Woher weiß man eigentlich so genau, wie CO2 als Treibhausgas wirkt? Sind die Berechnungen nur theoretisch oder kann man die Effekte direkt messen? In einem früheren #Faktenfuchs erklärten wir, welchen Beitrag menschengemachte Emissionen zum Gesamtgehalt von CO2 in der Atmosphäre leisten und wie sich dadurch die Erde aufheizt.
Daraufhin fragten BR24-Nutzer: Welche konkreten Beweise gibt es dafür? Manche äußerten den Vorwurf, die Wirkung von Treibhausgasen wie CO2 sei bisher empirisch nicht nachgewiesen. Doch der Treibhauseffekt der Atmosphäre wird seit langem erforscht. Das Wissen darüber, welche Gase dabei eine wichtige Rolle spielen, stammt aus verschiedenen Quellen und fußt auf sehr konkreten Messergebnissen.
CO2 und die Grundlagen der Physik
Wenn die Sonnenstrahlen auf die Erde treffen, wirft diese einen Teil der Strahlen zurück in die Atmosphäre, unter anderem als Wärmestrahlung. Während die Hauptbestandteile der Atmosphäre – also Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) – die Wärmestrahlung ungehindert passieren lassen, halten andere Gase, zum Beispiel das CO2, die Strahlen auf und schicken sie zurück zur Erde.
Die physikalischen Erkenntnisse über das Strahlungsverhalten von Gasen haben wir u.a. dem Wissenschaftler Max Planck (1858 – 1947) zu verdanken. Gemäß den von ihm beschriebenen Strahlungsgesetzen weiß man, dass nur drei- oder mehratomige Moleküle die Wärmestrahlung wieder zurückwerfen. Dazu gehören CO2, aber genauso Wasserdampf (H2O), Ozon (O3) oder Methan (CH4).
Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle bestehen aus jeweils zwei Atomen und tragen deswegen nicht zum Treibhauseffekt bei. "Diese Erkenntnisse hinsichtlich CO2 als klimarelevantem Gas basieren auf den Grundlagen der Physik", sagt der Atmosphärenphysiker Martin Dameris. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt forscht er am Institut für Physik der Atmosphäre.
Messungen von Kohlenstoffdioxid im Labor
Welche Strahlungsarten Gase absorbieren, also aufnehmen und wieder emittieren, also abstrahlen, kann man im Labor messen. "Mit Laborspektroskopie kann man sich das anschauen. Seit den 50er Jahren kennt man insbesondere die Absorptionsspektren von CO2 ziemlich genau", erklärt Martin Dameris. CO2 kann vor allem langwellige Strahlung absorbieren und wieder abgeben, das heißt vor allem Wärmestrahlung. Mit diesem Wissen kann man ausrechnen, wie viel Wärmestrahlung bei einer bestimmten CO2-Konzentration wieder zurückgestrahlt wird: Bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Luft erhöht sich die Temperatur um etwa ein Grad Celsius.
Dabei muss man allerdings auch Rückkopplungseffekte in der Atmosphäre berücksichtigen. Einer dieser Rückkopplungseffekte ist, dass bei steigender Temperatur auch mehr Wasserdampf in der Atmosphäre ist. Und der trägt wiederum selbst zum Treibhauseffekt bei. Das Ergebnis: Es wird noch wärmer.
Direkte CO2-Messungen in der Atmosphäre
Inzwischen gibt es auch erste direkte Messungen in der Natur. Wissenschaftler aus den USA beobachteten zum Beispiel an zwei Standorten in Nordamerika über zehn Jahre hinweg, wie sich dort die CO2-Konzentration und die Rückstrahlung aus der Atmosphäre veränderten. Auch diese Messungen bestätigen, dass eine steigende CO2-Konzentration den Treibhauseffekt verstärkt. Bisher allerdings sind das Einzelbeobachtungen, die Messungen sind sehr aufwändig.
