Kohlendioxid als Rückkopplungsgröße

Worüber man viel schreibt, sagt etwas darüber aus, wo man sich getroffen fühlt. Als Vahrenholt und Lüning ihr Machwerk "Die kalte Sonne" in den Verkauf gehen ließen, war die offensichtlich umfangreiche PR-Aktion darum herum für mich Anlaß genug über eine an sich langweilige Wiederholung alter Leugnermythen zu berichten. Wenn Bild, Focus und Spiegel unisono nach der Melodie der Leugner tanzen, dann muß man dazu etwas schreiben. Ganz anders sieht es eigentlich bei einem Artikel von Jeremy Shakun, Clark, He, Marcott, Mix, Liu, Otto-Bliesner, Schmittner und Bard, Global Warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation, Nature 484, 49-54 (2012) aus. Der Artikel war nicht von großer medialer Aufmerksamkeit begleitet, aber inhaltlich stellte er einem bestimmten Mythos ein Bein, und führte daher zu heftigsten Reaktionen bei denen, die mit diesem Mythos arbeiten. Daß sie so heftig die Ergebnisse einer aktuellen wissenschaftlichen Studie wegerklären müssen, zeigt schon, wie stark sie sich davon getroffen fühlen.

Klimawandel ohne Zinsen

Wenn wir den Treibhauseffekt verschiedener Substanzen vergleichen, haben wir immer ein grundsätzliches Problem. Ihr relatives Erwärmungspotential verändert sich im Laufe der Zeit. Kohlendioxid hat eine lange Lebenszeit im gekoppelten System Atmosphäre - Biosphäre - obere Schichten der Ozeane. Würde man das Erwärmungspotential als J/je emittierte Tonne über 1000 Jahre messen, wäre CO2 eines der wirkungsvollsten Treibhausgase. Über kürzere Zeitskalen wird es jedoch von Gasen wie Methan in den Hintergrund gedrängt. Gängige Zahlenwerte sind eine um einen Faktor 25 stärkere Treibhauswirkung als CO2 über 100 Jahre und ca. 81 momentan bei Methan. Solche Zahlen hängen von Annahmen über die jeweiligen Verweildauern in der Atmosphäre ab und erfordern entsprechende Modellrechnungen. Die Versuchung ist groß, nur auf die kurzfristig viel höhere Treibhauswirkung bestimmter Gase oder kurzlebiger Substanzen wie schwarzem Kohlenstoffaerosol zu schauen und zu postulieren, daß der Klimawandel einfacher zu bekämpfen sei, wenn man sich auf die Reduktion der Emissionen von Methan und schwarzem Kohlenstoffaerosol beschränkte. In diesem Sinne wird gerade eine neue Studie falsch interpretiert, die zusammenstellt, welche Maßnahmen hier besonders effizient sein sollen.

Abhängigkeiten in der Wissenschaft

In der Wissenschaft stehen Einzelerkenntnisse selten allein. Oft gibt es verschiedene Wege, zum gleichen Ergebnis zu gelangen und oft haben Fakten in einem Bereich Auswirkungen auf ganz andere Bereiche. Die Mendelschen Gesetze wurden zum Beispiel empirisch gefunden, sie ergeben sich aber auch zwanglos aus unseren Kenntnissen über die Weitergabe von Erbinformationen über unsere DNS. Leugner des vom Menschen verursachten Klimawandels scheitern nicht einfach daran, dass ihre Pseudowissenschaft fehlerhaft ist, sondern auch daran, dass sie immer nur einen Aspekt wegzuerklären versuchen und alle anderen damit verknüpften Aspekte vergessen. Klimasensitivität und Temperaturen in früheren Jahrhunderten ist ein bekanntes Beispiel, wo man nicht einfach behaupten kann, was man will. Versucht man Klimaschwankungen in der jüngeren Vergangenheit zu übertreiben, erhält man zwangsläufig eine hohe Klimasensitivität und muss sich über unsere Zukunft erst recht Sorgen machen. Ein kleine Klimasensitivität wiederum macht es schwierig, die Eiszeiten zu erklären, die unbestreitbar stattgefunden haben, es sei denn, man traut der Sonne eine furchtbare Instabilität zu. Die wäre aber wiederum im Konflikt mit astrophysikalischen Erkenntnissen und wäre zudem über Indikatoren für den Teilchenfluss von der Sonne und Isotopenverhältnissen in Sedimenten zu überprüfen. Sollten die Eiszeiten daher rühren, dass die Emissionen der Sonne massiv zurückgegangen sind, wäre nicht nur die Frage zu beantworten, was denn da in der Sonne vorgefallen sein soll, wir würden auch einen massiven Anstieg bestimmter Isotope in Sedimenten zu Beginn einer Eiszeit sehen. Ein Punkt sollte eigentlich kein Problem bereiten. Der CO2-Anstieg in der atmosphärischen Zusammensetzung stammt ausschließlich aus menschlichen Einflüssen. Oder?

Warum der Klimawandel ein Problem ist

Wie man kürzlich lesen konnte, ist inzwischen nur noch eine Minderheit der Deutschen der Meinung, daß wir uns wegen des Klimawandels Sorgen machen müßten. Der Spiegel hatte eine Umfrage in Auftrag gegeben, nach der nur noch 42 Prozent der Meinung seien, daß wir uns vor den Folgen des Klimawandels fürchten müßten. 2006 waren noch 62 Prozent der Deutschen der Meinung, daß wir uns vor den Folgen eines Klimawandels fürchten müßten. Im Spiegel wird behauptet, daß sei Folge einiger behaupteter Fehler im IPCC-Bericht. Wir wissen, daß von den angeblichen Fehlern die meisten nur konstruiert und alle Punkte ohne Einfluß auf die Grundaussagen des Berichts sind. Und wir wissen auch, daß nicht diese bestrittenen Punkte der Grund für den Meinungsumschwung sind, sondern die Tatsache, daß die Medien einer Desinformationskampagne von Lobbykreisen ohne angemessene Berichterstattung Raum geben.

An dieser Stelle möchte ich zusammenfassen, warum der Klimawandel ein Problem ist. Zunächst einmal geht es um den Anstieg des Mischungsverhältnisses von CO2 in der Atmosphäre an sich. Der CO2-Gehalt ist in den letzten 650.000 Jahren zwischen ca. 180 ppm und 300 ppm geschwankt. 180 ppm bedeuteten eine Eiszeit, 300 ppm eine Zwischeneiszeit, mit ca. 6 Grad Temperaturunterschied global zwischen den beiden Zuständen. Nach heutigem Kenntnisstand ist dabei der Unterschied in dem CO2-Mischungsverhältnis eine positive Rückkopplung aufgrund eines geringfügigen Unterschieds im Strahlungshaushalt der Erde durch den Milankovich-Zyklus der Erde. Zugleich ist dieser Milankovich-Zyklus auch einer von mehreren Belegen dafür, daß es eine insgesamt positive Rückkopplung bei einer globalen Temperaturänderung gibt. Derzeit steigt das CO2-Mischungsverhältnis pro Jahr um ca. 2 ppm an und liegt bei ca. 387,5 ppm und damit bereits weit außerhalb des Bereichs der letzten 650.000 und vermutlich 1,3 Millionen Jahre. Und im Gegensatz zu früher ist der CO2-Anstieg diesmal nicht eine Rückkopplung, sondern Antrieb einer Klimaänderung, bei der viele, insbesondere langsamere Rückkopplungen erst noch eintreten werden. Bis 2030 sind wir bereits zu einem Anstieg des globalen CO2-Mischungsverhältnisses auf über 430 ppm verurteilt, und nur drastische Maßnahmen könnten verhindern, daß das globale CO2-Mischungsverhältnis deutlich darüber steigt. Bisher ist noch keine Maßnahme getroffen worden, die verhindern würde, daß das CO2-Mischungsverhältnis in einen Bereich steigt von über 600, vielleicht 1000 oder mehr ppm, der uns klimatisch zurückbringt in die Zeit der Dinosaurier.

Wir verändern also unausweichlich die Zusammensetzung unserer Atmosphäre in einen Bereich eines Zeitalters, in dem es noch keinen modernen Menschen und keinen Ackerbau gab. Das macht mich alleine bereits besorgt.

Wir emittieren CO2 und verändern unsere Atmosphäre, ohne daß uns irgendein Hinweis dazu vorläge, daß dieses unbedenklich wäre. Tatsächlich ist niemand dazu in der Lage, irgendeinen unumstößlichen Beweis zu liefern, daß ein Anstieg des CO2-Mischungsverhältnisses über 400 ppm ohne gravierende Auswirkungen auf Ökosysteme, Ackerbau und Meeresspiegelanstieg bliebe.

Der Meeresspiegel hat sich in der Vergangenheit rasch an veränderte Temperaturen angepaßt. Änderungen um 1-2 Meter pro Jahrhundert waren offensichtlich möglich. Die Hinweise verdichten sich, daß wir auch bis Ende dieses Jahrhunderts mit einem Anstieg des Meeresspiegels um 80 bis 140 cm rechnen müssen. Außerdem ist nicht auszuschließen, daß der grönländische Einsschild, der bei den heutigen Temperaturen vermutlich nur metastabil ist, bei einem weiteren globalen Temperaturanstieg instabil würde. Der westantarktische Eisschild könnte bei ähnlichen oder geringfügig höheren Temperaturen instabil werden. Beide Eisschilde enthalten genug Wasser, um den Meeresspiegel global jeweils um mehr als 5 Meter im Laufe weniger Jahrhunderte steigen zu lassen, mit starken regionalen Unterschieden. Hier ist ein Prozess, der im Laufe einiger Jahrzehnte aus unserer Kontrolle geraten könnte und einen Zustand erreichen könnte, in dem Anpassung an den Klimawandel für betroffene Staaten nicht mehr möglich wäre. Deutschland mit der norddeutschen Tiefebene gehört dazu.

