Mittwoch, 2. April 2008

Stammt das zusätzliche CO2 in der Luft von menschlichen Quellen?

Die CO2-Konzentration der Atmosphäre steigt an. Seit 1956 wird das unter anderem durch Messungen auf Mauna Loa bestätigt, davor wissen wir insbesondere durch die Analyse von Luft, die in Eisbohrkernen eingeschlossen ist, daß bis vor weniger als 200 Jahren das CO2-Mischungsverhältnis in den letzten Jahrtausenden stabil bei um die 280 ppm [1] stand und ansteigt, seit Menschen Kohle, Öl und Gas verbrennen.



Es mag aber einige Menschen verwirrren, wie klein der Eintrag durch den Menschen im Vergleich mit den Stoffumläufen in der Natur ist. Was Pflanzen an CO2 aus der Luft aufnehmen und in Zucker umwandeln, was durch Verrotten und Verspeisen der Pflanzen wieder in die Luft gelangt, das ist um Größenordnungen mehr als der Eintrag aus fossilen Brennstoffen. Näheres kann man z.B. bei Wikipedia unter Kohlenstoffzyklus nachlesen. Weil es sich dabei aber um geschlossene Kreisläufe handelt, interessiert nur, was am Ende nicht abgedeckt wird. Und das sind die Zuflüsse aus dem Reservoir fossiler Kohlenstoffverbindungen.

Man kann sich das quantitativ anschauen. Die Atmosphäre enthält 380 ppm CO2. Der Zuwachs seit ca. 1850 beträgt 100 ppm. Das sind ca. 220 Milliarden Tonnen Kohlenstoff. Laut Carbon Dioxide Information Analysis Center (ein Institut des US-Wirtschaftsministeriums) wurden seit 1715 etwa 315 Milliarden Tonnen Kohlenstoff durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre abgegeben, die Hälfte davon seit Mitte der siebziger Jahre. Der Anteil vor 1850 ist vernachlässigbar. Die durch Menschen emittierte Menge übersteigt also erheblich den in der Atmosphäre gemessenen Anstieg.

Wir haben also nicht etwa das Problem, daß die von Menschen in die Luft geblasene Menge an CO2 gering wäre im Vergleich zum gemessenen CO2-Anstieg, sondern müssen vielmehr erklären, wieso die CO2-Konzentration nicht noch viel stärker ansteigt. Auch dafür gibt es eine Lösung. Ein großer Teil des CO2 geht in die Ozeane. Genauso wie in Sprudelwasser ist auch in den Ozeanen CO2 gelöst, nur eben viel weniger. Öffnet man die Sprudelwasserflasche, vermindert man den Druck an CO2 über dem Sprudelwasser und das CO2 darin fängt an, herauszusprudeln. Umgekehrt kann man das Aufsteigen der Gasblasen unterbinden, wenn man einen ausreichenden CO2-Druck über dem Wasser herstellt. Genauso funktioniert es auch bei den Ozeanen. Der wachsende CO2-Anteil der Atmosphäre drückt CO2 in die Ozeane hinein.

Diese Rechnung (man nennt das Budgetrechnung) ist nicht der einzige Beweis dafür, daß der Mensch die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre verändert. Der zweite Beweis kommt aus der Betrachtung der Isotopenzusammensetzung des Kohlenstoffs in der Luft.

Chemische Elemente können in verschieden schweren Varianten, den Isotopen, vorkommen. Kohlenstoff z.B. kommt in den Varianten C-12, C-13 und C-14 vor. C-14 wurde durch die Atombombenversuche in den fünfziger Jahren in großen Mengen in die Atmosphäre eingebracht und ist nur für Aussagen bis ca 1950 sinnvoll, aber C-13 eignet sich als Marker für die Herkunft von Kohlenstoff. C-14 ist radioaktiv und zerfällt. Deshalb enthält fossiler Kohlenstoff kein C-14. Tatsächlich ist bis 1950 der Gehalt an C-14 in der Luft deutlich gesunken. C-13 wird in Pflanzen schlechter eingelagert als C-12. Auch hier deutet ein Abfall der C13-Konzentration in der Luft darauf hin, daß der Anstieg von CO2 nicht vulkanischen Ursprungs sein kann, sondern aus fossilen Brennstoffen oder dem Verbrennen und Verroten von Pflanzen stammen muß.

Zusätzlich kann man das Verhältnis der Konzentrationen von Sauerstoff und Stickstoff messen. Sinkt dieses Verhältnis, heißt das, daß Sauerstoff durch Verbrennungsvorgänge gebunden wird. Auch das beobachtet man. Sowohl Isotopenbetrachtung als auch Sauerstoffverbrauch lassen sich auf menschengemachte Quellen für CO2 zurückführen.

Ein weiteres Indiz ist die geographische Verteilung des CO2 in der Luft. Es herrscht ständig eine höhere Konzentration in nördlichen Breiten und in der unteren Atmosphäre vor. Die Quellen für CO2 liegen also in den nördlichen Breiten in Bodennähe, wo Kohle, Öl und Gas verbrannt werden, und nicht etwa in der südlichen Hemisphäre (was auf Quellen im Meer hinweisen würde) oder an einzelnen Punkten am Globus (wie bei vulkanischem Ursprung zu erwarten).


