Treibhausgas

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Entwicklung des Anteils von Treibhausgasen in der Erdatmosphäre seit den 1970er Jahren.

Anteil verschiedener Treibhausgas-Emissionen nach menschlichen Verursachern im Jahr 2000. Große Grafik: alle Treibhausgase

Treibhausgase sind gasförmige Stoffe, die zum Treibhauseffekt beitragen und sowohl einen natürlichen als auch einen anthropogenen Ursprung haben können. Durch ihr Absorptionsspektrum tragen Treibhausgase dazu bei, ein sonst zum Weltall hin offenes Strahlungsfenster zu schließen.

Die natürlichen Treibhausgase heben die durchschnittliche Temperatur an der Erdoberfläche um etwa 30 °C auf +15 °C an. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt hätte die untere Atmosphäre im globalen Mittel nur −18 °C, was Leben auf der Erde vielleicht unmöglich gemacht hätte.

Die Zunahme bestimmter Treibhausgase wird großteils auf menschliche Aktivitäten zurückgeführt. Die im Kyoto-Protokoll reglementierten Gase sind: Kohlendioxid (CO₂, dient als Referenzwert), Methan (CH₄), Distickstoffoxid (Lachgas, N₂O), teilhalogenierte und perfluorierte Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW/HFCs) und Schwefelhexafluorid (SF₆).

Die anthropogene Emission von Treibhausgasen verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt und führt zur globalen Erwärmung, die ihrerseits mit zahlreichen Folgen verbunden ist.

[Bearbeiten] Wasserdampf

Verteilung des Wasserdampfs in der Erdatmosphäre. Der kondensierbare Wasserdampf einer Luftsäule über einer Grundfläche von 1m² wird in cm angegeben

Wasserdampf trägt zum natürlichen Treibhauseffekt etwa 60 % bei.^[1] Er entstammt überwiegend dem Wasserkreislauf (Ozean – Verdunstung – Niederschlag) plus einem kleinen Anteil aus dem Vulkanismus.

Der Mensch erhöht auch indirekt den Wasserdampfgehalt, weil die anthropogene Erwärmung die Verdunstungsrate steigert. Diese sekundäre Verstärkung („positive Rückkopplung“) wird teilweise durch mehr Wolkenbildung kompensiert (Globale Verdunkelung). Doch sind diese Effekte erst wenig geklärt, weil der Wasserdampf sehr ungleich über die Erde verteilt ist und die heutigen Computermodelle der Atmosphäre noch nicht fein genug sind. Die komplizierten Gleichungen für Wind, Strömungen, Verdunstungs- und Strahlungsbilanz, Wolken, Chemie, Gebirgseinfluss usw. benötigen enorme Rechenkapazitäten.

[Bearbeiten] Treibhausgase des Kyoto-Protokolls

Hauptartikel: Kyoto-Protokoll

Die mit Abstand meisten Treibhausgase pro Einwohner werden in den Industrienationen der 1. Welt ausgestoßen. Beim Vergleich muss berücksichtigt werden, dass in Ländern mit kälterem Klima durch das Heizen mehr Treibhausgase entstehen, als in Ländern mit einem wärmeren Klima. Um den Klimawandel zumindest zu verlangsamen, muss also besonders in der 1. Welt viel mehr für die Reduzierung des Ausstoßes der Treibhausgase getan werden.

Im Kyoto-Protokoll wurde ein völkerrechtlich verbindliches Abkommen zur Reduzierung des anthropogenen Ausstoßes von wichtigen Treibhausgasen (direkte Treibhausgase) beschlossen. Andere Treibhausgase, die sog. indirekten Treibhausgase, wie z. B. Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x) oder flüchtige Kohlenwasserstoffe ohne Methan, NMVOC, sind im Montreal-Protokoll geregelt, weil sie zur Zerstörung der Ozonschicht beitragen.

