Treibhausgase

Kohlendioxid in der frühen Atmosphäre

Wie die Temperatur so unterlag auch der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre im Laufe der Erdgeschichte starken Schwankungen. Die Uratmosphäre vor ca. 4 Milliarden Jahren besaß keinen Sauerstoff, dafür aber einen sehr hohen Gehalt an Kohlendioxid, Wasserdampf und Methan. Obwohl die Sonneneinstrahlung zu dieser Zeit um 25-30% schwächer war als heute, herrschten durch die hohe Treibhausgaskonzentration globale Durchschnittstemperaturen von über 50 ^oC. In dem durch Abkühlung allmählich entstehenden Urozean wurde aus der Atmosphäre CO₂ gelöst und in Sedimenten gebunden. Ebenso wurde CO₂ durch Verwitterung von Gesteinen an Land aus der Atmosphäre gebunden und in Sedimenten ebenfalls dem Ozean zugeführt. Später kam die Entwicklung der Vegetation hinzu, die durch Photosynthese Kohlendioxid aus der Atmosphäre entnahm. Die Folge war eine zunehmende Abkühlung der Atmosphäre. Die Sedimente gerieten jedoch teilweise ins Erdinnere und wurden aufgeschmolzen. Durch Vulkanismus wurde das Kohlendioxid dann z.T. wieder der Atmosphäre zugeführt, woraus eine erneute Erwärmung folgte. Dieser Kohlendioxidregelkreis sorgte im Laufe der Erdgeschichte dafür, dass die Temperaturen der Erde nicht in ein Extrem abdrifteten, sondern zwischen sehr warmen Phasen von bis zu 50 ^oC und sehr kalten Phasen, in denen die Erde weitgehend vereist war, variierten.¹

Über die letzten 500 Millionen Jahre liegen über diese Schwankungen etwas bessere Informationen vor. In den ersten 100 Millionen Jahren dieses Zeitraums lag der CO₂-Gehalt zwischen 4000 und 6000 ppm (heute 385 ppm). Dann folgte eine Phase mit ähnlich niedrigen CO₂-Werten wie heute und einer Eisbedeckung fast bis zum 30. Breitengrad. Zwischen 100 und 250 Millionen Jahren vh. lag der CO₂-Gehalt wieder über 1000 ppm. Es war die Zeit der Dinosaurier mit um 8 Grad wärmeren Temperaturen als heute.

Kohlendioxid im Känozoikum

In den letzten 65 Millionen Jahren, dem Känozoikum (Erdneuzeit), hat der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre dann die Entwicklung genommen, die zu den heutigen Klimaverhältnissen führte. In den ersten 30 Millionen Jahren lag er bei etwa 1000 ppm, wobei er um 50 Millionen Jahre vh. sogar den Wert von 1500 ppm überschritt. In dieser ersten Hälfte des Känozoikums war die Erde noch eisfrei. Ab etwa 35 Millionen Jahren vh. zeigt sich eine tendenzielle Abnahme der CO₂-Konzentration bis auf schließlich ca. 300 ppm, womit vor etwa 35 Millionen Jahren die Vereisung der Antarktis und vor etwa zweieinhalb Millionen Jahren das gegenwärtige Eiszeitalter eingeleitet wurden.³

 

Abb. 1: Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in den letzten 60 Millionen Jahren^B1

Der Hauptgrund für die Änderungen des CO₂-Gehaltes im Känozoikums wird in Bewegungen der afrikanischen und indischen Platte gesehen. Sie haben zunächst zu den starken Gebirgsauffaltungen der Alpen und des Himalaya und damit zu intensiver vulkanischer Aktivität geführt. Nach der Heraushebung vor allem des Himalaya und des tibetischen Plateaus verbrauchten starke chemische Verwitterungsprozesse sehr viel atmosphärisches Kohlendioxid, das mit den Sedimenten dem Meer zugeführt und über lange Zeiträume dem Kohlenstoffkreislauf entzogen wurde.