Ein weiteres Problem eines ungebremsten CO2-Anstiegs ist die zunehmende Versauerung der Meere, die dazu führen kann, daß die Meere als Nahrungslieferanten weitgehend ausfallen. Ergänzung am 29.03.2010: Der Abfall des pH-Wertes erfolgt derzeit bis zu einer Größenordnung schneller als bei einem vergleichbaren Ereignis vor 55 Millionen Jahren, bei dem ein massives Artensterben in den Ozeanen zu beobachten war. In der betroffenen Sedimentschicht aus jener Zeit findet man plötzlich nicht mehr die Kalkablagerungen der Schalen von Meereslebewesen, sondern nur rötlichen Ton, bis sich einige 100.000 Jahre später die Ozeane erholt hatten. Eine Zerstörung der Artenvielfalt in den Ozeanen über mehrere 100.000 Jahre ist auf der menschlichen Zeitskala ein Ereignis, das unsere Zivilisation dauerhaft beeinträchtigt. Zusammen mit Überdüngung und CO2-Anstieg ist zudem zu befürchten, daß sich Todeszonen in den Ozeanen dramatisch ausbreiten. Dies alles sind Probleme, die auch Deutsche unmittebar betreffen werden mit spürbaren Folgen möglicherweise in den nächsten Jahrzehnten.

Der globale Temperaturanstieg aufgrund des Treibhauseffektes ist eine sichere und triviale Folge des CO2-Anstiegs. Die größere Unbekannte ist dabei, wie stark das CO2-Mischungsverhältnis steigen wird sowie die Mischungsverhältnisse anderer Treibhausgase. Dies ist deshalb eine Unbekannte, weil nicht nur die Temperatur an die Treibhausgasmischungsverhältnisse gekoppelt ist, sondern die Treibhausgasemissionen aus den Böden und aus dem Meer an die Temperatur gekoppelt sind. Ich habe dazu Hinweise gegeben. Es gibt inzwischen einen weiteren Hinweis auf eine Korrelation von Temperatur und Emission von CO2 aus den Böden. Es ist daher nicht auszuschließen, daß es einen Temperaturbereich gibt, in dem wir den weiteren Anstieg der CO2-Mischungsverhältnisse (oder von Methan) gar nicht aufhalten können. Wo dieser Bereich liegt, wissen wir nicht. Genau das sollte uns Sorgen machen.

Ein globaler Temperaturanstieg führt automatisch dazu, daß sich Klimazonen verschieben, daß sich wesentliche Niederschlagsgebiete verändern, daß Wüsten entstehen oder verschwinden mit einer Geschwindigkeit, der Natur und Mensch nicht folgen können. Gletscher als wichtige Wasserspeicher gehen global zurück. Derzeit sind noch keine Maßnahmen getroffen worden, in deren Rahmen Anpassungsmaßnahmen an einen Klimawandel möglich oder sinnvoll wären, denn Anpassungsmaßnahmen setzen voraus, daß der Wandel soweit gebremst ist, daß Anpassungsmaßnahmen ihm folgen könnten. Geoengineering ist erst recht keine Lösung. Auch das sind Gründe, über den Klimawandel sehr besorgt zu sein.

Wenn jetzt die Mehrheit der Deutschen nicht besorgt ist, sagt das nur etwas über den Grad allgemeiner Desinformation aus (danke, liebe Medien!). Die Mehrheit der relevanten Experten ist besorgt, und nicht zuletzt das macht auch mich besorgt und sollte jeden besorgt machen. Wir sollten endlich dieses wahnwitzige Experiment stoppen, einfach mal die Zusammensetzung der Erdatmosphäre zu ändern und abzuwarten, was dann passiert. Wenn etwas passiert, ist es definitiv zu spät, noch irgend etwas dagegen zu unternehmen.

Methan: Blubbergas aus dem Norden macht noch keine Angst

Vor etwas über einem Monat hatte ich beruhigende Sätze über Methan verbreitet. Das Gas verstärkt den Treibhauseffekt, zeigt aber keine Tendenzen eine ernsthafte Konkurrenz für CO2 zu werden. Teilweise liegt das daran, daß Methan in den letzten zwei Jahrzehnten kaum Zuwachs in der Atmosphäre zeigte. Die Ursachen dafür sind unklar. Für die Zukunft gibt dieses Treibhausgas aber Grund zur Sorge, weil gewaltige Mengen an Methan in den Permafrostböden und in den Ozeanen gebunden sind. Tauen die Permafrostböden auf oder wird in den Ozeanen durch eine Erwärmung das als Clathrat gebundene Methan instabil, blubbert das Methan aus diesen Reservoirs. Die dort gebundenen Mengen könnten möglichweise die Methankonzentration in der Luft vervierfachen und dadurch Methan zu einem gleichwertigen Treibhausgas verglichen mit CO2 machen. Ob dies geschehen kann und wie schnell dies geschehen kann, ist unklar. Zudem wird das in den Ozeanen gebunde Methan bei einer Freisetzung zum größten Teil noch im Wasser oxidiert und würde daher gar nicht als Methan in die Atmosphäre gelangen.

In den Gewässern vor Ostsibirien sieht das anders aus. Diese Gebiete wurden im Wechsel mit der Änderung des Meeresspiegels zwischen Eiszeit und Zwischeneiszeit abwechselnd überschwemmt oder trocken gelegt. In den Eiszeiten lagen die Gebiete trocken und waren fester Permafrostboden. Derzeit liegen sie unter ca. 50 Meter Wasser vor dem Festland. Das Wasser bringt die Temperatur in den Bereich des Gefrierpunkts. Schon geringfügige Erwärmungen lassen Methan-Clathrate instabil werden und Methan nach oben blubbern. 50 Meter Wassersäule reichen aber nicht mehr, damit dieses Methan überwiegend im Wasser gelöst und dort oxidiert werden kann. Erhebliche Mengen gehen also in die Atmosphäre. Natalia Shakhova und Igor Semiletov von der University of Alaska in Fairbanks sowie A. Salyuk, V. Yusupov, D. Kosmach und Ö. Gustavsson haben kürzlich in Science (Extensive methane venting to the atmosphere from sediments of the East Siberian Arctic Shelf, Science 327, 1246-1250 (2010).) Ergebnisse von Messungen in diesen Gewässern und in der Luft darüber publiziert, mit denen Sie belegen, daß tatsächlich nennenswerte Mengen von Methan aus dem Kontinentalsockel vor Ostsibirien in die Atmosphäre gelangen. Die Messungen belegen, daß das Schelfeis vor Sibirien keine Barriere mehr für Methan darstellt. Unklar ist, ob diese Situation neu ist und durch die globale Erwärmung bewirkt wird oder ob dieses Meeresgebiet schon immer eine wichtige Methanquelle darstellte. Nach Schätzungen der Autoren kommt die Hälfte des global aus den Meeren emittierten Methans aus dem Meer vor Ostsibirien, nämlich 7 Megatonnen. Um diese 7 Megatonnen Methan einzuordnen: die gesamten Emissionen global betragen ca. 500 - 600 Megatonnen pro Jahr (mehr als die Hälfte davon aus anthropogenen Quellen). Damit trägt Methan ca. 20% des Anteils von CO2 zum zusätzlichen Treibhauseffekt bei. Über diese Methanquelle müßten wir uns also Sorgen machen, wenn sie um mehr als eine Größenordnung stärker würde. Natürlich kann das niemand ausschließen. Aber bis das der Fall ist, sollte unsere Sorge dem CO2 gelten. Es ist ja letzlich auch der Treibhauseffekt durch unser emittiertes CO2, daß dafür sorgen könnte, daß am Ende das in der Arktis gebundene Methan ausgasen könnte.

Weitere Informationen mit weiteren Literaturverweisen bietet RealClimate an.

Ist Holzkohle die Lösung oder ein neues Problem?

Planetenkontrolle oder Geoengineering bezeichnen Maßnahmen, bei denen Menschen absichtlich die Eigenschaften unseres Planeten ändern, um zum Beispiel die Zusammensetzung der Atmosphäre und darüber das Klima zu verändern. In verschiedenen Artikeln hatte ich schon angesprochen, daß die Planetenkontrolle eine problematische Sache ist. Unsere Lebensweise als solche könnte bereits als Planetenkontrolle gelten, nur fehlt hier die Absicht dabei. Nun geht es darum, mit Absicht etwas entgegenzuwirken, was wir ohne Absicht aus dem Lot gebracht haben, eventuell sogar als Ersatz dafür, unsere planetenverändernde Lebensweise aufzugeben. Das entspricht etwa einem Menschen, der durch zuviel Essen und zu wenig Bewegung fett wird und sich nun regelmäßig in ein Eisbad legt, damit der Körper mehr vom überflüssigen Essen verbrennt. Es ist zwar schon möglich, daß der Körper mehr Fett verbrennt, um die Körpertemperatur zu halten, aber es ist fraglich ob dies ausreicht und noch mehr fraglich, ob wiederholte dauernde Unterkühlung der Gesundheit zuträglich ist. Die Frage ist doch, warum dieser Mensch nicht einfach weniger ißt und sich mehr bewegt?

Alle Maßnahmen zur Planetenkontrolle leiden darunter, daß bei ihnen Wirkungen von Nebenwirkungen begleitet sind. Und wenn man doppelt Pech hat, ist sogar nur die Nebenwirkung erheblich, die Wirkung hingegen geringfügig. Das Einbringen von Sulfataerosolen in die Atmosphäre hat z.B. eine nur kurzfristig kühlende Wirkung – es bilden sich niedrige Wolken, die die Albedo der Erde erhöhen, also mehr Sonnenstrahlung direkt ins Weltall reflektieren – gleichzeitig aber auch eine Vielzahl andere Nebenwirkungen, wie z.B. Versauerung von Böden und Gewässern, Beeinträchtigung der Gesundheit von Menschen, Tieren und Pflanzen und Veränderungen im Wasserhaushalt.

Die Meeresdüngung hat vermutlich nur einen geringen Effekt und könnte den Stoffhaushalt der Meere durcheinander bringen (möglicherweise Verarmung der Oberflächenschichten an Silikat).

