Atmosphärische Treibhausgas-Konzentrationen

Neben den bereits als natürliche Spurenstoffe in der Atmosphäre vorkommenden Treibhausgasen wurden durch menschliche Aktivitäten die Konzentrationen der Treibhausgase in der Atmosphäre seit der Industrialisierung deutlich erhöht. Diese gestiegenen Treibhausgas-Konzentrationen sind wesentliche Ursache des anthropogenen Treibhauseffektes. Die beste Schätzung der gesamten CO₂-Äquivalent-Konzentration (einschließlich des Nettoeffekts aller anthropogenen Antriebsfaktoren, auch der abkühlenden) liegt für das Jahr 2005 bei 375 ppm.

Die wichtigsten Spurengase in der Atmosphäre, die den natürlichen Treibhauseffekt verursachen, sind Wasserdampf (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Ozon (O₃), Distickstoffoxid (Lachgas = N₂O) und Methan (CH₄). Die durch menschliche Aktivitäten ausgelösten und über die natürlichen Emissionen von Spurenstoffen hinausgehenden Freisetzungen derselben Gase verursachen den zusätzlichen anthropogenen Treibhauseffekt. Neben den oben genannten sind folgende Gase daran beteiligt: Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), Halone, perfluorierte Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, darunter insbesondere CF₄ und C₂F₆), Schwefelhexafluorid (SF₆), teilhalogenierte FCKW (H-FCKW), wasserstoffhaltige Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) sowie in geringem Umfang in größeren Höhen durch den Flugverkehr emittierter Wasserdampf.

Darüber hinaus wird der anthropogene Treibhauseffekt dadurch verstärkt, dass der absolute Gehalt von Wasserdampf in der Atmosphäre mit steigender Temperatur der Luft und der Ozeane wächst, wodurch eine weitere Temperaturerhöhung bewirkt wird (positive Rückkopplung).

Aerosole, die in die Atmosphäre gelangen, haben insgesamt eine gegenläufige Wirkung zu der durch den Treibhauseffekt hervorgerufenen Erwärmung.

Nach Angaben des vierten Sachstandsberichtes des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) [1] wird eine Stabilisierung der Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre bei 445-490 ppm [2] CO₂-Äqivalenten (einschließlich des Nettoeffekts aller anthropogener Antriebsfaktoren, auch der abkühlenden wie beispielsweise durch Aerosole) dazu führen, dass der Anstieg der globalen Mitteltemperatur auf 2,0 bis 2,4 °C gegenüber vorindustriellen Werten begrenzt werden kann. Die beste Schätzung der gesamten CO₂-Äquivalent-Konzentration (einschließlich des Nettoeffekts aller anthropogenen Antriebsfaktoren, auch der abkühlenden) liegt im Jahr 2005 bei 375 ppm [3].

Kohlendioxid (CO₂)

Die CO₂-Konzentration in der Erdatmosphäre ist seit 1750 um etwa 39 % auf 389 ppm gestiegen (siehe Abb. „Atmosphärische Treibhausgas-Konzentrationen, IPCC 2007“ und Abb. „Zeitliche Entwicklung der globalen Jahresmittelwerte atmosphärischer Treibhausgas-Konzentrationen und deren jährliche Wachstumsraten“) [4]. Die gegenwärtige CO₂-Konzentration wurde in den vergangenen 650 000 Jahren (180 bis 300 ppm) und wahrscheinlich auch in den letzten 20 Mio. Jahren nicht erreicht. Die derzeitige jährliche Anstiegsrate ist die höchste der letzten 20 000 Jahre.

Etwa 65 % der anthropogenen Emissionen seit 1750 sind auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe zurückzuführen.

Die Konzentrationszunahme der letzten Dekade (2001 bis 2010) hat sich gegenüber vorangegangenen Dekaden erhöht. Während die mittlere Wachstumsrate im Zeitraum 1960 bis 2005 noch 1,4 ppm/ Jahr betrug, erreichte sie in der letzten Dekade (2001 bis 2010) 2,0 ppm/ Jahr. Damit lag sie deutlich über dem Wert der neunziger Jahre, wo die mittlere Wachstumsrate 1,5 ppm/Jahr betrug. (siehe Abb. „Zeitliche Entwicklung der globalen Jahresmittelwerte atmosphärischer Treibhausgas-Konzentrationen und deren jährliche Wachstumsraten“)

Seit 1958 ist dieser Trend durch regelmäßige Messungen auf dem Mauna Loa auf Hawaii belegt. Auch die Messungen an den Stationen des Umweltbundesamtes (UBA), zum Beispiel an der Messstelle Schauinsland, zeigen diesen Trend. Hier betrug die CO₂-Konzentration 1972 rund 330 ppm und hat 2011 einen Wert von rund 389 ppm erreicht (siehe Abb. „Atmosphärische CO₂-Konzentration an der Messstation Schauinsland des Umweltbundesamtes“).

