Methan: Atmosphärische Konzentration

Nach Kohlendioxid ist Methan das zweitwichtigste Treibhausgas. Die starke Wachstumsrate der letzten 10 Jahre und die schwächere Zunahme der CO2-Konzentration haben die relative Bedeutung von Methan für den anthropogenen Treibhauseffekt erhöht.

Methan: Atmosphärische Konzentration

Änderungen der atmosphärischen Methan-Konzentration in den letzten 640 000 Jahren

Abb. 1: Änderungen der atmosphärischen CH4-Konzentration in den letzten 640 000 Jahren sowie Schwankungen von Deuterium als Proxy (Stellvertreterdaten) für Temperatur im arktischen Eis.B1

Während der letzten 650 000 Jahre schwankte die Methankonzentration der Atmosphäre zwischen 400 und 700 ppb. Seit Beginn der Industrialisierung um ca. 1750 hat sich die Methankonzentration von ca. 722 ppb auf ca. 1803 ppb im Jahre 2011 mehr als verdoppelt.1 Der aktuelle Wert ist in den letzten 650 000 Jahren beispiellos. In der Nacheiszeit, dem Holozän, schwankte die atmosphärische Konzentration von Methan zwischen 600 und 700 ppm. Vom Letzten Glazialen Maximum (LGM) bis zum frühen Holozän verdoppelte sich der Methangehalt nahezu auf ca. 700 ppb. Er nahm anschließend bis 5000 v.h. auf ca. 600 ppb ab, um dann jedoch wieder auf ca. 700 ppb anzusteigen.1a Die Ursache für den leichten Rückgang im mittleren Holozän wird in einer orbitalen Abkühlung und deren Folgen für den tropischen Monsun gesehen, die für den erneuten Anstieg ab 5000 v.h. ist umstritten. Einige Forscher sehen den Grund im Beginn des Reisanbaus auf bewässerten Feldern in China und Indien sowie in der beginnenden Viehzucht in Nordafrika und im Nahen Osten. Nach anderen Untersuchungen könnten auch natürliche Prozesse die Ursache sein.1b

Während frühere Daten aus in Eis oder Firn eingeschlossenen Luftbläschen stammen, wird die Methankonzentration seit 1983 direkt in der Atmosphäre und global repräsentativ gemessen. In dieser Zeit ist die Methankonzentration noch einmal um 30% angestiegen. Die Wachstumsrate der Methanzunahmen ist allerdings seit den frühen 1980er Jahren bis 2005 auf nahezu Null zurückgegangen. Dieser Rückgang ist in der Forschung bis heute nicht hinreichend verstanden. Die Hypothesen reichen von einer geringeren anthropogenen Emission bis zu Veränderungen in den Senken. Bei der wichtigsten Senke, der Reaktion mit dem Hydroxyl-Radikal OH, lassen sich allerdings keine nennenswerten Änderungen nachweisen. Der Rückgang der anthropogenen Emission kann zum einen durch den wirtschaftlichen Zusammenbruch der früheren Sowjetunion erklärt werden. Aber auch Änderungen in den Methoden des Reisanbaus, besonders in China, bei dem neue Sorten weniger lange Bewässerungszeiten erfordern, kommen in Frage. Hinzu kommen möglicherweise längere Trockenperioden in den nördlichen Feuchtgebieten.2

Auffällig an der Wachstumsrate der Methankonzentration sind die starken jährlichen Schwankungen. Für einige dieser Schwankungen in den letzten 25 Jahren sind Erklärungen versucht worden. So ist der Abfall der Wachstumsrate im Jahre 1992 mit dem Ausbruch des Mt. Pinatubo in Verbindung gebracht worden. Bei dem Vulkanausbruch sind große Mengen an Aerosolen und Schwefeldioxid in die untere Stratosphäre geschleudert worden, die die photochemischen Prozesse und die Entfernung von CH4 durch OH negativ beeinflusst haben sollen. Möglicherweise waren auch durch die geringeren Temperaturen und Niederschläge infolge des Pinatubo-Ausbruchs die Emissionen aus Feuchtgebieten reduziert. Umgekehrt hat die deutliche Zunahme der Wachstumsrate 1998 nach Ansicht mancher Forscher mit der Erwärmung durch den El Niño 1997/98 zu tun, die die Emission aus Feuchtgebieten und die Verbrennung von Biomasse in der borealen Klimazone gefördert haben könnte.3

