Treibhausgas
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Treibhausgase (THG) sind strahlungsbeeinflussende gasförmige Stoffe in der Luft, die zum Treibhauseffekt beitragen und sowohl einen natürlichen als auch einen anthropogenen Ursprung haben können. Sie absorbieren einen Teil der vom Boden abgegebenen langwelligen Infrarotstrahlung, die sonst in das Weltall entweichen würde. Entsprechend ihrer Temperatur emittieren sie Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), deren auf die Erde gerichteter Anteil als atmosphärische Gegenstrahlung die Erdoberfläche zusätzlich zum kurzwelligen Sonnenlicht erwärmt. Die natürlichen Treibhausgase heben die durchschnittliche Temperatur an der Erdoberfläche um etwa 33 K auf +15 °C an. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt hätte die untere Atmosphäre im globalen Mittel nur −18 °C, was Leben auf der Erde kaum möglich machen würde.[1]
Die Störung des natürlichen Gleichgewichts der Atmosphäre durch Eingriffe in den Naturhaushalt und durch anthropogene Emission von Treibhausgasen verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt und führt zur globalen Erwärmung, die ihrerseits mit zahlreichen Folgen verbunden ist.
Die Zunahme, das heißt der in der Atmosphäre ansteigende Gehalt bestimmter Treibhausgase, wird großteils auf menschliche Aktivitäten zurückgeführt.[2]
Im November 2008 gab das UN-Klimasekretariat bekannt, dass die Treibhausgasemissionen in erfassten 40 Industriestaaten zwischen den Jahren 2000 und 2006 um 2,3 % gestiegen sind, und mahnte einen dringenden Handlungsbedarf der Politik an.[3] Erste Erfolge des Klimaschutzes zeigen sich darin, dass es 2014 und 2015 nach Daten der Internationalen Energieagentur global gelang – trotz eines Wirtschaftswachstums von jeweils mehr als 3 % – den CO2-Ausstoß der Energieversorgung nicht wachsen zu lassen.[4] Die Zuwachsraten der CO2-Konzentrationen der Jahre 2015, 2016 bewegten sich dennoch auf Rekordniveau, wahrscheinlich weil die Biosphäre in den Tropen weniger CO2 aufnahm; ihre Funktion als Kohlenstoffsenke war wegen der Rekordtemperaturen und geringer Niederschläge in den letzten Jahre beeinträchtigt.[5][6]
Treibhausgase des Kyoto-Protokolls
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| Alle Angaben ohne Veränderungen der Landnutzung. Angaben für China, Indien, Brasilien, Iran, Mexiko, Südafrika und Indonesien nur CO2, CH4 und N2O. Angaben für Annex I-Länder des Kyoto-Protokolls von 2004; für Nicht-Annex I-Länder abweichend. Für eine aktuellere und vollständige Auflistung siehe die Liste der Länder nach Treibhausgas-Emissionen. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stand: 2004; Quelle: UNFCCC, PDF-1 und PDF-2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Die mit Abstand meisten Treibhausgase pro Einwohner werden in den Industrienationen ausgestoßen. Um den Klimawandel zumindest zu verlangsamen, muss also besonders in der Ersten Welt viel mehr für die Reduzierung des Ausstoßes der Treibhausgase getan werden.
Im Kyoto-Protokoll wurde ein völkerrechtlich verbindliches Abkommen zur Reduzierung des anthropogenen Ausstoßes von wichtigen Treibhausgasen (der direkten Treibhausgase) beschlossen. Die im Kyoto-Protokoll reglementierten Gase sind: Kohlendioxid (CO2, dient als Referenzwert), Methan (CH4), Distickstoffoxid (Lachgas, N2O), teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW/HFC), perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW/PFC), Schwefelhexafluorid (SF6). Seit 2012 wird auch Stickstofftrifluorid (NF3) als zusätzliches Treibhausgas reglementiert.[7] Dazu kommen fluorierte Treibhausgase (F-Gase), da diese aufgrund ihrer hohen Verweildauer in der Atmosphäre ein hohes Treibhauspotenzial besitzen. Andere Treibhausgase, die indirekten Treibhausgase, wie z. B. Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) oder flüchtige Kohlenwasserstoffe ohne Methan (sogenannte NMVOC), sind im Montreal-Protokoll geregelt, weil sie zur Zerstörung der Ozonschicht beitragen.
