Natürliche Treibhausgase

Die Zusammensetzung entscheidet

Die Wirkung der Treibhausgase beruht darauf, dass sie die einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung nicht beeinflussen, die langwellige Wärmeabstrahlung ins Weltall jedoch reduzieren. Es gibt mehrere Treibhausgase.

Wenn man die Entfernung Erde-Sonne und die sich mit zunehmender Entfernung immer geringere Strahlungsdichte berücksichtigt, ergibt sich ein Gleichgewicht zwischen Sonneneinstrahlung und Erdausstrahlung bei einer mittleren Oberflächentemperatur der Erde von –18° C. Das ist aber offensichtlich nicht der Fall, tatsächlich liegt die Temperatur auf der Erde im Mittel bei 15° C. Wie kann diese um 33° C höhere Temperatur aufrechterhalten werden? Der Grund ist die Existenz der Erdatmosphäre, die eine Reihe von Gasen enthält, die den Treibhauseffekt verursachen. Von diesen Gasen nämlich wird die einfallende, kurzwellige Sonnenstrahlung praktisch ohne Beeinflussung durchgelassen, die von der Erde abgestrahlte, langwellige Wärmeausstrahlung jedoch teilweise aufgenommen. Ein Teil davon geht wieder in Richtung Erdoberfläche und genau das macht den Treibhauseffekt aus. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt wäre Leben auf der Erde nicht möglich.

Ohne natürlichen Treibhauseffekt kein Leben

Jedes Gas hat unterschiedliche Absorptionsbande. Das sind die Wellenlängenbereiche, in denen es Strahlung aufnimmt (absorbiert) und wieder abgibt (emittiert). Diese Absorptionsbande können wir uns als Jalousien vorstellen, die Teile des Fensters der Erdatmosphäre verschließen oder zumindest weniger durchlässig machen. Das Fenster wird in erster Linie durch den Wasserdampf in der Atmosphäre verkleinert. Nur in zwei schmalen Bereichen lässt das mit Abstand wichtigste Treibhausgas Wasserdampf (H₂O) Energie ins Weltall entkommen. Genau im ersten der verbleibenden Fenster absorbieren Kohlendioxid (CO₂) und das weniger bekannte Distickstoffoxid (Lachgas, N₂O), im zweiten das Ozon (O₃). In beiden Fenstern macht sich auch eine Dämpfung der Ausstrahlung durch Methan (CH₄) bemerkbar.

Dabei reichen geringe atmosphärische Konzentrationen aus. Das wegen seiner Klimawirksamkeit bekannte CO₂ hat derzeit einen Anteil von 0,038 % an der Atmosphäre, CH₄ nur 0,0002 %. Der Anteil des Wasserdampfs schwankt räumlich und zeitlich stark (von nahe 0 bis über 3 %). Nur wenige Tage verbringt ein Wassermolekül in der Luft, nachdem es meist vom Ozean verdunstet ist und bevor es die Atmosphäre als Niederschlag wieder verlässt. Monate bis Jahrzehntausende kann es in flüssiger Form in den Ozeanen zubringen, bis zu Jahrmillionen im festen Eis der Antarktis, das den Südkontinent seit mehr als 30 Mio. Jahren fest im Griff hat. Diese unterschiedlichen Zeitskalen geben uns erste Hinweise darauf, welche Faktoren zu den kurzfristigen und welche zu den mittel- bis langfristigen Klimaschwankungen beitragen.

Erdgeschichtlich meist mehr CO₂ als heute

In Abbildung 1 ist der rekonstruierte CO₂-Gehalt der Atmosphäre in den letzten 600 Mio. Jahren den langfristigen Klimaveränderungen gegenübergestellt, wobei sichtbar wird, dass dieses Leittreibhausgas immer schon eine wesentliche, aber nicht die alleinige Rolle im Klimawandel gespielt hat.

Abb. 1: Die Veränderungen des CO2-Gehalts der Atmosphäre in den letzten 600 Mio. Jahren der Erdgeschichte und damit verbundene Klimaveränderungen. Die vertikale Skala zeigt Relativwerte an (RCO2), und zwar Vielfache eines aktuellen Wertes von 300 ppm (parts per million) (Huber u.a. 2000).