Biosprit habe ich in diesem Blog noch nicht diskutiert. Hier gab es vor allem vergangenes Jahr eine intensive Diskussion darüber, ob die Verteuerung der Nahrungsmittelpreise bis 2007/2008 aus dem steigenden Wettbewerb des Nahrungsmittelanbaus und des Biospritanbaus um Ackerflächen resultierte. Das kann eine Rolle gespielt haben, aber um das Ausmaß gab es eine Debatte ohne offensichtlichen Sieger. Denn gleichzeitig gab es auch einen Anstieg des Verbrauchs von Fleisch in China und anderen Schwellenländern, und dadurch auch einen höheren Bedarf an Futterpflanzen. Und es gab auch Spekulationen an den Warenterminbörsen, die die Preise auch ohne echte Warenverknappung steigen lassen konnte. Zugleich setzte auch eine Diskussion um Palmöl als Treibstoffzusatz ein. Der Anbau von Ölpalmen in der tropischen Klimazone geht oft mit dem Abholzen von Regenwaldflächen einher. Das macht aber aus einem eigentlich CO2-neutralen Biosprit eine sehr starke CO2-Quelle. Nicht nur, daß der in den Regenwaldbäumen gebundene Kohlenstoff freigesetzt wird, auch die Böden, die nun bearbeitet werden und teilweise frei liegen, geben nun einen erheblichen Anteil des in ihnen gebunden Kohlenstoffs ab. Biosprit ist nur sinnvoll, wenn die dafür benötigten Pflanzen entweder auf Böden angebaut werden, die sonst brach lägen oder wenn dafür Pflanzenabfälle genutzt werden. Darauf weist das IPCC im Bericht der 3. Arbeitsgruppe auch indirekt hin, aber meines Erachtens nach viel zu vage (Kapitel 5 ab Seite 341 und Kapitel 8).

In diesem Blog hatte ich auch schon auf eine weitere Möglichkeit hingewiesen: Biochar bzw. Holzkohle. Holzkohle wird im Boden anscheinend sehr langsam abgebaut, im Gegensatz zu normal verrottenden oder verfaulenden Pflanzenabfällen und speichert daher Kohlenstoff. Wenn man Pflanzenabfälle in geeigneter Weise stark erhitzt, kann man flüchtige Bestandteile als Biogas oder Biotreibstoff abtrennen und die verbleibende Holzkohle in den Boden einmischen. Dies kann zusätzlich den Boden düngen. Nimmt man all dieses zusammen, könnte Biochar bei Ölpreisen über 50 oder 60 Dollar pro Barrel eine profitable Möglichkeit sein, Kohlenstoff zu binden. Doch auch hier gibt es Nebenwirkungen. Es sind die gleichen, wie beim Biosprit. Niemand kann sicherstellen, daß nur Pflanzenabfälle genutzt würden, vielmehr könnten Anbauflächen für Pflanzen, die zu Holzkohle verarbeitet werden, in Konkurrenz zu Flächen für den Anbau von Nahrungspflanzen und Biospritpflanzen treten. Ganz zu schweigen davon, daß auch hier wieder weitere Flächen unter den Pflug genommen werden könnten, auf denen eigentlich die letzten Reste natürlicher Wälder und Savannen Rückzugsgebiete für die schwindende Artenvielfalt sein sollten. Auch hier könnten Flächen genutzt werden, die dafür nicht geeignet sind, weil der bearbeitete Boden von Wind und Wasser abgetragen wird oder erforderliche Bewässerung auf Dauer den Boden versalzt und zerstört. Dabei ist noch nicht mal sicher, daß die so hergestellte Holzkohle wirklich dauerhaft im Boden verbleibt. Niemand kann ausschließen, daß sich Bakterien ausbreiten, die sehr wohl die Holzkohle umsetzen können.

Diese Punkte und noch andere diskutiert George Monbiot in seinem Blog und kommt zu dem Fazit, daß man mit Biochar genauso wie mit dem Biosprit einer Selbsttäuschung aufsitzt. Die Täuschung ist, daß man einfach so auf gewaltigen Landflächen Kohlenstoff auffangen kann, ohne daß die Nahrungsmittelproduktion oder die Restflächen für die Natur darunter leiden. Und beides wird in Zukunft knapp. Die Vorschläge zum Geoengineering offenbaren eigentlich nur, wie ernst die Lage bereits ist, wenn immer mehr Wissenschaftler daran zweifeln, daß wir überhaupt noch rechtzeitig die Emissionen der Treibhausgase weit genug senken, um den Klimawandel noch bewältigen zu können.

Aktualisierung: Es gab einige Reaktionen auf Monbiots Beitrag, auf die er in einem Folgebeitrag verlinkt. Unter anderem führt Chris Goodall auf, daß Holzkohle nicht nur den Kohlenstoffkreislauf unterbricht, sondern über die Düngewirkung Pflanzenmaterial schneller wachsen läßt (was Kohlenstoff bindet) und den Austritt anderer Treibhausgase (Lachgas, Methan) aus Böden verringert - z.B. weil man zusammen mit Holzkohle weniger anderen Dünger braucht. Es sei aber noch Forschung nötig, um diese Effekte wirklich zu verstehen. Generell wird in Antworten betont, daß Biochar nur sinnvoll auf Bioabfälle anzuwenden sei. Das wiederum setzt natürlich Grenzen dafür, wie groß der Effekt überhaupt sein kann.

Im Meer und an Land – CO2 ist schwer einzufangen

Ich hatte im Blog das LOHAFEX-Experiment erwähnt und das Geschrei vorgeblicher Umweltschützer darüber. In den Wochenberichten der "Polarstern" konnte man den Fortgang des Experiments verfolgen und erhielt bereits einen Eindruck davon, daß es diesmal anders ablief als erwartet. Eisensulfatgaben in das Meer hatten zunächst durch die Düngung eine Algenblüte ausgelöst. Die Algenblüte kam schon bald zum Stehen, weil Ruderfußkrebse die Algen abweideten. Dadurch konnten die Algen diesmal nicht nennenswert CO2 ablagern, indem sie selbst abstarben und zum Meeresgrund fielen. Vielmehr blieb das kurzzeitig in den Algen gebundene CO2 in der oberflächennahen Biosphäre und ging über die Atmung der Kleinstkrebse (Ruderfußkrebse) und ihrer Freßfeinde und den Zerfall ihrer Körper wieder zurück in die Atmosphäre. Am 17. März kehrte die „Polarstern“ nach Südamerika zurück und ist nun auf dem Heimweg nach Deutschland. Doch schon eine Woche später erläuterten Expeditionsteilnehmer die Ergebnisse in einem Bericht an die Presse. Die Ursache für das frühe Ende der Algenblüte und dem schnellen Fraß durch die Meeresfauna war ein Mangel an Silikat im Wasser. Die Kieselsäure ist genauso wie das Eisen ein Mangelelement im Meer. Ist sie vorhanden, können sich Kieselalgen vermehren, die sich vor Freßfeinden mit einem Silikatgerüst schützen. Fehlt es Kieselsäure oder Silikaten im Wasser, vermehren sich andere Algen, die schnell tierisches Plankton anlocken. Hier kommen nun die Eisberge ins Spiel. Sie sind eine Eisenquelle, insbesondere im südlichen Atlantik, wo auch das Experiment durchgeführt wurde. Weil aber Eisen zwar ein Mangelelement ist, aber eben ab und zu durch einen wandernden Eisberg doch eingebracht wird, gibt es immer wieder auch Algenblüten, die wiederum das vorhandene Silikat verbrauchen. Und genau deshalb fehlte das Silikat nun für eine Blüte von Kieselalgen im Experiment.

Das Fazit aus dem Experiment ist, daß wir uns nicht darauf verlassen können, daß wir mit Eisensulfatgaben im Meer über Algenblüten zuverlässig CO2 aus der Atmosphäre entziehen können. Je nach Menge anderer Spurenstoffe werden die Algenblüten nur den Umsatz im Meer erhöhen. Eventuell würden solche Düngungen eher noch dem Meer Sauerstoff entziehen und Todeszonen entstehen lassen. Jede Düngung würde diese Probleme noch verschärfen, weil so andere Spurenstoffe, wie Silikat, entzogen würden. Also selbst Gebiete, in denen derzeit eine Eisensulfatdüngung über eine Algenblüte große Mengen CO2 binden könnte, würden danach bei einer weiteren Düngung nicht mehr weiter als CO2-Senke dienen. Könnte man diesen Effekt ausgleichen, indem man gleichzeitig auch mit Kieselsäure oder mit löslichen Silikaten düngt? Zum einen könnte das zur Verarmung an anderen Spurenstoffen führen, und damit das Problem nur ein Stück verschoben sein. Zum anderen läßt sich Eisensulfat als technisches Abfallprodukt billig einsetzen. Geeignete Silikate dürften ein Vielfaches teurer sein. Damit wird es aber billiger, sich nach anderen Verfahren umzuschauen, mit denen CO2 gebunden oder eingespart werden kann.

Doch an Land sieht es kaum besser aus. Hier geht es vor allem darum, CO2 bei der Verbrennung von Kohle in Kraftwerken aufzufangen. Dazu braucht man einen geeigneten Träger. Sagen wir mal, Calciumoxid, das CO2 nach CaO + CO2 -> CaCO3 als Calciumcarbonat auffängt. Oder als Calciumhydrogencarbonat: CaCO3 + H2O + CO2 -> Ca(HCO3)2. Das sind reversible Reaktionen, bei denen z.B. Erhitzen die Träger rezykliert. Das Problem ist, daß z.B. Calciumcarbonat (Kalk) auch in anderen Prozessen gebraucht wird (z.B. Rauchgasentschwefelung) und nicht beliebig zur Verfügung steht. Das Verfahren hat Kosten. Zudem hat man dann zwar CO2 abgeschieden, aber zur Rückgewinnung des Trägers muß es ja wieder abgegeben werden. Dann muß es komprimiert und in eine Lagerstätte gepumpt werden, z.B. in alte Kohleminen. Das alles verbraucht Energie. Dadurch entsteht noch mehr CO2. Die Effizienz im technischen Verfahren ist derzeit gering. Forschung, das Verfahren technisch anwendbar zu machen, läuft gerade an. Vielleicht stehen in 10 Jahren, vielleicht auch später oder nie, sinnvoll anwendbare Verfahren zur Abtrennung und Speicherung von CO2 (Carbon Capture and Sequestration, kurz CCS) zur Verfügung. Dann stellt sich immer noch die Frage, wie sicher eigentlich die Lagerstätten gegen einen Gasaustritt sind.