Obwohl die USA bisher eine Unterzeichnung des Kyoto-Protokolls verweigern, einigte man sich am 30. August 2006 in Kalifornien darauf, den CO₂-Ausstoß bis 2020 um 25 % zu reduzieren.^[2]

Im Kyoto-Protokoll sind neben den oben genannten Treibhausgasen auch fluorierte Treibhausgase (F-Gase) aufgenommen worden, da diese aufgrund ihrer hohen Verweildauer in der Atmosphäre ein hohes Treibhauspotenzial besitzen. Zu den im Kyoto-Protokoll geregelten Treibhausgasen gehören:

[Bearbeiten] Kohlendioxid

Kohlendioxid (CO₂) hat etwa einen Anteil von ca. 20 % am Treibhauseffekt. Es entsteht u. a. bei der Verbrennung fossiler Energieträger. Es macht etwa 60 % des vom Menschen verursachten Treibhauseffekts aus. Der weltweite anthropogene CO₂ Ausstoss betrug im Jahr 2006 ca. 32 Gt, davon in Deutschland ca. 880 Mt, also ungefähr 3% des weltweiten Ausstoßes. Die geogene, also natürliche CO₂ Produktion beträgt ca. 550 Gt pro Jahr.^[3] Dieser steht jedoch ein etwa gleich hoher natürlicher Verbrauch, insbesondere durch Photosynthese gegenüber, während der menschliche Ausstoß nicht ausgeglichen wird.

[Bearbeiten] Methan

anthropogene Methan-Emissionen weltweit in Mrd. t CO₂-Äquivalent, Gesamtsumme 5,9 Mrd. t^[4]

Methan (CH₄) kommt nur in Spuren in der Atmosphäre vor (<2ppm). Anthropogenes Methan entsteht primär in der Landwirtschaft und Massentierhaltung und trägt aufgrund seiner hohen Wirkung (23mal so wirksam wie CO₂) mit rund 20 % zum anthropogenen Treibhauseffekt bei. Von der weltweit anthropogen emittierten Methan-Menge (etwa 5900 Mt CO₂-Äqivalent) stammen etwa 37% direkt oder indirekt aus der Viehhaltung. Davon wiederum stammt der größte Teil aus Fermentations-Prozessen im Viehmagen.^[4]

Der Methan-Gehalt der Atmosphäre hat sich seit vorindustriellen Zeiten (1750) von 600 ppb auf 1728 ppb erhöht.^[4] Seit 1999 hat der Methan-Gehalt der Atmosphäre praktisch nicht mehr zugenommen.^[5]

[Bearbeiten] Distickstoffoxid (Lachgas)

anthropogene Lachgas-Emissionen weltweit in Mrd. t CO₂-Äquivalent, Gesamtsumme 3,4 Mrd. t, Quelle ^[4]

Lachgas (N₂O) ist ebenfalls ein Treibhausgas, dessen Treibhauswirksamkeit 310mal so groß ist, wie die von CO₂. Menschenverursachte Emissionen stammen hauptsächlich aus fossilen Kraftwerken und dem Verkehr. Mit einer mittleren atmosphärischen Verweilzeit von 100 Jahren und einem relativ hohen molekularen Treibhauspotenzial ist es ein klimarelevantes Gas. Sein Beitrag zum anthropogenen Treibhauseffekt beträgt heute etwa 5-6%.

N₂O trägt zum Ozonabbau bei: Die UV-induzierte Spaltung von Ozon in ein freies Sauerstoffatom und ein Molekül O2 führt in der unteren Stratosphäre zu einer Reihe von chemischen Prozessen, in denen Methan, Wasserdampf, molekularer Wasserstoff und Stickoxide oxidiert werden.

[Bearbeiten] Fluorkohlenwasserstoffe

Bei den Fluorkohlenwasserstoffen wird zwischen den teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (H-FKW) und den vollständig halogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) unterschieden. Sind FKWs vollständig fluoriert (also keine Wasserstoff-Atome mehr enthalten) nennt man diese auch perfluorierte Fluorkohlenwasserstoffe (PFC).

