Ein Gastbeitrag von Dr. Kristine Haußner
Wie ist unsere Erdatmosphäre zusammengesetzt?
Die bodennahen Schichten bis in etwa 90 km Höhe haben eine recht gleichförmige Zusammensetzung, weshalb man auch von Homosphäre spricht. Was als Luft bezeichnet wird, besteht im Wesentlichen bei Außerachtlassen des wechselnden Wasserdampfgehalts (d. h. in Volumenprozent trockener, wasserdampffreier Luft) aus:
78,08 % Stickstoff (N2), 20,95 % Sauerstoff (O2) und 0,93 % Argon (Ar), dazu Aerosole und Spurengase, darunter Kohlenstoffdioxid (CO2), mit derzeit 0,04 %, ferner Methan (CH4), Ozon (O3), Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Schwefeldioxid (SO2) und Stickstoffverbindungen.
Die Hochatmosphäre ist ein bereits sehr dünnes Gas, in das auch hochenergetische Anteile der Sonnenstrahlung noch eindringen können. Durch kurzwelliges UV-Licht werden die Moleküle dissoziiert (zerteilt) und teilweise ionisiert (aufgeladen, d.h. sie tragen eine positive oder negative Ladung).
Ferner kommt es in Höhen über etwa 100 km auch zu einer Entmischung der Bestandteile nach ihrer unterschiedlichen molaren Masse, weshalb dieser Abschnitt auch Heterosphäre genannt wird. Mit wachsender Höhe nehmen daher die Anteile leichterer Teilchen wie Wasserstoffatome (H) und Helium (He) zu. Diese beiden Elemente entweichen thermisch bedingt allmählich in den Weltraum.
Was ist Wetter?
Die Meteorologie klassifiziert das örtliche Wetter einer bestimmten Zeit anhand der verschiedenen Phänomene in der Troposphäre, dem unteren Teil der Atmosphäre. Den Verlauf des Wetters bestimmt die von Sonnenstrahlung und regionaler Energiebilanz geprägte atmosphärische Zirkulation.
Das Wetter findet fast ausschließlich in den unteren 10 Kilometern der irdischen Lufthülle statt, der Troposphäre. Nur hier gibt es merkliche Bewölkung, weil der Wasserdampf als entscheidender Faktor nicht über die Tropopause (je nach Ort und Jahreszeit etwa 8 bis 15 km hoch) hinaus gelangen kann.
Wie entsteht Wetter?
Für die Entstehung des Wetters ist neben der Energiezufuhr durch die Sonnenstrahlung und ihrer tages- und jahreszeitlichen Schwankung hauptsächlich der Gehalt an Wasserdampf verantwortlich. Dieser kommt in wechselnder Konzentration von 0 % Vol. bis etwa 4 % Vol. in der Luft vor (Luftfeuchtigkeit). Die regionale Sonneneinstrahlung hängt über den Gehalt an Aerosolen auch von der Transparenz der Atmosphäre ab.
Was ist Klima?
Das Klima ist definiert als eine Zusammenfassung der Wettererscheinungen, die den mittleren Zustand der Atmosphäre über einen hinreichend langen Zeitraum an einem bestimmten Ort oder in einem mehr oder weniger großen Gebiet charakterisieren. Es gibt vielfältige Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und der Hydrosphäre (Ozeane, Flüsse, Seen), der Biosphäre (Fauna, Flora), der Lithosphäre (feste, unbelebte Erde) und der Kryosphäre (Eis, Gletscher, Permafrost). Die Gesamtheit dieser Komponenten wird Klimasystem genannt.
Was ist der Treibhauseffekt?
Stoffe und Gase, zu denen auch Wasserdampf und Ozon gehören, haben eine besondere Eigenschaft: Sie lassen die von der Sonne (vor allem im sichtbaren und kurzwelligen Bereich) auf die Erde gelangende, energiereiche Strahlung relativ ungehindert passieren.
