlendioxid und Wasserdampf abgebaut, das entstehende Kohlendioxid hat ein geringeres Treibhauspotenzial als Methan. Allerdings sind die Hydroxyl-Radikale auch an der Entstehung von Sulfat- und anderen Aerosolen in der Atmosphäre beteiligt, und wenn die Radikale mit Methan anstatt mit anderen Luftschadstoffen reagieren, sinkt die Konzentration an kühlenden (>> hier) Aerosolen: Rechnet man diesen Effekt mit ein, könnte der Anteil von Methan an der Erhöhung des Treibhauseffekts höher sein als bisher vermutet (60).

Distickstoffoxid

Distickstoffoxid (Lachgas, N20) entsteht im Boden beim Abbau von mineralischem Stickstoffdünger. Weltweit ist es das wichtigste Treibhausgas, das von der Landwirtschaft freigesetzt wird. Das Treibhauspotenzial von Lachgas liegt bei 310; sein Anteil am Treibhauseffekt liegt bei rund acht Prozent, und die Konzentration in der Atmosphäre hat seit Beginn der Industrialisierung um 17 Prozent zugenommen.

Methangehalt in der Atmosphäre seit 1978

Zunahme des Lachgasgehalts in der Atmosphäre seit 1978.
Quelle der Abbildung: Synthesis Report Climate Change: Global Risks,
Challenges & Decisions. Copenhagen 2009, 10-12 March.

F-Gase

FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) wurden vor allem als Treibgase und Kältemittel verwendet, da sie zur Zerstörung der Ozonschicht beitragen, wurde ihre Verwendung seit 1990 stark reduziert (>> hier); die als Ersatz eingesetzten Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) schädigen die Ozonschicht nicht - sind jedoch ebenfalls Treibhausgase.

Im Kyoto-Protokoll sind außerdem noch die in der Aluminium-Industrie entstehenden perflourierten Kohlenwasserstoffe (PFC) und das als Isolationsgas in Hochspannungsschaltern verwendete Schwefelhexafluorid (SF6) berücksichtigt.

Und was ist mit dem Wasserdampf?

Wasserdampf ist das wichtigste natürliche Treibhausgas (>> hier). Da der Wassergehalt in der Luft von der Temperatur abhängig ist, nimmt der Gehalt an Wasserdampf in der Atmosphäre mit steigenden Temperaturen zu und verstärkt damit die Auswirkungen anderer Treibhausgase. Die Treibhauswirkung von Kohlendioxid etwa wäre in absolut trockener Luft nur etwa halb so groß wie sie tatsächlich ist, wird durch den Wasserdampf also verdoppelt. Dieser Effekt wird aber bei der Betrachtung des Treibhauspotenzials von Kohlendioxid und der anderen Treibhausgase schon mitbetrachtet. Abgesehen davon, wird der Gehalt an Wasserdampf durch menschliche Aktivitäten nur regional verändert - etwa durch Abholzung von Regenwäldern oder die Einführung von Bewässerung. Bedeutende globale Auswirkungen auf den Wasserhaushalt in der Atmosphäre haben diese Eingriffe jedoch nicht (61); und daher wird Wasserdampf bei der Diskussion der Erderwärmung nicht gesondert betrachtet. 

Andere Emissionen, die das Klima verändern

Außer den Treibhausgasen können auch andere Luftverunreinigungen die Energiebilanz der Erde verändern. Anders als Treibhausgase absorbieren diese nicht die von der Erde abgestrahlte Wärme, sondern erwärmen die Erde auf anderem Wege.

Ruß

Rußpartikel in der Atmosphäre führen zu einer Erwärmung, da sie Sonnenstrahlung absorbieren. Auf Schneeflächen abgesunkene Rußpartikel verringern die Albedo (>> hier) und verstärken damit die Erwärmung noch. Außerdem beschleunigt eine Rußschicht auf den Gletschern im Himalaya deren Abschmelzen; die Entstehung dieser Rußschicht wird auf dem indischen Subkontinent durch Inversions-Wetterlagen (warme Luft lagert über erdnaher Kaltluft und verhindert einen Luftaustausch) zwischen den Monsunregen gefördert. Ruß stammt vor allem aus der Verbrennung von Biomasse; den größten Anteil haben die Brandrodung von Wäldern, einen kleineren - etwa ein Fünftel - die Verbrennung von Biomasse zu Koch- und Heizzwecken. Weitere Quellen sind Kohleöfen (vor allem in China) und Dieselfahrzeuge ohne Rußfilter. Insgesamt haben Rußpartikel einen Anteil an 10 Prozent am gesamten Strahlungsantrieb durch Treibhausgase und andere Emissionen.

Stickoxide und Kohlenwasserstoffe

Stickoxide und Kohlenwasserstoffe bilden unter Einwirkung von Sonnenlicht das troposphärische Ozon (>> Sommersmog - nicht zu verwechseln mit dem stratosphärischen Ozon, das die Ozonschicht bildet, die die Erde vor der UV-Strahlung der Sonne schützt, siehe >> Die Atmosphäre). Dies ist ebenfalls ein wichtiges Treibhausgas (wird aber bei den anderen Emissionen aufgeführt, da es nicht direkt freigesetzt wird, sondern aus anderen Schadstoffen entsteht). Die Zunahme der troposphärischen Ozonkonzentration ist entsprechend der Entstehung der Vorläufersubstanzen in industriellen Ballungsgebieten und tropischen Regionen mit starker Verbrennung von Biomasse am höchsten, hier dürfte sich der Ozongehalt im 20. Jahrhundert verdreifacht haben (80). In größeren Höhen kann Ozon mit Luftströmungen auch weit transportiert werden.

