Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre

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CO2-Fluss in der Biosphäre zum Zeitpunkt des Sommers auf der Nord-Hemisphäre (NOAA Carbon Tracker). 3-Stunden-Schritte im Tagesverlauf. Blau = Abnahme infolge Photosynthese der Pflanzen
CO2-Fluss in der Biosphäre im Winter der Nord-Hemisphäre; sichtbare Aktivität aufgrund des Sommers auf der Südhalbkugel (NOAA Carbon Tracker)

Obwohl Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre nur in einer sehr geringen Konzentration von weniger als einem Promille vorkommt, ist es für das Leben auf der Erde in vielerlei Hinsicht sehr wichtig. Pflanzen „atmen“ Kohlenstoffdioxid (CO2) ein, es ist für sie lebensnotwendig. Bei der Atmung von Tieren und vielen anderen natürlichen Prozessen wird Kohlenstoffdioxid frei und in die Atmosphäre abgegeben. CO2 beeinflusst trotz seiner geringen Konzentration über die Stärke des Treibhauseffekts das Klima der Erde und durch seine Löslichkeit in Wasser den pH-Wert der Ozeane wesentlich.

Kohlenstoffkreislauf[Bearbeiten]

Hauptartikel: Kohlenstoffzyklus
Falschfarben-Bild der Rauch- und Ozon-Verschmutzung durch Feuer in Indonesien im Jahr 1997

Im Gestein der Erde sind etwa 65.500 Gigatonnen Kohlenstoff gespeichert.[1] In der Erdatmosphäre befinden sich dagegen nur 800 Gigatonnen Kohlenstoff, was 3.000 Gigatonnen CO2 entspricht - also nur etwa ein Prozent der Menge, die im Gestein enthalten ist.[2]

Im Kohlenstoffzyklus wird ständig eine sehr große Menge an Kohlenstoff zwischen Atmosphäre und anderen Depots wie z. B. Meere, Lebewesen und Böden ausgetauscht. Die meisten CO2-Quellen haben einen natürlichen Ursprung und werden durch natürliche CO2-Senken ausgeglichen. Die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration wird vom Stoffwechsel der Lebewesen auf der Erde, aber auch von Reaktionen beeinflusst, die unabhängig von jeglichem Leben ablaufen und ihren Ursprung in physikalischen und chemischen Prozessen haben. Die Zeitkonstante, d.h. die Geschwindigkeit dieser Vorgänge variiert stark und reicht von wenigen Stunden bis zu mehreren Jahrtausenden.

Die Kohlenstoffdioxidkonzentration der jungen Erde hatte ihren Ursprung in vulkanischer Aktivität, die der Atmosphäre bis heute Kohlenstoffdioxid zuführt und aktuell ca. 150 bis 260 Megatonnen Kohlenstoffdioxid jährlich freigesetzt.[3] Seit Bestehen der Erde wird das Spurengas durch Verwitterung von Gestein wieder aus der Atmosphäre entfernt. Ein Teil wird auch durch biogene Sedimentation abgelagert und dem Kreislauf damit entzogen.

Diesen abiotischen Prozessen stehen erheblich größere Stoffströme gegenüber, die von der Atmung von Lebewesen herrühren. Es wird von einer Reihe von Mikroorganismen bei der Fermentation und aeroben Atmung produziert. Zu den natürlichen Kohlenstoffdioxid-Quellen zählt auch die Verbrennung organischen Materials durch Waldbrände.

Da sich CO2 gut in Wasser löst, verändert eine Konzentrationsänderung dieses Spurengases in der Luft auch den Gehalt an Kohlensäure und damit den pH-Wert der Meere und Seen der Erde. Der Anstieg der atmosphärischen Kohlenstoffdioxidkonzentration seit Beginn der industriellen Revolution hat daher zu einer Versauerung der Meere geführt; fast die Hälfte des vom Menschen in die Atmosphäre eingebrachten Kohlenstoffdioxids ging in den Weltmeeren in Lösung.[4]

Wechselwirkung mit Pflanzen[Bearbeiten]

Pflanzen wandeln Kohlenstoffdioxid mit Hilfe der Photosynthese in Zucker, insbesondere Glucose, um. Die für diese Reaktion nötige Energie gewinnen sie über die Absorption von Sonnenlicht durch Chlorophyll. Der Prozess wird Photosynthese genannt, als Abfallprodukt entsteht Sauerstoff. Dieses Gas wird von den Pflanzen in die Atmosphäre abgegeben, wo es anschließend für die Atmung heterotropher Organismen und anderer Pflanzen benutzt wird; damit entsteht ein Kreislauf. Durch diese Stoffströme wird das Kohlenstoffdioxid der Atmosphäre durchschnittlich alle 3-5 Jahre vollständig ausgetauscht.[5] Landpflanzen nehmen hierbei bevorzugt das leichtere Kohlenstoffisotop 12C auf. Dieser Effekt kann mit Hilfe von Isotopenuntersuchungen gemessen werden.[6]

Der natürliche Zerfall organischen Materials in Wäldern und Grasland sowie in der Natur immer wieder auftretende Brände führen zu einer jährlichen Freisetzung von ca. 439 Gigatonnen Kohlenstoffdioxid. Neues Pflanzenwachstum gleicht diesen Effekt vollständig aus, denn dadurch werden jährlich ca. 450 Gigatonnen absorbiert.[7]