Sie absorbieren teilweise aber die im Gegenzug von der erwärmten Erdoberfläche, entsprechend ihrer Temperatur, abgegebene langwellige Strahlung.
Hierdurch werden die Moleküle dieser Gase in einen energetisch angeregten Zustand versetzt, um nach kurzer Zeit unter Emission (Aussendung) infraroter Strahlung wieder in den ursprünglichen Grundzustand zurückzukehren. Diese Emission von Wärmestrahlung erfolgt in alle Raumrichtungen gleichermaßen.
Das bedeutet, dass die Wärmestrahlung auch zu einem großen Anteil zur Erdoberfläche zurückreflektiert wird (“thermische Gegenstrahlung”). So erwärmt sich die Erdoberfläche.
Ohne die natürlicherweise vorkommenden Treibhausgase (insbesondere Wasserdampf) wäre ein Leben auf unserem Planeten gar nicht möglich. Statt der jetzt herrschenden globalen, bodennahen Mitteltemperatur von knapp 15 Grad Celsius, hätte die Erde ohne natürlichen Treibhauseffekt, eine mittlere Temperatur von etwa -18 Grad Celsius und wäre somit vereist. Der natürliche Treibhauseffekt sichert also unser irdisches Leben.
Welche Treibhausgase gibt es?
Methan ist ein geruch- und farbloses, hochentzündliches Gas. Die durchschnittliche Lebenszeit in der Atmosphäre beträgt um die 12,4 Jahre. Es macht einen substanziellen Teil des Treibhauseffektes aus, denn das Gas ist 25-mal so wirksam wie Kohlendioxid.
Methan ist der meist vertretene Kohlenwasserstoff in der irdischen Atmosphäre, wobei die Konzentration sowohl zwischen der Nord- und Südhalbkugel als auch jahreszeitlich schwankt. Als Treibhausgas besitzt Methan ein hohes Treibhauspotential. Es trug zur klimageschichtlichen Erderwärmung bei und beeinflusst die aktuelle globale Erwärmung.
Lachgas ist ein farbloses, süßlich riechendes Gas. Die durchschnittliche Lebenszeit in der Atmosphäre beträgt etwa 121 Jahre. Es ist 298-mal so wirksam wie CO2 und macht daher einen auf die Menge bezogen überproportionalen Teil des Treibhauseffektes aus.
Lachgas wird in erster Linie als Nebenprodukt natürlich ablaufender Prozesse, zum Beispiel im Zuge der bakteriellen Nitrifikation gebildet und in die Atmosphäre freigesetzt
Viele fluorierte Kohlenwasserstoffverbindungen (F-Gase) sind selbst im Vergleich zu Methan und Lachgas extrem treibhauswirksam. Auch ihre Verweildauer in der Atmosphäre ist enorm lang.
CO2
Kohlenstoffdioxid oder Kohlendioxid (CO2) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. CO2 ist ein nicht brennbares, in Wasser säurebildendes und farbloses Gas. Da es sich gut in Wasser löst, wird es umgangssprachlich manchmal auch „Kohlensäure“ genannt. CO2 ist schwerer als Luft und unterstützt Verbrennungsvorgänge nicht.
Es ist mit einer Konzentration von ca. 0,04 % (derzeit 381 ppm entspr. 0,0381 %) ein natürlicher Bestandteil der Luft.
Alle Pflanzen, manche Bakterien und Archaeen sind in der Lage, CO2 durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen beispielsweise bei der Photosynthese aus anorganischem CO2 Glukose. (https://www.chemie.de/lexikon/Kohlenstoffdioxid.html).
Kohlenstoffdioxidabsorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwelligere Strahlung, d. h. der größte Teil der Sonnenstrahlung, passieren kann.
Diese Eigenschaft macht Kohlenstoffdioxid zu einem so genannten Treibhausgas.