Für Deutschland wird die Frage gerade aktuell, weil bis zum 1. April ein neues Gesetz zur Kohlendioxideinlagerung verabschiedet werden soll, das 3 Versuchsanlagen zuordnet. Europaweit sollen es 12 werden. Das Gesetz sorgt für Streit. Unter anderem wird von Umweltschutzverbänden kritisiert, daß CO2 als Wirtschaftsgut eingestuft wird, damit die Ablagerung nicht unter das Abfallgesetz fällt und weniger strenge Regelungen anzuwenden sind. Außerdem sollen die ablagernden Energieversorger nur 20 oder 30 Jahre für die Kosten des Verfahrens aufkommen, danach muß der Steuerzahler die Lagerung und eventuell auftretende Probleme (Bergschäden, Leckagen) bezahlen. Wenn solche Probleme wirklich auftreten, könnten die Schäden aber ohnehin schnell Firmen ruinieren, die dafür garantieren sollen und der Steuerzahler ist dann wohl ohnehin in der Pflicht.

Wenn man bedenkt, daß hier ein Gesetz im Eilverfahren verabschiedet werden soll für eine Technologie, die noch nicht entwickelt wurde, von der wir noch nicht wissen, wie effizient sie werden kann, die teuer ist und zu erhöhtem Energieverbrauch führt, überkommt einen ein unbehagliches Gefühl. Ich habe den Verdacht, daß weder an Land noch im Meer über das Geoengineering eine entscheidende Menge an CO2 mit den diskutierten Verfahren effizient abgeschieden werden kann. Das heißt aber auch, daß gleichzeitig mit der Erkenntnis, daß wir bereits für eine Vermeidung eines gravierenden Klimawandels zu spät unsere Emissionen zurückfahren, uns auch die Alternativen ausgehen, den Schaden im Nachgang zu reparieren.

Sauerstoff messen

Derzeit läuft auf diesem Blog eine Reihe über das OH-Radikal, dessen Konzentration in der Atmosphäre im Bereich um 1 Million Radikale je Kubikzentimeter Luft liegt (Schwankungsbreite nach oben gut ein Faktor 10, nach unten gerne auch mehr, aber so tief liegt die Meßgrenze noch nicht) . Eine andere Substanz in der Luft ist der Sauerstoff, dessen Konzentration bei gut 10^19 Molekülen je Kubikzentimeter Luft liegt. Das ist 10 Millionen x Millionen mal mehr als die OH-Konzentration. So wenig OH gibt es, oder so viel Sauerstoff. Und sowohl eine so winzige Konzentration wie die von OH wie auch eine so riesige Konzentration wie die von Sauerstoff stellt diejenigen, die die atmosphärische Konzentration messen wollen, vor Probleme. Im Falle des Sauerstoffs ist das Problem, wie man so genau messen kann, daß man sinnvolle Aussagen zu Veränderungen der Sauerstoffkonzentration machen kann.

Das Mischungsverhältnis von Sauerstoff in der trockenen Luft liegt bei etwa 20,95 Volumenprozent. Und um Veränderungen von Jahr zu Jahr auszumachen, muss man diesen Wert auf mindestens 6 Stellen genau messen. Bei OH ist man froh, wenn man es überhaupt mißt und mit 20% Meßfehler kann man gut leben, auch wenn Physiker im allgemeinen gewohnt sind, auf mehrere Stellen genau zu messen. Beim Sauerstoff ist es nun wirklich nötig. Und es kommt noch hinzu, daß die reale Luft ja nicht trocken ist. Ihre Feuchte am Boden kann unter 1% liegen (trockene, insbesondere arktische Luft) oder über 3% (feuchte, insbesondere tropische Luft). Tatsächlich würde man, einfach abhängig von der Luftfeuchte, aus Messungen Werte für Sauerstoff erhalten, die irgendwo zwischen 20,0 und 20,9% schwanken. Und da soll man einen Trend finden, der sich auf der dritten und vierten Stelle nach dem Komma abspielt. Was macht man? Man bestimmt das Verhältnis der Konzentrationen von Sauerstoff und Stickstoff. Das bleibt nämlich gleich, egal wie feucht die Luft ist. Und damit man nicht dauernd die vielen Nachkommastellen mitschleppt, legt man auch noch einen Nullpunkt fest und betrachtet die Abweichung von diesem Nullpunkt, multipliziert mit 1 Million. Das ist dann Delta O2 per meg.

δ (O2/N2)= ( ( (O2/N2)Probe / (O2/N2)Vergleich ) - 1 )

Erläuterungen zur Meßmethode findet man zum Beispiel hier.

In der Tabelle 2 in dieser Quelle wird auch noch mal das Budget für Sauerstoff und CO2 aufgestellt. Um 1990 stieg CO2 in Einheiten von 10^14 Mol/Jahr um 2,3, Sauerstoff fiel um 6,7.

Der CO2 Anstieg setzt sich zusammen aus 4,85 aus fossilen Brennstoffen, 0,12 aus der Zementproduktion, -0,2 durch das Wachstum von Biomasse, -2,5 durch Lösung in Meerwasser.
4,85+0,12-0,2-2,5 = 2,27

Also: gemessen 2,3, berechnet 2,27 bei CO2.

Das Budget für Sauerstoff sieht so aus: gemessene Abnahme 6,7. Verlust durch Verbrennung fossiler Brennstoffe 4,85 für den Kohlenstoff, 2,01 für den Wasserstoff und andere Bestandteile, Zuwachs aus der Biomassenproduktion 0,2.
4,85+2,01-0,2=6,66

Also: gemessen 6,7, berechnet 6,66 bei O2.

Genau solche Zahlen machen deutlich, daß wir nicht nur sehen, daß CO2 zunimmt, sondern daß wir auch verstehen, warum es zunimmt. (In der Tabelle findet man natürlich auch Angaben zu den Meßfehlern, die ich hier zur Vereinfachung nicht angebe.)

Die lange Verweilzeit des CO2 und die Folgen: sterbende Meere, verschwindende Gletscher und Dürren

Die letzte Woche war schon wieder sehr aufregend. Leider ist es auch schon wieder zu viel, um es in angemessener Weise zu kommentieren. Trotzdem will ich es nicht unbeachtet lassen. Die Ereignisse der letzten Tage sind zum einen eine Veröffentlichung der NOAA-ESRL in Boulder, Colorado um Susan Solomon sowie von Arbeitsgruppen in der Schweiz und Frankreich. Solomon war mir bisher vor allem mit Arbeiten zum stratosphärischen Ozon aufgefallen, gehört aber auch zu den führenden Wissenschaftlern bei der Erstellung der IPCC-Berichte. Die Arbeitsgruppen haben mit zwei Modellen gearbeitet, mit einem gekoppelten Ozean-Atmosphären-Modell zur Verfolgung von Klimaänderungen bis 2100, und einem Carbon-Zyklus-Modell, das bis zum Jahr 3000 lief. Damit wollte man untersuchen, was die Auswirkungen von bestimmten Emissionsszenarien für Treibhausgase auf das regionale Klima ist, insbesondere bezüglich von Regenfällen und Dürren. Durch das Carbon-Zyklus-Modell sollte untersucht werden, wie sich dies über 2100 hinaus entwickelt. Geht CO2 vielleicht schnell wieder auf niedrige Werte zurück, sobald man die Emissionen auf Null fährt? Und normalisiert sich dann das Klima?

(Die Publikation ist hier: Solomon, Plattner, Knutti und Friedlingstein, Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009. Diskussionen dazu auf Englisch hier bei RealClimate und hier im Blog des New York Times Journalisten Revkin.)

Das zweite Ereignis war eine Deklaration von Ozeanforschern bei ihrem Treffen in Monaco, die vor den Gefahren der Versauerung der Meere durch den CO2-Anstieg warnen (hier ist die Deklaration und hier wird es diskutiert). Eine Verknüpfung mit den Risiken einer lang anhaltenden hohen Konzentration von CO2 in der Atmosphäre mit der Ausdehnung von Todeszonen in den Ozeanen wird hier in einem Blog bei Nature diskutiert. Dies und die Versauerung gefährden die Meere als Ökosysteme und als Nahrungsquellen für die Menschheit.

Das dritte Ereignis ist ein aktueller Bericht zu der Lage der Gletscher weltweit. Kurz gesagt: sie schrumpfen. Sie schrumpfen immer schneller. Es gibt wenige Ausnahmen, insbesondere in Neuseeland und in Norwegen und zwar, weil hier das Meer vor dem Festland wärmer wird, mehr verdunstet und für stärkeren Schneefall in den Bergen in der Nachbarschaft sorgt. Bei den Ausnahmen ist also nicht etwa geringeres Abschmelzen durch lokale Abkühlung der Grund für das Gletscherwachstum. RealClimate diskutiert den Bericht, auf den man hier zugreifen kann.

Keine der Publikationen ist eine wirkliche Überraschung für informierte Menschen, aber in dieser Häufung erzählen sie uns eine Geschichte über den aktuellen Stand des Klimawandels und unsere langfristigen Perspektiven.

Der Grund dafür, daß ich mit den Kommentaren zeitlich nicht nachkomme ist, daß ich einiges vorausschicken müsste. Das große Thema des Artikels von Solomon et al. 2009 zu den langfristigen Perspektiven der CO2-Emissionen ist das der Zeitskalen. Wenn ich wissen will, wie lange eine Substanz vorhanden ist, schaue ich auf die Halbwertszeit der Substanz. Die ist immer dann einfach definiert, wenn ich einen Abbau erster Ordnung vor mir habe. Also etwa eine radioaktive Substanz mit der Konzentration X hat einen Abbau, der nur von der eigenen Menge und eine Zerfallskonstante k abhängt. Der zeitliche Ablauf in der Zeit t ist dann gegeben durch:

dX/dt= -kX

Das heißt, das Produkt von k und X bestimmt, wie viel von X pro Zeiteinheit verloren geht. Ist gerade die Hälfte verloren gegangen, wurde die Halbwertszeit t(1/2) erreicht. Diese Halbwertszeit ist gerade ln(2)/k.

Es wird etwas komplizierter, wenn k keine Konstante ist, sondern von variablen Größen abhängt. Im Grunde kann man aber über die Halbwertszeit oft für nicht zu lange Zeiten grobe Abschätzungen für die Lebensdauer einer Substanz oder über Zeitkonstanten von Kopplungen machen. Schauen wir uns also den Kohlenstoffzyklus an.