Die vorindustrielle Konzentration von 280 ppm,[8] aber auch die aktuell (2011) bereits deutlich erhöhte Konzentration von 390 ppm liegt für C3-Pflanzen unterhalb des für ein ideales Wachstum optimalen Wertes. In Gewächshäusern wird der Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft deshalb künstlich auf Werte von 600 ppm und mehr angehoben. Durch diese Kohlenstoffdioxid-Düngung kann das Pflanzenwachstum bei sonst idealen Bedingungen um bis zu 40% gesteigert werden.[9] In der Natur ist eine derart hohe Wachstumssteigerung durch CO2-Düngung jedoch nicht zu erwarten, da hier meist die Verfügbarkeit von Nährstoffen und/oder Wasser, nicht aber die Konzentration von CO2 in der Luft das Wachstum begrenzen.[10][11] Über den Zeitraum von 1982 bis 2010 ist dennoch ein signifikanter global nachweisbarer Effekt durch CO2-Düngung festgestellt worden.[12] Daneben wurde im Jahr 2010 von der Biosphäre auch doppelt so viel Kohlenstoffdioxid resorbiert wie im Jahre 1960; die menschengemachten Emissionen vervierfachten sich jedoch in diesem Zeitraum.[13] Zwar sind 90 % aller Pflanzenarten C3-Pflanzen, jedoch sind 40 % der Erdoberfläche von C4-Pflanzen besiedelt, deren ökologische und ökonomische Bedeutung daher hoch ist.[14] Diese reagieren auf eine CO2-Düngung nur mit einer Wachstumssteigerung um wenige Prozent, da sie das Spurengas schon in der vorindustriellen, atmosphärischen Konzentration sehr gut aufnehmen können.[15]

Die Leistungsfähigkeit des für die Photosynthese von Pflanzen verantwortlichen Molekül Rubisco hängt von seiner Temperatur, sowie von der CO2-Konzentration in der Umgebungsluft ab. Obwohl die Toleranz gegenüber höheren Temperaturen mit steigender CO2-Konzentration ebenfalls steigt,[14] ist allerdings zu erwarten, dass die mit der Erhöhung des CO2-Gehalts der Atmosphäre verbundene globale Erwärmung in vielen Regionen künftig zu einer abnehmenden Photsynteserate und damit abnehmenden Primärproduktion führen wird.[16][17]

Der Einfluss einer erhöhten Kohlenstoffdioxid-Konzentration auf die Biosphäre wird im Rahmen des FACE-Experiments untersucht.

Räumliche und zeitliche Schwankungen der atmosphärischen Konzentration[Bearbeiten]

Räumliche Verteilung der Kohlenstoffdioxidkonzentration des Jahres 2003. Hohe Konzentrationen von ca. 385 ppm erscheinen in Rot, niedrige Konzentrationen in Höhe von ca. 360 ppm sind blau dargestellt.

Da der Stoffwechsel von Pflanzen unmittelbar vom Licht abhängt, schwanken bodennahe CO2-Konzentrationen im Tagesgang. Bei ausreichender Pflanzendecke zeigt sich in der Nacht ein Maximum und am Tag ein Minimum. In und um Ballungszentren ist die CO2-Konzentration hoch, in Wäldern im Vergleich zum Umland jedoch deutlich abgesenkt.[18] In geschlossenen Räumen kann die Konzentration bis zum Zehnfachen des Durchschnittswerts der mittleren Konzentration in freier Natur ansteigen.[19]

Bei Betrachtung des Verlaufs der Konzentration über mehrere Jahre ist eine jährliche Schwankung in Höhe von 3–9 ppmv erkennbar, die in der Vegetationsperiode der Nordhemisphäre ihre Ursache hat. Der Einfluss der Nordhemisphäre dominiert den jährlichen Zyklus der Schwankung der Kohlenstoffdioxidkonzentration, denn dort befinden sich weit größere Landflächen und somit eine größere Biomasse als auf der Südhemisphäre. Die Konzentration ist im Mai auf der Nordhemisphäre am höchsten, da das im Frühling stattfindende Ergrünen zu dieser Zeit beginnt; sie erreicht ihr Minimum im Oktober, wenn die Photosynthese betreibende Biomasse am größten ist.[20]

Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des pflanzlichen Stoffwechsels ergibt sich auch ein Unterschied zwischen äquatornahen CO2-Konzentrationen mit den in arktischen Breiten gewonnenen Daten; diese zeigen den jahreszeitlichen Einfluss der Wachstumsperiode: Während der Jahresgang der Kurven äquatornah nur ca. 3 ppm beträgt, liegt er in arktischen Breiten bei 20 ppm.[21]

Bei der Erforschung der Kohlenstoffdioxidkonzentration der Erdatmosphäre leistete Charles Keeling Pionierarbeit. Dieser beschrieb in den späten 1950er Jahren nicht nur erstmalig die oben erwähnten Oszillationen, sondern konnte mit Hilfe der von ihm erstellten Keeling-Kurve auch erstmals belegen, dass der Mensch die Konzentration dieses Spurengases erhöht.[18]

Bedeutung als Treibhausgas[Bearbeiten]

CO2 ist ein bedeutendes Treibhausgas. Es absorbiert und emittiert Infrarotstrahlung bei Wellenlängen von 4,26 µm (Schwingungsform der asymmetrischen Streckung) und 14,99 µm (Scherschwingung) und ist daher für die Stärke des Treibhauseffekts bedeutsam.[22] Bei klarem Himmel beträgt der Anteil von CO2 am gesamten Treibhauseffekt 26 %.[23]

60 % des Treibhauseffekts ist zwar auf Wasserdampf zurückzuführen, jedoch hängt die Konzentration von Wasserdampf in der Erdatmosphäre über die Clausius-Clapeyron-Gleichung allein von der globalen Durchschnittstemperatur der Erde, also vom Dampfdruck ab und lässt sich nur darüber dauerhaft verändern. Wasserdampf wirkt auf diese Weise lediglich verstärkend auf globale Temperaturveränderungen. Damit ist Kohlenstoffdioxid das wichtigste Treibhausgas, dessen Konzentration nachhaltig unmittelbar geändert werden kann. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts steigt seine Konzentration durch Menschliche Aktivitäten an.

