Energieabsorption durch Spurengase

Gasteilchen der verschiedenen Spurengase können nun keine beliebigen Energiebeträge aufnehmen, sondern nur ganz bestimmte.

Dies ist auf molekularer Ebene nichts besonderes: auch Farbmoleküle absorbieren aus dem sichtbaren Licht nur einen ganz bestimmten Teil der Lichtwellen - was zurückbleibt, ergibt als Komplementärfarbe den Farbeindruck.

Chemiker und Physiker verwenden zur Darstellung der Energieabsorption von Molekülen Diagramme, in denen in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufgetragen ist, wie viel Energie ein Molekül bei der jeweiligen Wellenlänge einer Strahlung aufnimmt. Was herauskommt ist ein "Spektrum". In dem von uns betrachteten Fall der Absorption von infrarotem Licht handelt es sich um ein "Infrarotspektrum" (Abb. 11).

Abb. 11: IR-Absorptionsspektren verschiedener Treibhausgase

eist verwendet man in solchen Spektren zur Kennzeichnung der Energieabsorption die Größe "Durchlässigkeit", die zwischen 0 und 1 variieren kann. Durchlässigkeit "0" entspricht vollständiger Absorption der Strahlungsenergie, "1" kennzeichnet den Zustand, wo das Molekül überhaupt keine Energie aufnimmt. Beim Infrarotspektrum des Wassers erkennt man, daß es ein "Fenster" zwischen 20 und 8 mm besitzt - Wärmestrahlung mit Wellenlängen, die in diesem Bereich liegen, kann das Molekül nicht absorbieren. Von der Erde ausgehende Infrarotstrahlung mit Wellenlängen über 20 mm und unter 8 mm werden von Wasser absorbiert. Wasserdampf ist das mit Abstand wichtigste Treibhausgas und bewirkt etwa 60% des Treibhauseffektes. Durch das verbleibende "Fenster" kann Wärme in den Weltraum entweichen.

Dieses "Fenster" wird nun aber durch Moleküle wie CO₂, O₃, N₂O und CH₄ weiter geschlossen, da diese Moleküle in dem Bereich des "Wasserfensters" Energie absorbieren können (Abb. 11). Addiert man nun die Durchlässigkeiten der Moleküle, so zeigt das resultierende Bild die Bereiche an, wo Wärmeenergie noch "ungestört" ins Weltall abgegeben werden kann. Doch genau diese Stellen versperren nun die CFKW's. Dabei entfaltet jedes dieser Moleküle die über 10000fache Treibhauswirkung eines CO₂-Moleküls - CFKW's sind in der Tat die effektivsten Treibhausgase, die die Atmosphäre zu bieten hat. Ihre weitere Zunahme läßt einen besonders gravierenden Einfluß auf den durch den Menschen verursachten Treibhauseffekt erwarten - schon jetzt tragen sie trotz ihrer relativ geringen Menge von 0,001 ppm (verglichen mit CO₂ mit 300 ppm) zu etwa 20% zum anthropogenen Treibhauseffekt bei.

Ohne den durch die "natürlichen" Treibhausgase verursachten Treibhauseffekt von ca. 33 °C würde Leben in der heutigen Form auf der Erde nicht möglich sein. Es gibt jedoch inzwischen eine Fülle von Anzeichen, die darauf hinweisen, daß wir dabei sind, dieses seit Jahrmillionen bestehende Gleichgewicht nachhaltig zu stören. Durch die Emission von Gasen, die die von der Erde abgestrahlte Wärmestrahlung zu absorbieren vermögen, verstärken wir den Treibhauseffekt - mit unkalkulierbaren Folgen für den Zustand weiter Regionen unseres Planeten. Einen Überblick über die wichtigsten durch menschliche Aktivität freigesetzten Treibhausgase gibt Tabelle 9.

Tab. 9: Die wichtigsten anthropogenen Treibhausgase (Quelle: Umweltbundesamt)

In den Massenmedien liest, hört und sieht man widersprechende Berichte über die Treibhausproblematik. Während die eine Seite die massive Verschiebung von Klimazonen annimmt, mit Wassernot in Nordeuropa, bei gleichzeitigem Ansteigen des Meeresspiegels um mehrere Meter, weist die andere Seite darauf hin, daß nach einer neuen Rechnung bis zum Jahr 2015 die Temperatur in der bodennahen Atmosphäre nur um 0,3 °C steigen wird - und solche Schwankungen habe es schon immer gegeben. Wer hat Recht?

