Die wichtigsten Treibhausgase und ihre Quellen

Wasserdampf und die vier nach Meinung von Experten „wichtigsten“ Treibhausgase bilden die wahre „Hitparade“ der Treibhausgase, die die Wärme in der Erdatmosphäre einfangen und zur allgemeinen Erwärmung auf dem Globus beitragen.

Es gibt eine ganze Familie von Treibhausgasen (THG). Aber es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass sie nicht alle „gleich geschaffen“ sind.

Ein besonders wichtiger Unterschied zwischen ihnen ist ihr unterschiedliches Treibhauspotenzial (GWP). Einige sind viel „effizienter“ – und das ist in diesem Zusammenhang definitiv kein Kompliment -, wenn es darum geht, die Wärmeenergie in der Atmosphäre zu halten und sie nicht entweichen zu lassen. Einige sind kurzlebig, während andere leicht Jahrzehnte oder länger in der Atmosphäre verbleiben können. Einige Treibhausgase werden in riesigen Mengen emittiert, sind aber glücklicherweise nicht so gefräßig oder „effizient“ wie solche, die in weitaus geringeren Mengen emittiert werden; andere haben genau die gegenteiligen Eigenschaften – sie werden nur in Spuren emittiert, sind aber extrem effizient, wenn es darum geht, die Atmosphäre des Planeten zu bedecken und die Wärme daran zu hindern, darüber hinaus zu entweichen.

Um die Familie der Treibhausgase etwas verständlicher zu machen, sprechen Wissenschaftler von Kohlendioxid-Äquivalenten – CO2e. Dieser Ansatz macht Kohlendioxid, CO2, zur vorherrschenden „Währung“ der Treibhausgase und der globalen Erwärmung.

Betrachten wir die wichtigsten Treibhausgase eines nach dem anderen, beginnend mit Wasserdampf, dem laut NOAA’s National Climatic Data Center (NCDC) am häufigsten vorkommenden Treibhausgas in der Atmosphäre.

• Wasserdampf
• Kohlenstoffdioxid (CO2)
• Methan (CH4)
• Lachgas (N2O)
• Fluorierte Gase (HFCs, PFCs, SF6)
• Referenzen und Ressourcen

Wasserdampf

Das NCDC erklärt, dass Änderungen in der Wasserdampfkonzentration aus Klima-Rückkopplungen resultieren, die mit der Erwärmung der Atmosphäre zusammenhängen und nicht aus Aktivitäten, die mit der Industrialisierung zusammenhängen. Die Rückkopplungsschleife, an der Wasser beteiligt ist, ist von entscheidender Bedeutung für die Vorhersage zukünftiger Klimaveränderungen, so das NCDC weiter, „aber bisher ist sie noch ziemlich schlecht gemessen und verstanden.“ Die Agentur fährt fort:

Wenn die Temperatur der Atmosphäre steigt, wird mehr Wasser aus den Bodenspeichern (Flüsse, Ozeane, Reservoirs, Boden) verdunstet. Da die Luft wärmer ist, kann die absolute Luftfeuchtigkeit höher sein (im Wesentlichen ist die Luft in der Lage, mehr Wasser zu „halten“, wenn sie wärmer ist), was zu mehr Wasserdampf in der Atmosphäre führt. Als Treibhausgas ist die höhere Konzentration von Wasserdampf dann in der Lage, mehr thermische Infrarotenergie zu absorbieren, die von der Erde abgestrahlt wird, was zu einer weiteren Erwärmung der Atmosphäre führt. Die wärmere Atmosphäre kann dann mehr Wasserdampf aufnehmen und so weiter und so fort. Dies wird als „positive Rückkopplungsschleife“ bezeichnet. Es besteht jedoch eine große wissenschaftliche Unsicherheit bei der Definition des Ausmaßes und der Bedeutung dieser Rückkopplungsschleife. Wenn der Wasserdampf in der Atmosphäre zunimmt, kondensiert schließlich auch mehr davon zu Wolken, die die einfallende Sonnenstrahlung besser reflektieren können (so dass weniger Energie die Erdoberfläche erreicht und sie aufheizt). Die zukünftige Überwachung der atmosphärischen Prozesse, an denen Wasserdampf beteiligt ist, wird entscheidend sein, um die Rückkopplungen im Klimasystem, die zum globalen Klimawandel führen, vollständig zu verstehen. Obwohl die Grundlagen des Wasserkreislaufs bisher recht gut verstanden sind, haben wir nur ein sehr geringes Verständnis für die Komplexität der Rückkopplungsschleifen. Außerdem haben wir zwar gute atmosphärische Messungen anderer wichtiger Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan, aber kaum Messungen des globalen Wasserdampfs, so dass nicht sicher ist, um wie viel die atmosphärischen Konzentrationen in den letzten Jahrzehnten oder Jahrhunderten gestiegen sind, obwohl Satellitenmessungen in Kombination mit Ballondaten und einigen In-situ-Bodenmessungen auf einen allgemein positiven Trend des globalen Wasserdampfs hinweisen.

