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 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 (wie dieses entdeckt wurde, steht
>> hier).
Gase absorbieren Strahlung in ganz spezifischen 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:
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 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).
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.
Muss das Atmen verboten werden?
Es gibt ja Leute, die den Klimawandel bestreiten, und eines der
Argumente, mit der sie die Sorge um die Erderwärmung und vor allem
die Rolle des Kohlendioxids dabei lächerlich machen wollen, lautet,
dass die mehr als sieben Milliarden Menschen auf der Erde ja jeden
Tag zwei Milliarden Tonnen Kohlendioxid ausatmen – bevor man sich
also um die Industrieemissionen kümmere, solle man also zuerst das
Atmen verbieten.
Der Denkfehler (jedenfalls bei denen, die das Argument
nicht wider besseren Wissens nutzen) liegt darin, dass das
ausgeatmete Kohlendioxid ja aus dem Abbau von mittels Photosynthese
aufgebautem organischen Kohlenstoff stammt, der Bestandteil des
kurzfristigen >> Kohlenstoffkreislaufes
der Erde ist. Netto ändert sich durch den ausgeatmeten Kohlendioxid
daher an der Konzentration in der Erdatmosphäre nichts. Bei der
Verbrennung fossiler Brennstoffe wird dagegen Kohlenstoff
freigesetzt, der diesem Kreislauf seit geologischen Zeiten entzogen
war und daher neu in den Kreislauf eingeführt wird – und führt daher
zu einem Anstieg der Konzentration in der Atmosphäre.
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.
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.
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: 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
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 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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