Eine Verdoppelung der atmosphärischen CO2-Konzentration vom vorindustriellen Wert von 280 ppm auf 560 ppm würde nach gegenwärtigem Stand der Wissenschaft wahrscheinlich zu einer globalen Erwärmung von 3 °C führen. Dieser Wert wird Klimasensitivität genannt.

Verlauf in der Erdgeschichte[Bearbeiten]

Veränderungen der CO2-Konzentration während des Phanerozoikums, also während der letzten 542 Millionen Jahre. Jüngere Daten befinden sich auf der linken Seite des Diagramms.[24] Der Graph beginnt rechts in der Zeit, bevor pflanzliches Leben an Land existierte und während der die Leistung der Sonne um 4 % niedriger war als heute.[25] Bewegt man sich in der Grafik nach links, nähert sich die Sonnenleistung schrittweise dem heutigen Niveau, während sich die Vegetation ausbreitet und große Mengen an Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre entfernt. Auf der ganz linken Seite der Grafik sind die heutigen CO2-Niveaus dargestellt. Dieser Bereich ist auf der Abszisse des Diagramms mit dem Buchstaben N für Neogen markiert; in dieser Zeit entwickelte sich die Spezies Mensch. Das Holozän, also die letzten ca. 10.000 Jahre, ist wegen der vergleichsweise kurzen Zeitdauer im Diagramm nicht erkennbar und daher nicht markiert.

Leben, aber auch abiotische Prozesse hatten seit jeher einen großen Einfluss auf die Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Erdatmosphäre, diese wurden jedoch auch davon geprägt. Es besteht also eine wechselseitige Beziehung.

Regelmechanismus der Erde[Bearbeiten]

Erdgeschichtlich war der (meist) in erster Linie vom Kohlenstoffdioxid verursachte Treibhauseffekt von entscheidender Bedeutung. Auf der Erde gab es schon sehr früh Wasser in flüssiger Form. Das Paradoxon der schwachen jungen Sonne beschreibt wie es trotz einer schwachen Sonne zu erhöhten Temperaturen auf der jungen Erde kam. Die Leuchtkraft der Sonne ist seit ihrer Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren um über 30 % angestiegen. Dies ist vor dem Hintergrund zu betrachten, dass eine Verdoppelung oder Halbierung der vorindustriellen CO2-Konzentration von 280 ppm dieselbe Veränderung des Strahlungsantriebs bewirkt wie eine Veränderung der Solarkonstante um 2 %.[26] Die Konzentration der Treibhausgase — insbesondere von Kohlenstoffdioxid und Methan — hat über einen selbstregulierenden Mechanismus im Verlauf der Erdgeschichte stark abgenommen. Erhöhte Temperatur bewirkte verstärkte Verwitterung der Erdoberfläche und Ausfällung von Kohlenstoffdioxid im Meer in Form von Kalk. Dadurch nahm der Kohlenstoffdioxidgehalt ab, wodurch die Temperatur sank und Verwitterung und Ausfällung abnahmen und sich die Temperatur in der Folge wieder auf dem alten Wert bei einem niedrigeren Kohlenstoffdioxidgehalt in der Atmosphäre einpendelte.[27][28] Bei der großen Sauerstoffkatastrophe verlief die Veränderung der Stärke des Treibhauseffektes sehr schnell, da das starke Treibhausgas Methan rasch aus der Atmosphäre verschwand. Es folgte die huronische Eiszeit, das wahrscheinlich längste Schneeball-Erde-Ereignis der Erdgeschichte. Die Erde war zu weiten Teilen eisbedeckt.

Vulkane stießen nach wie vor Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid aus, die sich aufgrund der nicht mehr stattfindenden Verwitterung und Ausfällung im Meer in der Atmosphäre anreicherten. Der Kohlenstoffdioxidgehalt stieg dadurch in einem Zeitraum von ca. 10 Millionen Jahren auf extrem hohe Werte solange an, bis der Treibhauseffekt stark genug war, das Eis zu schmelzen. Infolgedessen absorbierte die nun wieder freigelegte Erdoberfläche wesentlich mehr Sonnenlicht, und es folgten einige 10.000 Jahre mit einem globalen Saunaklima. Aufgrund der nun starken Verwitterung und Ausfällung wurde der Kohlenstoffdioxidgehalt stark reduziert und innerhalb kürzester Zeit gewaltige Kalkmengen abgelagert, was schlussendlich wieder wie vorher zu einem gemäßigten Klima führte, jedoch mit deutlich reduziertem Methan- und CO2-Gehalt der Atmosphäre.[27][29] Letztendlich sind also zwei abiotische Klimaregulatoren dafür verantwortlich, dass sich das Klima in erdgeschichtlichen Zeiträumen immer wieder trotz veränderter Strahlungsleistung der Sonne und durch das Leben selbst veränderter Umweltbedingungen bei gemäßigten Temperaturen eingependelt hat: Der Vulkanismus und die Plattentektonik als Recycler der Kalkablagerungen und somit als Kohlenstoffdioxidproduzenten und die Verwitterung und Ausfällung als Kohlenstoffdioxidsenke.[27][29]

Präkambrium (Erdfrühzeit)[Bearbeiten]

Heute nimmt man an, dass bereits früh nach der Entstehung der Erde vor 4,58 Milliarden Jahren erste Lebensformen existierten. Cyanobakterien und Algen begannen bereits im Präkambrium vor ca. 3,5 Milliarden Jahren Sauerstoff zu produzieren – wofür sie CO2 aufnahmen.