Kohlendioxid (CO2)

Lassen Sie uns nun betrachten, was Bundesbehörden und akademische Forscher als die „wichtigsten Treibhausgase“ betrachten.

Kohlendioxid (nicht zu verwechseln mit Kohlenmonoxid, CO, das mit den Auspuffemissionen von Fahrzeugen oder mit CO-Warnungen zu Hause in Verbindung gebracht wird) kommt sowohl natürlich als auch als Ergebnis menschlicher Aktivitäten vor. Es ist ein unvermeidliches Nebenprodukt der Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Benzin und Erdgas. Im Jahr 2013 machte CO2 etwa 82 Prozent aller durch menschliche Aktivitäten verursachten Treibhausgasemissionen in den USA aus. Unter Berufung auf Daten des National Research Council’s 2011 Advancing the Science of Climate Change berichtet die Website der U.S. Environmental Protection Agency (EPA), dass „menschliche Aktivitäten den Kohlenstoffkreislauf verändern – sowohl durch das Hinzufügen von mehr CO2 in die Atmosphäre als auch durch die Beeinflussung der Fähigkeit natürlicher Senken, wie Wälder, CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen. Während die CO2-Emissionen aus einer Vielzahl von natürlichen Quellen stammen, sind die vom Menschen verursachten Emissionen für den Anstieg in der Atmosphäre seit der industriellen Revolution verantwortlich.“ Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre hat seit Beginn des Industriezeitalters um mehr als ein Drittel zugenommen. Projektionen für die kommenden Jahre sehen eine Fortsetzung dieses Trends.

Lange Zeit stabil im Bereich von etwa 280 parts per million (PPM) in der Atmosphäre, liegen die CO2-Konzentrationen derzeit eher im Bereich von 400 PPM. Der anhaltende Anstieg der CO2-Konzentration unter dem so genannten „Business-as-usual“-Szenario ist eines der Themen, die Klimawissenschaftler besonders beunruhigen.

Es ist nicht so sehr der GWP-Wert von Kohlendioxid, der besorgniserregend ist, sondern vielmehr das derzeitige und prognostizierte anhaltende Wachstum der Emissionen und der atmosphärischen Konzentrationen sowie die Tatsache, dass CO2 sehr langlebig ist – mehr als ein Jahrhundert – in der Atmosphäre. Was wir heute ausstoßen, wird für eine sehr, sehr lange Zeit in der Atmosphäre verbleiben.

Kohlendioxid ist natürlich entscheidend für das Pflanzenwachstum und die Nahrungsmittelproduktion und wird jedes Mal ausgestoßen, wenn wir Menschen ausatmen. In der Atmosphäre ist es jedoch ein Fall von zu viel des Guten: Seit den Forschungsergebnissen des schwedischen Wissenschaftlers und Nobelpreisträgers Svante Arrhenius vor mehr als einem Jahrhundert weiß die Wissenschaft, dass die Verbrennung fossiler Brennstoffe durch den Menschen zu einem Treibhauseffekt durch die Freisetzung von CO2 führt. Für die wissenschaftliche Gemeinschaft ist das ein „alter Hut“ und weithin akzeptiert.

Weitere Informationen finden Sie unter Verständnis der Betonung von CO2 als Treibhausgas.

