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Der Treibhauseffekt

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Autor (-en):
Ingolf Profft, DEMO Project, CarboEurope-IP
TLWJF Gotha
Kontakt:
Einstellung am:
02.03.2005 (aktualisiert am 19.04.2005)
Dokumenttyp:
Projektbeitrag
Zusammenfassung:
Überblick zum natürlichen Treibhauseffekt und dem verstärkenden Einfluss des Menschen auf ihn sowie zu den wichtigsten Treibhausgasen

Entstehung der Erdatmosphäre

Die Erde ist heute ca. 4,5 bis 5 Mrd. Jahre alt und entstand nach gegenwärtigen Erkenntnissen aus der Kollision und Zusammenballung von festen Materiebrocken. Der sich dabei bildende Gesteinsplanet erhitzte sich aufgrund des mit dem Wachstum zusammenhängenden Druckanstiegs in seinem Inneren, durch den Zerfall radioaktiver Elemente und durch die weitere Kollision mit Material aus der Weltall auf Temperaturen von wahrscheinlich mehr als 2000°C und verflüssigte sich daher in seiner Entstehungsphase.

Das flüssige Gesteinsmagma bildete mit seinen Ausgasungen die Grundlage für Entstehung der Uratmosphäre, die sich vor rund 3,5 Mrd. Jahren bildete. Diese bestand zum überwiegenden Teil aus Methan mit Beimengungen von Ammoniak, Wasserstoff und Wasserdampf; Sauerstoff war in der Uratmosphäre nicht in freier Form enthalten, sondern fest im Gestein gebunden.
Im weiteren Verlauf der Erdentwicklung bis vor etwa 1 Mrd. Jahre erhöhte sich der atmosphärische Anteil an CO2 auf 84 % und an N2 auf 16 %.

Mit der Entwicklung des Lebens auf der Erde und der Besiedlung der Landfläche bildeten sich Lebensformen - anfangs Bakterien und Blaualgen, später höher entwickelte Pflanzen - heraus, die über den Prozess der Photosynthese in der Lage waren, CO2 und H2O aufzunehmen und als Produkte ihrer Lebensvorgänge Sauerstoff freizusetzen. Dies führte langfristig zu einer Zunahme des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre. Parallel dazu kam es zu einer Abnahme der CO2-Konzentration durch das Auswaschen von CO2 aus der Atmosphäre (Niederschläge) und die direkte Lösung von CO2 in den Ozeanen mit der Folge der Bildung von Carbonatsedimenten in den Meeren. Gleichzeitig sorgte die Konservierung organischer Masse unter Luftabschluss zu einer Minderung der CO2-Konzentration und Erhöhung der O2-Konzentration in der Atmosphäre.
Aller Wahrscheinlichkeit nach war zwischen Karbon (vor ca. 350 Mio. Jahre) und Jura (vor ca. 200 Mio. Jahre) das heutige Niveau der atmosphärischen Zusammensetzung erreicht, danach fanden keine gravierenden Veränderungen mehr statt.
Hauptbestandteile unserer heutigen Atmosphäre sind Stickstoff mit ca. 78 %, Sauerstoff mit rund 21 % sowie Argon mit ca. 1 %. Andere Gase sind in geringen Konzentrationen in der Atmosphäre vertreten. Kohlendioxid hat dabei heute einen Anteil von knapp 0,038%; oftmals angegeben als 380ppm (v)(parts per million (volume), Anteile je 1 Mio. Volumenanteile Luft).

Zusammensetzung der Erdatmosphäre

Abb.1: Zusammensetzung der Erdatmosphäre während der Erdentwicklung
Heute hat Kohlendioxid einen Anteil von 0,038% und ist einer der Bestandteile, die in der Abbildung mit 1% zusammengefasst sind.