Für die klimatische Entwicklung des Känozoikums hin zu einer erneuten Vereisung wird der CO₂-Gehalt der Atmosphäre als der dominierende Faktor angesehen. Andere Antriebe wie die Sonneneinstrahlung oder die Änderung von Meeresströmungen haben nur eine sehr untergeordnete Rolle gespielt. Die Sonneneinstrahlung hat im Känozoikum sogar um 0,4% zugenommen, was aber nur einem Strahlungsantrieb von +1 W/m² entsprach - gegenüber einem negativen Antrieb von -10 W/m² durch den abnehmenden Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre.

Kohlendioxid im Eiszeitalter

Abb. 2: Änderungen der atmosphärischen CO₂-Konzentration in den letzten 640 000 Jahren sowie Schwankungen von Deuterium als Proxy (Stellvertreterdaten) für Temperatur im arktischen Eis. Auffällig sind die parallele Entwicklung beider Werte sowie der steile Anstieg des CO₂-Gehalts seit Beginn der Industrialisierung, der mit aktuell (2008) 385 ppm alle Werte der vergangenen 640 000 Jahre, die auch in früheren Warmzeiten 300 ppm nicht überschritten, deutlich übertrifft und wahrscheinlich sogar höher ist als je in den letzten 10 Millionen Jahren (s. Abb. 1).^B2

Noch bessere Informationen über den CO₂-Gehalt der Atmosphäre gibt es über die vergangenen 740 000 Jahre von Eisbohrkernen aus der Antarktis, die auch besonders gut die Korrelation zwischen Temperatur und Kohlendioxidkonzentration belegen. Diese Zeit umfasst knapp die letzte Hälfte des so genannten Eiszeitalters, das durch fast regelmäßige Schwankungen zwischen Warm- und Kaltzeiten charakterisiert ist. Grundlegende Ursache für diese Schwankungen sind Änderungen in den Parametern der Erdbahn um die Sonne. Die hierdurch bedingten zunächst relativ geringen Einflüsse auf den Strahlungshaushalt der Erde werden jedoch durch Änderungen der Albedo und der atmosphärischen Konzentration der Treibhausgase, vor allem des Kohlendioxids, erheblich verstärkt. So führt eine Verringerung der Sonneneinstrahlung zur Bildung von Eis- und Schneeflächen, die einfallende Sonnenstrahlen reflektieren und damit die eingeleitete Abkühlung verstärken. Außerdem reduziert sich durch die anfängliche Abkühlung die CO₂-Konzentration (und die anderer Treibhausgase) in der Atmosphäre. Die primäre Ursache dafür liegt in der größeren Aufnahmefähigkeit von CO₂ durch den kälteren Ozean. Erst durch die höhere Albedo und die geringere CO₂-Konzentration werden also die anfänglich nur gering fallenden Temperaturen um mehrere Grad gesenkt und eine neue Eiszeit beginnt. Umgekehrt läuft der Prozess zu Beginn einer neuen Warmzeit: Schmelzendes Eis verringert die globale Albedo, und der höhere CO₂-Gehalt, der primär aus der CO₂-Abgabe des sich erwärmenden Ozeans stammt, erwärmt die Atmosphäre.

Atmosphärischer Kohlendioxid und globale Temperatur beeinflussen sich wechselseitig. Eine verringerte globale Temperatur senkt den CO₂-Gehalt, und ein niedrigerer CO₂-Gehalt führt zu einer noch stärkeren Temperaturabsenkung. Der CO₂-Gehalt bewegt sich dabei in einer Spanne zwischen 180 und 300 ppm. Die gegenwärtige Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre liegt jenseits der eiszeitlichen Schwankungen und lässt sich nicht aus einer vorhergegangenen Erwärmung ableiten. Sie ist eine Folge anthropogener Emissionen und für die aktuelle Erwärmung verantwortlich.