Die Halbwertszeit von CO2 in der Atmosphäre ist scheinbar recht kurz. Pflanzen bauen CO2 in ihre Biomasse ein, absterbende Pflanzen geben CO2 beim Verrotten genauso wieder ab, wie auch Tiere gefressene Pflanzen in andere Substanzen umsetzen und am Ende als CO2 wieder ausatmen. 800 Gigatonnen Kohlenstoff in der Atmosphäre stehen 800 Tonnen Kohlenstoff in Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen gegenüber. Pro Jahr werden etwa 120 Gigatonnen Kohlenstoff miteinander ausgetauscht. Damit ist die Zeitkonstante für einen Abbau des atmosphärischen CO2 k=0,15/Jahr und die Halbwertszeit 4,6 Jahre. Atmosphärisches CO2 ist also scheinbar sehr kurzlebig. Aber wegen des raschen Austausches von Biosphäre und Atmosphäre kann man diese beiden Reservoirs gar nicht trennen – was aus der Atmosphäre in Pflanzen abgelagert wird, kehrt schon bald wieder zurück.

Also muß man fragen, was denn die Halbwertszeit des CO2 in dem gekoppelten System Atmosphäre-Biosphäre ist. Der wesentliche Verlust hier ist in die Meere, die ja fast die Hälfte alles emittierten CO2 aufnehmen. Hier liegen ca. 38.000 Gigatonnen Kohlenstoff gelöst und als Carbonate vor. Ungefähr 90 Gigatonnen Kohlenstoff werden zwischen Atmosphäre und Meeresoberfläche ausgetauscht. Damit findet man als Halbwertszeit des gekoppelten Systems von Atmosphäre und Biosphäre gegenüber dem Austausch mit dem Meer etwa 12,3 Jahre. Damit ist CO2 immer noch scheinbar recht kurzlebig. Die Meeresoberfläche ist nämlich recht schnell mit CO2 gesättigt und würde dieses auch wieder abgeben, sobald die atmosphärische CO2-Konzentration nicht mehr ansteigt, sondern fällt, insbesondere, wenn sich gleichzeitig das Klima erwärmt. Für längere Zeit weg ist CO2 erst, wenn es von den Oberflächengewässern in die Tiefsee transportiert wird. Dieser Austausch beträgt ca. 100 Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr. Da in den Oberflächengewässern ca. 1000 Gigatonnen Kohlenstoff sind, also 2600 Gigatonnen Kohlenstoff im gekoppelten System Atmosphäre-Biosphäre-Oberflächenwasser, verlängert sich die Halbwertszeit nun auf 18 Jahre. Auch das ist scheinbar kurz, auch wenn wir uns von den anfänglichen 4,6 Jahren schon um einen Faktor 4 wegbewegt haben.

Der Leser ahnt, was kommt. Die Tiefsee wird selbst irgendwann das eingemischte CO2 wieder abgeben, sofern es nicht in den Sedimenten im Meer abgelagert werden kann. Diese Ablagerung ist aber nun wirklich ein sehr langsamer Prozess mit einem Bruchteil einer Gigatonne pro Jahr. Die Zeitkonstante für den Verlust von Kohlenstoff aus dem gesamten System von Atmosphäre, Biosphäre und Hydrosphäre beträgt mehr als 100.000 Jahre. Das wäre die wahre Halbwertszeit von CO2, wenn dies die einzige Senke dafür wäre. Aber es gibt noch andere Prozesse. Das größte Reservoir für Kohlenstoff überhaupt ist der Boden, die Lithosphäre. Hier dominieren die Carbonate (z.B. Kalkstein, Dolomit) mit 60 Millionen Gigatonnen Kohlenstoff und die Kerogene, die aus Ablagerungen von pflanzlichem und tierischem Kohlenstoff entstanden sind (z.B. Ölschiefer) mit 15 Millionen Gigatonnen Kohlenstoff. Kurz: fast der gesamte Kohlenstoff ist eigentlich im Boden. Der Austausch mit den anderen Reservoiren erfolgt durch die Ablagerungen in Sedimenten und die Verwitterung von Gesteinen sowie durch die Mobilisierung des Kohlenstoffs aus den Gesteinen. Hier z.B. durch Vulkanismus. Chemisch findet bei der Verwitterung von Gesteinen entweder der Austausch von Silikat durch Carbonat statt oder die Umwandlung von Carbonaten in Hydrogencarbonaten, wodurch das gleiche Gestein nun die doppelte Menge CO2 bindet. Der Umsatz für die Verwitterung scheint in der gleichen Größenordnung zu liegen wie die Sedimentation. Also wird die Halbwertszeit für CO2 außerhalb der Lithosphäre aufgrund dieser Prozesse irgendwo im Bereich von einigen 10.000 Jahren bis knapp 100.000 Jahren liegen.

Unser Bild vom CO2 in der Atmosphäre ist also das von einer Badewanne, die einen großen Abfluß hat. Da der Zufluß größer ist als der Abfluß, steigt der Wasserstand in der Wanne. Dreht man den Zufluß ab, würde eigentlich der Wasserstand wieder sinken. Aber verbunden mit dieser Wanne sind die Biosphärenwanne und die mehr als vierzigmal so große Meereswanne – der Wasserstand in der Atmosphärenwanne sinkt also nur so lange schnell, bis er mit den anderen Wannen ausgeglichen ist. Haben diese verbundenen Wannen erst mal einen bestimmten Wasserstand erreicht, hängt es von einem sehr kleinen gemeinsamen Abfluß der drei Wannen ab, wie schnell der Wasserstand wieder zurückkommt auf den Wert vor dem großen Zufluß.

Dieses Bild von den Wannen ist der Hintergrund zu dem Artikel von Solomon et al. 2009. Ihre Feststellung ist, daß das CO2, was jetzt in die Atmosphäre abgegeben wird, zu gut 40% auch im Jahr 3000 dort sein wird. Der Rest wurde durch das Umverteilen zwischen den verschiedenen Wannen entfernt. Sollte wir also die CO2-Konzentration in der Atmosphäre vor 2100 auf über 600 ppm steigern und dann die Emissionen abstellen, werden im Jahr 3000 immer noch über 400 ppm da sein und der Treibhauseffekt entsprechend die ganze Zeit wirken. Bei einem Höchststand von 1000 ppm vor 2100 (was wohl dem Szenario entspricht, daß wir bei den Maßnahmen bleiben, die derzeit getroffen wurden) sind im Jahr 3000 noch gut 600 ppm übrig.

Die Botschaft ist: nicht schnell und hart zu handeln bringt uns negative Zinsen in Form dauerhaft erhöhter Treibhausgaskonzentrationen und dauerhafter Erwärmung, die aus Sicht unserer Zivilisation für immer auflaufen, denn ein Zeithorizont über 1000 Jahre trägt uns weit hinaus aus unserer Erfahrung als technologische Zivilisation. Es reicht nicht, irgendwann die CO2-Emissionen zu stabilisieren und zu senken. Es muß bald geschehen und die Emissionen mit vernünftigem Zeithorizont auf Null bringen. Danach bleibt uns nur noch das Geoengineering, das teuer, riskant und womöglich nicht effektiv ist.

Die zweite Botschaft der Publikation ist, daß die Folgen dieser Erwärmung dauerhafte Änderungen regionaler Klimate ist. Plakativ wird hier herausgegriffen, um wie viel der Regenfall in verschiedenen Regionen der Welt abnimmt. Zu den besonders hart getroffenen Regionen zählt dabei Südeuropa, das klimatisch sich in Richtung der Sahelzone entwickelt. Aufgrund der Abhängigkeit von der Halbwertszeit des CO2 in der Atmosphäre wie gesagt nach menschlichem Empfinden für immer.

Schneeball im Treibhaus – die Erde vor mehr als 500 Millionen Jahren

Menschen denken normalerweise nicht daran, daß die Erde über den größten Teil ihrer Existenz kein geeigneter Lebensraum für Menschen war. Vor 4,5 Milliarden Jahre war sie noch ein Feuerball, der erst eine stabile Kruste bilden musste. Vor 4 Milliarden Jahre hatte sie ihre erste Atmosphäre aus Helium und Wasserstoff verloren und aus der Erdkruste eine zweite Atmosphäre gebildet, in der Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid Hauptbestandteile gewesen sein mögen. Das Wasser kondensierte nach und nach, der Luftdruck sank auf den heutigen Wert, aber die Luft war nach wie vor für Menschen nicht atembar, insbesondere weil es an Sauerstoff fehlte. Nimmt man an, daß die Sonne damals deutlich schwächer strahlte als heute, ist es möglich, daß die Temperaturen auf der Erde schon bald deutlich unter die heutigen Werte sanken. Das Wasser auf der Erde gefror auch außerhalb der Polregionen, während gleichzeitig Kohlendioxid ein Hauptbestandteil der Atmosphäre darstellte. Die Erde wurde zum Schneeball im Treibhaus. Wir wissen nicht viel über diese Zeit. Andererseits aber auch erstaunlich viel, wenn man bedenkt, wie schwierig es ist, überhaupt 4 Milliarden Jahre in die Vergangenheit zu schauen, wenn aus dieser Zeit kaum noch intakte Erdkruste gefunden werden kann, die uns noch etwas über die Chemie der damaligen Zeit sagen kann.

Tatsächlich gibt es wohl niemanden, der die Erde als Schneeball in der ersten Milliarde Jahre ihrer Existenz sehen würde. Aber es gab zumindest drei Phasen, in denen geologische Ablagerungen Hinweise auf eine weitgehende Vereisung der Erde geben (vor 2,22 Milliarden Jahren, vor 710 Millionen Jahren und vor 630 Millionen Jahren). Der vermutete Ablauf dahinter ist, daß einerseits die Vereisung von Teilen der Erde in eine selbstverstärkende Rückkopplung lief: je mehr Teile der Erde eisbedeckt sind, desto höher ist die Albedo der Erde und desto mehr Sonnenlicht wird reflektiert, statt die Erde zu erwärmen. Auf der kälter werdenden Erde dehnen sich dann die Eisflächen aus. Zugleich aber verhindert die Vereisung auch, daß Kohlendioxid sich weiter im Wasser lösen und dort abgelagert werden kann oder durch Verwitterungsprozesse in der Erde gebunden werden kann, über lange Zeiträume der Hauptprozess, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen. Auf einer Zeitachse von 100.000en oder Millionen von Jahren kann sich Kohlendioxid, das aus Vulkanen abgegeben wird, in der Atmosphäre anreichern.