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Der natürliche Treibhauseffekt

Diese, im Laufe von Millionen Jahren entstandene Atmosphäre ist Grundlage für das Leben auf der Erde. Sie bildet einerseits einen Schutzschild gegen lebensfeindliche UV-Strahlung. Zum anderen sorgt die Atmosphäre für ein natürliches "Wärmepolster", dem sogenannten natürlichen Treibhauseffekt:
Kurzwellige Sonnenstrahlung gelangt zur Erdoberfläche, erwärmt diese und wird als langwellige Wärmestrahlung von der Erdoberfläche wieder reflektiert. Die Erdatmosphäre mit ihrer Zusammensetzung verhindert nun das vollständige Abstrahlen der Wärme zurück in das Weltall und hält einen lebenswichtigen Anteil in der Atmosphärenschicht zurück. Durch diese Absorption eines Teiles der thermischen Ausstrahlung der Erde erhöht sich die durchschnittliche Temperatur der Erdoberfläche auf ca. 15°C. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt würde auf der Erde eine durchschnittliche Oberflächentemperatur von rund -18°C herrschen, zu kalt für die Existenz von Leben.

Schematische Darstellung des Treibhauseffektes

Abb.2: Schematische Darstellung des Treibhauseffektes: kurzwelliges Sonnenlicht gelangt zur Erdoberfläche und wird dort absorbiert und als langwellige Wärmestrahlung reflektiert; vergleichbar mit der Verglasung des Gewächshauses verhindern die Treibhausgase die Abgabe der Wärmestrahlung an das Weltall, wodurch es zur allmählichen Erwärmung der Erdatmosphäre kommt

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Ursache für das wärmende Absorptionsvermögen der Atmosphäre sind die so genannten natürlichen Treibhausgase.


Tabelle: Anteile der natürlichen Treibhausgase am natürlichen Treibhauseffekt

Treibhausgas

Anteil am natürl.
Treibhauseffekt

Erwärmung
in °Celsius

Wasserdampf

60%

21 °C

Kohlendioxid

21%

7 °C

Lachgas

7%

2 °C

Ozon

7%

2 °C

Methan

2%

1 °C

andere

2%

1 °C



Die Berechnung dieser Temperaturerhöhung erfolgte auf Basis von Sonneneinstrahlung, Energieabsorption in der Atmosphäre und Abstrahlung der Erde sowie der Absorptionseigenschaften der einzelnen Treibhausgase.

Der Einfluss des Menschen auf den Treibhauseffekt

Seit dem 18. Jahrhundert steigt jedoch die durchschnittliche Temperatur der Erde mit immer schnellerer Geschwindigkeit an - eine Tatsache, die in der Wissenschaftsgemeinde übereinstimmend bestätigt wird. Dieser allgemein als Klimawandel oder Klimaerwärmung beschriebene Effekt hat verschiedene Ursachen:
  • Veränderungen bei der Strahlung der Sonne zur Erde aufgrund der elliptischen Erdbahn im Jahresverlauf und Veränderungen bei der Erdbahn um die Sonne (Exzentrizität, Präzession),
  • kurzfristiger und langfristiger Rhythmus der Sonnenaktivität (z. B. Sonnenfleckenzyklus),
  • Taumel- und Pendelbewegungen des Planeten sowie Veränderungen bei der Neigung der Äquatorebene,
  • Veränderungen im atmosphärischen und biosphärischen Wasserhaushalt (z. B. Wolkenbildung, Niederschlag, Austauschprozesse) sowie
  • menschliche Aktivitäten (Verbrennung fossiler Energieträger und Waldzerstörung).
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Im Gegensatz zum Konsens hinsichtlich der allgemeinen Klimaveränderungen besteht eine erhebliche Uneinigkeit im Bezug auf die Anteile der einzelnen Einflussfaktoren auf die ablaufenden Veränderungen.