Methan (CH4)

Methan, ein Kohlenwasserstoffgas, das sowohl durch natürliche Ursachen als auch durch menschliche Aktivitäten wie Landwirtschaft und Ackerbau entsteht, ist ein besonders wirksames (lesen Sie „effizient“, aber nicht als Kompliment) Treibhausgas und Absorber von Strahlung. Methan kommt in der Atmosphäre weit weniger häufig vor als CO2, und es hat eine wesentlich kürzere Lebensdauer von 12 Jahren. Das National Research Council sagt, dass die Methankonzentration in der Atmosphäre in den 1980er Jahren stark angestiegen ist, sich seitdem aber etwas abgeflacht hat und nun etwa zweieinhalb Mal so hoch ist wie vor der Industrialisierung.

Wie CO2 ist Methan geruchlos und farblos – und es hat sowohl nützliche als auch schädliche Eigenschaften.

Die Zahlen der EPA zeigen, dass menschliche Aktivitäten für über 60 % der gesamten Methanemissionen verantwortlich sind, vor allem durch Industrie, Landwirtschaft und Abfallwirtschaft. Diese Grafik zeigt den Beitrag von Methan aus verschiedenen Quellen:

Nach Angaben der EPA-Website sind Feuchtgebiete die größte natürliche Methanquelle, die Methan durch Bakterien freisetzt, die organisches Material in Abwesenheit von Sauerstoff zersetzen. Kleinere Quellen sind Termiten, Ozeane, Sedimente, Vulkane und Waldbrände.

Die EPA berichtet, dass die Methan-Emissionen in den USA zwischen 1990 und 2012 um fast 11 Prozent gesunken sind, wobei in dieser Zeit die Emissionen „aus Quellen, die mit landwirtschaftlichen Aktivitäten verbunden sind, zugenommen haben, während die Emissionen aus Quellen, die mit der Exploration und Produktion von Erdgas und Erdölprodukten verbunden sind, abgenommen haben.“

In den letzten Jahren haben einige Medienberichte die Aufmerksamkeit auf das Potenzial für plötzliche und massive Freisetzungen von lange gesammeltem Methan und Methanhydraten gelenkt, die derzeit in der gefrorenen Tundra gebunden sind. Die Sorge ist, dass das Schmelzen der arktischen Tundra zu einer potenziell katastrophalen und plötzlichen Freisetzung von Methan führen könnte. Eine exzellente Quelle für das weitere Verständnis dieses viel beachteten Themas ist ein Artikel der Wissenschaftlerin Carolyn Ruppel vom U.S. Geological Survey in Woods Hole in der angesehenen Fachzeitschrift Nature. Ich zitiere sie aus diesem Bericht:

…einige Wissenschaftler schlugen Alarm, dass große Mengen an Methan (CH4) durch die weit verbreitete Destabilisierung von klimasensiblen Gashydratvorkommen, die in marinen und Permafrost-assoziierten Sedimenten eingeschlossen sind, freigesetzt werden könnten (Bohannon 2008, Krey et al. 2009, Mascarelli 2009). Selbst wenn nur ein Bruchteil des freigesetzten CH4 in die Atmosphäre gelangen sollte, haben die Potenz von CH4 als Treibhausgas und die Persistenz seines Oxidationsprodukts (CO2) die Besorgnis verstärkt, dass die Gashydratdissoziation einen langsamen Kipppunkt (Archer et al. 2009) für die gegenwärtige Periode des Klimawandels auf der Erde darstellen könnte.

Anmerkend, dass Methan ein etwa 20 Prozent stärkeres Treibhausgas als CO2 ist, aber nach etwa einem Jahrzehnt in der Atmosphäre zu CO2 oxidiert, schreibt Ruppel: „Die Anfälligkeit von Gashydraten für eine Klimaerwärmung hängt von der Dauer des Erwärmungsereignisses, ihrer Tiefe unter dem Meeresboden oder der Tundraoberfläche und der Menge der Erwärmung ab, die erforderlich ist, um die Sedimente bis zu dem Punkt zu erwärmen, an dem die Gashydrate dissoziieren.“

Für diejenigen, die die Bedeutung von Methan in der ganzen Diskussion um globale Erwärmung/Klimawandel besser verstehen wollen, bietet der Nature-Beitrag von Ruppel, Leiter des Gashydrat-Projekts des USGS, nützliche und praktische Informationen.