Nach Wasserdampf ist Kohlenstoffdioxid entsprechend seinem Mengenanteil das damit mengenwirksamste der Treibhausgase, wenngleich die spezifischen Wirksamkeiten von Methan, Lachgas und Ozon höher sind. Alle Treibhausgase zusammen erhöhen die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche von ca. −18 °C auf +15 °C (natürlicher Treibhauseffekt). Kohlenstoffdioxid hat einen Anteil von ca. 9 bis 26 % an diesem Gesamteffekt und ist somit in hohem Maß für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich. (Quelle: https://www.chemie.de/lexikon/Kohlenstoffdioxid.html)
Die anthropogenen CO2-Emissionen werden zum Teil von den natürlichen Kohlenstoffdioxidsenken aufgenommen, sodass sich nur etwa 45% des anthropogenen Kohlendioxid in der weltweiten Atmosphäre akkumulieren (sich anreichern).
Wie giftig ist CO2?
CO2-Konzentrationen (Vol-%) in Luft und Auswirkungen auf den Menschen:
- 0,038 %: Derzeitige Konzentration in der Luft (entspricht 380 ppm)
- 0,15 %: Hygienischer Innenraumluftrichtwert für frische Luft (entspricht 1500 ppm)
- 0,3 %: MIK-Wert, unterhalb dessen keine Gesundheitsbedenken bei dauerhafter Einwirkung bestehen (entspricht 3000 ppm)
- 0,5 % (9 g/m³): MAK-Grenzwert für tägliche Exposition von acht Stunden pro Tag (entspricht 5000 ppm)
– 1,5 %: Zunahme des Atemzeitvolumens um mehr als 40 %.
– 4 %: Atemluft beim Ausatmen (40000 ppm CO2 atmen wir aus)
– 5 %: Auftreten von Kopfschmerzen, Schwindel und Bewusstlosigkeit
– 8 %: Bewusstlosigkeit, Eintreten des Todes nach 30–60 Minuten
Wie entsteht CO2?
Die Kohlenstoffdioxidkonzentration der jungen Erde hatte ihren Ursprung in vulkanischer Aktivität, die der Atmosphäre bis heute Kohlenstoffdioxid zuführt und aktuell weltweit ca. 150 bis 250 Megatonnen Kohlenstoffdioxid jährlich freisetzt (Quelle: Volcanic Gases and Climate Change Overview).
CO2 entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaligen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff als auch im Organismus von Lebewesen als Produkt der Zellatmung. Das CO2 wird dabei über den Atem abgegeben.
Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts gab es jedoch noch keinen Beleg dafür, dass die CO2-Konzentration in der Atmosphäre wirklich steigt.
Diese Feststellung gelang den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern erst während des internationalen geophysikalischen Jahres 1957/1958 (siehe Rahmstorf, Schellnhuber 2007).
1958 initiierte der Chemiker Charles Keeling den Beginn der kontinuierlichen Messungen der atmosphärischen CO2-Konzentration auf dem Mauna Loa (Hawaii), die bis in die Gegenwart fortgeführt werden.
Vulkanseen stoßen deutlich mehr Kohlendioxid aus als bisher angenommen und tragen damit stärker zum Treibhauseffekt bei als gedacht. Das enthüllt die erste systematische Messung der CO2-Ausgasung an 31 vulkanischen Seen unterschiedlicher Ausprägung. Die daraus ermittelte globale Emissionsrate von 117 Megatonnen CO2 pro Jahr haben spanische Forscher jetzt in der Fachzeitschrift „Geology“ veröffentlicht. Ein so hoher Wert wurde bisher in allen Schätzungen der vulkanischen Gasemissionen nicht berücksichtigt oder deutlich unterschätzt. Die Forscher maßen die Gasemissionen von 31 Seen verschiedenster Sorte, von sauer über neutral bis alkalisch, mit Hilfe einer im Wasser schwimmenden Gas-Auffangkammer. (https://www.scinexx.de/news/geowissen/vulkanseen-als-co2-schleuder-entlarvt/).