Zunehmend scheint sich jedoch abzuzeichnen, dass die menschlichen Aktivitäten, die mit einer verstärkten Freisetzung von Treibhausgasen verbunden sind, einen ausschlaggebenden Anteil am Prozess der Klimaerwärmung haben, da die langjährigen Aufzeichnungen und Messungen zu Temperaturveränderungen und Konzentrationsänderungen bei Treibhausgasen eine starke Parallelität mit der Entwicklung der Industrie seit Mitte des 18. Jahrhunderts aufweisen. Darüber hinaus lässt die Geschwindigkeit, mit der sich die Konzentration der Treibhausgase ändert, diesen Schluss zu. Ein weiteres Indiz ist die isotopische Zusammensetzung des atmosphärischen Kohlenstoffs. Seit längerem wird eine Abnahme im atmosphärischen Isotopenverhältnis zwischen 13C und 14C festgestellt; Hintergrund: fossiles CO2, d. h. bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern freigesetztes CO2, weist ein kleineres Isotopenverhältnis 13C⁄12C auf als atmosphärisches CO2.
Durch die menschenverursachte Erhöhung der Treibhausgase in der Atmosphäre wird der Effekt der Absorption der Wärmestrahlung verstärkt - ein höherer Anteil verbleibt in der Atmosphäre, der natürliche Treibhauseffekt wird verstärkt und die Atmosphäre wird quasi über das natürliche Maß hinaus aufgeheizt.

Eine entscheidende Rolle bei dieser Entwicklung spielt dabei das Element Kohlenstoff mit den für die Atmosphäre wichtigen Verbindungen Kohlendioxid und Methan. Darüber hinaus sind noch weitere Gase an diesem durch den Menschen forcierten zusätzlichen Treibhauseffekt beteiligt.


Tabelle: Die wichtigsten Treibhausgase, die den natürlichen Treibhauseffekt durch die menschlichen Aktivitäten verstärken und ihre wichtigsten Kennwerte

Treibhausgas

Anteil am
zusätzlichen
Treibhauseffekt

Klimawirkung
(GWP)

Atmosphär.
Verweildauer

Anstieg in d.
Atmosphäre
1750 - 2000

Kohlendioxid

50-60%

1

< 150 Jahre*

+ 35%

Methan

15%

23

12 Jahre

+ 120%

FCKW &
Halone

10

bis 20.000

> 1.000 Jahre

nicht natürlich

Lachgas

4%

296

114 Jahre

+ 10%

Ozon

9%

-

-

-

Schwefelhexa-
fluorid

< 5%

bis 20.000

3.200 Jahre

nicht natürlich

* Großen Einfluss auf die Verweildauer des Kohlendioxids in der Atmosphäre hat die Bindungsfähigkeit der Ökosysteme (vor allem Wälder und Ozeane), den anthropogenen Kohlendioxideintrag "abzupuffern". Solange diese Bindungskapazität der Ökosysteme kleiner ist als der Neueintrag an CO2, wird dieses auch mehr als 150 Jahre in der Atmosphäre verbleiben.

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Die ursprüngliche Konzentration an Kohlendioxid in der Erdatmosphäre lag vor Beginn der Industrialisierung (ab ca. Mitte des 18. Jahrhunderts) kontinuierlich bei rund 280ppm (parts per million = Anteile je Million). Sie pendelte entsprechend der Untersuchungen von Eisbohrkernen in 100.000-Jahres-Zyklen um ca. 100 ppm zwischen 180 und 280 ppm.