Globale monatliche Methan-Konzentration 1983-2020
Abb. 2:
Methankonzentration 1987-2017B2

Im Jahre 2007 gab es jedoch eine erneute Wende in der Entwicklung der Methankonzentration (s. Abb. 2). Der Methananteil in der Atmosphäre stieg wieder an und erreichte im Oktober 2018 einen Wert von 1890 ppb. Die durchschnittliche Steigerungsrate lag in den 2010er Jahren zumeist bei über 5 ppb, 2020 sogar bei fast 20 ppb.5 Die Gründe sind nicht endgültig geklärt. In Frage kommen zunehmende Emissionen aus der wachsenden Energieproduktion in China und Indien, landwirtschaftliche Quellen (Viehzucht und Reisanbau) oder stärkere Emissionen aus tropischen Feuchtgebieten. Ebenso könnte die verstärkte Schiefergas-Produktion in den USA eine Teilursache sein. Die OH-Senke spielte offensichtlich keine Rolle.6 Nach Turner et al. (2017) könnte sich aber auch die Methan-Senke durch die Reaktion mit OH aufgrund eines Rückgangs der OH-Konzentration verringert haben,7 wobei hier wie aber auch bei anderen Prozessen der Klimawandel eine verstärkende Rolle gespielt haben könnte.8 Die Unsicherheit in dieser Frage ist im Wesentlichen durch das Fehlen von Daten bedingt.

Der gegenwärtige Methananstieg und die Ungeklärtheit seiner Ursachen stellt für die Klimaziele von Paris 2015, wo sich die Weltgemeinschaft eine Begrenzung der globalen Erwärmung auf 2 °C, möglichst sogar auf 1,5 °C, zum Ziel gesetzt hat, ein erhebliches Problem dar. Um diese Ziele zu erreichen, ist eine sehr schnelle Reduzierung der Methanemissionen grundlegend. So sollte nach dem Szenario RCP2.6, das das 2°C-Ziel ermöglichen könnte, bei Methan eine Reduktion um 500 ppb gegenüber dem Ausgangswert von 2005 (1754 ppb) bis 2100 erreicht werden. 2018 lag der Wert jedoch schon 100 ppb über der Projektion des RCP2.6-Szenarios für dieses Jahr. Ein weiteres Problem besteht darin, dass nach neuerer Forschung Methan nicht 25, sondern 32 Mal so klimawirksam ist wie CO2.8

Anmerkungen:
1. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.2.1.1.2
1.a IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure 6.6
1.b. Ruddiman, W.F. (2007): The early anthropogenic hypothesis: challenges and responses. Reviews of Geophysics 45:RG4001; IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 6.2.2.2
2. Heimann, M. (2011): Enigma of the recent methane budget, Nature 476, 157-158; IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 6.3.3.1
3. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.3.2
5. NOAA Global Monitoring Laborytory (2021): Trends in Atmosperic Methane, https://gml.noaa.gov/ccgg/trends_ch4/  
6. Jia, G.,et al. - IPCC (2019): Climate Change and Land, 2.3.2
7. Turner, A.J., Frankenberg, C., Wennberg, P.O. and Jacob, D.J. (2017) Ambiguity in the causes for decadal trends in atmospheric methane and hydroxyl. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 114, 5367–5372. doi/10.1073/pnas.1616020114
8. Nisbet, E.G., et al. (2019): Very strong atmospheric methane growth in the four years 2014 - 2017: Implications for the Paris Agreement, Global Biogeochemical Cycles, https://doi.org/10.1029/2018GB006009 (Accepted Article)

Bildquellen:
B1. Eigene Darstellung nach Spahni, R., et al. (2005): Atmospheric methane and nitrous oxide of the late Pleistocene from Antarctic ice cores. Science, 310, 1317-1321; und IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure TS.1
B2. NOAA Earth System Research Laboratory (2021): Trends in Atmospheric Methane; Lizenz: NOAA public domain