In Abbildung 2 ist die Zeitachse um mehr als das Tausendfache auf die aktuellen Million Jahre der Erdgeschichte gedehnt. Dieser viel genauere Blick wurde durch einen wesentlichen Fortschritt der Paläoklima-Rekonstruktion in den 1990er-Jahren möglich: die Bohrung und physikalisch-chemische Auswertung von kilometerdicken Eisbohrkernen in die Inlandeise Grönlands und der Antarktis. Für den Bohrkern des europäischen Forschungsprojekts EPICA liegt die Isotopentemperatur bis 800.000 Jahre zurück in die Vergangenheit ausgewertet vor. Die chemische Analyse der Gasbläschen, in denen fossile Luft enthalten ist, konnte 650.000 Jahre in die Vergangenheit zurück durchgeführt werden.

Abb. 2: Antarktische Temperaturen und Treibhausgasgehalte aus Eisbohrkernen der Ostantarktis (nach EPICA 2004, Jouzel u.a. 2007, Petit u.a. 1999, Siegenthaler u.a. 2005).

CO₂ und Temperatur verblüffend synchron

Wir befinden uns auf dieser Skala mitten in dem aktuellen, quartären Eiszeitalter, in dem die astronomischen Zyklen den Takt angeben und die positive Eis-Albedo-Rückkopplung die geringen Anstöße der Erdbahnveränderungen zu den starken und drastischen Klimaschwankungen zwischen Kaltzeiten und Warmzeiten aufschaukeln. Dass der CO₂-Gehalt und die Temperatur so verblüffend im gleichen Takt schwingen, zeigt die Klimawirksamkeit des Treibhauseffekts ganz deutlich. Natürlich war auf dieser Zeitskala kein wie immer gearteter menschlicher Eingriff die Ursache für die Treibhausgasschwankungen. Vielmehr schaukeln sich Temperatur und Treibhausgasgehalt durch ineinander verzahnte positive und negative Rückkopplungsprozesse gegenseitig auf und auch wieder ab. Die temperaturabhängige Löslichkeit von Gasen im Ozeanwasser spielt dabei eine Rolle, aber auch die karge Pflanzendecke in trockenen Kaltzeiten ist wesentlich.

Literatur:

Der Text ist eine leicht veränderte Passage von:
Böhm R. (2010): Heiße Luft – nach Kopenhagen. Reizwort Klimawandel. Fakten – Ängste Geschäfte. 2. Aufl. Wien, Klosterneuburg: Va Bene, 280 Seiten, ISBN 978-3-85167-243-5

EPICA community members (2004): Eight glacial cycles from an Antarctic ice core. Nature 429, 623–628, doi:10.1038/nature02599

Huber B.T., McLeod K.G., Wing S.L. (2000): Warm climates in Earth history. Cambridge: Cambridge University Press, 462 Seiten, ISBN 978-0521641425

Jouzel, J., Masson-Delmotte V., Cattani O., Dreyfus G., Falourd S., Hoffmann G., Minster B., Nouet J., Barnola J.M., Chappellaz J., Fischer H., Gallet J.C., Johnsen S., Leuenberger M., Loulergue L., Luethi D., Oerter H., Parrenin F., Raisbeck G., Raynaud D., Schilt A., Schwander J., Selmo E., Souchez R., Spahni R., Stauffer B., Steffensen J.P., Stenni B., Stocker T.F., Tison J.L., Werner M., Wolff E.W. (2007): Orbital and millennial Antarctic climate variability over the past 800,000 years. Science 317, 793–797, doi:10.1126/science.1141038

Petit J.R., Jouzel J., Raynaud D., Barkov N.I., Barnola J.M., Basile I., Bender M., Chappellaz J., Davis J., Delaygue G., Delmotte M., Kotlyakov V.M., Legrand M., Lipenkov V., Lorius C., Pépin L., Ritz C., Saltzman E., Stievenard M. (1999): Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature 399, 429–436, doi:10.1038/20859

Siegenthaler U., Stocker T.F., Monnin E., Lüthi D., Schwander J., Stauffer B., Raynaud D., Barnola J.M., Fischer H., Masson-Delmotte V., Jouzel J. (2005): Stable carbon cycle-climate relationship during the late Pleistocene. Science 310, 1313–1317, doi:10.1126/science.1120130