Treibhausgase

Konzentration und Treibhauswirkung 

Abb. 1: Atmosphärische globale Konzentration von Distickstoffoxid (N2O) 1977-2019 ^B1

Distickstoffoxid besitzt gegenwärtig eine Verweilzeit in der Atmosphäre von 116 Jahren.¹ Wie Kohlendioxid kommt es daher in der unteren Atmosphäre überall gut durchmischt vor. Eisbohrkerndaten der letzten 2000 Jahre zeigen, dass sich vor der Industrialisierung der N₂O-Gehalt der Atmosphäre in den letzten Jahrtausenden, wahrscheinlich im gesamten Holozän, kaum verändert hat. Von 1750 bis 2017 dagegen ist die Konzentration von 270 ppb auf 330 ppb um 22 % angestiegen.² Die Wachstumsrate der atmosphärischen Konzentration lag in den letzten Jahrzehnten nahezu linear bei 0,8 ppb/Jahr. Der Strahlungsantrieb beträgt +0.16 W/m², womit Distickstoffoxid nach CO₂, CH₄ und den FCKWs das viertwichtigste, rechnet man die FCKWs einzeln (mit CFC-12 als wichtigstem FCKW) sogar das drittwichtigste langlebige Treibhausgas ist.³ Die hohe Treibhauswirkung von N₂O liegt zum einen an der langen atmosphärischen Verweilzeit, zum anderen aber hat das N₂O-Molekül eine etwa 300mal größere Strahlungseffizienz als ein CO₂-Molekül.

Quellen und Senken

Distickstoffoxid besitzt wie Kohlendioxid und Methan sowohl natürliche als auch anthropogene Quellen. Der in die Atmosphäre gelangende Stickstoff verbindet sich hier mit Sauerstoff zu N₂O bzw. Distickstoffoxid oder Lachgas.

Die gesamten Emissionen werden für die 1990er Jahre auf 17,5 Tg pro Jahr geschätzt.⁴ Davon entfallen etwa 57 % auf natürliche Quellen wie den Ozean und Böden (insbesondere der tropischen Zone) und 43 % auf anthropogene Quellen wie landwirtschaftlich genutzte Böden und die industrielle Produktion.¹ Die wichtigste Ursache der Zunahme an Lachgas im industriellen Zeitalter ist die Ausbreitung und verstärkte Düngung der landwirtschaftlichen Flächen, denn Stickstoff ist das wesentliche chemische Element in Düngemitteln. Zweidrittel der anthropogenen N₂O-Emissionen entstammen der Landwirtschaft. Die direkten Emissionen aus dem Boden gehen hauptsächlich auf mineralische Düngemittel und Gülle zurück. Dabei werden die Böden stark überdüngt, da nach Schätzungen die Pflanzen weltweit nur 50 % des ausgebrachten Düngers aufnehmen.² Die so gedüngten Pflanzen werden nach ihrem Absterben von Kleinstlebewesen zersetzt, wodurch N₂O entsteht und aus dem Boden in die Atmosphäre entweicht. Eine Zunahme der Emissionen ist jedoch auch aus natürlich genutzten Böden zu verzeichnen. Die Ursache wird im vermehrten Eintrag von Stickstoff aus der Luft gesehen. Außerdem wird die N₂O-Emission durch Temperatur und Bodenfeuchte geregelt und reagiert damit auch auf klimatische Veränderungen. Industrielle Quellen für N₂O sind die Nylon-Produktion, die Salpetersäure-Produktion und die Verbrennung fossiler Rohstoffe.

In den letzten Jahrzehnten sind die Stickstoffemissionen in Europa und Russland zurückgegangen, in Europa durch eine erfolgreiche Eindämmung der übermäßigen Düngung, in Russland durch den Zusammenbruch des sozialistischen Landwirtschaftssystems. So haben z.B. die N2O-Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden in Europa zwischen 1990 und 2010 um 21% abgenommen. In den übrigen Regionen haben die Stickstoff-Emissionen jedoch zwischen 1980 und 2016 zugenommen, besonders in Ostasien mit 34% sowie Südasien und Afrika mit 18 %. Nach Staaten haben besonders Brasilien, China und Indien zu den wachsenden N2O-Emissionen beigetragen, besonders durch den zunehmenden Düngemittelgebrauch sowie Dung und Gülle aus der Viehzucht.¹

Eine bedeutende natürliche Quelle sind küstennahe Ozeane, in denen aufsteigende Strömungen Nährstoffe an die Oberfläche transportieren. Auch auf Kontinentalschelfen und in Ästuaren und Flüssen ist dies meist der Fall. All diese Gebiete emittieren zwischen 0,3 und 6,6 Millionen Tonnen Stickstoff im Jahr, was 7-61% der ozeanischen Quellen ausmacht. Daran ist zu sehen, dass die Abschätzungen der Emissionen für einzelne Prozesse extrem unsicher sind. Dies gilt auch für die natürlichen Quellen an Land. Der größte Anteil davon ist den Tropen zuzuschreiben, was sich aus den Konzentrationsverteilungen in der Atmosphäre ableiten lässt. Die geographische Verteilung der Quellen ist jedoch uneinheitlich und unsicher. Es wird z. B. vermutet, dass ganze 10 % der totalen weltweiten Emissionen aus brasilianischen Waldböden stammen. Deforestation kann dazu beitragen, dass solche Emissionen anfangs noch steigen, auch wenn sie nach einiger Zeit wieder sinken (vorausgesetzt, dass dann keine Landwirtschaft betrieben wird, wie es jedoch oft der Fall ist).

Weiterhin ist die Bilanz der Quellen und Senken deshalb unsicher, weil die Austauschrate von Luftmassen zwischen Troposphäre und Stratosphäre (wodurch N₂O-arme Luft heruntergemischt wird) schlecht bekannt ist. Da die leichteren Stickstoffisotope in der Stratosphäre schneller vernichtet werden, ist es immerhin möglich, aus Isotopenmessungen Rückschlüsse auf Quellen und Senken zu ziehen. Die Senken von Distickstoffoxid sind spärlich, es wird fast ausschließlich in der Stratosphäre durch Photolyse bzw. durch die Reaktion mit atomarem Sauerstoff abgebaut. Daraus erklärt sich auch die lange atmosphärische Verweilzeit (Lebensdauer).

Anmerkungen:
1. Tian, H., Xu, R., Canadell, J.G. et al. (2020): A comprehensive quantification of global nitrous oxide sources and sinks. Nature 586, 248–256
2. IPCC (2019): Climate Change and Land, 2.3.3
3. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.2.1.1.3
4. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 6.3.4
5. WMO Greenhouse Gas Bulletin (GHG Bulletin) - No. 15 (2019): The State of Greenhouse Gases in the Atmosphere Based on Global Observations through 2018; Lizenz: Reproduction of short excerpts of WMO materials, figures and photographs on this website is authorized free of charge and without formal written permission provided that the original source is acknowledged; https://public.wmo.int/en/copyright

Bildquellen:
B1. NOAA Earth System Research Laboratory (2019): Nitrous Oxide (N2O) – Combined Data Set; Lizenz: public domain