Methan (CH₄)

Die CH₄-Konzentration in der Erdatmosphäre ist seit 1750 um etwa 158 % auf über 1 800 ppbv gestiegen (siehe Abb. „Atmosphärische Treibhausgas-Konzentrationen, IPCC 2007“ und Abb. „Zeitliche Entwicklung der globalen Jahresmittelwerte atmosphärischer Treibhausgas-Konzentrationen und deren jährliche Wachstumsraten“). Die heutige Konzentration wurde in den vergangenen 650 000 Jahren nicht erreicht. Nach einer Periode der relativen Stagnation im Zeitraum 1999 bis 2006 stieg die Methankonzentration erneut an. 60 % der gegenwärtigen CH₄-Emissionen verursacht der Mensch (fossile Brennstoffe, Landwirtschaft und Abfallwirtschaft).

Distickstoffoxid, Lachgas (N₂O)

Die N₂O-Konzentration ist seit 1750 um etwa 20 % gestiegen und nimmt weiterhin zu (siehe Abb. „Atmosphärische Treibhausgas-Konzentrationen, IPCC 2007“ und Abb. „Zeitliche Entwicklung der globalen Jahresmittelwerte atmosphärischer Treibhausgas-Konzentrationen und deren jährliche Wachstumsraten“). Die Konzentration von etwa 323 ppb [5] im Jahr 2010 blieb in den vergangenen 1 000 Jahren unerreicht. Die Konzentrationszunahme in der letzten Dekade beträgt durchschnittlich 0,75 ppb. Etwa 40 % der gegenwärtigen N₂O-Emissionen sind anthropogenen Ursprungs (Landwirtschaft, Chemische Industrie und Biomasseverbrennung).

Neben seiner Wirksamkeit als Treibhausgas spielt N₂O auch beim Abbau des stratosphärischen Ozons eine wichtige Rolle.

Halogenierte Treibhausgase

Zeitliche Konzentrationsentwicklungen halogenierter Treibhausgase seit 1978 sind in der Abbildung „Atmosphärische Konzentrationen halogenierter Treibhausgase“ dargestellt. Sie besitzen häufig lange Verweilzeiten in der Atmosphäre und ein hohes Treibhauspotenzial.

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)

Ozonschichtabbauende Gase mit dem größten Treibhauspotenzial sind: FCKW-11, FCKW-12 und FCKW-113. Die Konzentrationen dieser Gase stagnieren nahezu oder nehmen ab, allerdings sind bei einigen Halonen noch Anstiege zu verzeichnen.

Schwefelhexafluorid (SF₆)

SF₆ ist das spezifisch wirksamste bekannte Treibhausgas. Einmal in die Atmosphäre emittiert, dauert es etwa 3 200 Jahre, bis die extrem stabilen Moleküle in sehr hohen Atmosphärenschichten durch energiereiche UV-Strahlung abgebaut werden. Messungen ergaben, dass die SF₆-Konzentration seit Beginn der industriellen Produktion im Jahre 1953 deutlich angestiegen ist (siehe Abb. „Atmosphärische Konzentrationen halogenierter Treibhausgase“). Jüngste Messungen zeigen, dass sich der Konzentrationsanstieg in den letzten Jahren sogar noch beschleunigt hat. Während die Konzentration zu Beginn des letzten Jahrzehnts noch um 0,21 ppt pro Jahr anstieg, wurde zum Ende des Jahrzehnts ein Wert von 0,26 ppt pro Jahr erreicht (siehe Abb. „Zeitreihen der Monatsmittelwerte der atmosphärischen Konzentration von SF₆“). SF₆ findet Anwendung in der Industrie (elektrischen Betriebsmitteln, Magnesiumherstellung, in der Vergangenheit auch in Isolierglasscheiben).