Um die atmosphärische Kohlenstoffdioxid-Konzentration vor hunderten Millionen Jahren zu bestimmen, wurden Proxy-Messungen durchgeführt. Im Rahmen von Isotopenuntersuchungen werden Borate in den Schalen von Foraminiferen analysiert. In saurem Milieu wird vermehrt 11B in Borsäure eingebaut, das für den Aufbau der Schale dieser Lebewesen nötig ist. Damit sind Rückschlüsse über den herrschenden pH-Wert, also auch den Kohlensäuregehalt von Mehrwasser möglich.[30] Die CO2-Konzentration kann auch mit Hilfe von Δ13C, einer weiteren Isotopenuntersuchung, bestimmt werden.[31] Bei der Entwicklung der Erdatmosphäre wird angenommen, dass die „erste Atmosphäre“ einen Kohlenstoffdioxid-Gehalt von ca. 10 % aufwies. Diese Annahme ist jedoch mit hohen Unsicherheiten behaftet.[32] [33]

Phanerozoikum[Bearbeiten]

Im Zuge der großen Sauerstoffkatastrophe stieg die Sauerstoff-Konzentration in der Zeit der kambrischen Explosion 543 Millionen Jahre vor heute stark an. Der damit einhergehende Übergang von der Anaerobie zur Aerobie also einem Stoffwechsel, der nicht auf Sauerstoffumsetzung basiert auf einen oxidativen Sauerstoff-basierten Stoffwechsel hatte zwar wahrscheinlich eines der ersten Massenaussterben zur Folge, eröffnete der Evolution aber auch neue Wege, da durch Oxidation weit mehr Energie für Stoffwechselvorgänge zur Verfügung steht, als anaerobe Lebensformen nutzen können. Zur Zeit der kambrischen Explosion lag der atmosphärische CO2-Gehalt bei über 0,6 % (= 6000 ppm).[34]

Ordovizium bis Karbon[Bearbeiten]

Das Erscheinen der ersten Landpflanzen am Ende des Ordoviziums vor 444 Millionen Jahren erhöhte die Verwitterung des Bodens stark, was der Atmosphäre große Mengen an CO2 entzog. Die Folge waren eine Reihe von Eiszeiten.[35] Im Devon, also vor etwa 400 Millionen Jahren erfolgte die starke Ausbreitung von Landpflanzen. Damit konnte sich Kohlenstoff nicht nur am Meeresboden, sondern auch an Land in größerem Umfang ablagern. Der CO2-Gehalt der Luft lag im Devon im Bereich von etwa 6000 ppm. Die weltweit verbreiteten Kohlevorkommen entstanden seit dieser Zeit, jedoch überwiegend im Zeitalter des namensgebenden Karbon, also in der Zeit zwischen rund 360 bis 300 Millionen Jahren vor heute. Die seither abgelagerten Pflanzenfossilien erlauben durch Analyse der Zahl der Spaltöffnungen, also der Stoma, die damals vorherrschende atmosphärische CO2-Konzentration abzuschätzen. Die Diversifikation und die Evolution ihrer Blätter könnte teilweise durch die langsam abnehmende CO2-Konzentration beeinflusst worden sein.[36] Das Erscheinen der Weißfäule gegen Ende des Karbons ist wahrscheinlich der Grund für die seit dieser Zeit geringeren Entstehungsrate von Kohle.[37]

Perm-Trias-Grenze[Bearbeiten]

Vor 250 Millionen Jahren kam es an der Perm-Trias-Grenze zu einer ca. 600.000 Jahre andauernden, verstärkten vulkanischen Aktivität, die für die Entstehung des sibirischen Trapps ursächlich war. Es wird geschätzt, dass dadurch etwa 170.000 Gigatonnen Kohlenstoffdioxid in die Erdatmosphäre und die Weltmeere gelangten. Wenngleich alternative Erklärungen nicht ausgeschlossen werden können, geht man heute bevorzugt davon aus, dass die damit einhergehende Versauerung der Meere und die massive Erwärmung der Atmosphäre im Zusammenwirken mit der Freisetzung von geschätzt 18.000 Gigatonnen Chlorwasserstoff für das größte Massenaussterben in der Erdgeschichte verantwortlich war.[38][39] Zum Vergleich: Seit Beginn der Industrialisierung wurden von der Menschheit ca. 2000 Gigatonnen CO2 emittiert.[40]

Die vergangenen 200 Millionen Jahre beinhalten Perioden extremer Wärme; die Meeresspiegel waren so hoch, dass sich 200 Meter tiefe Flachmeere an den kontinentalen Landmassen ausbildeten (z. B. vor 100 Mio. Jahren während der Warmphase der Kreidezeit).[41] Mit der Verbreitung der Landpflanzen gewann die biogene Sedimentation zunehmend an Gewicht und half, über viele Millionen Jahre den atmosphärischen CO2-Gehalt zu verringern. Zwischen 200 Mio. und 150 Mio. Jahren vor heute lag der CO2-Gehalt bei rund 3000 ppm.

Paläogen[Bearbeiten]

Die Bildung der Eisschilde in Arktis und Antarktis ist eng mit der CO2-Konzentration verknüpft; die untere Grafik zeigt parallel zum Konzentrationsverlauf oben den Temperaturverlauf, der mittels Δ18O bestimmt wurde.

Zwischen 60 und 50 Millionen Jahre BP stieg die CO2-Konzentration an. Ursächlich war wahrscheinlich die sehr schnelle Drift des heutigen Indien in Richtung Norden, bei der im Rahmen der Subduktion karbonatreichen Meeresbodens große Mengen des Treibhausgases in die Atmosphäre gelangten. Dieser Anstieg fand 50 Millionen Jahre BP mit der Kollision des heutigen Indien mit dem asiatischen Kontinent sein Ende. Die darauf folgende Auffaltung des Himalaya war die Ursache für den dann einsetzenden Abfall, der durch die Erosion des sich auffaltenden Gebirges verursacht wurde.[42] Kurz darauf, 49 Millionen BP ist das Azolla-Ereignis datiert, das die atmosphärische Konzentration des Treibhausgases weiter verringerte.