Die Klimatologen und Atmosphärenchemiker können heute sicher feststellen, daß der Gehalt der Treibhausgase in der Atmosphäre seit einiger Zeit wächst und menschliche Aktivitäten diese Zunahme verursachen. Aus dieser sicheren Feststellung kommen sie zur Annahme, daß diese Erhöhung der Gehalte an Treibhausgasen zu einer Erwärmung der unteren Luftschichten führen wird. Eine Erwärmung dieser Luftschichten ist zwar heute schon meßbar, doch beträgt sie nur etwa 0,3 °C und liegt damit gerade noch im Bereich der natürlichen Schwankungen. Solche Messungen, die über die ganze Erde hinweg eine Durchschnittstemperatur ermitteln sollen, sind außerordentlich schwierig und daher auch immer mit einer Reihe von Unsicherheitsfaktoren behaftet.

Entsprechendes gilt für theoretische Berechnungen der möglichen Klimaentwicklung auf der Grundlage der heute bekannten Größen.

Was wir weiter wissen, ist, daß eine Temperaturerhöhung um mehr als 1 °C zu einer Verschiebung von Klimazonen führen würde, mit unkalkulierbaren Auswirkungen auf die Lebensbedingungen der Lebewesen in vielen Regionen der Erde.

Alle uns heute möglichen Prognosen können die Realität nur grob und mit Mängeln abbilden - damit müssen wir leben, auf dieser Basis müssen wir beurteilen, müssen wir eine Entscheidung treffen. Einen sicheren Beweis dafür, daß die Annahme der Verstärkung des Treibhauseffektes durch die anthropogenen Emissionen von klimawirksamen Spurengasen richtig ist, ließe sich wohl erst in einem Jahrzehnt erbringen, wenn die Temperaturerhöhung den Bereich der natürlichen Schwankungen überschritten hat. Für vorsorgende Maßnahmen und eine Schadensbegrenzung dürfte es dann aber mit größter Sicherheit zu spät sein.

Als der ehemalige amerikanische Präsident Bush mit einem "We need more facts" in dieser Situation reagierte, und daher Maßnahmen zur Eindämmung der Treibhausgase nicht entschieden unterstützte, mußte er sich den Vorwurf gefallen lassen, hier ein sehr risikoreiches Spiel zu spielen. Ein Naturwissenschaftler kann mit gutem Gewissen eine solche Position nicht einnehmen: wenn sehr gut begründete Fakten dafür sprechen, daß durch menschliche Aktivitäten ein zusätzlicher Treibhauseffekt zu befürchten ist, hat er aus Vorsorge schon heute die Maßnahmen einzuleiten, mit denen ein solcher Effekt verhindert oder so klein wie möglich gehalten wird.

Was kann man tun? Die Lösung des Problems bestünde darin, daß man sämtliche anthropogen bedingten Treibhausgase auf den "natürlich gegebenen Stand" herunterfährt". Geht dies - und wenn ja, unter welchen Bedingungen?

Zur Beantwortung dieser Fragen wollen wir den Blick auf Mengen und Quellen der durch den Menschen verursachten Emissionen von klimawirksamen Spurengasen richten und danach fragen, durch welche Maßnahmen die emittierten Mengen verringert werden können. Wir betrachten dazu nacheinander die wichtigsten klimawirksamen Gase.

1. Wasserdampf - H₂O

Wie in Tabelle 8 aufgelistet, ist Wasserdampf das klimawirksamste aller Spurengase. Seine Verteilung in der Atmosphäre ist sehr unterschiedlich: der Wassergehalt in der Stratosphäre ist sehr niedrig (wenige ppm), in der Troposphäre liegt er zwischen einigen Promille über den Polen und einigen Prozenten über den feuchten Tropen. Seine Verweilzeit in den unteren Luftschichten ist dabei gering: über den Wasserkreislauf Verdunstung - Kondensation unter Wolkenbildung - Niederschlag gelangt er rasch wieder zur Erdoberfläche zurück. Der Wasserdampfgehalt in der Troposphäre wird bei Anwesenheit von Wasser in erster Linie von der herrschenden Lufttemperatur bestimmt: bei hohen Temperaturen ist wegen der größeren Verdunstungsrate und größeren Wasserdampfaufnahme der Luft der Wassergehalt größer als bei niedrigen Temperaturen.

Angesichts der gewaltigen Wassermengen, die aus Ozeanen und Böden verdunsten, ist der anthropogene Beitrag als sehr gering anzusehen. Auch wäre eine Erhöhung dieses Anteils - etwa durch konsequente Nutzung des Energieträgers Wasserstoff - wohl als unbedenklich anzusehen: durch vermehrte Regenbildung würde das zusätzliche Wasser wieder in den Kreislauf zurückgeführt.