Zwischenfazit: Wie CO2 als Treibhausgas wirkt, ist also sowohl theoretisch als auch durch direkte Messungen gut beschrieben. Das Verständnis beruht auf den Grundlagen der Physik, auf die sich auch unsere moderne Wissenschaft und die Arbeit von Ingenieuren stützen.
CO2 in der Erdgeschichte – Welchen Daten kann man trauen?
Der Gehalt an CO2 in der Atmosphäre wird erst seit den 50er Jahren direkt und kontinuierlich gemessen. Für die Jahrtausende davor gibt es nur Daten aus Eisbohrkernen. Kann man die Daten aus so unterschiedlichen Messmethoden kombinieren, ohne das Ergebnis zu verzerren? Wie repräsentativ sind die Daten des viel zitierten Observatoriums am Mauna Loa? Auch diese Fragen stellen uns BR24-Nutzer in ihren Zuschriften immer wieder. Manche bemängeln, dass als Beleg für den CO2-Anstieg immer wieder die Messkurven des Mauna-Loa-Obervatoriums zitiert werden.
Die moderne Vermessung der Atmosphäre
Charles Keeling war der erste, der die CO2-Konzentration in der Atmosphäre kontinuierlich und direkt maß - ein wichtiger Schritt für die Klimawissenschaft. Am Vulkan Mauna Loa auf Big Island, der größten Insel der Inselgruppe von Hawaii, installierte er ein Messgerät: Die Daten von dort wurden als sogenannte Keeling-Kurve berühmt.
Sie zeigen einen stetigen Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre seit den 50er Jahren. Die Messdaten des Mauna Loa werden gerne zitiert, weil es die längste kontinuierliche Messreihe zum CO2 in der Atmosphäre ist. Doch inzwischen gibt es ein weltweites Netzwerk von Messstationen, die Daten zu CO2 und anderen Bestandteilen der Atmosphäre sammeln, in Deutschland unter anderem auf der Zugspitze.
Alle Stationen zeigen, wie sich stetig mehr CO2 in der Atmosphäre ansammelt. Der letzte Wert, den die Weltmeteorologieorganisation WMO veröffentlichte, lag bei 407,8 ppm, ein weltweiter Durchschnittswert. Der letzte Messwert des Mauna-Loa-Obervatoriums liegt etwas höher bei rund 415 ppm.
Historische Daten und ihre Grenzen
Für die Vergangenheit ist es schwieriger, den CO2-Gehalt der Atmosphäre zu bestimmen. Forscher greifen dafür auf Eisbohrkerne zum Beispiel aus der Antarktis zurück. In ihnen sind winzige Luftbläschen eingeschlossen. In diesen Bläschen ist die Atmosphäre vergangener Jahrtausende konserviert. Sie sind die Überreste der Luft, die in der Schneedecke eingeschlossen war, aus denen das Eis der kilometerdicken Antarktisgletscher Schicht für Schicht entstand. Die Eisschichten enthalten quasi ein Archiv zur Geschichte der Erdatmosphäre.
Daraus kann man ablesen: In den vergangenen 600.000 Jahre schwankte der CO2-Gehalt zwischen 190 und 280 ppm. Die ersten direkten Messungen am Mauna Loa beginnen bei 313 ppm. BR24-Nutzer fragen uns, ob die Werte vergleichbar seien, weil zwischen dem höchsten Wert aus Eiskernen und den ersten direkten Messungen eine Lücke besteht.
Allerdings: Wer die Klimageschichte und die Zusammensetzung der Atmosphäre verstehen will, muss alle Daten zusammentragen, die zur Verfügung stehen. "Dann gibt es vielleicht eine Lücke", sagt Martin Dameris, "aber die Daten der Eisbohrkerne gehen nicht bis heute." Doch alles verfügbare Wissen weist darauf hin, dass die heutigen CO2-Konzentrationen von über 400 ppm in den letzten 600.000 Jahren nie aufgetreten sind, betont Martin Dameris: "Es kann sein, dass ein Teil des Anstieges aus natürlichen Quellen kommt. Fakt ist aber: Der exorbitante Anstieg der CO2-Konzentration ist nicht anders zu erklären als durch das Handeln der Menschen."
