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.
Anthropogene Treibhausgase und ihre Absorptionsbanden
Seit Beginn des Industriezeitalters beeinflusst der Mensch die Atmosphäre durch einen zusätzlichen Treibhauseffekt. Durch den anthropogenen, vom Menschen verursachten Treibhauseffekt wird die Strahlungsbilanz der Atmosphäre vor allem durch die Emission von Treibhausgasen verändert, die durch menschliche Aktivitäten entstehen. Dabei erhöht der Mensch mit einer Ausnahme lediglich den atmosphärischen Gehalt der bereits vorhandenen Treibhausgase wie z.B. Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid oder Lachgas (N2O) und das troposphärische Ozon (O3). Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Öl und Gas, Methan aus verschiedenen Quellen wie der Rinderhaltung, Reisfeldern, Mülldeponien und der Erdgasgewinnung, Lachgas vor allem aus der landwirtschaftlichen Düngung. Die Ausnahme sind die in Chemielaboren neu entwickelten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), eine Reihe von sehr strahlungsaktiven Treibhausgasen, die zudem noch das Ozon in der Stratosphäre, das das Leben auf der Erde vor UV-Strahlen schützt, zerstören. Deren Emissionen gehen jedoch seit den 1990er Jahren durch ein globales Abkommen zum Schutz der Ozonschicht (Montrealer Protokoll) zurück. Die Konzentration der übrigen Treibhausgase steigt dagegen seit Beginn der Industrialisierung bis heute ungebremst an und verstärkt damit zunehmend den natürlichen Treibhauseffekt.
Tab. 1: Langlebige anthropogene Treibhausgase1
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 40 Milliarden Tonnen pro Jahr2 bewirkt, dass CO2 für weit über die Hälfte des anthropogenen Treibhauseffekts verantwortlich ist.
Abb. 1: Absorption von Wärmestrahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge durch Wasserdampf (blau) und CO2 (rot). Angegeben in Prozent: 100 % bedeutet die vollständige Absorption der Wärmestrahlung.B1
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.
Verweilzeit
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 neun Jahren resultiert. Die lange Verweilzeit von Distickstoffoxid von 110 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.
Der zusätzliche Treibhauseffekt
Die Emissionsmenge, das relative Treibhauspotential und die atmosphärische Verweilzeit bestimmen den Anteil der einzelnen Gase am gesamten zusätzlichen Treibhauseffekt. Die seit Beginn der Industrialisierung 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 bis zum Jahr 2019 zu einem Strahlungsantrieb von etwa 3,0 W/m2 seit dem Anfang des Industriezeitalters geführt. Daran ist die Zunahme des Kohlendioxids mit 2,16 W/m2 beteiligt, die von Methan mit 0,54 W/m2, die von Distickstoffoxid mit 0,21 W/m2 und mit 0,4 W/m2 die der halogenierten Kohlenwasserstoffe (FCKW's), wovon FCKW 12 das wichtigste ist.3 Der Strahlungsantrieb des troposphärischen Ozons ist wegen der ungleichen Verteilung und der Kurzlebigkeit dieses Treibhausgases nur sehr schwer zu quantifizieren und wird vom Weltklimarat in seinem 6. Sachstandsbericht von 2021 auf 0,47 geschätzt W/m2 geschätzt, wobei die stratosphärische Ozonabnahme durch FCKWs einen Effekt von -0,05 W/m2 besitzt.4
Abb. 2: Mittlerer globaler und jährlicher Strahlungsantrieb durch Treibhausgase, Aerosole und Solarvariabilität (1750-2000)B2
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 oder mit dem Regen ausgewaschen werden. Aerosole sind erstens direkt strahlungsaktiv, indem sie Sonnenlicht reflektieren oder auch absorbieren, und zweitens indirekt, da sie einen Einfluss auf die Wolkenbildung besitzen. Beide Effekte, besonders der letzte, sind schwer abzuschätzen und werden vom IPCC für die Zeitspanne 1750-2019 auf zusammen -1,1 W/m2 geschätzt.5 Gegenüber den anthropogen verursachten Veränderungen der Strahlungsbilanz nimmt sich die Wirkung der Erhöhung der Solarstrahlung auf den Strahlungsantrieb von ca. 0,01 W/m2 seit dem späten 19. Jahrhundert sehr bescheiden aus.6
Anmerkungen:
1. Daten nach: IPCC (2021): Climate Change 2021, Working Group I, Table 7.5; WMO Greenhouse Gas Bulletin (2021): The State of Greenhouse Gases in the Atmosphere Based on Global Observations through 2020; NOAA Global Monitoring Laboratory (2020): The NOAA annual greenhouse gas index (AGGI)
2. Friedlingstein, P., M. O'Sullivan, M.W. Jones et al. (2020): Global Carbon Budget 2020, Earth Syst. Sci. Data, 12, 3269–3340
3. IPCC (2021): Climate Change 2021, Working Group I, Technical Summary
4. IPCC (2021): Climate Change 2021, Working Group I, Table 7.8; IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Technical Summary, TS.3.2
5. IPCC (2021): Climate Change 2021, Working Group I, 7.3.3.4
6. IPCC (2021): Climate Change 2021, Working Group I, 7.3.4.4
Bildquellen:
B1. NASA Earth Observatory (2009): Climate Forcings and Global Warming, http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/page7.php ; Lizenz: public domain
B2. 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.