Anders muß die Situation beurteilt werden, die sich unter "Treibhausbedingungen" und damit höherer Luftfeuchtigkeit einstellt. Hier wäre ein zusätzlicher Treibhauseffekt zu erwarten, der die Wirkung des verursachenden Gases verstärkt.

Wie sich in diesem Zusammenhang eine vermehrte Wolkenbildung in den unteren Luftschichten auswirkt, ist noch nicht in allen Einzelheiten geklärt. Man wird jedoch davon ausgehen können, daß die Wolken den Treibhauseffekt nicht verstärken, sondern sogar leicht abschwächen.

Ganz anders ist die Situation bei den hohen Wolken, die sich in der Tropopause oder der Stratosphäre bilden können, zu beurteilen. Auf Grund der dort herrschenden sehr tiefen Temperaturen gefriert der Wasserdampf sofort zu Eiskristallen, die das typische Bild der "Cirruswolken" bestimmen. Cirruswolken sind stark klimawirksam, da sie einerseits das Sonnenlicht praktisch ungehindert passieren lassen, das von der Erde zurückgestrahlte Infrarotlicht jedoch sehr effektiv absorbieren. Unter diesem Gesichtspunkt ist der Flugverkehr in Höhen über 10000 m als durchaus kritisch zu sehen, da er den Treibhauseffekt verstärkt - wenn auch zur Zeit noch in geringen Ausmaßen. Sollten jedoch bei enger werdendem Luftraum vermehrt Luftkorridore in Höhen über 10000 m eingerichtet werden, wäre zu echter Besorgnis Anlaß.

Zur Zeit geht von den anthropogenen Emissionen von Wasserdampf noch kein nennenswerter Treibhauseffekt aus.

2. Kohlenstoffdioxid - CO₂

Das Gegenteil zur obigen Feststellung gilt mit einiger Sicherheit für Kohlenstoffdioxid: hier müssen wir von einem anthropogen bedingten Beitrag dieses Gases zum Treibhauseffekt ausgehen.

Kohlenstoffdioxid ist wie Wasser ein für das Leben auf der Erde unersetzlicher Stoff. Es ist in allen Sphären anzutreffen und in einen Kreislauf gewaltigen Ausmaßes eingebunden. Er soll wegen seiner grundsätzlichen Bedeutung für das Klimageschehen in Abbildung 12 kurz skizziert werden.

Abb. 12: Kohlenstoffkreislauf

In der Atmosphäre befinden sich derzeit ca. 720 Gigatonnen Kohlenstoff als CO₂-Gas - und es werden immer mehr. Dieses Molekül entsteht bei der Verbrennung aller kohlenstoffhaltigen Verbindungen. Es ist damit das Endprodukt der Verbrennung von Holz, Kohle und Erdöl genauso wie das Respirationsprodukt der tierischen Organismen - von den Bodenorganismen bis hin zum Menschen.

Die grünen Pflanzen entziehen der Atmosphäre über die Photosynthese ca. 120 Gigatonnen Kohlenstoff:

6 CO2 + 6 H2O

C6H12O6 + 6 O2

DH > 0

Die Hälfte des Kohlenstoffs wird von den Pflanzen zur Deckung des Energiebedarfs wieder "veratmet":

C6H12O6 + 6 O2

6 CO2 + 6 H2O

DH < 0

Die verbleibenden 60 Gigatonnen werden für den Aufbau der Pflanzen verwendet und gelangen über Verwesungsprozesse durch den Abbau durch Mikroorganismen wieder in die Atmosphäre.

Nur ein ganz kleiner Teil des Kohlenstoffs (0,1 Gigatonnen/Jahr) wird der Atmosphäre entzogen und in den Sedimenten festgelegt.

Der "linke Teil" des Kohlenstoffkreislaufs in Abbildung 12 erscheint damit als geschlossen. Ähnlich ausgeglichene Verhältnisse herrschen zwischen Ozeanen und Atmosphäre. Bei Erwärmung wird CO₂ aus dem Wasser freigesetzt, das dann im Regentropfen gelöst als "Kohlensäure" wieder zurückkommt. Man geht heute davon aus, daß das Phytoplankton im Meer jährlich mehr als 50 Gigatonnen Kohlenstoff assimiliert, wobei nur ein kleiner Teil (weniger als 1%) über totes Material auf den Böden der Meere in die Sedimente übergeht.

