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Was sind Treibhausgase?

Die Diskussion um die Klimaerwärmung und die Treibhausgase, die diese verantworten, wird seit Jahren intensiv geführt. Dass der Klimawandel real ist und zum großen Teil auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen ist, ist durch zahlreiche Studien belegt und wird von der überwiegenden Mehrheit der Klimaforscher vertreten. Doch nicht nur die klimatischen Veränderungen sind real, sondern auch deren Auswirkungen und Gefahren für den Planeten und den Menschen. Daher lohnt sich ein genauerer Blick auf die Treibhausgase: Welche gibt es, wo kommen sie her und worin besteht die Gefahr dieser Gase?

Die Luft, die wir atmen

Unsere Atmosphäre besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: aus Stickstoff und Sauerstoff, wobei Stickstoff mit 78,08 % den größten Anteil ausmacht und Sauerstoff einen Anteil von 20,95 % hat. Das restliche Prozent der Luft verteilt sich auf unterschiedliche Spurengase. Damit sind jene Gase gemeint, die nur einen Bruchteil der Zusammensetzung der Atmosphäre ausmachen. Mit 0,93 % ist das Edelgas Argon das häufigste Spurengas. Rechnet man diese drei Gase zusammen, bleiben nur noch 0,04 % für die Treibhausgase übrig, die unser Klima bedrohen.

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Die Treibhausgase sind nicht alle auf den Menschen zurückzuführen, sondern entstehen auch auf natürlichen Wegen. So ist deren Vorhandensein in der Erdatmosphäre per se kein Problem, wichtig ist die Konzentration, mit welcher diese vorhanden sind. Die genannten restlichen 0,04 % bestehen fast vollständig aus Kohlenstoffdioxid, genau sind es derzeit 0,038 %. Alle anderen Treibhausgase sind nur in Größenordnungen von ppm, ppb oder ppt vorhanden. Diese Abkürzungen stehen für „parts per million“ (bzw. billion oder trillion). Das heißt, nur jedes Millionste (ppm), Milliardste (ppb) oder Billionste (ppt) Molekül ist ein Treibhausgasmolekül.

Die Konzentrationen sind demnach extrem gering, weshalb schon bei geringen Konzentrationsänderungen dieser Gase in der Atmosphäre das natürliche Gleichgewicht schnell kippen kann. Neben diesen Gasen finden sich in der Luft noch Wasserdampf und feste Partikel wie Staub, hier macht gelegentlich sogar Sandstaub aus der Sahara von sich reden, Rußteilchen aus Autoabgasen, Aschepartikel aus Feuerungsanlagen und Pollen, welche besonders im Frühjahr unübersehbar sind und Allergikern zu schaffen machen.

CO2 in der Luft
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Kleine Konzentrationen, großer Effekt auf unsere Umwelt

Die Treibhausgase sind, allein durch die Bezeichnung, untrennbar mit dem Treibhauseffekt verbunden. Besonders in den letzten Jahren wurde der Begriff „Treibhauseffekt“ oft zu negativ konnotiert, denn er ist ein vollkommen natürlicher Vorgang, ohne den kein Leben auf der Erde möglich wäre. Gäbe es keine natürlichen Treibhausgase, würde auf der Erde eine Durchschnittstemperatur von -18 °C vorherrschen; dank des Treibhauseffekts beträgt diese jedoch +15 °C.

Den größten Anteil an diesem Effekt haben Wasserdampf mit 62 % und Kohlendioxid mit 20 %. Obwohl Kohlenstoffdioxid als Spurengas nur weniger als 0,04 % der Luft ausmacht, spielt es dennoch eine große Rolle für unser Klima. Daher ist es von großer Wichtigkeit, dass sich der Anteil nicht stark verändert, um die Temperatur auf der Erde bei +15 °C halten zu können.

Der Treibhauseffekt

Doch wie tragen diese Gase eigentlich zur Erwärmung unseres Planeten bei? Per elektromagnetischer Wellen, hauptsächlich im Wellenbereich des sichtbaren Lichtes zwischen 450 und 650 nm, strahlt die Sonne Energie auf unseren Planeten.