Das Ziel, die Emission um 5,2 % gegenüber 1990 zu senken, wurde bis 2015 nicht erreicht. Die USA verweigerten eine Unterzeichnung des Kyoto-Protokolls – allerdings gibt es hier auf kommunaler und bundesstaatlicher Ebene Anstrengungen, so war 2013 Kalifornien auf dem Weg, sein selbst gestecktes Minderungsziel zu erreichen, im Jahr 2020 nicht mehr Treibhausgase als 1990 auszustoßen. Wichtige Emittenten, wie zum Beispiel China und Indien, unterlagen keinen Minderungsverpflichtungen. Andere Staaten, wie Japan, erreichten ihre Minderungsziele nicht. Kanada trat aus dem Protokoll aus und entging so Strafzahlungen für das Verfehlen seiner Minderungsziele.[8]
Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffdioxid (CO2) ist mit einem Anteil von etwa 0,04 % (ca. 400 ppm, Stand 2013) in der Atmosphäre enthalten und hat einen Anteil von 9 bis 26 % am natürlichen Treibhauseffekt.[9]
Die geogene, also natürliche CO2-Produktion beträgt ca. 550 Gt pro Jahr.[10] Dieser steht im Kohlenstoffzyklus ein fast gleich hoher natürlicher Verbrauch, insbesondere durch Photosynthese, aber auch durch Bindung in kalkbildenden Organismen gegenüber.
Kohlenstoffdioxid entsteht u. a. bei der Verbrennung fossiler Energieträger (durch Verkehr, Heizen, Stromerzeugung, Industrie). Seine mittlere atmosphärische Verweilzeit beträgt ca. 120 Jahre. Der weltweite anthropogene CO2-Ausstoß betrug im Jahr 2006 ca. 32 Gigatonnen (Gt) und macht etwa 60 % des vom Menschen verursachten zusätzlichen Treibhauseffekts aus.
Die Emissionen aus menschlicher Aktivität haben die Konzentration von CO2 in der Erdatmosphäre seit Beginn der Industrialisierung von 280 ppm um über 40 % auf 400 ppm (2015) ansteigen lassen. Damit ist die gegenwärtige Konzentration höher als in den letzten 800.000 Jahren, wahrscheinlich auch höher als in den letzten 20 Mio. Jahren.[11][12]
Eine im Herbst 2016 in Science veröffentlichte Studie konnte erstmals einen linearen Zusammenhang zwischen emittiertem CO2 und dem Abschmelzen arktischen Sommereises herstellen: „Eine Tonne CO2 = minus 3 Quadratmeter Sommer-Meereis“[13]
Eine Reihe natürlich stattfindender Prozesse tragen zum Absinken der atmosphärischen Konzentration von Kohlenstoffdioxid bei; die anthropogene Zunahme der Konzentration kann aber nur über Zeiträume von Jahrhunderten und Jahrzehntausenden kompensiert werden. Diese Prozesse können den seit Mitte des 19. Jahrhunderts laufenden Anstieg der CO2-Konzentration nur dämpfen, nicht aber kompensieren. Der Grad der Bindung zusätzlichen Kohlenstoffdioxides ist ein Unsicherheitsfaktor bei der Parametrisierung von Klimamodellen.
Die erhöhte Aufnahme durch Land- und Meerespflanzen ist der am schnellsten wirkende Mechanismus, der den Anstieg der atmosphärischen Gaskonzentration dämpft und unmittelbar wirkt. So wurde im Jahr 2010 von der Biosphäre doppelt so viel vom Menschen zusätzlich freigesetztes Kohlenstoffdioxid resorbiert wie im Jahr 1960, während sich die Emissionsrate jedoch vervierfachte.[14]
Der zweitschnellste Mechanismus ist die Lösung des Gases im Meerwasser, ein Prozess der über einen Zeitraum von Jahrhunderten wirkt, da die Ozeane eine lange Zeit brauchen, um sich zu durchmischen. Die Lösung eines Teils des zusätzlichen Kohlenstoffdioxids im Meer dämpft zwar den Treibhauseffekt, führt aber durch die Bildung von Kohlensäure zu niedrigeren pH-Werten des Wassers (Versauerung der Meere). Es folgt die Reaktion des sauren Meerwassers mit dem Kalk der Ozeansedimente. Über einen Zeitraum von Jahrtausenden wird dadurch Kohlenstoffdioxid dem Kreislauf entzogen. Die am langsamsten wirkende Reaktion ist die Verwitterung von Gestein, ein Prozess, der sich über Jahrhunderttausende erstreckt. Klimasimulationen deuten darauf hin, dass sich aufgrund der langen Zeitkonstante der letztgenannten Prozesse die von einer erhöhten Kohlenstoffdioxidkonzentration aufgeheizte Erde nur um ca. ein Grad pro 12.000 Jahre abkühlen wird.[15]
Methan
Methan (CH4) kommt in der Erdatmosphäre nur spurenweise vor (< 2 ppm). Anthropogenes Methan entsteht circa zur einen Hälfte in der globalen Land- und Forstwirtschaft und anderweitiger Nutzung von Land und Biomaterial, in der Tierproduktion (vor allem bei Wiederkäuern wie Rindern, Schafen und Ziegen), in Klärwerken und Mülldeponien. Zur anderen Hälfte wird es im industriellen Bereich durch Leckagen bei Förderung, Transport und Verarbeitung vor allem von Erdgas und bei der unvollständigen Verbrennung beim Abfackeln von technisch nicht verwertbaren Gasen frei. Darüber hinaus wird Methan auch aus vielen nicht-fließenden Wasserflächen (z. B. Reisfeldern) freigesetzt, hier wird organisches Material von Mikroorganismen (z. B. Archaeabakterien) anaerob zu Faulgasen (vorwiegend Methan) zersetzt.