Vor 55 Millionen Jahren, an der Grenze zwischen Paläozän und Eozän, kam es jedoch zwischenzeitlich mehrfach zu großen Kohlenstoffeinträgen in die Atmosphäre. Beim Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM) wurden über einen Zeitraum von etwa 20.000 Jahren geschätzte 2.500 bis 6.800 Gigatonnen Kohlenstoff freigesetzt.[43] Man weiß bis heute nicht, woher dieser Kohlenstoff stammte; die damit verbundene Klimaerwärmung um etwa 6 °C war jedoch so groß, dass es heute unwahrscheinlich scheint, dass die Treibhausgas-Wirkung von Kohlenstoffdioxid allein dafür ausreicht. Wie auch beim zwei Millionen Jahre später auftretenden Eozän Thermal Maximum 2 geht man heute überwiegend davon aus, dass Methan für den beobachteten, starken Temperaturanstieg ursächlich war.[44] Methan hat in der Atmosphäre jedoch nur eine sehr kurze Verweildauer von zwölf Jahren;[45] es wird zu CO2 abgebaut. Damit ist ein Methaneintrag letztendlich ein Kohlenstoffdioxid-Eintrag. Die Erwärmungsphase des PETM hatte eine Dauer von 120.000 bis 170.000 Jahren.[46][47]

Vor 34 Millionen Jahren erreichte der CO2-Gehalt der Luft einen Wert von 760 ppm. Der antarktische Eisschild begann seine gegenwärtige Form anzunehmen.[48] Die damit einhergehende globale Abkühlung führte zu einem weiteren Massenaussterbeereignis, der Grande Coupure.

Es gibt geologische Hinweise, dass vor ca. 20 Mio. Jahren die CO2-Konzentration unter einen Wert von 300 ppm sank, wobei bei 600 ppm ein Kipppunkt existiert, der die Hauptursache für die in der Antarktis einsetzende Vereisung war.[49]

Neogen und Quartär[Bearbeiten]

CO2-Konzentrationen der letzten 400.000 Jahre. Vor 400.000 Jahren lebte in Europa der Vorläufer des Neandertalers, der Homo heidelbergensis. Gemäß der Out-of-Africa-Theorie begann Homo sapiens vor ca. 40.000 Jahren mit der Besiedlung Eurasiens

Niedrige Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen könnten der Auslöser für die Evolution der C4-Pflanzen gewesen sein, deren Zahl sich in der Zeit zwischen sieben und fünf Millionen Jahren vor heute stark erhöhte. Diese sind in der Lage, CO2 effektiver als C3-Pflanzen zu fixieren, was bei geringen atmosphärischen CO2-Konzentrationen einen Evolutionsvorteil bedeutet.

Im Neogen (23–2,6 Millionen Jahre vor heute) kühlte das Weltklima weiter ab. Mit der Ausbildung der antarktischen und arktischen Eisschilde entstand eine weitere Möglichkeit, den CO2-Gehalt der Atmosphäre lang vergangener Tage zu rekonstruieren. Dieses Verfahren ist erheblich genauer als die Verfahren, die auf der Analyse von Gesteinsproben basieren. Die längsten, in der Antarktis gewonnenen Eisbohrkerne reichen bis 800.000 Jahre in die Vergangenheit.[50] In ihnen sind winzige Luftblasen eingeschlossen, deren CO2-Gehalt erhalten geblieben ist. Die überwiegende Zahl der Studien stammt aus einer Vielzahl antarktischer Eisbohrkerne.

Während der vergangenen 800.000 Jahre variierte die CO2-Konzentrationen zwischen 180–210 ppm während der Eiszeiten und stieg auf Werte zwischen 280 und 300 ppm in den wärmeren Interglazialen an.[51][52] Die Ergebnisse der Analysen von Eisbohrkernen deuten darauf hin, dass das atmosphärische CO2-Niveau vor dem Beginn industrieller Emissionen in einem Bereich zwischen 260 und 280 ppmv lag. Die Konzentration schwankte im Verlauf der letzten 10.000 Jahre nicht sehr stark. Im Jahr 1832 lag die Konzentration in antarktischen Eisbohrkernen bei 284 ppmv.[53]

Der Beginn menschlichen Ackerbaus während des gegenwärtigen Holozäns könnte eng mit dem Anstieg atmosphärischer Kohlenstoffdioxidkonzentrationen verknüpft sein, der am Ende der letzten Eiszeit zu beobachten war. Diese Kohlenstoffdioxid-Düngung ließ das Pflanzenwachstum ansteigen und reduzierte die Notwendigkeit für eine hohe Durchlässigkeit der Stoma für eine effektive CO2-Aufnahme, was wiederum den Wasserverlust durch Verdunstung reduzierte und die Wassernutzung der Pflanzen effizienter machte.[54]

Messfehler[Bearbeiten]

Eine Studie stellte die Behauptung stabiler CO2-Konzentrationen während des gegenwärtigen Interglazials der letzten 10.000 Jahre in Frage. Basierend auf einer Analyse fossiler Blätter argumentierten Wagner et al.,[55] dass die CO2-Konzentration in der Zeit von 7.000 bis 10.000 Jahre vor heute signifikant höher (~300 ppm) waren und es substanzielle Veränderungen gab, die mit Klimaveränderungen einhergegangen waren. Von Dritten wird diese Behauptung angezweifelt und darauf hingewiesen, dass es sich viel eher um Kalibrationsprobleme handele als um tatsächliche Veränderungen in der Kohlenstoffdioxidkonzentration.[56] Grönländische Eisbohrkerne deuten oft auf höhere und stärker variierende CO2-Konzentrationen hin, die durch In-situ-Zersetzung von Calciumcarbonat-Staub verursacht wird, der im Eis gefunden wurde. Immer, wenn die Staubkonzentration in Grönland niedrig war – wie dies nahezu immer in antarktischen Eisbohrkernen der Fall ist –, wird von guter Übereinstimmung zwischen arktischen und antarktischen Messungen berichtet.