Stickstofftrifluorid (NF₃)

NF₃ ist mit einer Verweilzeit von 740 Jahren kurzlebiger als SF₆, trotzdem ist es ebenfalls ein spezifisch sehr wirksames Treibhausgas. Die gegenwärtige Konzentration in der Atmosphäre beträgt 0,45 ppt. Messungen (siehe Abb. „Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Konzentration von NF₃“) zeigen, dass die atmosphärische Konzentration seit Mitte der 90er Jahre deutlich gestiegen ist, was insbesondere auf die verstärkte Produktion von NF₃ zur industriellen Nutzung in der Halbleiterindustrie, zum Beispiel bei der Herstellung von Flachbildschirmen und Solarzellen zurückzuführen ist. Der Einsatz von NF₃ als Ersatzstoff für Fluorkohlenstoffverbindungen hat ebenfalls zum Konzentrationsanstieg beigetragen.

Perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW)

FKW besitzen ebenfalls eine überaus stabile Molekülstruktur, woraus sich atmosphärische Verweilzeiten von bis zu 50 000 Jahren ableiten. Atmosphärenmessungen ergaben, dass etwa die Hälfte des gegenwärtig in der Atmosphäre befindlichen CF₄ natürlichen Ursprungs ist [6]. Seit Mitte der 50er Jahre jedoch erhöht sich mit steigender Verwendung des Gases in der Industrie die atmosphärische CF₄-Konzentration. Ähnliche Trends findet man für C₂F₆ und andere FKW (siehe Abb. „Atmosphärische Konzentrationen halogenierter Treibhausgase“).

Wasserstoffhaltige Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW)

Zu den technisch wichtigsten H-FKW gehören H-FKW 23, H-FKW 134a und H-FKW 152a. Zwischen 1978 und 1995 stieg die Konzentration von H-FKW 23 fast linear von 3 auf über 10 ppt [7]. Die Konzentration von H-FKW 134a ist in den letzten 10 Jahren infolge der zunehmenden Nutzung dieses Gases exponentiell von nahe Null auf über 30 ppt gestiegen [8]. Die Konzentrationszunahme von H-FKW 152a fiel wegen seiner relativ kurzen atmosphärischen Verweilzeit weniger drastisch als bei den beiden vorgenannten Gasen aus und erreichte etwa 3,5 ppt.

Sonstige Stoffe

Darüber hinaus beeinflussen Sulfat-Aerosole, die sich aus Schwefeldioxid bilden, und Staub (unter anderem aus Vulkanen und Waldbränden) den Strahlungshaushalt der Erde. Steigende Aerosolkonzentrationen dämpfen tendenziell den durch die Treibhausgase verursachten Temperaturanstieg. Sulfat-Aerosole können in der Troposphäre zu verstärkter Wolkenbildung und einer Erhöhung der Reflektivität der Wolken führen.

Die inhomogene Aerosolverteilung in der Atmosphäre (höhere Konzentrationen im Bereich industrieller Großräume wie Mitteleuropa) führt auch zu erheblichen regionalen Auswirkungen.

Neben den Sulfataerosolen gibt es eine ganze Reihe weiterer Aerosole in der Atmosphäre. Von besonderer Bedeutung ist Ruß, denn er stellt ein Risiko für die menschliche Gesundheit dar. Ruß absorbiert zudem das Sonnenlicht und erwärmt dadurch die Luft. Auf Schnee- und Eisflächen abgelagerter Ruß verringert die Reflektion der Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche und begünstigt das Abschmelzen.

[1] Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen (Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC, WMO/UNEP): Fourth Assessment Report (AR4), 2007

[2] ppm: parts per million (Teile pro Million)

[3] Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen (Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC, WMO/UNEP): Klimaänderung 2007. Synthesebericht, Berlin 2008

[4] World Meteorological Organization (WMO) 2011, Press release No. 934

[5] ppb: parts per billion (Teile pro Milliarde)

[6] Harnisch, J. et. al.: Tropospheric Trends for CF₄ and C₂F₆ since 1982 derived from SF₆ dated stratospheric air. Geophysical Research Letters 23, 1996

[7] ppt: parts per trillion (Teile pro Billion)

[8] Oram, D. E. et. al.: Atmospheric measurements and emissions of HFC-23 (CHF3). Geophysical Research Letters 25, 1998