Ein indirekter Effekt ist die Freisetzung beim Auftauen von Permafrostboden. Eine weitere solche Quelle ist in großen Mengen an und in den Kontinentalrändern untermeerisch lagerndes Methanhydrat, ein Feststoff, der bei Erwärmung in Methan und Wasser zerfällt.
Methan trägt aufgrund seiner hohen Wirkung (25-mal so wirksam wie CO2[17]) mit rund 20 % zum anthropogenen Treibhauseffekt bei. Die Verweilzeit in der Atmosphäre ist mit 9 bis 15 Jahren[18] deutlich kürzer als bei CO2. Von der weltweit anthropogen emittierten Methan-Menge (etwa 5,9 Gt CO2-Äquivalent) stammen bis etwa 37 % direkt oder indirekt aus der Viehhaltung. Davon wiederum stammt der größte Teil aus Fermentationsprozessen im Magen von Wiederkäuern.[16] In Deutschland stammten nach Angaben des Umweltbundesamts 2013 rund 54 Prozent der gesamten Methan-Emissionen und über 77 Prozent der Lachgas-Emissionen aus der Landwirtschaft.[19]
Der globale mittlere Methan-Gehalt der Erdatmosphäre hat sich seit vorindustriellen Zeiten (1750) von rund 700 ppb auf 1.750 ppb im Jahr 1999 erhöht.[20] Zwischen 1999 und 2006 blieb der Methan-Gehalt der Atmosphäre weitgehend konstant, stieg aber seither wieder signifikant auf über 1800 ppb.[21] Es ist damit weit mehr Methan in der Atmosphäre als jemals während der letzten 650.000 Jahre - in dieser Zeit schwankte der Methangehalt zwischen 320 und 790 ppb, wie anhand der Untersuchung von Eisbohrkernen nachgewiesen werden konnte.[22]
Die Methan-Konzentrationen stiegen dabei zwischen 2000 und 2006 jährlich um etwa 0,5 Teilchen pro Milliarde, seit da mit einer mehr als zehnfach höheren Rate.[23]
Distickstoffmonoxid (Lachgas)
Lachgas (N2O) ist ein Treibhausgas, dessen Treibhauswirksamkeit 298-mal so groß ist wie die von CO2.[17] Menschenverursachte Emissionen stammen hauptsächlich aus der Landwirtschaft (Viehhaltung, Düngemittel und Anbau von Leguminosen, Biomasse), weniger aus der Medizintechnik sowie aus mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken und dem Verkehr. Die wichtigste Quelle für N2O sind mikrobielle Abbauprozesse von Stickstoffverbindungen in den Böden. Diese erfolgen sowohl unter natürlichen Bedingungen als auch durch Stickstoffeintrag aus Landwirtschaft, Industrie und Verkehr. Die Lachgasentstehung ist bislang noch unzureichend erforscht. Bekannt ist jedoch, dass insbesondere bei schweren, überdüngten und feuchten Böden besonders viel N2O in die Luft entweicht. Auch der Niederschlag von Ammonium-Stickstoff aus der Luft, der von Gülleverdunstungen herrührt, kann zur Bildung von Lachgas beitragen.
Mit einer mittleren atmosphärischen Verweilzeit von 114 Jahren[17] und einem relativ hohen Treibhauspotenzial ist es ein klimarelevantes Gas. Der Abbau des N2O erfolgt im Wesentlichen durch Reaktion mit dem Sonnenlicht in der Stratosphäre. Der Volumenanteil stieg von vorindustriell 270 ppbV um etwa 20 % auf 322–323 ppbV (2010).[24] Sein Beitrag zum anthropogenen Treibhauseffekt beträgt heute etwa 5–6 %.