Die CO₂-Konzentration seit der Industrialisierung

Abb. 3: Die atmosphärische Konzentration von Kohlendioxid vom Beginn der Zeitrechnung bis zum Jahre 2007. Im eingefügten Kästchen die Konzentrations- und Emissionsentwicklung seit 1970.^B3 

Seit Beginn der Industrialisierung greift der Mensch in den natürlichen Kreislauf ein, indem er in immer stärkerem Maße fossile Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle, in denen Kohlendioxid über viele Hunderte von Millionen Jahren dem natürlichen Kreislauf entzogen war, verbrennt und damit die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre erhöht. Hinzu kommt die direkte Zerstörung von Vegetation durch Landnutzungsänderungen bzw. Zerstörung von Wäldern, durch die ebenfalls CO₂ frei wird. Seit Beginn der Zeitrechnung bis zum Beginn der Industrialisierung schwankte die atmosphärische Konzentration von Kohlendioxid nur geringfügig zwischen 275 und 285 ppm. Während des industriellen Zeitalters hat die atmosphärische Konzentration von Kohlendioxid um ca. 36% von 280 ppm auf 385 ppm im Jahre 2007 zugenommen. Für die ersten 50 ppm der CO₂-Erhöhung waren über 200 Jahre nötig, die nächsten 55 ppm wurden dagegen in nur noch 30 Jahren erreicht.⁴

Die aktuelle Kohlendioxidentwicklung

Seit etwa 2000 zeigt die Wachstumsrate der CO₂-Konzentration eine erneute Steigerung. Während sie in den 1990er Jahren bei nur 1,49 ppm/Jahr lag, beträgt sie im Zeitraum 2000-2006 schon 1,93 ppm pro Jahr.⁵ 2005 bis 2007 lag die Steigerung sogar bei 2,4 ppm/Jahr, sank dann aber 2008 auf 1,8 ppm.^5a Inzwischen ist die Wachstumsrate wieder angestiegen und lag von 2009 auf 2010 bei 2,4 ppm/Jahr, wodurch die Konzentration auf mehr als 390 ppm kletterte.^5b

Abb. 4: Die Kohlendioxid-Konzentration am Mauna Loa 2010-2021^B4

Die Ursachen liegen einerseits in höheren Emissionen, andererseits - und das ist neu - in der abnehmenden Effizienz der Senken, vor allem des Ozeans. Von 1850 bis 2006 wurden durch die Verbrennung von fossiler Energie 330 GtC in die Atmosphäre entlassen, hinzu kamen 156 GtC durch Veränderungen der Landnutzung, hauptsächlich durch Waldvernichtung. Besonders stark haben die Emissionen sich in den letzten Jahren entwickelt. Während die Wachstumsrate der anthropogenen Emissionen in den 1990er Jahren noch 1,3% pro Jahr betrug, lag sie im Zeitraum 2000-2006 um fast das Dreifache höher bei 3,3%. Die gesamten anthropogenen Emissionen betrugen 2000 noch 8,4 GtC, im Jahre 2006 aber schon 9,9 GtC. Das ist ein jährliches Wachstum von 2,9% - verglichen mit 0,7% in den 1990ern. Im Mittel betrugen die Emissionen 2000-2006 9,1 GtC jährlich, davon 7,6 GtC aus Verbrennung fossiler Energierohstoffe und 1,5 GtC aus veränderter Landnutzung.⁶

Abb. 5: Die Änderung der CO2-Emissionen durch Änderung der Landnutzung, Verbrennung fossiler Energien, Zementproduktion u.a. (oben links) sowie die Veränderung der CO2-Senkenanteile der Atmosphäre (oben rechts), der Landvegetation (unten links) und des Ozeans (unten rechts). Der Senkenanteil des Ozeans nimmt deutlich ab.^B5/6a