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Die Sonnenenergie trifft auf die Erdoberfläche, auf die Landmassen und Ozeane, die sich dadurch erwärmen. Sie reflektieren einen Teil der aufgenommenen Energie, diese jedoch nicht mehr im sichtbaren, sondern im infraroten Wellenlängenbereich, der oberhalb von 650 nm liegt. Während die Erdatmosphäre für das einstrahlende, kurzwelligere und sichtbare Sonnenlicht weitgehend durchlässig ist, wird die reflektierte, langwelligere Infrarotstrahlung, die Wärmestrahlung, von den Spurengasen in der Erdatmosphäre, von Kohlenstoffdioxid und anderen Treibhausgasen, teilweise zurück gehalten. Dadurch erwärmt sich die Atmosphäre, was wiederum die weitere Erwärmung der Erdoberfläche zur Folge hat.

Dieser Effekt wird als Treibhauseffekt bezeichnet. Er sorgt im Grunde dafür, dass das Leben, wie wir es kennen, auf unserem Planeten existieren kann. Denn würde der Anteil an natürlichen Treibhausgasen maßgeblich sinken, würde weniger Wärmestrahlung absorbiert und die Erde würde sich abkühlen. Durch die Erhöhung der Treibhausgaskonzentrationen wird dementsprechend mehr Sonnenenergie absorbiert und die Erdatmosphäre heizt sich auf. Dies führt, wenn das globale Gleichgewicht zwischen eingestrahlter und abgestrahlter Wärmeenergie gestört wird, zum Klimawandel, der eine akute Bedrohung für uns und unsere Umwelt darstellt.

Strahlungshaushalt der Erde
Strahlungshaushalt der Erde für den Zeitraum März 2000 – Mai 2004 (Nach Trenberth, Fasullo und Kiehl (2009): Earth’s global energy budget)

Die Dosis macht das Gift

Kohlenstoffdioxid spielt unter den Treibhausgasen die größte Rolle. Wichtig ist hier nicht nur der Ausstoß, sondern auch der natürliche Verbrauch. Denn Kohlenstoffdioxid spielt eine wichtige Rolle bei Prozessen wie der Photosynthese. In diesem Sinne ist es richtig, wenn man sagt, dass Pflanzen Kohlendioxid verbrauchen. Auch in den Ozeanen löst sich das Gas und wird so ebenfalls dem Treibhauseffekt entzogen. Diese natürlichen Prozesse sorgen für das Gleichgewicht, welches für unser Klima so wichtig ist. Wird Kohlenstoffdioxid jedoch zusätzlich ausgestoßen, z.B. durch menschliche Aktivitäten, wird das Gleichgewicht gestört.

Darüber hinaus wird durch die Abholzung der Regenwälder die Möglichkeit begrenzt, Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre zu binden. Diese Wälder sind „Kohlenstoffsenken“, denn sie fixieren Kohlenstoff durch die Bildung von Biomasse, hauptsächlich Cellulose, und setzen dabei Sauerstoff frei. Nicht umsonst werden sie deshalb auch als die „grünen Lungen“ unseres Planeten bezeichnet. Der Effekt von Kohlenstoffdioxid auf die Erderwärmung ist so stark, dass eine Studie im Jahr 2016 des Max-Planck-Institutes für Meteorologie in Hamburg und des amerikanischen National Snow and Ice Data Center eine direkte Beziehung zwischen dem Ausstoß des Gases und dem Schmelzen des arktischen Sommer-Meereis herstellen konnte: Eine Tonne CO2 mehr in der Atmosphäre bedeuten drei Quadratmeter weniger Meereis im arktischen Sommer.

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Neben Kohlenstoffdioxid sind noch weitere Spurengase für den Treibhauseffekt und damit für die Erwärmung der Erdatmosphäre verantwortlich. Zu diesen Gasen zählen Methan (CH4), Distickstoffmonoxid (N2O), Schwefelhexafluorid (SF6) und Fluorchlorkohlenwasserstoffe, wie CFCl3 und CF2Cl2.

Alle diese anthropogenen Gase kommen zwar nur in äußerst geringen Konzentrationen in der Atmosphäre vor, haben aber einen viel größeren Einfluss auf den Treibhauseffekt als Kohlenstoffdioxid.