N2O spielt auch eine Rolle bei Vorgängen in der Ozonschicht, die ihrerseits auf den Treibhauseffekt wirken: Die z. B. durch Halogen-Radikale katalysierte Spaltung von Ozon führt in der unteren Stratosphäre zu einer Reihe von chemischen Prozessen, in denen Methan, Wasserstoff und flüchtige organische Stoffe oxidiert werden. N2O ist insbesondere bei Kälte und Dunkelheit in der Lage, mit den Radikalen sogenannte Reservoirspezies zu bilden, wodurch die Radikale vorübergehend für den Ozonabbau unwirksam werden (siehe Ozonloch).
Im Dezember 2015 wurde die Nitric Acid Climate Action Group vom Bundesumweltministerium gegründet. Durch diese Initiative soll der Ausstoß von Lachgas in der Industrie bis 2020 weltweit gestoppt werden. Im September 2016 hat sich der Verband der Chemischen Industrie (VCI) dieser Initiative angeschlossen.[25]
Fluorkohlenwasserstoffe
Während die klassischen Treibhausgase meist als unerwünschte Nebenprodukte entstehen, werden Fluorkohlenwasserstoffe und Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) zum überwiegenden Teil gezielt produziert und als Treibgas, Kälte- oder Feuerlöschmittel eingesetzt. Zur Reduzierung dieser Stoffe ist daher neben technischen Maßnahmen vor allem die Entwicklung von Ersatzstoffen gefragt. Sie werden heute in ähnlicher Weise verwendet wie früher die seit 1995 nur noch eingeschränkt verwendbaren Fluorchlorkohlenwasserstoffe, die nicht nur für die Zerstörung der Ozonschicht verantwortlich sind, sondern auch eine starke Klimawirksamkeit besitzen. Die fluorierten Kohlenwasserstoffe tragen derzeit etwa 10 % zur Erderwärmung bei. Einige dieser Stoffe sind bis zu 14.800-fach stärker klimawirksam als Kohlenstoffdioxid. Bei einem weiteren Anstieg könnten sie den Treibhauseffekt zusätzlich massiv ankurbeln.
Bei den Fluorkohlenwasserstoffen wird zwischen den teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (H-FKW) und den vollständig halogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) unterschieden. Sind FKWs vollständig fluoriert (also keine Wasserstoffatome mehr enthalten), nennt man diese auch perfluorierte Fluorkohlenwasserstoffe (PFC).
Tetrafluormethan (CF4) in der Atmosphäre ist teilweise natürlichen Ursprungs. Größere Emissionen stammen aus der Primäraluminiumproduktion. Ethan und Propanderivate (C2, C3) der fluorierten Kohlenwasserstoffe werden als Kältemittel eingesetzt. Einige höhermolekulare fluorierte Kohlenwasserstoffe (C6–C8) werden als Reiniger eingesetzt. Weiterhin werden FKWs in der Kunststoff- und Polymerindustrie großtechnisch als Ausgangsmaterialien zur Erzeugung fluorierter Kunststoffe, Öle, Fette und anderer Chemikalien eingesetzt (die Herstellung erfolgt oft über eine FCKW-Vorstufe), dienen in der Elektronik- und Bildschirmindustrie als Ätzgas u. v. a. m.
In der europäischen F-Gase-Verordnung (veröffentlicht am 14. Juni 2006, novelliert am 16. April 2014) und der Umsetzung in nationales Recht durch die Chemikalien-Klimaschutzverordnung (ChemKlimaschutzV) sind Maßnahmen zur Reduzierung von Emissionen aus Kälteanlagen getroffen worden.[26] Es handelt sich im Gegensatz zu der FCKW-Halon-Verbots-Verordnung nicht um ein Verwendungsverbot, sondern durch höhere Anforderung an die Ausführung und Wartung von Kälteanlagen sollen die durch Lecks freigesetzten Mengen reduziert werden. Im Zeitraum von 2008 bis 2012 sollen sie um 8 % gegenüber dem Stand von 1990 verringert werden. Zusätzlich ist die Anwendung der fluorierten Treibhausgase für bestimmte Tätigkeiten ab bestimmten Stichtagen (z. B. 4. Juli 2006, 4. Juli 2009, 1. Januar 2015 oder 1. Januar 2020) nicht mehr zulässig. Im Oktober 2016 in Kigali einigten sich die 197 Vertragsstaaten des Montreal-Protokolls, die Emissionen von H-FKWs bis 2047 um 85 % zu reduzieren.[27]
Der Gehalt an Fluorkohlenwasserstoffen in der Erdatmosphäre ist seit 1999 konstant bzw. nimmt sogar teilweise wieder ab.[21]
Schwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid
Laut den Studien des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ist Schwefelhexafluorid (SF6) das stärkste bekannte Treibhausgas. Die mittlere Verweilzeit von SF6 in der Atmosphäre beträgt 3200 Jahre. Sein Treibhauspotenzial ist 22.800-mal so hoch wie das von Kohlenstoffdioxid (CO2).[17] Aufgrund der sehr geringen Konzentration von SF6 in der Erdatmosphäre (ca. 0,005 ppb volumenbezogen, was 0,12 ppmV CO2-Äquivalent entspricht) ist sein Einfluss auf die globale Erwärmung jedoch gering.