Nach neueren Ergebnissen von einer Gruppe um Bao und Fairchild (Bao, H., Fairchild, I.J., Wynn, P.M. and Spötl, C. 2009 Stretching the envelope of past surface environments: Neoproterozoic glacial lakes from Svalbard. Science, 323, 119-122) konnten aus der Isotopenanalyse von geologischen Formationen Hinweise gefunden werden, daß vor ca. 630 Millionen Jahren, beim letzten vermuteten Eintreten eines "Schneeballs Erde", tatsächlich gleichzeitig die Erde ganz oder weitgehend von Eis bedeckt war und in der Atmosphäre hohe Konzentrationen von Kohlendioxid vorlagen.

Bei allen Rekonstruktionen der Zusammensetzung der Erdatmosphäre und der Temperatur der Erde, die über Milliarden Jahre in die Vergangenheit reichen, ist natürlich große Vorsicht angebracht, weil nur sehr indirekte Schlüsse aus Isotopenzusammensetzungen in Sedimenten gemacht werden können, die möglicherweise selbst bereits chemischen Umwandlungen ausgesetzt waren. Selbst für die letzten 60 Millionen Jahre hat es in jüngster Zeit noch Überraschungen darüber gegeben, wann z.B. Eiskappen an den Polen existierten und seit wann die Antarktis vereist ist.

Das eigentlich erstaunliche war, daß nach all den Klimaschwankungen die Erde zwischendurch auch auf Werte kam, bei denen sich der Mensch entwickeln konnte. Seine Zeit war erst gekommen, als die Erde schon über 4 Milliarden Jahre existierte, nachdem CO2 unter die Schwelle gesunken war, die empfindliche Menschen krank machen kann, nachdem genug Sauerstoff in der Atmosphäre war, damit es eine Ozonschicht ausbilden und das Leben auf der Erde vor harter UV-Strahlung schützen konnte und nachdem die Erde in eine Folge von Eiszeiten und Zwischeneiszeiten gefallen war, die das Klima der letzten Millionen Jahre kennzeichnet. Ackerbau wurde überhaupt nur in einem schmalen Temperaturband entwickelt, das sich in der Zeit nach der letzten Eiszeit entwickelte. Dieses Band war wohl nur so breit wie die gesamte Temperaturentwicklung seit Beginn des 19. Jahrhunderts bis zum Ende des 20. Jahrhunderts. In diesem Jahrhundert werden wir dieses Band verlassen und zunächst in das Band eintreten, in dem Dinosaurier die Erde beherrschten. Nur daß wir jetzt unsere Landwirtschaft und die aktuellen Lebensformen in dieses Band hinüberretten wollen. Niemand weiß, ob das möglich ist.

Sollten wir gegen den CO2-Anstieg nichts unternehmen, wird das Mischungsverhältnis die vorindustriellen Werte mehr als verzehnfachen und die Temperatur in der Folge um mehr als 10 Grad steigen. Die Polkappen werden verschwinden und der Meeresspiegel wird um über 70 Meter steigen. Wir wissen es, weil es solche Verhältnisse auf der Erde schon mal gab. Wir wissen gar nicht, wie stabil das aktuelle Klimaregime ist und wie lange es gehalten hätte, aber wir wissen, daß wir dabei sind, es zu verlassen, wenn wir nicht drastische Maßnahmen durchführen.

Hinweise auf Verhältnisse, wie sie Professor Fairchild auf seiner Webseite darstellt, erwecken die Besorgnis, daß wir unsere Situation mit Geoengineering noch drastisch verschlimmern können. Würden wir hohe Kohlendioxidkonzentrationen in der Luft erzeugen und dann durch hohe Sulfatemissionen versuchen, die Erde wieder zu kühlen, könnten wir die Erde in einen erneuten "Schneeball im Treibhaus" hineintreiben, bei dem über die Albedorückkopplung die Erde zunehmend vereist und dabei zugleich den Weg abschneidet, über den Kohlendioxid langsam wieder aus der Atmosphäre in Wasser und Boden entfernt werden könnte. Daß die Erde in der meisten Zeit in der Vergangenheit für Menschen kein angenehmer Ort zum Leben war, sollte uns bei allem, was wir derzeit mit der Erdatmosphäre anstellen, zu denken geben.

Eisschmelze düngt die Ozeane - aber ist das relevant?

Der Spiegel titelt gerade: Dünger aus der Antarktis: Eisschmelze bremst Erderwärmung. Das ist mal wieder so einer der Beiträge, bei denen nichts falsch ist, und man trotzdem durch das Lesen nicht wirklich informiert wird.

Die Ozeane sind Senken für CO2. Zum einen wird es einfach darin gelöst, wie in einer Sprudelwasserflasche. Der steigende Partialdruck des CO2 in der Atmosphäre treibt das Gas in das Meer hinein. Teilweise wird außerdem CO2 durch Algen gebunden, die durch Photosynthese CO2 in Biomasse umsetzen. Werden die Algen gefressen und die Algenfresser oder die absterbenden Algen selbst sinken in tiefere Meeresschichten ab, ist CO2 dem natürlichen Kreislauf für Jahrhunderte oder länger entzogen. Wie produktiv die Algen sind, hängt unter anderem auch davon ab, wie viele Nährstoffe das Meerwasser enthält. In weiten Gebieten des Meeres herrscht Mangel an gelöstem Eisen und begrenzt so das Algenwachstum. Andererseits tragen Flüsse, außerdem vom Wind verfrachteter Staub, aber auch an Felsen schrubbende Gletscher, die schließlich Eis mit darin enthaltendem Staub als Eisberge in die Meere entlassen, Eisen in die Meere. Passatwinde, die Saharasand übder die Ozeane verfachten, können zu Algenblüten führen.

Im Spiegelartikel wird nun über Arbeiten von Forschern an der Universität Leeds geschrieben (Leitung: Bob Raiswell), die überlegt haben, wie viel Eisen in Eisbergen, die von der Antarktis abbrechen, in die südlichen Meeresgebiete eingertagen werden kann und ob eine zunehmende Eisschmelze dadurch das Algenwachstum verstärken kann und dadurch mehr CO2 gebunden werden kann. Die Antwort ist natürlich ja, aber wirklich wichtig wäre zu überlegen, wie groß dieser Effekt ist. Die Antwort liefert der Spiegelartikel mit. Die Forscher gehen von 120 Millionen Tonnen Eisen aus, das derzeit von Eisbergen aus der Antarktis in die Ozeane getragen wird. Dies könne 2,6 Gigatonnen CO2 (als CO2) aus der Atmosphäre binden, was weniger als 10% des gesamten CO2-Ausstosses aus der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas ist. Angenommen, die Zahl der Eisberge verdoppelt sich (durchaus möglich), dann kann sich auch maximal die Menge an Algenwachstum verdoppeln (eher deutlich weniger, da dann andere begrenzende Faktoren für das Algenwachstum eien Rolle spielen werden). Es könnte also diese Senke um deutlich weniger als 10% des emittierten CO2 zusätzlich binden. Gleichzeitig nimmt aber insgesamt die Fähigkeit der Ozeane, CO2 zu binden, ab. Zum Teil liegt es daran, daß die Ozeane sich erwärmen, was die Löslichkeit für CO2 mindert (wenn auch schwach relativ zur Erhöhung der Löslichkeit durch den gestiegenen Partialdruck des CO2 in der Atmosphäre). Zum Teil liegt es daran, daß die Klimaerwärmung anscheinend die Umwälzung des Wassers in den Ozeanen bremst und daher die Fähigkeit, CO2 in tiefere Wasserschichten zu transportieren. Zum Teil führt der steigende pH-Wert der Ozeane dazu, daß Lebewesen geschädigt werden, die in ihren Kalkschalen CO2 binden und Korallen ausbleichen, die eigentlich mithelfen würden, CO2 zu binden. Alles in allem ist vermutlich die Unsicherheit in der zukünftigen Fähigkeit der Meere, CO2 zu binden, größer als der maximal unter optimalen Bedingungen mögliche Effekt aus der Eisbergdüngung mit Eisen.

Das Fazit ist: ja, der Klimawandel könnte die Eisendüngung der Ozeane verstärken und dadurch den CO2-Anstieg etwas bremsen. Aber der Effekt ist zu klein, um am Trend des CO2-Anstiegs signifikant etwas zu ändern. Aber gut, mal darüber geredet zu haben...

Der Boden als CO2-Quelle - neue Ergebnisse zu schwarzem Kohlenstoff

Die Erde enthält große Mengen an Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoff stammt zum einen aus früheren Ablagerungen wie zum Beispiel Kreide und andere Carbonate, die aus den Schalen kleiner Meereslebewesen zu ganzen Gebirgen aufgeschichtet werden können. Bei der Verwitterung wird dieses Carbonat wieder freigesetzt und kann so auch wieder als CO2 in die Atmosphäre abgegeben werden. Während also die Meere CO2 aufnehmen, welches in Meereslebewesen gebunden wird und auf dem Meeresgrund Sedimente bildet, geben Erde und Gesteine CO2 ab.

Es gibt weitere wichtige CO2-Quellen und –Senken im Boden. Pflanzen und Tiere, die sterben, werden verwertet oder verrotten am Boden. Ein Teil dieses organischen Materials geht in den Boden und bildet dort zum Beispiel Humus. Die organischen Bestandteile in diesem Mutterboden werden von Kleinstorganismen zersetzt und geben dabei wieder CO2 ab. In Sumpfgebieten und Mooren kann diese Zersetzung unter Luftabschluß erfolgen und es wird statt CO2 eher Methan (CH4) freigesetzt. Methan hat je nach betrachteter Zeitskala einen ca. 21mal stärkeren Treibhauseffekt als CO2 (bei einer Zeitskala von 100 Jahren).

