Treibhauseffekt und Emissionsszenarien Wie wirken sich Änderungen in der Zusammensetzung unserer Atmosphäre auf das Klimageschehen aus?

Anthropogene Treibhausgase

Durch den anthropogenen, vom Menschen verursachten Treibhauseffekt wird die Strahlungsbilanz der Atmosphäre vor allem durch die Emission von Treibhausgasen verändert, die durch menschliche Aktivitäten entstehen. Dabei erhöht der Mensch mit einer Ausnahme lediglich den atmosphärischen Gehalt der bereits vorhandenen Treibhausgase wie z.B. Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Distickstoffoxid oder Lachgas (N₂O) und des troposphärischen Ozons (O₃). Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Öl und Gas, Methan aus verschiedenen Quellen wie der Rinderhaltung, Reisfeldern, Mülldeponien und der Erdgasgewinnung, Lachgas vor allem aus der landwirtschaftlichen Düngung. Die Ausnahme sind die in Chemielaboren neu entwickelten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), eine Reihe von sehr strahlungsaktiven Treibhausgasen, die zudem noch das Ozon in der Stratosphäre, das das Leben auf der Erde vor UV-Strahlen schützt, zerstören. Deren Emissionen gehen jedoch seit den 1990er Jahren durch ein globales Abkommen zum Schutz der Ozonschicht (Montrealer Protokoll) zurück. Die Konzentration der übrigen Treibhausgase steigt dagegen seit Beginn der Industrialisierung bis heute ungebremst an und verstärkt damit zunehmend den natürlichen Treibhauseffekt.

[Daten aus IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I, Table 8.2 und 8.3.3; IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I, Technical Summary, Table TS.2 und WGI, 7.3.1.2; NOAA Global Monitoring Laboratory (2020): The NOAA annual greenhouse gas index (AGGI) - Alternative Werte in Spalte Konzentration 2018 aus NOAA für das Jahr 2020]

Die einzelnen Treibhausgase haben dabei eine durchaus unterschiedliche Wirkung auf die Erde und die Atmosphäre bzw. einen unterschiedlichen Strahlungsantrieb (engl. radiative forcing). Der Strahlungsantrieb wird in W/m² (Watt pro m²) gemessen und bezeichnet in diesem Zusammenhang die Änderung der Strahlungsbilanz durch anthropogene Treibhausgase, Aerosole und Veränderungen an der Erdoberfläche seit Beginn der Industrialisierung (seit ca. 1750), gemessen an der Tropopause, der Obergrenze der Troposphäre. Durch diese Veränderungen wird das Gleichgewicht zwischen einfallender Sonnenstrahlung und von der Erde abgestrahlter Infrarotstrahlung gestört. Ist diese Bilanz unausgeglichen, so hat das Klima einen „Antrieb“, die Temperatur zu verändern.

Der Strahlungsantrieb der einzelnen Treibhausgase hängt von der Verweilzeit und der Konzentration in der Atmosphäre und dem relativen Treibhauspotential ab. Nach der Verweilzeit werden die langlebigen bzw. global gut durchmischten Treibhausgase wie z.B. CO₂, CH₄ oder N₂O, die viele Jahre bis Jahrhunderte in der Atmosphäre verbleiben, von dem kurzlebigen troposphärischen Ozon, dessen Verweilzeit sich über etliche Tage erstreckt, unterschieden. Die Konzentration in der Atmosphäre wird bei CO₂ in ppm (parts per million, Teile pro Millionen Teile) gemessen, bei CH₄ und N₂O in ppb (parts per billion, Teile pro Milliarden Teile) und bei den FCKW in ppt (parts per trillion, Teile pro Trillionen Teile).

Die geringe Konzentration gegenüber CO₂ wird bei den anderen Treibhausgasen durch ihr hohes Treibhauspotential, das bezogen auf dasselbe Gewicht relativ zu CO₂ (=1) und für einen Zeithorizont von 100 Jahren gemessen wird, teilweise wieder wettgemacht. So liegt das Treibhauspotential von Methan bei 28, von Lachgas bei 265 und von dem wichtigen Fluorchlorkohlenwasserstoffen CFC-12 bei 5200 CFC-11 bei 6900, d.h. z.B. 1 kg Lachgas hat eine 265 Mal so große Strahlungswirkung wie 1 kg Kohlendioxid.