Schwefelhexafluorid, SF6, wird als Isolationsgas oder Löschgas in Hochspannungsschaltanlagen eingesetzt sowie als Ätzgas in der Halbleiterindustrie verwendet. Bis etwa zum Jahr 2000 wurde es auch als Füllgas für Autoreifen und als Füllgas in Schallschutz-Isolierglasscheiben eingesetzt; die Verwendung von Schwefelhexafluorid als Reifenfüllgas ist seit dem 4. Juli 2007 verboten. Bedeutung hat das Gas auch bei der Herstellung von Magnesium. Es verhindert, dass die heiße Metallschmelze mit der Luft in Berührung kommt. Prozessbedingt entweichen bei dieser Anwendung größere Mengen in die Atmosphäre, daher werden alternative Schutzgase untersucht.[28]
Daneben gibt es noch andere hochwirksame Treibhausgase, wie z. B. Stickstofftrifluorid, dessen Treibhauswirkung 17.200-mal größer als die des CO2 ist. Im Jahr 2008 enthielt die Erdatmosphäre 5400 Tonnen Stickstofftrifluorid.[29]
Weitere zum Treibhauseffekt beitragende Stoffe
Wasserdampf
Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas.[30] Sein Beitrag zum natürlichen Treibhauseffekt wird bei klarem Himmel auf etwa 60 % beziffert.[9] Er entstammt überwiegend dem Wasserkreislauf (Ozean – Verdunstung – Niederschlag – Speicherung im Erdreich) plus einem kleinen Anteil aus dem Vulkanismus.
Der Mensch erhöht indirekt den Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre, weil durch die globale Erwärmung die Lufttemperatur und damit die Verdunstungsrate steigen. Dabei handelt es sich um den wichtigsten, die globale Erwärmung verstärkenden, Rückkopplungsfaktor.[31]
In der Stratosphäre kommt Wasserdampf nur in Spuren vor; er stammt z.T. vom Flugverkehr und aus dem Zerfall von Methan zu CO2 und H2O und trägt zum Treibhauseffekt bei.
Ozon
Ozon ist ebenfalls ein klimarelevantes Gas, das vom Menschen jedoch nicht direkt, sondern nur indirekt beeinflusst wird.
Die Ozonschicht befindet sich in der Stratosphäre oberhalb der Tropopause, also in einer Schicht, in der kein Wasser mehr vorkommt. Die Stratosphäre weist durch das Ozon, das die UV-Strahlung aus dem Sonnenlicht absorbiert, einen inversen Temperaturverlauf auf, d. h. die Luft erwärmt sich hier mit zunehmender Höhe. Das unterscheidet sie von den sie einschließenden Luftschichten. Am stärksten ist die Aufheizung im Bereich der Ozonschicht, dort steigt die Temperatur von ca. −60 °C bis auf knapp unter 0 °C an. Wird diese Ozonschicht beschädigt, gelangt mehr energiereiche Ultraviolettstrahlung zur Erdoberfläche.
Die höchste Dichte von Ozon befindet sich in gut 20–30 km Höhe, der höchste Volumenanteil in ca. 40 km Höhe. Es ist damit im Gegensatz zu bspw. CO2 ein nicht gleichmäßig verteiltes Gas. Würde man alles Ozon, das sich in der Atmosphäre befindet, extrahieren und auf Normaldruck komprimieren, ergäbe das eine 3 mm hohe Schicht auf der Erdoberfläche. Zum Vergleich: Die Luftsäule mit den anderen Gasen (vor allem Stickstoff und Sauerstoff) wäre 8 km hoch.
Die stratosphärische Ozonschicht ist nicht zu verwechseln mit dem bodennahen Ozon. Dieses bildet sich aus verschiedenen Vorläufersubstanzen (Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid) unter Sonneneinstrahlung (Sommersmog). Es ist in höheren Konzentrationen gesundheitsschädlich.