[1] ppm = parts per million = 1 Teil CO2 auf eine Million Teile Luft (als Volumen gerechnet).

[2] Rechnung: die Atmosphäre enthält 380 ppm CO2. Das Gewicht der Atmosphäre ist Fläche des Erdbodens mal Druck am Boden durch Erdbeschleunigung. Einsetzen der Zahlen ergibt 5*10^21 g Luft. Bei einem durchschnittlichen Atomgewicht von 29 sind das 1,8*10^20 mol. 380 ppm CO2 ergeben 6,9*10^16 mol CO2. Das sind (mal 12) 8,3*10^17 g C. Der Zuwachs von 100 ppm seit 1850 entspricht 2,2*10^17 g C.

Kommentare:

Nils Simon hat gesagt…

Eine sehr schöne Zusammenfassung! Überhaupt gefallen mir Deine Beiträge sehr gut. Ich habe Deinen Blog gerade eben erst entdeckt, aber von nun an werde ich sicherlich häufiger vorbeischauen :)

for4zim hat gesagt…

Vielen Dank für das Lob. Der Blog globaleumweltpolitik.wordpress.com ist mir übrigens auch schon aufgefallen. Ich kann Dir und Deinem Kollegen nur wünschen, weiter so fortzufahren.

einewelt hat gesagt…

Mal eine Frage zu den Messstandorten, weil fast Überall wird sich auf den Messort auf Hawai MAUNA LOA bezogen, der Ja bekanntlich mitten im Pazifik liegt und bis dahin dürften doch große Anteile des CO2 im Meer aufgelöst sein. An welchen Orten wird die Messung der CO2-Konzentration noch durchgeführt? Demnach müßte es doch auf unserer Erde starke Co2-Strömungen messen lassen, aus Gebieten mit viel Industrie- und Verkehrsdichte

for4zim hat gesagt…

Es gibt eine größere Anzahl von Meßstandorten für CO2 auf der Erde (hier in Deutschland betreibt der Deutsche Wetterdienst im Rahmen von Global Atmosphere Watch am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg CO2-Messungen neben anderen Messungen). Man kann sich auf dieser Webseite http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/globalview/ eine Animation der CO2-Messungen auf geographische Breitenbänder gemittelt für die letzten 10 Jahre anschauen, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie auf der Nordhalbkugel diese Daten jahreszeitlich stark schwanken (auf der Nordhalbkugel sind die meisten CO2-Quellen, hier gibt es aber auch viele Wälder, die im Sommer CO2 aufnehmen und im Winter -Laubfall- teilweise wieder abgeben), während sie auf der Südhalbkugel (vorwiegend Meerbedeckung) nur schwach schwanken und insgesamt langsam steigen.

Eine Liste der Messstationen für kontinuierliche Messungen angesaugter Luft mit dem Gaschromatographen (in-situ) oder von einzelnen Flaschenproben findet man hier: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/dv/site/site_table.html
Eine Weltkarte mit den Standorten wird auch angeboten.

Außerdem gibt es auch Satellitenmessungen, die geographisch eine recht feine Auflösung der CO2-Mischungsverhältnisse für bestimmte Höhenschichten bieten. Insbesondere mit diesen Daten kann man inverse Modellierung betreiben - statt in ein Ausbreitungsmodell CO2-Quellen hineinzustecken, um zu schauen, was für eine CO2-Verteilung herauskommt, kann man auch aus den CO2-Verteilungen zurückrechnen, wie passende Quellen dazu aussehen.

Nimmt man nur die Punktmessungen, kann man unrealistische Ergebnisse bei einer inversen Modellierung nicht ausschließen, wie etwa Kaminski und Heimann finden http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/294/5541/259a

Ein Beispiel für Abschätzungen von Senken für CO2 aus inverser Modellierung aus Stationsdaten findet man auch hier: http://www.nature.com/nature/journal/v415/n6872/full/415626a.html

Inverse Modellierung basierend auf Satellitendaten ist numerisch aufwendig, aber möglich. Ein gutes Beispiel kenne ich nicht. Ein Artikel zum Konzept wäre hier zu finden: http://www.atmos-chem-phys-discuss.net/3/5237/2003/acpd-3-5237-2003.pdf

einewelt hat gesagt…

Die Gif-Animation hat mir sehr gefallen, Die anderen Links sind alle in Englisch, da braucht's einige Zeit bis ich da durchblicke.
hier ist ein Link mit einem Powerpoint-Vortrag mit Folien zum Klimawandel in welchem auch der Kohlenstoffkreislauf sehr anschaulich beschrieben ist. Ich denke das auch Lösungen des Problems angesprochen werden sollten.
http://www.sfv.de/artikel/2008/100__erneuerbare_energien_-_eine_machbare_vision.htm
Dieser Vortrag darf auch von jedem der es sich zutraut gehalten werden. Ich mehr als Solaraktivist bekannt werde mich darin versuchen.
Gruß