Tetrafluormethan (CF₄) in der Atmosphäre ist teilweise natürlichen Ursprungs. Größere Emissionen stammen aus der Primäraluminiumproduktion. Ethan und Propanderivate (C2, C3) der fluorierten Kohlenwasserstoffe werden als Kältemittel eingesetzt. Einige höhermolekulare fluorierte Kohlenwasserstoffe (C6 - C8) werden als Reiniger eingesetzt. Weiterhin werden FCWs in der Kunststoff- und Polymerindustrie großtechnisch als Ausgangsmaterialien zur Erzeugung fluorierter Kunststoffe, Öle, Fette und andere Chemikalien eingesetzt (die Herstellung erfolgt oft über eine FCKW-Vorstufe), dienen in der Elektronik- und Bildschirmindustrie als Ätzgas u.v.a.m.. Fluorkohlenwasserstoffe ersetzen heute die seit 1995 nur noch eingeschränkt verwendbaren fluorierten Chlorkohlenwasserstoffe FCKW.

In der europäischen F-Gase-Verordnung (veröffentlicht am 14. Juni 2006) sind Maßnahmen zur Reduzierung von Emissionen aus Kälteanlagen getroffen worden. Es handelt sich im Gegensatz zu der FCKW-Halon-Verbotsverordnung nicht um ein Verwendungsverbot, sondern durch höhere Anforderung an die Ausführung und Wartung von Kälteanlagen sollen die Leckagemengen reduziert werden. Im Zeitraum von 2008 bis 2012 um 8% gegenüber dem Stand von 1990 verringert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Anwendung der fluorierten Treibhausgase für bestimmte Tätigkeiten zu bestimmten Stichtagen (4. Juli 2006, 4. Juli 2007, 4. Juli 2008 und 4. Juli 2009) verboten. So ist beispielsweise die Verwendung von Schwefelhexafluorid, SF₆, als Reifenfüllgas ab dem 4. Juli 2007 verboten.

Der Gehalt an Fluorkohlenwasserstoffen in der Erdatmosphäre ist seit 1999 konstant, bzw. nimmt teilweise wieder ab.^[5]

[Bearbeiten] Schwefelhexafluorid

Schwefelhexafluorid, SF₆ wird als Isolationsgas oder Löschgas eingesetzt. Zur Befüllung von Autoreifen wurde es bis etwa zum Jahr 2000 als Reifengas eingesetzt. Laut einer Studie des Intergovernmental Panel on Climate Change ist Schwefelhexafluorid das stärkste bekannte Treibhausgas. Sein Treibhauspotenzial ist etwa 22.200[1] mal größer als das von Kohlenstoffdioxid (CO₂). Aufgrund der sehr geringen Konzentration von SF₆ in der Erdatmosphäre (ca. 0,005 ppb volumenbezogen, was 0,12 ppmV-CO2-Äquivalent entspricht.; CO₂ ca. 365 ppm) wird sein Einfluss auf die globale Erwärmung jedoch als äußerst gering betrachtet.

[Bearbeiten] Ozon

Ozon ist ebenfalls ein klimarelevantes Gas, das vom Menschen jedoch nicht direkt, sondern nur indirekt beeinflusst wird.

Die Ozonschicht befindet sich in der Stratosphäre oberhalb der Tropopause, also in einer Schicht in der aufgrund der Minustemperaturen keine Wolken mehr vorkommen. Die Stratosphäre weist durch das Ozon, das die UV-Strahlung aus dem Sonnenlicht absorbiert, einen inversen Temperaturverlauf auf, d.h. die Luft erwärmt sich hier mit zunehmender Höhe. Das unterscheidet sie von den sie einschließenden Luftschichten. Am stärksten ist die Aufheizung im Bereich der Ozonschicht, dort steigt die Temperatur von ca. –60 °C bis auf knapp unter 0 °C an. Wird diese Ozonschicht beschädigt, gelangt mehr energiereiches UV-Licht zur Erdoberfläche.