Wolken
Wolken, also kondensierter Wasserdampf, sind streng genommen kein Treibhausgas. Sie absorbieren aber ebenfalls Infrarot-Strahlung und verstärken dadurch den Treibhauseffekt. Zugleich reflektieren Wolken auch einen Teil der einfallenden Sonnenenergie und haben somit auch einen kühlenden Effekt.[32] Welcher Effekt lokal überwiegt, hängt von Faktoren wie der Höhe, Tageszeit/Sonnenhöhe und der Dichte der Wolken ab. Global gemittelt wirken Wolken kühlend. Durch die globale Erwärmung nimmt die kühlende Wirkung wahrscheinlich ab, die Erwärmung wird also noch durch diese sogenannte Wolken-Rückkopplung verstärkt.[33][34]
Aerosole und Rußpartikel
Aerosole sind feste oder flüssige Teilchen in der Luft und gelangen auch durch menschliche Aktivität in die Atmosphäre. Hierzu zählen Partikel aus Dieselruß sowie Verbrennung von Holz und Kohle. Sie werden nicht zu den Treibhausgasen gezählt, haben aber ebenfalls Einfluss auf die globale Erwärmung. Aerosole wirken direkt durch Absorption und Reflexion von Solarstrahlung und indirekt, indem sie als Kondensationskeime zur Wolkenbildung beitragen und Wolkeneigenschaften ändern, die wiederum das Klima beeinflussen (siehe oben). Insgesamt hat der menschliche Eintrag von Aerosolen in den letzten Jahren wahrscheinlich kühlend gewirkt und so den globalen Temperaturanstieg gedämpft.[35][36]
Je nach Art haben Aerosole unterschiedliche Wirkung. Sulfataerosole wirken insgesamt kühlend. Rußpartikel dagegen absorbieren Wärmestrahlung und führen auf hellen Flächen wie Schnee zu einer Absenkung der Albedo und damit zu einer Erwärmung sowie einem beschleunigten Abschmelzen polarer Eisflächen.[37] Neuere Untersuchungen deuten darauf hin, dass mehr Ruß emittiert wird und Rußpartikel eine deutlich größere erwärmende Wirkung haben als bislang angenommen.[38] Die Verringerung des Rußeintrags ist eine wichtige und effektive Klimaschutzmaßnahme, die Erderwärmung kurzfristig zu verzögern (atmosphärische Aerosolkonzentrationen ändern sich vergleichsweise schnell mit Emissionsänderungen, anders als Änderungen von Treibhausgaskonzentrationen, die auch lange nach einer Emissionsreduktion bestehen bleiben).[39][40][41]
Die künstliche Einbringung von Aerosolen in die Stratosphäre zur Reflexion von Solarstrahlung und damit zu Kühlung der Erde wird gelegentlich als ein Vorschlag vorgebracht, im Rahmen eines Geoengineering in das Klima einzugreifen und der globalen Erwärmung zu begegnen.
Wirkung von Treibhausgasen
Die kurzwellige Sonnenstrahlung wird an der Erdoberfläche zu einem großen Teil absorbiert, in Wärme abgewandelt und in Form von Wärmestrahlung wieder abgegeben. Treibhausgase können aufgrund ihrer chemischen Natur in unterschiedlichem Ausmaß die Wärmestrahlung absorbieren und so die Wärme in die Atmosphäre abgeben. Das Treibhauspotenzial eines Gases hängt ganz wesentlich davon ab, inwieweit sein Dipolmoment durch Molekülschwingungen geändert werden kann. Die zweiatomigen Gase Sauerstoff und Stickstoff verändern ihr Dipolmoment durch Molekülschwingungen nicht, sind also transparent für Infrarotstrahlung. Große Moleküle, wie FCKWs, besitzen dagegen sehr viele Schwingungsebenen und damit ein Vielfaches des Treibhauspotentials von beispielsweise CO2.[42]
Die Treibhauswirksamkeit eines Gases, also wie stark die Freisetzung eines Gases zum Treibhauseffekt beitragen kann, hängt im Wesentlichen von drei Faktoren ab: Der pro Zeiteinheit freigesetzten Gasmenge (Emissionsrate), den spektroskopischen Eigenschaften des Gases, d. h. wie stark es die Wärmestrahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen absorbiert, und seiner Verweilzeit in der Atmosphäre. Die atmosphärische Verweilzeit ist die Zeit, die ein Stoff im Durchschnitt in der Atmosphäre verbleibt, bevor er durch chemische oder andere Prozesse wieder aus ihr entfernt wird. Je länger die Verweilzeit eines Treibhausgases, desto höher ist auch die theoretische Wirkung.