Abb. 1: Linke Skala: Strahlungsantrieb aller langlebigen Treibhausgase 1979-2019 in Bezug zu 1750. Rechte Skala: Treibhaugas-Index der amerikanischen Wetterbehörde NOAA. Seit 1990 (=1) hat sich danach der Strahlungsantrieb der langlebigen Treibhausgase um 45% erhöht (NOAA Global Monitoring Laboratory, 2020)

Das wichtigste anthropogene Treibhausgas ist trotz des geringen Treibhauspotentials mit großem Abstand aufgrund der hohen atmosphärischen Menge das Kohlendioxid (CO₂). Es hat seit der vorindustriellen Zeit bis 2019 den anthropogenen Strahlungsantrieb um 2,1 W/m² erhöht. An zweiter Stelle steht mit 0,5 W/m² Methan, darauf folgen Distickstoffoxid (0,20 W/m2) und als wichtigstes FCKW das CFC-12 (0,16 W/m²) (Daten nach NOAA Global Monitoring Laboratory, 2020). Die Abbildung zeigt den Strahlungsantrieb aller langlebigen Treibhausgase in W/m² zwischen 1979 und 2019 in Bezug zu 1750. Der Anteil von Kohlendioxid beträgt 2019 etwa Zweidrittel und hat seit 1979 deutlich zugenommen.

Die rechte Skala der Abb.1 zeigt einen Index, der den Strahlungsantrieb von 1990 als Bezugspunkt für die weitere Entwicklung setzt. Das ist damit begründet, dass sich die Staaten der Erde auf den globalen Klimakonferenzen ebenfalls an den Werten von 1990 orientiert haben. So wurde auf den Weltklimagipfeln im japanischen Kyoto (1987) und in Paris (2015) 1990 als Basisjahr gewählt. So hatte sich Deutschland verpflichtet, seine Treibhausgasemissionen im Zeitraum 2008-2012 gegenüber 1990 um 21 % zu senken, was auch tatsächlich erreicht wurde. Weltweit gesehen lässt Abb1 beim Strahlungsantrieb aller langlebigen anthropogenen Treibhausgase jedoch eine Erhöhung bis 2019 um mindestens 40% erwarten. Das liegt vor allem an den unvermindert steigenden Emissionen von Kohlendioxid aus fossilen Energieträgern, die für 2019 wahrscheinlich bei ca. 37 Mrd. t CO₂ liegen werden (Abb.2), was gegenüber 1990 eine Zunahme von 68% bedeutet!

Kohlendioxid, das wichtigste anthropogene Treibhausgas

Abb.2: Änderung der CO₂-Emissionen aus fossilen Quellen (Global Carbon Project 2019)

Die fossilen CO₂-Emissionen stammen hauptsächlich aus der Verbrennung von Kohle (1919: 14,5 Gt CO₂), Erdöl (12,5) und Gas (7,7). Über die Hälfte tragen die sechs Hauptemittenten China (10,06 Gt CO₂), die USA (5,42), die EU (3,37), Indien (2,65), Russland (1,71) und Japan (1,16) bei (Abb. 3). Diese Verteilung ist jedoch nur eine Momentaufnahme, da CO₂, wie in Tabelle 1 gezeigt, viele Jahrzehnte bis Jahrhunderte in der Atmosphäre verbleibt. Ein erheblicher Anteil der heute noch strahlungsaktiven CO₂-Menge in der Atmosphäre stammt daher aus früheren Jahrzehnten, in denen die Emissionen der Altindustriestaaten die der Schwellenländer wie China und Indien bei weitem übertroffen hatten. An den kumulativen Emissionen von 1870 bis 2018 haben daher die USA einen Anteil von 25%, die EU von 22%, China von 13%, Russland von 7%, Japan und Indien jedoch nur von 4% bzw. 3%. Auch wenn es sich um Emissionen und nicht um Konzentrationen von Kohlendioxid handelt, gibt diese Aufteilung ein realistischeres Bild darüber, welche Anteile die einzelnen Staaten an den heute noch wirksamen fossilen CO₂-Mengen in der Atmosphäre besitzen (Global Carbon Project 2019).