Anthropogener Anstieg der CO2-Konzentration[Bearbeiten]

Hauptartikel: Keeling-Kurve
Globale Kohlenstoffemissionen aus fossilen Quellen zwischen 1800 und 2007
Die Keeling-Kurve der Kohlenstoffdioxidkonzentration, gemessen an der Messstation Mauna Loa.
Atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentrationen können mit Hilfe von Laser-Sensoren vom Weltraum aus gemessen werden.

Die von Vulkanen freigesetzte CO2-Menge entspricht weniger als 1 % der vom Menschen freigesetzten Menge.[57]

Der vom Menschen verursachte Eintrag von CO2 beträgt zwar nur 3 % der jährlichen natürlichen Emissionen, jedoch werden die 97 % natürlicher Emissionen von natürlichen Senken wieder vollständig aufgenommen. Der menschengemachte Eintrag in den Kohlenstoffzyklus wurde bislang etwa zur Hälfte von Meeren, Böden und Pflanzen aufgenommen. Der Rest verblieb in der Luft, was seit der Mitte des 19. Jahrhunderts zu einem steten Konzentrationsanstieg in der Atmosphäre geführt hat.[58]

Die atmosphärische CO2-Konzentration überstieg schon um 1850 erstmals Werte, die in Eisbohrkernen vorangegangener Jahrtausende nicht beobachtet wurden.[53] Die Geschwindigkeit des Anstiegs hat sich seither stetig beschleunigt. Im Jahr 2011 wurde eine Konzentration von 390 ppm (parts per million) erreicht;[59][60] sie war zwischen den Jahren 2000 und 2009 um jährlich 2,0 ppm angestiegen.[60][61]

Diese gegenwärtige Konzentration liegt um 39 % oberhalb des vorindustriellen Wertes[61] von 280 ppm, wie sie in vorindustriellen Zeiten vorlag,[62] höher als zu jeder Zeit während der vergangenen 800.000 Jahre[50] und wahrscheinlich höher als sie im Verlauf der letzten 20 Millionen Jahre je war.[34]

Der jüngste drastische Anstieg der CO2-Konzentration ist gänzlich menschlichen Aktivitäten zuzuschreiben.[63] Forscher wissen dies aus drei Gründen: Einerseits kann man die freigesetzte Kohlenstoffdioxid-Menge anhand verschiedener nationaler Statistiken errechnen; zum anderen kann man das Verhältnis der Kohlenstoffisotope in der Atmosphäre untersuchen,[63] da die Verbrennung von lange Zeit vergrabenem Kohlenstoff aus fossilen Energieträgern CO2 freisetzt, das ein anderes Isotopenverhältnis als lebende Pflanzen aufweist. Dies ermöglicht es Forschern, zwischen natürlichen und menschengemachten Beiträgen zur CO2-Konzentration zu unterscheiden. Und zum Dritten führt eine Verbrennung nicht nur zu einer Zunahme der CO2-Konzentration, sondern im selben Maße auch zu einer Abnahme der O2-Konzentration in der Atmosphäre. Demgegenüber ist eine vulkanische CO2-Freisetzung nicht mit einer Abnahme der Sauerstoffkonzentration verbunden. Durch Messungen des atmosphärischen O2-Gehaltes konnte klar belegt werden, dass das freigesetzte CO2 zum allergrößten Teil aus Verbrennungen stammt und nicht vulkanischen Ursprungs ist.[64]

Die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle und Erdöl ist der Hauptgrund für den anthropogenen Anstieg der CO2-Konzentration; Entwaldung ist die zweitwichtigste Ursache. Im Jahr 2012 wurden 9,7 Gigatonnen Kohlenstoff, bzw. 35,6 Gigatonnen CO2 aus der Verbrennung fossiler Energieträger und durch die Zementherstellung freigesetzt. Im Jahr 1990 waren es noch 6,15 Gigatonnen Kohlenstoff bzw. 22,57 Gigatonnen CO2; es ist dies ein Anstieg um 58 % in 23 Jahren.[65] Änderungen der Landnutzung im Jahr 2012 führten zu einer Freisetzung von 0,9 Gigatonnen, im Jahr 1990 waren es 1,45 Gigatonnen.[65] Bei dem großflächigen asiatischen Smogereignis von 1997[66] wurden alleine schätzungsweise zwischen 13 % und 40 % der durchschnittlich weltweit durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzten Kohlenstoffmenge emittiert.[67][68] In der Zeit zwischen 1751 und 1900 wurden durch die Verbrennung fossiler Energieträger ca. 12 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Das bedeutet, dass das allein im Jahr 2012 global emittierte Kohlenstoffdioxid 80 % der in den 150 Jahren zwischen 1750 und 1900 global freigesetzten Stoffmenge entspricht.

Die in der globalen terrestrischen Vegetation gespeicherte Kohlenstoffmenge wuchs von ca. 740 Milliarden Tonnen im Jahr 1910 auf 780 Milliarden Tonnen im Jahr 1990.[69]

Emittenten[Bearbeiten]

Die fünf größten Emittenten von Kohlenstoffdioxid sind im Folgenden tabellarisch aufgeführt.