Methan entsteht bei der Land- und Forstwirtschaft hauptsächlich als „Faulgas“ bei der Verrottung organischen Materials unter Luftabschluss, beispielsweise in Biogasanlagen, aber auch bei unsachgemäßer Grün-, Mist- oder Gülledüngung und beim Reisanbau in Nasskultur. Darüber hinaus entsteht es im industriellen Bereich bei der Verarbeitung von Erdgas oder als Abgas. Methan ist 25 Mal so aktiv wie Kohlenstoffdioxid und trägt damit bis zu 20 % zum anthropogenen, auf das Wirken der Menschen zurück zu führenden Treibhauseffekt bei. Seine Verweildauer in der Atmosphäre wird mit 9 bis 15 Jahren angegeben. Das bedeutet, dass heute in die Atmosphäre entlassenes Gas sich erst nach dieser Zeit vollständig zu klimaneutralen Verbindungen umgewandelt hat.

Distickstoffmonoxid, das sogenannte Lachgas, ist 298 Mal so wirksam wie Kohlenstoffdioxid. Es hat eine Verweildauer in der Atmosphäre zwischen 120 und 130 Jahren und stammt ebenfalls hauptsächlich aus der Landwirtschaft, hier vorwiegend aus der reichlichen Stickstoffdüngung. Die Konzentration in der Atmosphäre liegt im ppb-Bereich und ist damit sehr gering. Dennoch beträgt dessen Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt etwa 6 %. Durch Eiskernbohrungen konnte nachgewiesen werden, dass die Konzentration an Lachgas heute messbar höher ist als vor 800.000 Jahren.

Luftverschmutzung
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Die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, die sogenannten FCKWs, die auch unter dem Handelsnamen Freone® bekannt sind, galten lange Zeit als unschädlich für Mensch und Umwelt. Sie wurden weltweit als Kühlmittel in Kühlschränken, als Treibgase für Sprühdosen, als industrielle Reinigungs- und Lösungsmittel und zum Schäumen von Kunststoffen für die Bauindustrie eingesetzt. Ihre Entsorgung erfolgte zum Großteil in die Atmosphäre, bis sich in den 1980er Jahren herausstellte, dass sie die Ozonschicht in der Stratosphäre, der natürliche UV-Filter für unser Sonnenlicht, zerstören.

Die Fluorchlorkohlenwasserstoffe erwiesen sich darüber hinaus auch als hochwirksame Treibhausgase, deren Verweilzeit in der Atmosphäre je nach chemischer Zusammensetzung zwischen 45 und 100 Jahren beträgt. Obwohl auf der Internationalen Konferenz zum Schutz der Ozonschicht in London im Jahre 1990 beschlossen wurde, ab dem Jahr 2000 auf Erzeugung und Einsatz von FCKWs zu verzichten, werden sie vor allem von asiatischen Produzenten nach wie vor zur Produktion von geschäumten Baustoffen eingesetzt.

Treibhausgasemission
Treibhausgasemission nach Sektor für das Jahr 2000 (Auf Grundlage der Emission Database for Global Atmospheric Research) | © Robert A. Rohde, Setreset, Matt, Cepheiden – de.wikipedia.org

Den stärksten Effekt hat jedoch Schwefelhexafluorid, ein ungiftiges, reaktionsträges Gas. Dieses ist 22900 Mal so aktiv wie Kohlenstoffdioxid. Es wird als Schutzgas bei der Gewinnung von Magnesium verwendet und wegen seiner elektrischen Durchschlagfestigkeit als Isoliergas in hermetisierten Hochspannungsschaltanlagen eingesetzt. Vor allem aus undichten Anlagen kann das Gas unbemerkt in die Atmosphäre gelangen, in der es eine Verweilzeit von etwa 3200 Jahren hat.

Klimaschutz ist auch Umweltschutz

Viele Faktoren bestimmen unser Klima und ein warmer Sommer macht noch keine Erderwärmung. Der Effekt der verschiedenen Treibhausgase ist allerdings wissenschaftlich erwiesen und ebenso ihre erhöhten Konzentrationen in unserer Erdatmosphäre. Um die Temperatur der Erde konstant zu halten, ist es unerlässlich, das Gleichgewicht der natürlichen Treibhausgase in der Erdatmosphäre nicht zu stören und Emissionen anthropogener Treibhausgase zu vermeiden.

Menschen protestieren im Rahmen eines Marsches zum Klimawandel
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Die Rodung der Regenwälder, die übermäßig wachsende Landwirtschaft und der Ausstoß von Abgasen durch Industrie und Verkehr geben Anlass für Besorgnis. Noch kann der Klimawandel begrenzt werden, wenn global schnelle und radikale Maßnahmen zum Schutz der Erdatmosphäre beschlossen und in aktiven Klimaschutz umgesetzt werden. Unser Klima und unsere Kinder werden uns dafür danken.