Abb. 3: Der Beitrag der sechs Hauptemittenten zur fossilen CO₂-Emission 1960-2019 (Global Carbon Project 2019)

Fossile Energieträger sind bei weitem die wichtigsten, aber nicht die einzigen Quellen anthropogener CO₂-Emissionen. 14 % der gesamten Emissionen bzw. 5,5 Gt CO₂ werden zusätzlich durch Veränderungen der Landnutzung durch den Menschen emittiert, hauptsächlich durch die Umwandlung von Wald- in Landwirtschaftsflächen (siehe Klimawandel durch veränderte Landnutzung).

Die gesamten globalen anthropogenen CO₂-Emissionen werden für 2018 auf 42 Gt CO₂ geschätzt. Davon verbleibt jedoch weniger als die Hälfte in der Atmosphäre. 29 % wurden im Zeitraum 2009-2018 von der Landbiosphäre und 23 % vom Ozean aufgenommen (Abb. 4). Die atmosphärische Konzentration von CO₂ stieg von 279 ppm in vorindustrieller Zeit dennoch auf 416 ppm im April 2020 (NOAA Earth System Research Laboratories, 2020).

Abb. 4: Quellen und Senken von Kohlendioxid 2009-2018: 86% der CO2-Emissionen stammen aus der Verbrennung fossiler Energieträger, 14 % aus der Änderung der Landnutzung. Von der emittierten Kohlendioxidmenge verbleiben 44% in der Atmosphäre, 29% werden von der Landvegetation aufgenommen, 23% vom Ozean. Übrig ist ein Rest von 4%, dessen Verbleib ungeklärt ist (Global Carbon Project 2019).

Anthropogene Aktivitäten haben jedoch nicht nur durch die Emission von Treibhausgasen Einfluss auf die Strahlungsbilanz der Atmosphäre und damit auf den Treibhauseffekt und das Klima. Gerade die Verbrennung von fossilen Energieträgern (aber auch andere Aktivitäten) führt auch zur Emission von Aerosolen, die insgesamt eine abkühlende Wirkung haben (s. Beitrag: Aerosole). Und die Änderung der Landnutzung bewirkt nicht nur Emissionen von Treibhausgasen (Abb. 4), sondern verändert auch die Albedo der Erdoberfläche und damit die Strahlungsbilanz der Atmosphäre (s. Beitrag: Änderung der Landnutzung).

Methan und Lachgas

Die anderen wichtigen langlebigen anthropogenen Treibhausgase Methan und Lachgas zeigen ebenfalls seit Beginn der Industrialisierung einen deutlichen Anstieg bei den Emissionen (Abb. 5). Rechnet man CH₄ und N₂O im Hinblick auf ihr Treibhauspotential in CO₂-Äquivalente um, trugen sie über den Zeitraum 2007-2016 gemittelt jährlich 10,1 bzw. 2,8 Gt CO₂-äq zu den Treibhausgasemissionen bei. In der Summe betrug die Emission der drei wichtigsten langlebigen Treibhausgase in diesem Zeitraum 52,0 Gt CO₂-äq pro Jahr (IPCC, 2019). Die vorindustrielle Methan-Konzentration lag bei 730 ppb (Tab. 1); sie betrug im Januar 2020 mit 1873 ppb etwa das Zweieinhalbfache. Die Konzentration von Lachgas steigerte sich von vorindustriell 270 ppb (Tab. 1) auf 332 ppb bzw. um 23% (NOAA Earth System Research Laboratories, 2020).

Abb. 5: Mittlerer globaler Anteil von Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O) in ppb 1984-2018

Anthropogene Aktivitäten haben jedoch nicht nur durch die Emission von Treibhausgasen Einfluss auf die Strahlungsbilanz der Atmosphäre und damit auf den Treibhauseffekt und das Klima. Gerade die Verbrennung von fossilen Energieträgern (aber auch andere Aktivitäten) führt auch zur Emission von Aerosolen, die insgesamt eine abkühlende Wirkung haben (s. Beitrag: Aerosole). Und die Änderung der Landnutzung bewirkt nicht nur Emissionen von Treibhausgasen (Abb. 4), sondern verändert u.a. auch die Albedo der Erdoberfläche und damit die Strahlungsbilanz der Atmosphäre (siehe: Beitrag zum anthropogenen Klimawandel durch veränderte Landnutzung).