Ein Maß für die Treibhauswirkung eines Gases pro Kilogramm Emissionsmenge ist das Treibhauspotenzial (GWP) in CO2-Äquivalenten, in dem die Absorptionseigenschaften und die Verweilzeit berücksichtigt sind. Das relative Treibhauspotenzial ist eine auf Kohlenstoffdioxid normierte Größe, mit der die Wirkung eines Treibhausgases mit der äquivalenten Menge Kohlenstoffdioxid verglichen wird. So hat beispielsweise Methan ein relatives Treibhauspotenzial von 25, d. h. 1 kg Methan hat die gleiche Treibhauswirkung wie 25 kg Kohlenstoffdioxid.
Das relative Treibhauspotenzial wird in der Regel auf einen Zeithorizont von 100 Jahren bezogen, das heißt, es wird die über einen Zeitraum von 100 Jahren nach der Emission gemittelte Erwärmungswirkung betrachtet. Bezieht man es auf einen anderen Zeithorizont, verändert sich, entsprechend der atmosphärischen Verweildauer, auch das relative Treibhauspotenzial. Enthält ein Treibhausgas ein oder mehrere Chlor- bzw. Fluoratome, so erhöht sich dessen relatives Treibhauspotenzial aufgrund der hohen chemischen Stabilität deutlich gegenüber Treibhausgasen ohne Halogenatom(e).[43]
Satellitengestützte Messungen
Seit Januar 2009 wird die Konzentration der wichtigsten Treibhausgase auch vom Weltraum aus überwacht. Der japanische Satellit Ibuki (dt. „Atem“) liefert aktuelle Daten zur Verteilung und Konzentration von Kohlenstoffdioxid und Methan auf dem ganzen Globus. Die Klimatologie bekommt dadurch eine bessere Datenbasis für die Berechnung der Erderwärmung. Ibuki umrundet die Erde in 666 Kilometer Höhe 14 Mal täglich in jeweils 100 Minuten und kehrt alle drei Tage an dieselben Stellen zurück. Dadurch kann der Orbiter die Gaskonzentrationen an 56.000 Punkten in einer Höhe von bis zu drei Kilometern über der Erdoberfläche messen.[44]
Entwicklung der Emissionen
Deutschland
Mit dem Kyoto-Protokoll hatte sich Deutschland verpflichtet, seine Treibhausgasemissionen im Durchschnitt der Jahre 2008 bis 2012 um 21 Prozent unter das Niveau von 1990 zu senken.[45] Dieses Ziel wurde mit einer Verringerung um etwa 27 Prozent bis 2011 erreicht.[46][47] Für die Zeit bis 2020 hat sich Deutschland das Ziel gesetzt, den Treibhausgas-Ausstoß um 40 Prozent gegenüber 1990 zu senken, bis 2030 um 55 Prozent, bis 2040 um 70 Prozent und bis 2050 um 80 – 95 Prozent.[48] Tatsächlich verharrten in den Jahren bis 2016 die Emissionen auf nahezu konstantem Niveau. Das Ziel für 2020 gilt, angesichts der ergriffenen Maßnahmen, als kaum noch erreichbar.[49]
- Kohlenstoffdioxid: Die Emissionen verringerten sich bis 2016 gegenüber 1990 um 27,6 Prozent. Wichtige Ursachen waren in den 1990er Jahren nach der deutschen Wiedervereinigung Stilllegungen und Modernisierungen in den neuen Bundesländern. Seit den 2000er Jahren trug der Umstieg auf erneuerbare Energieträger wesentlich zu Emissionsminderungen bei. Die CO2-Emissionen schwanken mit dem durch Witterungsverhältnisse ausgelösten Heizbedarf. Höheres Verkehrsaufkommen, vermehrter Export von Kohlestrom und steigende Emissionen aus der Industrie ließen 2014 und 2015 die CO2-Emissionen wieder steigen.[50][51]
- Methan: Die Emissionen sanken zwischen 1990 und 2014 um 53 Prozent. Als Ursache werden der Rückgang der Abfalldeponierung (organische Bestandteile sind eine Hauptquelle der Methanemission), der Rückgang der Steinkohleförderung und kleinere Tierbestände genannt. Im Jahr 2015 stiegen die Rinder- und Schafbestände und mit ihnen die Methanemissionen wieder an.[50]
- Lachgas: Die Emissionen nahmen zwischen 1990 und 2014 um 40 Prozent ab. Wichtige Quellen für Lachgasemissionen sind landwirtschaftlich genutzte Böden, Industrieprozesse und der Verkehr. Im Jahr 2015 stiegen die Lachgas-Emissionen aus der Düngung wieder.[50]
- „F-Gase“: Hier gingen die Emissionen gegenüber 1990 um 14 Prozent zurück. In den Jahren vor 2014 wurde ein leicht steigender Trend verzeichnet, weil sie zunehmend als Ersatzstoffe für die verbotenen FCKW eingesetzt wurden. Zuletzt wurde der Einmaleffekt durch die Einstellung der Produktion von R22 jedoch durch den Anstieg von Kältemitteln und Schwefelhexafluorid aus verbauten Produkten wie Schallschutzfenstern kompensiert.