Eine weitere Kohlenstoffquelle sind Waldbrände. Sie hinterlassen vor allem Holzkohle. Das ist im wesentlichen Ruß, gering verunreinigter Kohlenstoff, im englischen black carbon genannt. Dieser Kohlenstoff ist für Kleinstlebewesen schwerer zu verwerten. Statt innerhalb von wenigen Jahren wird hier der Kohlenstoff innerhalb von ein oder zwei Jahrtausenden wieder als CO2 freigesetzt bzw. in den biologischen Zyklus eingebracht. Man kann sich vorstellen, daß es einen großen Unterschied für die Kohlenstoffbilanz macht, wie viel organisches Material zu humusartigen Bestandteilen umgesetzt wird und wie viel zu schwarzem Kohlenstoff. Leider weiß man es nicht.

Steigende Temperaturen führen zu einer positiven Rückkopplung, weil der mikrobiologische Abbau von organischen Substanzen deutlich beschleunigt wird. Außerdem tauen Permafrostböden in der Tundra Sibiriens und Kanadas auf, die zu sumpfigem Gelände werden, das in starkem Maße Methan freisetzt. Die Prozesse, die jeweils dahinter stehen, sind stark abhängig von der sehr unterschiedlichen Zusammensetzung der Böden und hochgradig nicht-linear. Eine Horrorvision für Modellierer, die die Rückkopplung der globalen Temperaturänderungen mit ihren Bodenmodellen berücksichtigen wollen. In der Vergangenheit erzeugten voll gekoppelte Modelle, bei denen Kohlenstoffemissionen aus sich erwärmenden Böden berücksichtigt wurden und selbst zu weiterer Erwärmung beitragen konnten, für CO2-Mischungsverhältnisse um 2100 von gut 600 ppm oder weit über 1000 ppm im Standardlauf je nach Modell und Annahmen. Der potentielle Effekt ist gewaltig, aber der tatsächliche Effekt unbekannt. Seitdem wurden nach Meinung der Forscher die Unsicherheiten eingegrenzt. In den IPCC-Modellen wird diese Rückkopplung erst in der neuesten Generation voll berücksichtigt und ist damit in dem neuesten IPCC-Berichten von 2007 integriert.

In einer neuen Publikation haben Johannes Lehmann und seine Mitarbeiter dargelegt, daß sie den Anteil von schwarzem Kohlenstoff in den Böden für unterschätzt halten. Nach ihren Modellrechnungen müssten die Projektionen von CO2-Abgaben aus den Böden bei einer Temperatursteigerung um 3 Grad um ca. 20 Prozent gesenkt werden, wenn Messungen aus Australien zum Gehalt an schwarzem Kohlenstoff global übertragen werden könnten. Nun ist gerade in Australien aufgrund der dort vorkommenden Busch- und Waldbrände ein relativ hoher Gehalt an schwarzem Kohlenstoff zu erwarten. Deshalb verdeutlicht die Arbeit Lehmanns eigentlich nur den hohen Forschungsbedarf. Er selbst weist darauf hin, daß der Vergleich von Messungen und Modellrechnungen derzeit eher andeutet, daß wir nach Quellen für weitere Kohlenstoffemissionen suchen müssten und seine Rechnungen, die die Kohlenstoffquellen in die Atmosphäre verringern, den vorhandenen Fehler noch vergrößern.

Interessanterweise ist schwarzer Kohlenstoff auch eine der Möglichkeiten, Kohlenstoff im Boden zu binden und eine Möglichkeit des Geoengineerings. Man würde hier Pflanzen unter verminderter Luftzufuhr teilweise verbrennen und verkohlen und als Biochar in die Böden geben. In einigen Jahren könnte dies eine ökonomisch sinnvolle Maßnahme sein, CO2-Bilanzen zu verbessern. Lehmann gehört zu den Forschern, die an solchen Lösungen arbeiten.

Neues zu CO2 und Temperaturentwicklung in den letzten 1000 Jahren

Den Treibhauseffekt hatte ich auf diesen Seiten bereits erklärt, gleichwohl es dafür ausführlichere und bessere Quellen gibt. Wir wissen, aufgrund der Spurengasbilanz (wenn man einen großen Teil der verfügbaren Kohle-, Öl- und Gasreserven verbrennt, kann man berechnen, wie groß die damit ausgestoßene CO2-Menge ist) und aufgrund von Messungen von Gaseinschlüssen im ewigen Eis, daß der Anstieg der CO2-Menge in der Atmosphäre in den letzten über 100 Jahren ausschließlich auf menschliche Ursachen zurückzuführen ist. Aus diesem Grund definiert man auch gerne den für ca. 1750 bestimmten Wert des CO2-Mischungsverhältnisses von 280 ppm als den natürlichen Hintergrund. Tatsächlich wissen wir aber nur sehr ungefähr, wie normal der Wert gerade in jener Zeit war. Die Messungen aus den Gaseinschlüssen sind messtechnisch anspruchsvoll und haben eine geringe zeitliche Auflösung. Daher ist es von besonderem Interesse, wenn man weitere Quellen zur Verfügung hat, um historische CO2-Werte zu bestimmen, gerade für die Zeit, in der man einigermaßen vernünftige Aussagen zur Temperaturentwicklung treffen kann. Eine alternative Möglichkeit ist die Bestimmung der Zahl der Stomata an Blattunterseiten. Blätter aus der Vergangenheit kann man z.B. aus Mooren gewinnen und mit der C-14-Methode datieren. Je mehr CO2 in der Atmosphäre war, desto weniger Stomata braucht eine Pflanze, um das Gas „einzuatmen“. Beide Größen sind daher antikorreliert. Unter dem folgenden Link kommt man zu einem Artikel von Van Hoof et al. in den Proceedings der National Academy of Sciences, 2008: A role for atmospheric CO2 in preindustrial climate forcing. Hier wird die Entwicklung des CO2-Mischungsverhältnisses für die letzten Jahrhunderte gezeigt (zwischen ca. 1000 und 1500). Man sieht dabei Fluktuationen mit einer Spanne von über 30 ppm, die man nicht auf menschliche Einflüsse zurückführen kann. Anscheinend ist die natürliche Variabilität des CO2 auch auf einer so kurzen Zeitskala größer, als es sich mit den Eisbohrkernanalysen zeigen lässt. Die daraus abgeleitete Spanne der globalen Temperaturänderungen könnte je nach Sensitivität für CO2-Änderungen bis zu fast 0,3 Grad betragen. Im Rahmen der Unsicherheiten ist das alles nicht wirklich unvereinbar mit der Darstellung in den IPCC-Berichten. Es stellt sich daher die Frage, warum die Autoren meinen herausstellen zu müssen, daß ihre Ergebnisse den IPCC-Berichten in einigen Punkten widersprechen würden. Im Kern bleibt, daß der natürliche Hintergrund des CO2-Mischungsverhältnisses vielleicht unschärfer definiert ist, als ursprünglich angenommen. Voraussetzung dafür ist, daß der Einwand von Grumbine in seinem Blog nicht zum Tragen kommt, daß die CO2-Fluktuationen von lokalen Ereignissen geprägt sein können – immerhin könnte so ein Sumpf oder Moor, aus dem man die Blätter zur Analyse gewinnt, je nach Temperatur eine stärkere lokale CO2-Quelle sein. Haben die Autoren recht, dann könnten die Meere in der Vergangenheit recht dynamisch CO2 ausgegast oder aufgenommen haben, in Wechselwirkung mit globalen oder regionalen Temperaturschwankungen. Das würde auf einen stärkeren Rückkopplungseffekt der beiden Größen hinweisen. Die globale Temperatur wäre also etwas stärker sensitiv zu der CO2-Konzentration und schwächer zu Vulkane und Sonneneinstrahlung als derzeit im Mittel angenommen wird. Aber bevor man so weitreichende Schlüsse zieht, sollte doch lieber diese Analyse noch mal untersucht werden, es sollten Blätter aus anderen Quellen herangezogen werden und alternative Erklärungen für die beobachteten Abweichungen zwischen Eisbohrkerndaten und Stomatadaten für CO2 untersucht werden.

Wie stabil ist der Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen?

Unter den Treibhausgasen sind zwei von besonderer Bedeutung: Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4). CO2 wird in der Natur durch Atmung und Verrottung einerseits und Photosynthese andererseits in einem gut ausgeglichenen Kreislauf zwischen Atmosphäre und Biosphäre (Pflanzen und Tiere) umgeschlagen. Der Anstieg des CO2 rührt daher, daß Menschen mittlerweile 8 Gigatonnen Kohlenstoff als CO2 aus fossilen Lagerstätten in die Luft einbringen. Dieser Eintrag wird nur zu weniger als der Hälfte dadurch abgedeckt, daß CO2 durch den steigenden Partialdruck in der Atmosphäre in die Ozeane gepreßt wird und über eine gesteigerte Produktivität der Pflanzen in ihnen gebunden wird. Das Mischungsverhältnis von CO2 in der Atmosphäre steigt derzeit von etwa 385 ppm jährlich um mehr als 2 ppm mit steigender Tendenz.

Genauso wie bei dem globalen Anstieg der Temperatur spielen auch beim globalen Anstieg des CO2-Mischungsverhältnisses Rückkopplungseffekte eine Rolle. Es gibt negative (mehr CO2 regt bei manchen Pflanzen die Produktivität an – sie wachsen schneller und binden dadurch CO2; mehr CO2 bedeutet einen höheren Partialdruck von CO2, dadurch steigt die Aufnahme von CO2 durch die Ozeane) und positive Rückkopplungen (mehr CO2 läßt die Temperaturen global steigen, das senkt die Löslichkeit von CO2 in den Ozeanen; die höhere Temperatur taut Permafrostböden auf, in denen ist genug Kohlenstoff gebunden und freisetzbar, um das CO2-Mischungsverhältnis in der Atmosphäre bis auf das Doppelte anwachsen zu lassen). Generell bedeuten kühlere Temperaturen, daß Effekte stärker werden, bei denen CO2 gebunden wird, höhere Temperaturen, daß CO2 schneller ansteigen kann. Wechsel der Zustände bei den Ozeantemperaturen, zum Beispiel El Nino Southern Oscillation (ENSO) oder die Pacific Decadal Oscillation (PDO) können sich bei dem CO2-Anstieg durchaus bemerkbar machen. Der La Nina, die kühle Phase in der ENSO, kann zum Beispiel in der Pazifikregion lokal den CO2-Anstieg bremsen.