Die höchste Dichte von Ozon befindet sich in gut 20 km Höhe, der höchste Volumenanteil in ca. 40 km Höhe. Würde man alles Ozon, das sich in der Atmosphäre befindet, extrahieren und auf Normaldruck komprimieren, ergäbe das eine 3 mm hohe Schicht auf der Erdoberfläche. Zum Vergleich: Die Luftsäule mit den anderen Gasen (vor allem Stickstoff und Sauerstoff) wäre 8 km hoch.

Die stratosphärische Ozonschicht ist nicht zu verwechseln mit dem bodennahen Ozon. Dieses bildet sich aus verschiedenen Vorläufersubstanzen (Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid) unter Sonneneinstrahlung (Sommersmog). Es ist in höheren Konzentrationen gesundheitsschädlich.

[Bearbeiten] Aerosole und Rußpartikel

Die Aerosole, z.B. Partikel aus Dieselruß gehören nicht zu den Treibhausgasen. Man könnte sie noch als Treibhauspartikel bezeichnen, allerdings bewirken Aerosole wohl eher eine Absenkung der Durchschnittstemperatur an der Erdoberfläche. Auf hellen Flächen wie Schnee jedoch führen Rußpartikel zu einer Absenkung des Albedo und damit zu einer Erwärmung.

Hinsichtlich der Treibhauswirkung von Rußpartikel vertritt Mark Z. Jacobson, Professor der Stanford Universität, seit 2002 die These, dass die Wirkung von Ruß aus fossilen Energieträgern und anderen Aerosolen neben CO₂ und CH₄ ebenfalls einen Beitrag zum Klimawandel liefert. Ob diese Effekte eher eine Abkühlung oder eine Erderwärmung fördern, ist aufgrund der komplexen Wirkungszusammenhänge noch umstritten.

[Bearbeiten] Wirkung von Treibhausgasen

Hauptartikel: Treibhauseffekt

Treibhausgase und ihr Beitrag zum natürlichen Treibhauseffekt (s.a. Treibhauspotenzial)

• Wasserdampf (H₂O) – 21 °C
• Kohlendioxid (CO₂) – 7 °C
• Lachgas (N₂O) – ca. 2,4 °C
• Ozon (O₃) – ca. 2,4 °C
• Methan (CH₄) – 0,8 °C
• andere Treibhausgase – zus. ca. 0,6 °C

Die kurzwellige Sonnenstrahlung wird an der Erdoberfläche zu einem großen Teil absorbiert, damit in Wärme abgewandelt und als Wärmestrahlung wieder abgestrahlt. Treibhausgase können aufgrund ihrer chemischen Natur in unterschiedlichem Ausmaß die Wärmestrahlung absorbieren und so die Wärme in die Atmosphäre abgeben.

Die Treibhauswirksamkeit eines Gases, also wie stark die Freisetzung eines Gases zum Treibhauseffekt beitragen kann, hängt im Wesentlichen von drei Faktoren ab: Der pro Zeiteinheit freigesetzten Gasmenge (Emissionsrate), den spektroskopischen Eigenschaften des Gases, d.h. wie stark es die Wärmestrahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen absorbiert, und seiner Verweilzeit in der Atmosphäre.

Die atmosphärische Verweilzeit ist die Zeit, die ein Stoff im Durchschnitt in der Atmosphäre verbleibt, bevor er durch chemische oder andere Prozesse wieder aus ihr entfernt wird. Je länger die Verweilzeit eines Treibhausgases ist, desto höher ist auch die theoretische Wirkung.

Relative Treibhauspotenziale (GWP) über verschiedene Zeithorizonte; (a) Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O), (b) chlorierte oder fluorierte Verbindungen

Ein Maß für die Treibhauswirkung eines Gases pro Kilogramm Emissionsmenge ist das stoffabhängige sog. relative Treibhauspotenzial (global warming potential, GWP), in dem die Absorptionseigenschaften und die Verweilzeit berücksichtigt sind.