Gegenwärtig verursachen die Menschen weltweit CO2-Emissionen in Höhe von jährlich rund 32 Mrd. to (Stand 2003) - 32.000.000.000 Tonnen jedes Jahr. Diese pro Jahr in die Atmosphäre abgegebene Menge Kohlenstoff ist mehr, als innerhalb von 1 Mio. Jahre der Erdgeschichte als Kohle festgelegt wurde.
Ozeane und Vegetation sind zwar in der Lage, Kohlendioxid aufzunehmen, jedoch übersteigen die hohen Emissionen der Menschen mittlerweile diese Aufnahmekapazität erheblich. Daher verbleiben gegenwärtig ca. 15 Mrd. to CO2 pro Jahr zusätzlich in unserer Atmosphäre. Die Folge davon: der Gehalt an CO2 steigt - die 2003 gemessene CO2-Konzentration der Erdatmosphäre betrug 379 ppm. Die jährliche Erhöhung liegt momentan bei ca. 1,5 ppm - Tendenz steigend. Diese CO2-Konzentration ist entsprechend den Eisbohrkernen in der Antarktis die höchste der letzten 500.000 Jahren in der Erdgeschichte. Zum Konzentrationsanteil von z.Zt. 379 ppm(v) für CO2 kommen noch die klimaschädigenden Wirkungen der anderen Treibhausgase, in CO2-Äquivalenten umgerechnet etwa 70 ppm(v)(e), so dass sich der klimaschädliche Anteil der Treibhausgase zur Zeit auf etwa 450 ppm(v)(e) bemisst - gegenüber 280 ppm(v) vorindustriell.

Ca. 80% des durch das menschliche Handeln freigesetzten Kohlendioxids stammt aus der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas, rund 20% entstammen der insbesondere in den Tropen ungebremst stattfindendenden Urwaldzerstörung - v. a. in Form von Brandrodung - zur Gewinnung von Flächen für Ackerbau, Plantagenwirtschaft und Lebensraum.
Die jährlichen Methanemissionen werden auf 500 Mio. to geschätzt, davon werden 70% durch menschliche Aktivitäten freigesetzt. Davon entstammen jeweils 30% aus Mülldeponien⁄Abfallwirtschaft und dem Reisanbau. Jeweils 20% haben ihren Ursprung in der weltweiten Tierproduktion (besonders der Rinderzucht, da Rinder als Wiederkäuer Methan bei ihrer Verdauung "produzieren") und der Gewinnung und Verbrennung fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl und Erdgas). Das Methan aus den natürlichen Quellen hat seinen Ursprung beispielsweise in Sümpfen.
Hauptquellen für anthropogene Lachgasemissionen sind Brandrodung, Stickstoffdüngung, Kraftverkehr und Landnutzungsänderungen.

Auch wenn Kohlendioxid genauso wie Methan, Lachgas und andere Treibhausgase nur einen sehr geringen Anteil an der Zusammensetzung der Atmosphäre, so ist die Änderung deren Konzentration von entscheidender Bedeutung für das Leben auf der Erde aufgrund der klimarelevanten Wirkung im Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt.

Quellen:

  1. Fabian, Peter (2002): Leben im Treibhaus - Unser Klimasystem und was wir daraus machen. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York
  2. Bayerisches Landesamt für Umweltschutz (2001): Fachinformation "Umwelt und Gesundheit". (online unter » www.bayern.de; Abruf am 01.07.2004; 15:00 Uhr)
  3. Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI): Neue Klimadaten aus altem Antarktiseis. Pressemitteilung vom 07.06.2004.
    (online unter » www.awi-bremerhaven.de; Abruf am 30.03.2005; 14:30 Uhr)
  4. Merkel, Wolfgang W. (2005): Sümpfe, Sonne, Staub - Nicht nur der Mensch wirkt komplex auf das Klima ein. Die Welt, Ausgabe vom 16.02.2005, S. 5.
  5. Ziesing, Hans-Joachim (2004): Nach wie vor keine sichtbaren Erfolge der weltweiten Klimaschutzpolitik. Wochenbericht des Deutschen Instituts für Wirtschaftsforschung 71 (Ausgabe 37⁄2004), 523-536.
  6. European Environment Agency (2004): Impacts of Europe´s changing climate. EEA report 2⁄2004, Copenhagen.
  7. Watson, Robert T., Noble, Ian R., Bolin, Bert, Ravindranath, N. H. , Verardo, David J., Dokken, David J. (2000): Land Use, Land-Use Change and Forestry - A Special Report of the IPCC. Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge.

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