Der anthropogene Treibhauseffekt

Der Anthropogene Treibhauseffekt wird durch die vom Menschen emittierten Treibhausgase verursacht. Mit einer Ausnahme gibt es diese Gase bereits in der Natur. Diese Ausnahme sind die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, eine Molekülverbindung, die erst vom Menschen neu entwickelt wurde.

Der anthropogene Treibhauseffekt

Seit Beginn des Industriezeitalters beeinflusst der Mensch die klimatische Wirksamkeit der Atmosphäre durch einen zusätzlichen Treibhauseffekt. Durch unterschiedliche menschliche Aktivitäten wird einerseits die Konzentration der natürlichen Treibhausgase wie Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid usw. erhöht, andererseits werden mit den Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW's) neue Treibhausgase in die Atmosphäre emittiert. Die Wirksamkeit der anthropogenen Beiträge hängt u.a. davon ab, wie stark die jeweiligen Absorptionsbanden durch die Wirkung der natürlichen Treibhausgase bereits gesättigt sind.

Da eine Temperaturerhöhung auch zu einer höheren Verdunstung führt, erhöht sich durch die menschliche Klimabeeinflussung auch der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Die Temperaturwirksamkeit des zusätzlichen Wasserdampfes ist jedoch relativ gering, da die Absorptionsbanden von Wasserdampf nahezu gesättigt sind. Einen etwas größeren Temperatureffekt hat die Erhöhung des CO2-Gehalts durch die Verbrennung von fossilen Energierohstoffen und Veränderungen in der Landnutzung. Aber auch hier sind die Absorptionsbanden durch das natürliche Kohlendioxid weitgehend gesättigt, und nur die gewaltige Menge an anthropogener CO2-Zufuhr von rund 36 Milliarden Tonnen pro Jahr (2015) bewirkt, dass CO2 für weit über die Hälfte des anthropogenen Treibhauseffekts verantwortlich ist.

Langlebige anthropogene Treibhausgase
Tab. 1:
Langlebige anthropogene Treibhausgase1

Bei den übrigen anthropogenen Treibhausgasen sind die natürlichen Absorptionsbanden dagegen nur bis zu einem geringen Grad bzw. (bei den FCKW's) gar nicht gesättigt. Die Folge ist, daß ein zusätzliches Molekül dieser Gase eine wesentliche höhere Treibhauswirkung hat als ein zusätzliches CO2-Molekül. So besitzt etwa ein Methan-Molekül das 25fache und ein FCKW12-Molekül das 5200fache Treibhauspotentials eines CO2-Moleküls.

Von großer Bedeutung für die Treibhauswirkung ist auch die Verweilzeit der emittierten Treibhausgase in der Atmosphäre. Das Kohlendioxid wird durch sehr unterschiedliche Prozesse, z.B. durch die Photosynthese der Pflanzen, die Lösung im Ozean oder die Aufnahme im Boden, wieder aus der Atmosphäre entfernt und besitzt daher keine mittlere Verweilzeit in der Atmosphäre. Demgegenüber wird etwa die atmosphärische Lebensdauer von Methan fast ausschließlich durch die Oxidation mit OH in der Atmosphäre kontrolliert, woraus ein mittlerer Verbleib in der Atmosphäre von 9 Jahren resultiert. Die lange Verweilzeit von Distickstoffoxid von 123 Jahren erklärt sich daraus, daß dieses Treibhausgas hauptsächlich durch Photolyse in der Stratosphäre entfernt wird.