Theoretisch ließe sich im Wasser der Ozeane wesentlich mehr CO₂ lösen als derzeit der Fall ist. Aber eben nur theoretisch: Voraussetzung hierfür wäre ein schneller Transport dieses Gases in die Tiefsee, wo es wegen des dort herrschenden höheren Druckes besser gelöst und in die Sedimente eingebunden werden könnte als in Oberflächenwässern. Doch gerade dieser Transport erfolgt nur an ganz wenigen Stellen der Ozeane mit genügend großer Geschwindigkeit, so daß die Meere zwar einen Teil des "zusätzlichen CO₂" aufzunehmen vermögen - aber weit weniger, als der Zuwachs des Gases in der Atmosphäre beträgt.

Der CO₂-Gehalt der Atmosphäre kann durch die Untersuchung von Gasblasen, die im Gletschereis eingeschlossen wurden, über mehr als hunderttausend Jahre zurückverfolgt werden. Die Analysen zeigen, daß der Gehalt an CO₂ in den Kaltzeiten der Erdgeschichte immer niedriger lagen als in den Warmzeiten.

Für die Zeit um 1750 ergibt sich ein Wert von etwa 280 ppm - das vorindustrielle Niveau. Wie die Abbildung 13 zeigt, steigt der CO₂-Gehalt der Atmosphäre etwa seit 1850 kontinuierlich an. Heute beträgt er etwa 350 ppm - mit einer jährlichen Steigerungsrate von 1 ppm.

Abb. 13: Die CO₂-Konzentration, rekonstruiert aus Bohrungen im antarktischen Eis (untere Kurve, wobei die Kreise die Messungen und die Kreuze die Unsicherheitsbereiche angeben) und direkt gemessen auf dem Mauna Loa, Hawai (Punkte rechts oben), zugehörige Monatswerte im oberen Bereich der Abb. (Quelle: Mauna Loa nach C.D Keeling)

Hervorgerufen wird dieser Anstieg durch Verbrennen von fossilen Brennstoffen (ca. 5 bis 6 Gigatonnen/Jahr) und die großflächige Brandrodung an Wäldern (bei mehr als 100000 km² jährlich ca. 1 bis 2 Gigatonnen). Dadurch werden ca. 7 Gigatonnen Kohlenstoff als CO₂ in den Kreislauf eingebracht - und von ihm offensichtlich nicht bewältigt, wie der Anstieg des CO₂-Gehaltes in der Atmosphäre zeigt.

Nach dem heutigen Stand der Kenntnisse kann davon ausgegangen werden, daß zwischen dem Anstieg der CO₂-Konzentration und einer ansteigenden Erhöhung der Durchschnittstemperatur auf der Erde ein direkter Zusammenhang besteht (vgl. Abb. 14).

Abb. 14: Die Fieberkurve des Planeten Erde

Wären etwas höhere Temperaturen denn schlimm für uns?

In Nordafrika genügt eine Temperaturerhöhung um weniger als ein halbes Grad, um die Wüstengrenzen nach Nord und Süd um mindestens 100 km auszudehnen. 0,5 Grad Erwärmung reichen aus, um die nördliche Waldgrenze um die gleiche Distanz zu verlagern. Die gleiche Temperaturerhöhung genügt auch, um die Gletscher in unseren Breiten um mindestens 200 Meter nach oben zu treiben.

3. Chlorfluorkohlenwasserstoffe - CFKW's

Auf die Bedeutung der CFKW's für einen anthropogen bedingten Anteil am Treibhauseffekt wurde schon früher eingegangen. Wir wollen es an dieser Stelle mit dem Hinweis belassen, daß ein einzelnes Molekül viel klimawirksamer ist als alle anderen bedeutsamen Spurengase, so daß trotz der relativ geringen Konzentration der CFKW's ihr Anteil am Treibhauseffekt bei ca. 20% liegt (Tab. 10).

Tab. 10: Anteile verschiedener Spurengase am Treibhauseffekt (Quelle: Umweltbundesamt)

4. Methan - CH₄

In der gleichen Größenordnung wie die der CFKW's liegt der Anteil des Methans am Treibhauseffekt. Wie kommt Methan in die Atmosphäre, wie hat sich sein Gehalt verändert?

Auch hier führt die Untersuchung "alter Gasblasen" im Eis zur Beantwortung der Frage. Die Untersuchungen belegen, daß der Methangehalt einige tausend Jahre lang mit ca. 0,7 ppm relativ konstant war, mit Beginn des 18. Jahrhunderts jedoch langsam zu steigen begann. Bis dahin hielten Produktion und Verbrauch dieses Gases sich im Gleichgewicht. Heute haben wir ca. 500 Millionen Tonnen zuviel davon in der Atmosphäre.