Menschen, die meinen, daß die globale Erwärmung durch menschengemachte Treibhausgase kein Problem sei, hoffen unter anderem darauf, daß negative Rückkopplungen den CO2-Anstieg irgendwann unerwartet aufhalten würden. Sie verweisen darauf, daß die Meere es aufnehmen könnten oder Pflanzen durch CO2-Düngung stärker wachsen würden. Als Beispiel dient ihnen dabei auch die Entwicklung bei Methan. Methan hat eine ganze Reihe natürlicher und vom Menschen beeinflußter Quellen. Bakterien und Verrottungsprozesse im Boden und in Sümpfen, Reisanbau, rülpsende Rinder und Schafe, aber auch Termitenbauten, einige Pflanzen und Kohlenminen, Erdgas- und Ölförderung tragen zum Methananstieg bei. Chemische Prozesse wiederum sorgen dafür, daß Methan in CO2 umgewandelt wird. Der bestimmende Schritt ist dabei die Reaktion des Methans mit einem hochreaktiven Bruchstück des Wassers, des OH-Radikals, das in winzigen Spuren in der Luft vorkommt und vor allem durch UV-Strahlung indirekt erzeugt wird. Durch den Wegfall einiger Quellen für Methan entstand in den 90er Jahren ein Gleichgewicht zwischen den Quellen und Senken von Methan – das Mischungsverhältnis von Methan in der Luft stieg nicht mehr an. Eine Rolle könnte dabei der Untergang der Sowjetunion gespielt haben und die wachsende Nutzung des Methans, das bei der Ölförderung nebenbei anfällt. Könnte auch CO2 in einen solchen stationären Zustand laufen, bei dem Quellen und Senken gleich werden?

Genau diese Entwicklung sahen einige Leugner des CO2-Problems voraus, als an einer Meßstation, dem Mauna Loa Observatorium, das auf das Jahr bezogene CO2-Mischungsverhältnis drei Monate hintereinander einen Abfall markierte.

Es war schon die Rede davon, daß CO2 nun genauso stagnieren würde wie Methan. Es wurde sogar behauptet, daß damit nun bewiesen sei, daß der Beitrag des Menschen zum CO2-Anstieg nicht wichtig sei. Weil ja die globale Temperatur nicht mehr anstiege, werde anscheinend das CO2, das vorher aufgrund natürlicher Klimavariabilität von den Ozeanen ausgegast wurde, nun wieder von den Meeren aufgenommen. Problem gelöst. Auch die gegenwärtig kühlen Phasen von ENSO und PDO wurden herangezogen, um die Behauptung zu stützen, vor allem natürliche Prozesse wären für den CO2-Anstieg verantwortlich. Alle diese Behauptungen scheitern aber an dem Realitätstest.

Dies hätte direkt klar sein können, hätte man statt der Meßreihe vom Mauna Loa die mittlere Entwicklung aus allen Meßstellen des globalen Meßnetzes berücksichtigt. Dann wäre aufgefallen, daß es sich bei dem Abfall am Mauna Loa nur um ein lokales Ereignis handelte, vermutlich beeinflußt von der La Nina-Phase des ENSO. Dies war übrigens auch schon in der Vergangenheit dort beobachtet worden. Die globalen Messungen zeigten den Abfall gar nicht, sondern sogar eine weitere Beschleunigung des CO2-Anstiegs. Oder man hätte noch etwas abwarten können nach dem Motto, daß einzelne Monate bei einer klimatologischen Zeitreihe völlig nichtssagend sind. Dann hätte man sehen können, wie der letzte Monat auf einen Schlag fast den ganzen Abfall korrigierte. Die Rohdaten zeigen, im Gegensatz zu den auf Jahresbasis geglätteten Daten, ohnehin keinen Abfall.

Es ist begreiflich, daß viele Menschen zuerst auf die Daten von Mauna Loa schauen. Es ist die älteste Zeitreihe, es ist die bekannteste Zeitreihe, und man hat immer wieder diese Zeitreihe gezeigt, wenn man begreiflich machen wollte, daß das CO2-Mischungsverhältnis bedrohlich und stetig ansteigt. Aber es gibt weltweit Meßstationen (in Deutschland zum Beispiel auf der Zugspitze und am Hohenpeißenberg, dort vom Deutschen Wetterdienst betrieben) und ihre Zusammenschau gibt uns erst die belastbaren Daten über den weltweiten, unaufhaltsamen Anstieg des CO2-Mischungsverhältnisses durch das Verbrennen von Kohle, Öl und Gas, durch Abholzung der Tropenwälder und durch die Zementherstellung.

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.

Ist die Kohlendioxidkonzentration zu klein, um etwas zu bewirken?

Im Beitrag waren Korrekturen nötig - siehe weiter unten.

Manche behaupten, Kohlendioxid könne den Klimawandel nicht beeinflussen, weil der atmosphärische Anteil von derzeit etwa 387 ppm zu gering sei, um den Strahlungshaushalt der Erde zu beeinflussen. Vergleiche, die dann kommen, sind etwa die von einem Regenschirm, der 0,0387 Prozent des Himmels bedecke. Solche Vergleiche funktionieren nur, weil viele Menschen keinen anschaulichen Begriff dafür haben, was eigentlich ein Mischungsverhältnis von 387 ppm bedeutet.

Spurengase wie CO2 sind in sehr geringen Anteilen in der Luft enthalten und werden in Teilen pro Millionen Teile Luft angegeben, auf englisch parts per million oder kurz ppm. Noch kleiner ist ppb für parts per billion oder Teile pro Milliarde Teile Luft. Die Eigenschaft, die in diesem Fall bei CO2 interessiert, ist die Strahlungseigenschaft. Wie dicht ist die Luft eigentlich durch CO2 für den Durchtritt von Licht in dem Bereich, in dem CO2 Strahlung aufnimmt und abgibt?

Einen Anhaltspunkt gibt es, wenn man sich die Farbe von Flüssigkeiten anschaut, bei der die Färbung durch Bestandteile im ppm-Bereich erzeugt wird. Dafür kann man Kaliumpermanganat nehmen. Das kann man für wenige Euro in der Apotheke kaufen. Wenn man sich 3,4 Gramm davon abwiegen lässt und das in 1 Liter Wasser auflöst, hat man eine Lösung mit 387 ppm Kaliumpermanganat. Die ist deutlich violett gefärbt. Man kann das Wasser in mehrere Wassergläser einfüllen. Schaut man durch ein Glas hindurch, ist es noch recht durchsichtig. Stellt man aber die Gläser hintereinander und schaut durch alle zusammen hindurch, wird die Wassersäule schnell undurchsichtig. Man kann sich so anschaulich machen, daß durch eine Wassersäule von einem Meter mit 387 ppm Kaliumpermanganat praktisch kein sichtbares Licht in dem Absorptionsbereich von Kaliumpermanganat dringt.

Luft ist natürlich nicht so dicht wie Wasser. Das Gasgesetz beschreibt die Dichte von Luft. Bei 0 Grad Celsius enthalten 1,245 Kubikmeter Luft bzw. 1245 Liter Luft so viele Moleküle wie 1 Liter Wasser. Wenn ich in Wasser mit 387 ppm Kaliumpermanganat nach einem Meter Schichtdicke nichts mehr sehe, dann muss ich das in der Luft auf die geringere Dichte umrechnen und daher mal 1245 nehmen. Dann brauche ich für den gleichen Effekt also 1245 Meter Schichtdicke. Wenn also nach 1 Meter die Lösung mit 387 ppm Kaliumpermanagnat völlig blickdicht ist, dann entspräche das auf die Luft umgerechnet einem Weg von 1,245 Kilometern bei Bodendruck. Der Luftdruck nimmt aber mit steigender Höhe ab. Dadurch habe ich eher mehr als 1,5 Kilometer Luft zu vergleichen. Das ändert aber an der grundsätzlichen Betrachtung nichts mehr.

Was man aus dieser Betrachtung ziehen sollte: Lassen Sie sich nicht erzählen, 280 ppm CO2 (vorindustrieller Wert) oder 387 ppm CO2 (aktuell) seien so geringe Mengen, dass die keinen Einfluss darauf haben könnten, wie stark die Luft Strahlung schluckt. Auf den ersten Kilometern ist die Luft für Infrarot (Wärme)-Strahlung in den Bereichen, in denen CO2 anspricht, undurchsichtig. Das Weltall sieht also nicht die Wärmeabstrahlung des Bodens, sondern die der Luft in einigen Kilometern Höhe. Deshalb können Menschen schon mit Änderungen des CO2 im Bereich von ppm einen Effekt auf den Strahlungshaushalt der Erde haben.

Während ich leider immer noch zu faul war, mal Lösungen anzusehen und das Ergebnis abzufotographieren, hat dies inzwischen ein Blogschreiber mit dem Namen chlorobium gemacht, was wiederum Georg Hoffmann veranlasste, dazu einen Blogbeitrag zu erstellen.

Anmerkungen:

(Gunnar Ries hat darauf hingewiesen, daß ich mich beim Molekulargewicht von Kaliumpermanganat verrechnet habe - Murphys Gesetz. Ein Mol wiegt nicht 148, sondern 158 Gramm, wie man sehr leicht nachrechnen kann.)

Kaliumpermanganat hat ein Molekulargewicht von 158. D.h. 158 g KMnO4 sind gerade ein Mol (eine auf die Zahl der Moleküle bezogene Mengeneinteilung). Wasser hat das Molekulargewicht 18. Also sind 18 g Wasser gerade ein Mol. 1 Liter Wasser gleich 1000 Gramm enthalten 55,56 Mol Wasser. 3,4/148 Mol KMnO4 / 55,56 Mol Wasser ergeben gerade 0,000387 bzw. 387 ppm.

Das Gasgesetz lautet pV = nRT (p = Druck in Pascal, V = Volumen in m³, n = Menge des Gases in Mol, R = Gaskonstante = 8,313 J/K/Mol, T = absolute Temperatur in Kelvin). Löst man nach V auf und ist n=1, erhält man bei 273 Kelvin (=0 Grad Celsius) und 101300 Pascal (Bodendruck, stark gerundet) 0,0224 m³ als Volumen von einem Mol Gas.