Im Gegensatz zu den langlebigen Treibhausgasen, die Jahrzehnte und länger in der Atmosphäre verbleiben und daher auch rund um den Globus eine gute Durchmischung aufweisen, beträgt die Lebensdauer des bodennahen Ozons nur wenige Tage. Ozon entsteht durch Photo-Oxidation von Kohlenmonoxid, Methan und anderen Hydrokarbonaten unter Beteiligung von NOx und wird zerstört durch ultraviolette Photolyse und Reaktion mit OH-Radikalen. Seine Konzentration variiert daher stark, sowohl räumlich wie zeitlich. Während die anthropogen bedingte Ozon-Zunahme in der Troposphäre einen (lokalen) Erwärmungseffekt besitzt, wirkt die stratosphärische Ozonzerstörung durch anthropogene FCKW-Emission abkühlend.

Die Emissionsmenge, das relative Treibhauspotential und die atmosphärische Verweilzeit bestimmen den Anteil der einzelnen Gase am gesamten zusätzlichen Treibhauseffekt. Die seit dem vorigen Jahrhundert zu beobachtende Zunahme der Konzentration treibhauswirksamer Spurengase führt zu einer Veränderung des Strahlungsgleichgewichts der Atmosphäre und damit zu einem Klimawandel. Die Störung des Strahlungshaushalts bzw. der Strahlungsantrieb (engl. "radiative forcing") durch den anthropogenen Treibhauseffekt seit Beginn der Industrialisierung wird durch die Veränderung der Nettostrahlungsflußdichte an der Tropopause in Watt pro m2 angegeben. Die langlebigen und gleichmäßig verteilten Treibhausgase haben zu einem Strahlungsantrieb von 2,45 Wm-2 seit dem Anfang des Industriezeitalters geführt. Daran ist die Zunahme des Kohlendioxids mit 1,56 Wm-2 beteiligt, die von Methan mit 0,47 Wm-2, die von Distickstoffoxid mit 0,14 Wm-2 und mit 0,3 Wm-2 die der halogenierten Kohlenwasserstoffe (FCKW's). Der Strahlungsantrieb des troposphärischen Ozons ist wegen der ungleichen Verteilung und der Kurzlebigkeit dieses Treibhausgases nur sehr schwer zu quantifizieren und wird auf 0,2-0,6 Wm-2 geschätzt.

Mittlerer globaler und jährlicher Strahlungsantrieb durch Treibhausgase, Aerosole und Solarvariabilität
Abb. 1:
Mittlerer globaler und jährlicher Strahlungsantrieb durch Treibhausgase, Aerosole und Solarvariabilität (1750-2000) 7

Die Abnahme des O3-Gehalts in der Stratospäre hat dagegen einen negativen Strahlungsantrieb von -0,1 Wm-2. Dem anthropogenen Treibhauseffekt entgegen wirkt auch die vom Menschen verursachte Erhöhung der Aerosolkonzentration in der Atmosphäre, die ihre Ursache hauptsächlich in der Verbrennung fossiler Energierohstoffe hat und einer starken räumlichen und zeitlichen Variation unterliegt, da die anthropogen verursachten Aerosole nur für wenige Tage in der Nähe der Entstehungszentren in der Luft schweben und dann wieder absinken. Aerosole sind erstens direkt strahlungsaktiv, indem sie Sonnenlicht reflektieren, und zweitens indirekt, da sie einen Einfluß auf die Wolkenbildung besitzen. Beide Effekte, besonders der letzte, sind schwer abzuschätzen. Gegenüber den anthropogen verursachten Veränderungen der Strahlungsbilanz nimmt sich die Wirkung der Erhöhung der Solarstrahlung auf den Strahlungsantrieb von ca. 0,25 W m-2 in den letzten 100 Jahren bescheiden aus.

Anmerkungen:
1. Datenquellen:  Blunden, J., and D. S. Arndt, Eds. (2017): State of the Climate in 2016. Bull. Amer. Meteor. Soc., 98 (8), Si–S277, doi:10.1175/2017BAMSStateoftheClimate.1.; IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, Table 8.2; IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I, Technical Summary, Table TS.2
2. verändert nach IPCC, 2001: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Houghton, J.T. et al., eds), Cambridge and New York 2001, Figure 6.6.

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