Lachgas (N2O)

Lachgas kommt in der Erdatmosphäre als Teil des Stickstoffkreislaufs natürlich vor. Während es das Produkt einer Vielzahl natürlicher Quellen ist, erhöhen menschliche Aktivitäten – Landwirtschaft, Verbrennung fossiler Brennstoffe, Abwassermanagement und industrielle Prozesse – die atmosphärischen Konzentrationen, sagt die EPA. Darüber hinaus haben Lachgasmoleküle in der Atmosphäre eine lange Lebensdauer – etwa 120 Jahre, bevor sie in einer „Senke“ entfernt oder durch chemische Reaktionen zerstört werden. Ein Pfund N2O-Gas hat den 300-fachen Erwärmungseffekt von einem Pfund Kohlendioxid.

Basierend auf Daten aus dem Jahr 2012 macht Lachgas etwa 6 Prozent aller US-Emissionen aus, die durch menschliche Aktivitäten entstehen. Weltweit sind etwa zwei Fünftel, 40 Prozent, der Lachgas-Emissionen auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen.

Landwirtschaft, Transport und Industrie sind die Hauptquellen für Lachgas-Emissionen, wie diese Grafik zeigt:

Fluorierte Gase (HFCs, PFCs, SF6)

Fluorierte Gase werden in kleineren Mengen als die anderen Treibhausgase emittiert, Aber was ihnen an Volumen fehlt, machen sie durch ihre Potenz und ihre lange Lebensdauer in der Atmosphäre wieder wett, die von 1-270 Jahren für HFCs bis zu 800-50.000 Jahren für PFCs und etwa 3.200 Jahren für SF6 reicht. Sobald sie in die Atmosphäre emittiert werden, verteilen sie sich weiträumig über den Globus; sie werden nur in den höchsten Schichten der Atmosphäre durch Sonnenlicht aus der Atmosphäre entfernt. Da sie die stärksten Treibhausgase sind und die längste Lebensdauer haben, werden diese Gase oft als „Gase mit hohem Treibhauspotenzial (GWP)“ bezeichnet.

Aluminium- und Halbleiterfertigungsprozesse gehören zu den Hauptemittenten der fluorierten Gase, wie diese Grafik zeigt:

Referenzen und Ressourcen

• The Discovery of Global Warming, Spencer R. Weart, 2008, Harvard University Press.
• The Rough Guide to Climate Change: The Symptoms, The Science, The Solutions, 2011, Robert Henson, Roughguides.com.
• The Thinking Person’s Guide to Climate Change, 2014, Robert Henson, AMS Books.
• Climate Change 2007: The Physical Science Basis: Summary for Policymakers, Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007, World Meteorological Organization and United Nations Environment Programme.
• Climate Change 2013: The Physical Science Basis: Summary for Policymakers, Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2013, World Meteorological Organization and United Nations Environment Programme.
• Earth: The Operators‘ Manual, Richard B. Alley, 2011, W.W. Norton and Company.
• Understanding and Responding to Climate Change: Highlights of National Academies Reports, 2008, The National Academies.
• Climate Change 101: Understanding and Responding to Global Climate Change, Pew Center on Global Climate Change, undatiert, Pew Center on Global Climate Change.
• Climate Stabilization Targets: Emissions, Concentrations, and Impacts over Decades to Millennia: Report in Brief, 2010, National Academy of Sciences.
• Skeptical Science.com

Über den Autor

Morris A. (Bud) Ward, Herausgeber von Yale Climate Connections, ist ein bewährter und sehr erfahrener Kommunikator und Pädagoge in den Bereichen Umwelt, Energie und Klimawandel. Er kann auf eine umfangreiche Publikationshistorie zurückblicken, darunter Hunderte von Nachrichten- und Analyseartikeln sowie die Autorschaft oder Mitautorschaft von fünf Fachbüchern. Er hat zahlreiche Workshops aus erster Hand für Reporter, Redakteure und politische Entscheidungsträger zu den Themen Journalismus/Kommunikation, Klimawandel und Umweltrisiken durchgeführt. Er schreibt, spricht und lehrt regelmäßig über Themen im Zusammenhang mit dem Klimawandel und über die sich verändernde Natur von Journalismus und Massenkommunikation in der modernen Gesellschaft.