Das relative Treibhauspotenzial ist eine auf das Kohlendioxid normierte Größe, mit der die Wirkung eines Treibhausgases mit der äquivalenten Menge Kohlendioxid verglichen wird. So hat beispielsweise Methan ein relatives Treibhauspotenzial von 23, d.h. 1 kg Methan hat die gleiche Treibhauswirkung wie 23 kg Kohlendioxid. Allerdings sind diese Äquivalenzfaktoren noch mit gewissen Unsicherheiten behaftet.

Das relative Treibhauspotenzial wird in der Regel auf einen Zeithorizont von 100 Jahren bezogen, d.h. es wird die über einen Zeitraum von 100 Jahren nach der Emission gemittelte Erwärmungswirkung betrachtet. Bezieht man es auf einen anderen Zeithorizont, verändert sich, entsprechend der atmosphärischen Verweildauer, auch das relative Treibhauspotential. Enthält ein Treibhausgas ein oder mehrere Chlor- oder Fluoratome so erhöht sich dessen relatives Treibhauspotential aufgrund der hohen chemischen Stabilität deutlich gegenüber Treibhausgasen ohne Halogenatom(e).^[6]

[Bearbeiten] Siehe auch

• Deutsche Emissionshandelsstelle
• Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz

[Bearbeiten] Literatur

• P. Fabian: Kohlenstoffdioxid und andere Treibhausgase: Luftverschmutzung und ihre Klimawirksamkeit. Praxis der Naturwissenschaften Chemie 45(2), S. 2 ff. (1996), ISSN 0177-9516
• Hans-Joachim Ziesing: Treibhausgas-Emissionen nehmen weltweit zu - Keine Umkehr in Sicht. Wochenbericht – Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung 70(39), S. 577 – 587 (2003), ISSN 0012-1304 (PDF)
• Eike Roth: Globale Umweltprobleme - Ursachen und Lösungsansätze, Friedmann Verlag München 2004, ISBN 3-933431-31-X (gut lesbare Darstellung des Treibhausefektes einschließlich seiner Verursachung und Diskussion der Argumente für und gegen einen anthropogenen Einfluss)

[Bearbeiten] Weblinks

• Greenhouse Gas Inventory Data des United Nations Framework Convention of Climate Change (UNFCCC)
• Treibhausgase und Aerosole (Hamburger Bildungsserver)
• Treibhausgase: Daten/Statistiken/Infografiken ("Agenda 21 Treffpunkt" im Bildungsserver learn:line NRW

• Informationen vom Umweltbundesamt
• Current Greenhouse Gas Concentrations – regelmäßig aktualisierte Seite mit Messwerten der Treibhausgaskonzentrationen (englisch)
• FAO-Studie "Livestock's long shadow" zu den Umweltauswirkungen der Viehhaltung (2006) (PDF, 4,75 MB, englisch)
• Preis für Wege zur Reduzierung der Treibhausgase
• Modellversuch zum Treibhauseffekt - Model Experiment to Demonstrate the Greenhouse Effect

[Bearbeiten] Quellen

1. ↑ J.T Kiehl, K.E. Trenberth (1997):Earth's annaul global mean energy budget, in: American Meteorological Society, Vol. 78, S. 197-208, siehe online (PDF)
2. ↑ NZZ Online: „Kalifornien gibt sich grün“ (31. August 2006)
3. ↑ Siehe: Online
4. ↑ ^{a b c d} FAO-Studie "Livestock's long shadow" 2006
5. ↑ ^{a b} NOAA Earth System Research Laboratory: THE NOAA ANNUAL GREENHOUSE GAS INDEX (AGGI)
6. ↑ IPCC: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Cambridge University Press, Cambridge (U.K.) 2001