Auffällig ist nun, dass der Anteil, den die Atmosphäre von den anthropogenen Emissionen in den letzten Jahrzehnten aufgenommen hat, zugenommen, während der ozeanische Anteil deutlich abgenommen hat. Ein wichtiger Grund dafür wird in der Verstärkung der zirkumpolaren Westwinde rund um die Antarktis gesehen, die CO₂-reiches Wasser aus tieferen Ozeanschichten an die Oberfläche transportieren, wo das Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben werden kann. Da diese Verstärkung hauptsächlich auf das Ozonloch über der Antarktis zurückgeführt wird, könnte die Abschwächung der CO₂-Aufnahme eine vorübergehende Erscheinung sein.⁷

Das zusätzliche Kohlendioxid ist anthropogen

Es gibt mehrere Belege dafür, dass der Anstieg der CO₂-Konzentration in den letzten 200 Jahren ursächlich auf anthropogene CO₂-Emissionen zurückzuführen ist. Zum einen ist es die erwähnte Geschwindigkeit des Anstiegs nach 1800. Zweitens weist der wachsende Unterschied zwischen dem Konzentrationsanstieg auf der Nord- und auf der Südhalbkugel auf eine zunehmende CO₂-Quelle in der Nordhemisphäre, wo tatsächlich ca. 90% aller CO₂-Emissionen erfolgen. Drittens folgt die Zunahme der CO₂-Konzentration sehr genau dem Anstieg der fossilen Emissionen. Die Emissionen der 1980er Jahre lagen bei 5,46 Gt C pro Jahr, die der 1990er Jahre schon bei 6,3 Gt C pro Jahr. Viertens zeigt die mit der CO₂-Zunahme einhergehende Abnahme von O₂-Molekülen in der Atmosphäre, dass die Ursache hauptsächlich in der Oxidation von organischem Kohlenstoff durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern und durch die Waldvernichtung liegen. Ein letzter Hinweis liegt schließlich in der Veränderung der isotopischen Zusammensetzung des atmosphärischen Kohlenstoffs, d.h. in der beobachteten Abnahme der Isotopenverhältnisse von ¹³C zu ¹²C und ¹⁴C zu C. Der Grund liegt darin, dass fossiles CO₂ im Vergleich zum atmosphärischen Kohlendioxid ein kleineres ¹³C/¹²C-Verhältnis besitzt und keinen Radiokohlenstoff (¹⁴C) enthält.

Anmerkungen:
1.  W. Oschmann: Vier Milliarden Jahre Klimageschichte im Überblick, in: DWD Klimastatusbericht 2003
2.  ppm (Teile pro Millionen) bezieht sich auf das Verhältnis der Anzahl von Treibhausgasmolekülen zur Gesamtzahl der Moleküle in trockener Luft.
3.  Hansen, J. et al. (2008): Target Atmospheric CO2: Where Should Humanity Aim?
4. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.3.1
5. Josep G. Canadell et al. (2007): Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 10.1073/pnas.0702737104
5a. Le Quéré, C., et al. (2009): Trends in the sources and sinks of carbon dioxide, Nature Geoscience 2, 831-836 (einschließlich Supplementary Information)
5b. NOAA Earth System Research Laboratory: Trends in Atmospheric Carbon Dioxide
6a. Eigene Darstellung nach Josep G. Canadell et al. (2007): Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 10.1073/pnas.0702737104
6. Josep G. Canadell et al. (2007): Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 10.1073/pnas.0702737104 , ähnlich IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 7.3.2
7. Baker, D.F. (2007): Reassessing Carbon Sinks, Science 22 June, Vol. 316, 1708-1709

Bildquellen:
B1. Verändert nach Hansen, J. et al. (2008): Target Atmospheric CO2: Where Should Humanity Aim?
B2.  Verändert nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure TS.1
B3. Abb. neu gezeichnet nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure 2.3 und FAQ 2.1, Figure 1