CO2 und Pflanzen
Pflanzen und photosynthesefähige Bakterien nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre auf und wandeln es durch Photosynthese unter Einwirkung von Licht und Aufnahme von Wasser in Kohlenhydrate wie Glucose um.
Auf Pflanzen hat eine geringfügig erhöhte Kohlenstoffdioxid-Konzentration den Effekt der Kohlenstoffdioxid-Düngung, da die Pflanzen bei der Photosynthese für die Kohlenstoffdioxid-Assimilation CO2 benötigen. Bei vielen Pflanzen liegt das Optimum von CO2 meist zwischen 800 und 1000 ppm.
Wissenschaftler des Biodiversität- und Klima-Forschungszentrums haben 2012 erstmals in einer gemeinsamen Studie mit anderen Institutionen berechnet, dass kryptogame Schichten aus Flechten, Algen und Moosen neben Stickstoff jährlich rund 14 Milliarden Tonnen Kohlenstoffdioxid binden. Sie binden so viel Kohlenstoffdioxid, wie pro Jahr durch Waldbrände und die Verbrennung von Biomasse weltweit freigesetzt wird.
Über welche CO2 – Konzentrationen reden wir?
Laut Messungen an Eisbohrkernen bestand in den letzten Jahrtausenden ein leichter Abwärtstrend der atmosphärischen CO2-Konzentration, der sich bereits etwa 1850 umkehrte. Nachdem am 9. Mai 2013 an der Messstation der amerikanischen Wetterbehörde National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) auf dem Mauna Loa erstmals ein Tagesdurchschnitt von 400 ppm (ppm = Teilchen pro Million) überschritten wurde, erreichte die CO2-Konzentration diesen Wert im März 2015 zum ersten Mal auf globaler Basis. Im Sommer 2019 waren es saisonbereinigt etwa 412 ppm, wobei sich der Anstieg beschleunigt: Er betrug in den 1960er Jahren knapp 0,9 ppm pro Jahr, in den 2000ern 2 ppm pro Jahr und aktuell fast 3 ppm pro Jahr. Im Jahr 2020 erreichte er laut Weltmeteorologieorganisation mit 413,2 ppm einen neuen Höchstwert. Der Anstieg im Vergleich zum Vorjahr fiel noch höher aus als die durchschnittliche Zunahme in den vergangenen zehn Jahren.
Die gegenwärtige Konzentration liegt fast 50 % über dem vorindustriellen Wert von 280 ppm und 33 % über dem höchsten in den vergangenen 800.000 Jahren jemals erreichten. Auch während der letzten 14 Mio. Jahre (seit dem „Mittleren Miozän“) existierten keine deutlich höheren CO2-Werte als heute.
Der Anteil des weltweiten CO2-Ausstoßes von Deutschland beträgt ca. 2 %. Wenn man von einem weltweiten Anstieg von 3 ppm/Jahr ausgeht, ist Deutschlands maximaler Beitrag davon: 0,06 ppm.
Beträgt der CO2-Gehalt der Luft aktuell 0,0412%, so hat Deutschland dazu 0,000006 % beigetragen.
CO2-Emissionen: Größte Länder nach Anteil am weltweiten CO2-Ausstoß im Jahr 2021
Folgt das CO2 der Temperatur – oder gibt es in Millionen Jahren überhaupt keinen Zusammenhang?
Meine Fragen:
Wer hat eigentlich vor 800.000 bzw. 14 Mio. Jahren die Erdtemperatur und das CO2 in der Atmosphäre gemessen und wie?
Wie misst man den Gesamtgehalt an CO2 in der Atmosphäre (in Mio Tonnen)? Welcher Anteil davon ist antropogen?
Wer achtet auf den Anstieg der übrigen Treibhausgase (z,B. Methan, mit 25 x höherer, oder Lachgas, mit 298 x höherer Treibhauswirksamkeit als CO2)?
Welchen Einfluß haben athmosphärische Staubpartikel auf den Treibhauseffekt?
Wie kann Deutschland die Welt retten?
Quellen: