Den Klimawandel verstehen (5-1)

Das Böse mit Namen CO2

Ein Gastbeitrag von Kurt Rohmert

Trotz der geringen Konzentration ist das Kohlenstoffdioxid für das Leben auf der Erde elementar wichtig,  in vielerlei Hinsicht. Als Baustein des Lebens ist es notwendig für die Bewohnbarkeit des Planeten, als Bestandteil der Atmosphäre wirkt es an der Entwicklung des Klimas mit.

Wie kann ein Gas so maßgeblichen Einfluss haben und wieso spielt ein anderer Begriff, nämlich der Treibhauseffekt, eine so wichtige Rolle ?

Was ist CO2

Spurengase wie CO2 (oder Methan) sind natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre. Das Gas CO2 ist farblos, nicht brennbar, geruchslos und ungiftig. Es macht seit jeher nur einen sehr geringen Teil unserer Luft aus. Es ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und entsteht aus der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichend Sauerstoff sowie  im Organismus von Lebewesen. Im Wasser aufgelöst ist es als Kohlensäure bekannt, es wird genutzt, um in Getränken einen Erfrischungseffekt zu erzielen. Neben der Nutzung als Trockeneis wird es auch in Feuerlöschern und als Dünge- oder Kältemittel eingesetzt.

Für uns Menschen ist es besonders wichtig, weil es als Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs (entweder gespeichert oder) durch Grünpflanzen im Zuge der Photosynthese abgebaut wird. Dabei wird mit Hilfe von Sonnenlicht CO2 in Sauerstoff umgewandelt. Das ermöglicht menschliches und tierischen Leben.

 Wer erzeugt das CO2?

Waren es in früheren Zeiten die Vulkane wird heute die Zunahme des CO2 (seit 1850) überwiegend dem Menschen zugeschrieben. Deshalb wird der Gesamtprozess, bei dem grosse Mengen an Treibhausgasen entstehen,  auch anthropogener Klimawandel genannt (AGW= Anthropogenic Global Warming). Treibhausgase aus steigender menschlicher Produktion sind neben den Aerosolen (feste oder flüssige Teilchen im Gas) das Kohlenstoffdioxid aus energiebedingter Emission (Stromerzeugung, Industrie, Heizung, Verkehr, Abbrennen von Wäldern) und  Methan sowie Stickstoffdioxid.

Alle Gase weisen ein unterschiedliches Potential auf. So ist Methan in der Wirkung 21-fach so stark wie CO2.

Der signifikante Anstieg des CO2 hat weltweit viele Verursacher. Die größten Erzeuger-Länder sind die USA, China und Russland. Dann folgen Japan, Indien und Deutschland (Abb.1). Bei uns sind die Klima-Ziele seit 2019 im Klimaschutzgesetz festgelegt. In fast allen Bereichen sind die Minderungsziele für CO2 aus der UN-Klimarahmenkonvention (bis heute) erreicht.

In der Bilanz der erzeugten Mengen erscheint der menschliche Anteil sehr gering. Diese ältere Grafik des IPCC (Abb.2) von 2013 gibt ihn für 2009 mit 33 GTo an. Aus natürlicher Produktion stammen dagegen 724 Gto. Da unsere Systeme Vegetation/Land und Wasser über den Kohlenstoff-Kreislauf das CO2 aufnehmen war bislang dieser Kreislauf im Gleichgewicht. Etwa die Hälfte des vom Menschen erzeugten Gases verbleibt aber in der Luft und reichert so kontinuierlich die Konzentration an. Nach diesen Zahlen liegt der menschliche Anteil an der CO2 Produktion bei etwa 4% und gilt trotzdem als einer der Streitpunkte.

Der Kohlenstoffzyklus

Das CO2 ist als Bestandteil in den Kohlenstoffkreislauf eingebunden. Unser Planet ist überzogen von ineinander greifenden Kreisläufen. Diese planetaren Kreisläufe machen das menschliche Leben erst möglich. Sie werden von Energieflüssen angetrieben, unter denen die Sonnenstrahlung, geothermische Energie und Schwerkraft von besonderer Bedeutung sind. Der atmosphärische Kreislauf mit seiner Kopplung der terrestrischen Kreisläufe (Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff) ist von herausragender Bedeutung. Aber auch der Wasserkreislauf, hervorgerufen durch Sonne  und Schwerkraft, muss hier wegen des Wasserstoffs erwähnt werden.

Als Kohlenstoffkreislauf oder -zyklus bezeichnet man die chemische Umwandlung kohlenstoffhaltiger Verbindungen und den Austausch in den vier Umweltbereichen (u.a. Atmosphäre). Ohne den Prozess der Photosynthese gäbe es keine sauerstoffhaltige Luft und damit kein Leben auf der Erde. Hauptsächlich von Pflanzen wird Kohlendioxid mithilfe von Wasser, Sonne und Chlorophyll in lebenswichtigen Sauerstoff umgewandelt. Quasi als Nebenprodukt, denn Pflanzen benötigen die Glucose.

Zum Kreislauf gehört auch der Weg, den der Kohlenstoff durch das Erdsystem nimmt. Er durchläuft mehrere Stationen, zu Land, zu Wasser und in der Luft. Dabei fungieren das Land und die Ozeane als gewaltige Speicher. Dieser Austausch von CO2 bewirkt auch zahlreiche (positive oder negative) Rückkopplungen (siehe Teil 4) mit unserem Klima. Von elementarer Bedeutung ist es, diesen Kreislauf zu verstehen und zu steuern, z.B. durch den Einfluss der tropischen Wälder auf den Kohlenstoff-Kreislauf durch Entzug von CO2.

CO2 in der Erdgeschichte

Unser Sonnensystem entstand vor ungefähr 4,6 Milliarden Jahren. Geologische Prozesse haben unseren Planeten immer wieder verändert. Mit Hilfe moderner Methoden der Geowissenschaften können Wissenschaftler heute die geologische Geschichte einzelner Landstriche, aber auch von Ozeanen, zurückverfolgen und ihre Entstehung rekonstruieren.

Die Uratmosphäre (vor 4 Mrd. Jahren) besaß einen sehr hohen Gehalt an CO2, trotz schwächerer Sonneneinstrahlung betrug die Temperatur damals ca. 50 Grad. Durch das Entstehen des Kohlenstoffkreislaufs pendelte sich vor 35 Mill. Jahren die CO2-Konzentration allmählich bei ungefähr 300 ppm ein. Das CO2 änderte sich damals hauptsächlich durch Verschiebungen der afrikanischen und indischen Platte mit Entstehung der Alpen und des Himalaya und durch Schwankungen der Erdbahn. Seither ist die Erdgeschichte durch regelmäßige Schwankungen zwischen Warm- und Kaltzeiten charakterisiert.

Seit der letzten Eiszeit vor 11.000 Jahren und bis vor Beginn der industriellen Revolution (ca. 1850) galt der Kohlenstoffdioxid-Gehalt in der Luft als annähernd stabil (Abb.3). Diese Stabilität beruhte auf einem System des Gleichgewichts, d.h. die Freisetzung und die Aufnahme von CO2 war (fast) ausgeglichen. In der früheren Erdgeschichte wurde dieser Zustand öfter auf natürliche Art stark gesenkt oder erhöht. Das beweisen Erdbohrkerne. In den letzten 140 Jahren bewirken menschliche Aktivitäten ein Ansteigen der Emissionen und als Folge davon eine höhere Konzentration an CO2 in der Atmosphäre, da der natürliche CO2-Kreislauf diese Mengen nicht mehr vollständig aufnehmen kann. Diese starke Zunahme um ca. 40% ist seit 1958 bekannt und geht auf Messungen des Geochemikers Charles Keeling zurück.

Atmosphärisches Kohlenstoffdioxid und die globale Temperatur beeinflussen sich auch gegenseitig. Diese anerkannte Korrelation zeigen alle Kurven der Erdgeschichte. Ausnahme ist das letzte Zeitalter, das Holozän, hier beruhen die zyklischen Warm- und Kaltzeiten trotz gleichbleibender  Konzentration an CO2 auf natürliche Vorgänge, eine Ausnahme könnte das 20.Jahrhundert bilden.

Der Treibhauseffekt aus Sicht der Klimaforscher

Spricht man vom Klimawandel dann ist der entscheidende Punkt der Treibhauseffekt .Schauen wir uns zunächst den natürlichen Effekt an. Ein Gemisch aus Methan, Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid u.a. in der Luft umgibt die Erde wie eine schützende Membran. Die kurzwellige Strahlung, von der Sonne kommend, gelangt durch diese Membran hindurch auf die Erdoberfläche. Die langwellige Wärme, von der Erdoberfläche kommend, wird von dieser Membran teilweise „aufgehalten“.  Ähnlich wie das Glasdach eines Treibhauses verhindern die Treibhausgase nämlich, dass die langwellige Strahlung durch die Membran hindurch ins All entweicht.

Durch die zur Erde gerichtete Gegenstrahlung erwärmt sich die Erdoberfläche zusätzlich. Damit heben die Treibhausgase die Temperatur von -18 (ohne Atmosphäre) auf +15 Grad an. So die allgemein übliche Formulierung, die andere Ursachen vernachlässigt und an der viele Physiker zweifeln.

Zusätzlich zum natürlichen Effekt kommt es seit der Idustrialisierung zu einem  Anstieg des CO2-Anteils in der Luft durch, wie es von Klimaforschern heißt, menschliche Aktivitäten. Fest steht unbestritten, dass der Anteil an CO2 von 0,028 auf 0,04 % der Luft gestiegen ist.  Unsere Luft ist ein Gemisch aus Wasserdampf und verschiedenen Gasen: hauptsächlich Stickstoff, Sauerstoff und Edelgase. Die (sogenannten) Treibhausgase machen nur 0,1 % aus. Das wichtigste Treibhausgas ist unumstritten Wasserdampf, danach folgt CO2. Doch die Wissenschaft ist sich in der Wirksamkeit der Treibhausgase nicht einig, so schwanken die Angaben für Wasserstoff bei wikipedia zwischen 36 und 70%, die Angaben für CO2 zwischen 15 (Max-Planck-Institut) und 88% (Umweltbundesamt).

Die Schilderung der Experten Meinungen zum Treibhauseffekt erfolgt in Teil 5-2 und meine Recherchen in der Physik (Thermodynamik) in 5-3.