Methan entsteht vor allem dort, wo "anaerob" arbeitende Bakterien ohne Sauerstoff pflanzliche Substanzen abbauen: so findet sich Methan in den Gasblasen der Sümpfe genauso wie in den Mägen der Kühe, die durch permanentes "Rülpsen" täglich über 100 Liter CH₄ loswerden müssen. Doch auch in Müllhalden, Misthaufen oder dem Verdauungstrakt von Termiten wird dieses Gas produziert. Mit steigender Weltbevölkerung hat der Mensch diese "natürlichen Prozesse" auf allen Ebenen drastisch verstärkt:

• Auf einer Fläche, die fünfmal so groß ist wie die der Bundesrepublik, wird heute Reis angebaut. In den überschwemmten Reisfeldern produzieren Methanbakterien ca. 100 bis 170 Millionen Tonnen Methan.
• Die durch den Menschen gehaltenen Vieherden produzieren als Wiederkäuer ca. 70 Millionen Tonnen Methan. Dagegen macht sich der Beitrag des freilebenden Wildes (Gazellen, Gnus, Hirsche und Rehe) mit ca. 2 Millionen Tonnen direkt bescheiden aus.
• Die ständig noch wachsenden Müllhalden liefern 30 bis 70 Millionen Tonnen Methan, das nur selten aufgefangen und als Brennstoff genutzt wird.

Einen Überblick über die diversen Methanquellen gibt Tabelle 11.

Tab. 11: Schätzungen der Methanquellen in Millionen Tonnen pro Jahr

Man schätzt, daß der Anteil des Methans am Treibhauseffekt in Zukunft eher noch wachsen wird. Doch es wäre ungerecht, bei einer steigenden Weltbevölkerung die Hauptschuld hierfür den Reisbauern in Asien zuzuschieben, selbst wenn von dort der höchste Eintrag in die Atmosphäre erfolgt. Da sollten wir schon besser bei uns selbst anfangen. Die hochentwickelten Industrienationen produzieren den meisten Müll und haben den höchsten Fleischkonsum. Fleisch zu produzieren ist sehr energieaufwendig: man muß an die Tiere etwa die achtfache Menge pflanzlicher Nahrung verfüttern als man als Fleisch erhält. Oder anders ausgedrückt: Durch die "Veredlung" der pflanzlichen Nahrungsmittel zu Fleisch gehen etwa 80% der ursprünglich vorhandenen Nahrungsmittel verloren. Bei einem Verzicht auf reichlichen Fleischkonsum wären nicht nur mehr Menschen bei gleicher Anbaufläche zu ernähren, der Fleischkonsument ist auch verantwortlich für einen hohen CO₂-Ausstoß und für die achtfache Menge Methan, die ein Vegetarier verursacht.

5. Distickstoffmonooxid - N₂O

Distickstoffmonooxid (Lachgas) wird vor allem von Bodenbakterien produziert - und dies besonders dann, wenn hohe Gaben an Stickstoffdüngern auf den Acker gebracht werden. Es entsteht auch bei allen Verbrennungen bei hohen Temperaturen: das normalerweise sehr stabile N₂-Molekül der Luft wird dabei oxidiert, hauptsächlich zu N₂O.

Zur Zeit ist die Konzentration an N₂O in der Atmosphäre noch niedrig und - wie Tabelle 10 ausweist - ihre Klimawirksamkeit noch eher gering. Wegen der hohen Stabilität dieses Moleküls wird es erst in der Stratosphäre durch das UV-Licht zerstört. Seine Abbauprodukte beteiligen sich dort am Abbau des Ozons, was den Ozongehalt der Stratosphäre zusätzlich erniedrigt.

6. Ozon - O₃

Über den komplizierten Wirkungsmechanismus dieses Spurengases wurde schon im ersten Teil des Kapitels berichtet. Wir wollen hier nur noch einmal kurz die wichtigsten Ergebnisse festhalten: Man schätzt seinen Anteil am Treibhauseffekt zu etwa 8% ein. Dabei entfaltet das Molekül eine doppelte Wirksamkeit:

• Seine Abnahme in der Stratosphäre führt dazu, daß die Wärmeabstrahlung erschwert wird, der Treibhauseffekt vergrößert sich.
• Seine Zunahme in der Troposphäre führt direkt zu höheren Temperaturen, also einem direkten Beitrag zum Treibhauseffekt.