Die Quellen der Treibhausgase

Kohlendioxid aus fossilen Brennstoffen stammt vor allem aus der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas bei der Stromerzeugung, im Verkehr, in Gebäuden und in der Industrie. In der Industrie entsteht weiteres Kohlendioxid bei manchen Prozessen - in der Zementindustrie beispielsweise entweicht etwa genauso viel Kohlendioxid aus dem Kalkstein wie aus fossilen Brennstoffen stammt. Im Jahr 2011 betrug der Anteil der fossilen Brennstoffe Kohle 43 %, Öl 34 % und Gas 18 %; der der Zementindustrie 5 % (50). Dazu kommt das Kohlendioxid aus der Forstwirtschaft, im wesentlichen aus der Rodung von Tropenwäldern, sowie die Treibhausgase, die in der Landwirtschaft freigesetzt werden. Die Rodung von Tropenwäldern (mehr >> hier) ist der größte Beitrag zu den Treibhausgasemissionen von Ländern wie Brasilien und Indonesien (in Indonesien stammen 70 Prozent des Kohlendioxid aus der Waldvernichtung); das wichtigste Treibhausgas aus der Landwirtschaft ist Lachgas aus den Böden, dicht gefolgt von Methan aus den Mägen von Wiederkäuern wie Rindern und Schafen. Eine bedeutende Quelle ist auch der Nassreisanbau. Insgesamt ergeben sich für die einzelnen Sektoren folgende Anteile an der Produktion von Treibhausgasen:

Die Quellen der Treibhausgase:  Der Anteil der einzelnen Sektoren

Die Quellen der Treibhausgase: Anteil der einzelnen Sektoren an den
gesamten Treibhausgas-Emissionen in Kohlendioxid-Äquivalent.
Daten aus 2004 Abbildung aus dem >> 4. UN-Klimareport 2007,
Syntheseband, eigene Übersetzung.

Die historische Verantwortung für die Treibhausgase, die sich heute in der Atmosphäre befinden, wird deutlich, wenn wir uns die angesammelten Emissionen einzelner Länder für den Zeitraum von 1880 bis 2004 ansehen. In der folgenden Abbildung ist diese zur Verdeutlichung als Pro-Kopf-Emissionen dargestellt, die Größe des Rechtecks zeigt die Gesamtemissionen des Landes:

Kumulierte Treibhausgasemissionen der einzelnen Länder

Kumulierte Treibhausgasemissionen 1880 bis 2004 der einzelnen Länder. Abbildung aus David JC MacKay: Sustainable Energy - without the hot air, Seite 14. Lizenz: >> cc 2.0. .

Allem Wissen über die Rolle, die die Treibhausgase bei der Erderwärmung spielen, und allen politischen Willenserklärungen zum Trotz nehmen die Emissionen an Treibhausgasen bisher ungebrochen zu:

Anstieg der vom Menschen verursachten Emissionen von Treibhausgasen

Anstieg der vom Menschen verursachten Emissionen von Treibhausgasen in Milliarden Tonnen Kohlendioxid-Äquivalent (>> hier) pro Jahr. Zur Bedeutung der Farben siehe die Abbildung >> oben. Abbildung aus dem >> 4. UN-Klimareport 2007, Syntheseband, eigene Übersetzung.

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© Jürgen Paeger 2006 - 2012

Kohlendioxid

Kohlendioxid. Abb. von Jacek FH, aus >> wikipedia, abgerufen  17.8.2010. Lizenz: >> GNU FDL 1.2

Ist Kohlendioxid wirklich das wichtigste Treibhausgas?

Manche >> “Skeptiker” behaupten, Kohlendioxid könne gar kein (relevantes) Treibhausgas sein, dafür sei seine Konzentration in der Atmosphäre viel zu gering. Abgesehen davon, dass wir von Milliarden Tonnen reden, die jedes Jahr freigesetzt werden: Die Wärmeabsorption durch Kohlendioxid ist ja durch Messungen nachgewiesen. Aber tatsächlich erklärt diese die Auswirkungen von Kohlendioxid nicht alleine (die Zunahme der Erdtemperatur bei einer Verdoppelung der Kohlendioxid-Konzentration betrüge "nur" ein Grad Celsius): Die durch Kohlendioxid ausgelöste Erwärmung erhöht auch die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf, und dies ist ebenfalls ein Treibhausgas (>> hier). Der steigende Gehalt an Wasserdampf verstärkt die Wirkung von Kohlendioxid, ist aber eben nicht unabhängig von dieser und wird daher dem Kohlendioxid zugerechnet. Mit dem Wasserdampf beginnen aber die Unsicherheiten: Wasserdampf etwa kann Wolken bilden, die die Temperatur je nach Höhe und Form weiter ansteigen, aber auch senken können. Die Auswirkungen komplexer Rückkoppelungen (>> mehr) sorgen für Unsicherheit beim genauen Ausmaß der Temperaturerhöhung, die eine Verdoppelung der Kohlendioxid-Konzentration auslösen würde (>> hier), ändern aber nichts an der Bedeutung des Kohlendioxids als eigentliche zentrale Ursache des aktuellen Klimawandels.