Weltweit
Bei globaler Betrachtung stiegen die Treibhausgasemissionen zeitweise stärker als dies selbst in den Worst-case-Szenarien des im Jahr 2007 erschienenen Sachstandsbericht des IPCC geschätzt wurde. Zwischen 2009 und 2010 lag der Anstieg der Kohlenstoffemissionen bei 6 %.[52] Dieser außergewöhnlich hohe Anstieg war allerdings im Wesentlichen auf die Wirtschaftskrise 2009 zurückzuführen. In den Jahren von 2013 bis 2015 blieb der CO2-Ausstoß konstant und konnte sich damit erstmals von der wirtschaftlichen Entwicklung entkoppeln.[53]
Siehe auch
- Anthropozän
- Carbon Disclosure Project
- Deutsche Emissionshandelsstelle
- Liste der größten Kohlenstoffdioxidemittenten, Liste von fossilen Kraftwerken in der Europäischen Union mit der höchsten Kohlenstoffdioxidemission
- Luftschadstoff
- Ozeanisches anoxisches Ereignis
- Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz
Literatur
- P. Fabian: Kohlenstoffdioxid und andere Treibhausgase: Luftverschmutzung und ihre Klimawirksamkeit. In: Praxis der Naturwissenschaften Chemie. 45(2), 1996, S. 2 ff. ISSN 0177-9516
- Eike Roth: Globale Umweltprobleme – Ursachen und Lösungsansätze. Friedmann Verlag, München 2004, ISBN 3-933431-31-X.
- M. Saunois, R. B. Jackson, P. Bousquet, B. Poulter, J. G. Canade: The growing role of methane in anthropogenic climate change. („Die wachsende Rolle von Methan beim anthropogenen Klimawandel“). In: Environmental Research Letters. Vol. 11, Nr. 12, 12. Dezember 2016. doi:10.1088/1748-9326/11/12/120207
Weblinks
- Greenhouse Gas Inventory Data des United Nations Framework Convention of Climate Change (UNFCCC)
- Treibhausgase (Hamburger Bildungsserver)
- Treibhausgase: Daten/Statistiken/Infografiken im „Agenda 21 Treffpunkt“
- Current Greenhouse Gas Concentrations – regelmäßig aktualisierte Seite mit Messwerten der Treibhausgaskonzentrationen (englisch)
- Methan und Lachgas – Die vergessenen Klimagase. Studie im Auftrag des WWF (PDF; 1,09 MB)
- Carbon Monitoring for Action (CARMA) – Datenbank mit Informationen zu den Kohlenstoffdioxidemissionen von über 50.000 Kraftwerken und 4.000 Energieunternehmen weltweit.
- PCF-Projekt zur Ermittlung von produzierten Treibhausgasmengen durch Alltagsprodukte im Haushalt
Einzelnachweise
- ↑ W. Roedel: Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. 2. Auflage. Springer, Berlin 1994, ISBN 3-540-57885-4, S. 16.
- ↑ IPCC, 2013: Summary for Policymakers. In: T. F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, P. M. Midgley (Hrsg.): Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
- ↑ UN Climate Change Secretariat: Greenhouse gas emissions in industrialized countries continue to rise • urgent need for political action on climate change at Poznan meeting. (PDF; 175 kB). Bonn, 17. November 2008.
- ↑ IEA: Decoupling of global emissions and economic growth confirmed. 16. März 2016.
- ↑ Junjie Liu u. a.: Contrasting carbon cycle responses of the tropical continents to the 2015–2016 El Niño. In: Science. Band 358, Nr. 6360, 13. Oktober 2017, doi:10.1126/science.aam5690.
- ↑ Record growth in atmospheric CO2 despite stable anthropogenic emissions due to weaker sinks. In: phys.org. Max-Planck Gesellschaft, 15. November 2016, abgerufen am 12. März 2017 (vgl. Corinne Le Quéré u. a.: Global Carbon Budget 2016. Earth System Science Data, 2016. doi:10.5194/essd-8-605-2016).
- ↑ Anlage A des Protokolls von Kyoto (BGBl. 2015 II S. 306, 317).
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