Länder mit den höchsten CO2 Emissionen
Land Kohlenstoffdioxidemissionen pro
Jahr (106 Tonnen) (2006)
Anteil an der globalen Gesamtmenge Durchschn. Emission
pro km2 des Landes (Tonnen/a)
China VolksrepublikChina Volksrepublik China 6.103 21,5 % 636
Vereinigte StaatenVereinigte Staaten Vereinigte Staaten 5.752 20,2 % 597
RusslandRussland Russland 1.564 5,5 % 91
IndienIndien Indien 1.510 5,3 % 459
JapanJapan Japan 1.293 4,6 % 3421















Die fünf Länder mit den höchsten CO2-Emissionen pro Kopf sind:[70]

Hauptartikel: Länderliste CO2-Emission
Länder mit den höchsten CO2-Emissionen pro Kopf
Land CO2-Emissionen pro Jahr
(Tonnen pro Person) (2006)
KatarKatar Katar 56,2
Vereinigte Arabische EmirateVereinigte Arabische Emirate Vereinigte Arabische Emirate 32,8
KuwaitKuwait Kuwait 31,2
BahrainBahrain Bahrain 28,8
Trinidad und TobagoTrinidad und Tobago Trinidad und Tobago 25,3













Es wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, dieses überschüssige CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen und in Kohlenstoffsenken zu verbringen.

Verhältnis zur Konzentration in den Ozeanen[Bearbeiten]

Hauptartikel: Versauerung der Meere
Austausch von CO2 zwischen Atmosphäre und Meer

Die Ozeane der Erde enthalten in Form von Hydrogencarbonat- und Carbonationen eine große Menge an Kohlenstoffdioxid. Es ist etwa die 50-fache Menge, die sich in der Atmosphäre befindet.[71] Hydrogencarbonat wird durch Reaktionen zwischen Wasser, Fels und Kohlenstoffdioxid gebildet. Ein Beispiel ist die Lösung von Calciumcarbonat:

CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2 HCO3

Veränderungen der Konzentration der atmosphärischen CO2-Konzentration werden durch Reaktionen wie diese abgeschwächt. Da die rechte Seite der Reaktion eine saure Komponente erzeugt, führt die Zufuhr von CO2 auf der linken Seite zu einer Absenkung des pH-Wertes des Meerwassers. Dieser Vorgang ist unter der Bezeichnung Versauerung der Meere bekannt (der pH-Wert des Ozeans wird saurer, auch wenn der pH-Wert im alkalischen Bereich bleibt). Reaktionen zwischen Kohlenstoffdioxid und Nicht-Carbonat-Felsgestein führen daneben zu einem Konzentrationsanstieg von Hydrogencarbonat in den Meeren. Diese Reaktion kann sich später umkehren und führt zur Bildung von Carbonatgestein. Über den Verlauf von Hunderten von Millionen Jahren erzeugte dies große Mengen an Carbonatgestein.

Gegenwärtig werden ca. 57 % des vom Menschen emittierten CO2 von Biosphäre und Ozeanen aus der Atmosphäre entfernt.[72] Das Verhältnis zwischen der in der Atmosphäre verbleibenden zur insgesamt emittierten Kohlenstoffdioxidmenge wird nach Charles Keeling airborne fraction genannt; der Anteil variiert um ein kurzfristiges Mittel herum, liegt aber typischerweise bei ca. 45 % über einen längeren Zeitraum von fünf Jahren. Ein Drittel bis die Hälfte des von den Meeren aufgenommenen Kohlenstoffdioxids ging in den Ozeangebieten südlich des 30. Breitengrades in Lösung.[73]

Letztlich wird der größte Teil des durch menschliche Aktivitäten freigesetzten Kohlenstoffdioxids in den Meeren in Lösung gehen, ein Gleichgewicht zwischen der Luftkonzentration und der Kohlensäurekonzentration in den Meeren stellt sich nach ca. 300 Jahren ein.[74] Selbst wenn ein Gleichgewicht erreicht sein wird, sich in den Meeren also auch Carbonat-Mineralien auflösen, wird dort die erhöhte Konzentration von Hydrogencarbonat und die abnehmende bzw. unveränderte Konzentration an Carbonat-Ionen zu einem Konzentrationsanstieg nicht-ionisierter Kohlensäure, bzw. vor allem zu einer erhöhten Konzentration gelösten Kohlenstoffdioxids führen. Dies wird, neben höheren globalen Durchschnittstemperaturen, auch höhere Gleichgewichtskonzentrationen des CO2 in der Luft bedeuten.

Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Henry-Konstante nimmt die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser mit steigender Temperatur ab.

Unumkehrbarkeit und Einzigartigkeit[Bearbeiten]

Die Verbrennung der Ressourcen aller gegenwärtig bekannter fossiler Energieträger würde es ermöglichen, den CO2-Gehalt der Atmosphäre bis ca. 1 600 ppm ansteigen zu lassen. Dies würde die Erde – in Abhängigkeit vom wahren Wert der Klimasensitivität, den man gegenwärtig nur näherungsweise kennt – zwischen 4 °C und 10 °C erwärmen, was unvorstellbare Konsequenzen nach sich zöge.

Um den Anstieg der Konzentration in der Luft um gegenwärtig jährlich ca. 2 ppm zu stoppen, müssten die CO2-Emissionen schlagartig um 55 % reduziert werden. In diesem Fall bestünde für kurze Zeit ein Gleichgewicht zwischen den menschlichen Emissionen und den natürlichen, das CO2 aufnehmenden Reservoirs. Da diese jedoch zunehmend gesättigt werden, müssten die Emissionen bis zum Jahr 2060 weiter auf dann 20 % der gegenwärtigen Rate gesenkt werden, um einen weiteren Anstieg zu verhindern.[75]

Als Grenze zu einer über die Maßen gefährlichen globalen Erwärmung wurden 2 °C festgelegt, es ist das sogenannte Zwei-Grad-Ziel. Zur Erreichung dieses Ziels müssten die globalen Emissionen im Jahr 2050 um 48 % bis 72 % geringer sein als die Emissionen des Jahres 2000.[76]

Im Rahmen einer Studie wurde angenommen, dass der CO2-Eintrag ab einem bestimmten Punkt vollständig gestoppt wird und die sich über längere Zeit einstellenen Konzentrationen errechnet. Unabhängig davon, ob die Maximalkonzentration, ab der die Emissionen vollständig stoppten, bei 450 ppmV oder bei 1200 ppmV lagen, blieb über den Verlauf des gesamten dritten Jahrtausends ein relativ konstanter Anteil von 40 % der eingebrachten Menge in der Atmosphäre.[77] Geht man von vorindustriell 280 ppmV und aktuell (2011) 390 ppmV atmosphärischer Kohlenstoffxioxid-Konzentration aus, bedeutet dies, dass 40 % der eingebrachten Menge von (390 ppmV – 280 ppmV) *40% = 110 ppmV * 40 = 44 ppmV ohne Maßnahmen des Geoengineerings bis zum Ende des dritten Jahrtausends in der Atmosphäre verblieben. Aber nur, wenn Ende des Jahres 2011 jegliche, von fossilen Energieträgern stammende Emissionen gestoppt worden wären. Die Konzentration in der Luft hätte am Ende des dritten Jahrtausends dann 324 ppmV betragen.[77]

Nachdem sich ein Gleichgewicht zwischen der Konzentration zwischen Meeren und Atmosphäre ausgebildet hat, wird CO2 anschließend über die deutlich langsamer ablaufende CaCO3-Verwitterung, also die Karbonat-Verwitterung gebunden. David Archer von der Universität Chicago berechnete, dass sich damit selbst nach 10.000 Jahren noch ca. 10 % der ursprünglich zusätzlich eingebrachten Kohlenstoffdioxid-Menge in der Atmosphäre befinden werden. Dieser Zeitraum ist so lang, dass dadurch sehr langsam wirkende Rückkopplungsmechanismen wie z. B. das Abschmelzen antarktischer Eisschilde oder der Zerfall von Methanhydraten signifikant beeinflusst werden können. So könnte es sein, dass der nächste Eiszeitzyklus stark abgeschwächt oder sogar unterdrückt werden könnte, der in den nächsten Jahrzehntausenden zu erwarten ist.[74] Archer und andere Autoren verweisen darauf, dass in der öffentlichen Wahrnehmung die Langlebigkeit des Kohlenstoffdioxids – im Gegensatz zum viel diskutierten Abfall radioaktiver Spaltprodukte – wenig thematisiert wird, jedoch eine nicht von der Hand zu weisende Tatsache darstellt.[74][78] Während des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximums wurden große Mengen Kohlenstoff in die Atmosphäre verbracht. Untersuchungen ergaben, dass die Dauer der Erwärmung, die dadurch verursacht wurde, gut mit dem Modell übereinstimmt.[74]

Ausblick[Bearbeiten]

Man geht davon aus, dass die Karbonatverwitterung in ca. 30.000 Jahren gesättigt sein wird und dadurch keine weitere Absenkung der CO2-Konzentration in Atmosphäre und Ozeanen bewirken kann. Da die dann wirkende Silikatverwitterung nochmals langsamer abläuft, wird in 100 000 Jahren noch etwa 5 % der vom Menschen eingebrachten Kohlenstoffmenge in der Atmosphäre vorzufinden sein. In etwa 400.000 Jahren wird die Kohlenstoffmenge in Atmosphäre und Ozeanen wieder den Wert annehmen, der vor dem menschlichen Eingriff in den Kohlenstoffzyklus Bestand hatte.[74][78]

Auf Zeitskalen von Milliarden von Jahren scheint der Trend einer abnehmenden CO2-Konzentration unaufhaltsam weiterzulaufen, da die gelegentlichen, massiven historischen Freisetzungen vergrabenen Kohlenstoffs durch Vulkanismus zunehmend seltener werden (da der Erdmantel abkühlt und der geothermale Gradient langsam schwächer wird). Die Geschwindigkeit dieser Vorgänge ist jedoch extrem klein; damit haben sie keinerlei Relevanz für die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration der nächsten hundert, tausend oder Millionen Jahre.

Unter der Annahme, dass der Einfluss der Menschheit, abgelagerten Kohlenstoff freizusetzen, künftig unterbleiben wird, sieht der langfristige Trend so aus: Pflanzliches Leben an Land wird gänzlich absterben, da der Großteil des verbleibenden Kohlenstoffs in der Atmosphäre über einen Zeitraum von Milliarden von Jahren im Boden abgelagert werden wird, denn die natürliche Freisetzung von Kohlenstoffdioxid durch tektonische Aktivität wird sich durch die weiter abnehmende Radioaktivität im Erdinneren auch abschwächen.[79] Einige Mikroben können Photosynthese bei CO2-Konzentrationen von ein paar ppm weiter betreiben. Letzte Lebensformen würden wahrscheinlich aufgrund der steigenden Temperaturen und des Verlusts der Atmosphäre absterben, wenn die Sonne in etwa 4 Milliarden Jahren zum roten Riesen wird.[80] Der Verlust pflanzlichen Lebens wird daneben zum letztendlichen Verlust von Sauerstoff führen.

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

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Weblinks[Bearbeiten]