Zwischenfazit: Der Mensch verändert den CO2-Gehalt der Atmosphäre
Der Gehalt an CO2 in der Atmosphäre schwankte zwar im Laufe der Erdgeschichte immer wieder. Allerdings überschritt der Wert während der letzten 600.000 Jahre nie eine bestimmte Grenze. Vor allem in den vergangenen 11.000 Jahren war er sehr stabil. In den letzten Jahrzehnten aber zeigen Atmosphärenmessungen deutlich, wie die CO2-Konzentrationen ansteigen.
Der globale Kohlenstoffkreislauf und die Rolle der Natur
Nicht nur der Mensch mit seinen Kohlekraftwerken, Autos und Flugzeugen entlässt CO2 in die Atmosphäre. Auch die Natur selbst ist ein großer CO2-Produzent – gleichzeitig nimmt sie aber auch CO2 aus der Atmosphäre auf. Ein BR24-Nutzer fragte uns: Wie kann man das belegen? Den CO2-Ausstoß des Menschen kann man errechnen, wenn man weiß, wie viel Kohle, Öl und Gas wir verbrennen. Aber wie kann man messen, wie viel CO2 die Natur aufnimmt und produziert? Um das herauszufinden, muss man viele verschiedene Daten miteinander kombinieren.
Zählen, messen, inventarisieren
Zum einen arbeiten Wissenschaftler mit sogenannten Inventurdaten: Forstbehörden und Forscher zählen schon seit vielen Jahrzehnten, wie viel Bäume an bestimmten Standorten wachsen, wie sich ihr Stammdurchmesser über die Jahre vergrößert und vieles mehr. Daraus kann man errechnen, wie viel Biomasse innerhalb eines Jahres gebildet wird. Wie viel Kohlenstoff eine bestimmte Menge Holz wiederum enthält, kann man durch Messungen im Labor herausfinden.
Ebenso können Forscher bestimmen, wie viel Kohlenstoff der Boden an unterschiedlichen Standorten aufnimmt oder abgibt, wenn sie dort regelmäßig Bodenproben nehmen. Moore etwa speichern viel Kohlenstoff und geben ihn ab, wenn sie trockengelegt werden; Ackerlandschaften können je nach Bewirtschaftung Kohlenstoff aufnehmen oder verlieren.
Atmosphäre unter Dauerbeobachtung
Hinzu kommen direkte Messungen aus der Atmosphäre. Dauerhaft installierte Messtürme an inzwischen 500 Standorten weltweit messen, wie viel CO2 aus der Vegetation in die Atmosphäre entweicht und wie viel CO2 das Ökosystem aufnimmt. Die speziellen Messstationen dafür heißen "Eddy-Flux-Türme", weil der Austausch zwischen verschiedenen Luftschichten vor allem über Wirbel (engl. "eddy" = Wirbel) geschieht.
Verschiedene Geräte messen mehrmals pro Sekunde die Konzentration von CO2 und die Schwankungen in der Strömungsgeschwindigkeit der Luft. "Das kann man sich vorstellen wie bei einer Verkehrszählung", erklärt Hans-Peter Schmid, Leiter des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung am Karlsruher Institut für Technologie in Garmisch-Partenkirchen. "Wenn eine hohe Konzentration vom Ökosystem weggeht, dann bedeutet das einen Export, vom Ökosystem in die Atmosphäre – und umgekehrt." So kann man direkt in der Natur messen, wieviel CO2 ein Wald oder eine Wiesenlandschaft in die Atmosphäre abgibt oder aufnimmt.
Satellitenbeobachtungen
Solche Erhebungen kombinieren die Forscher mit weiteren Daten. Zum Beispiel zur Vegetation in bestimmten Regionen dieser Welt. Dabei interessiert sie auch, wie aktiv die Pflanzen zu einem bestimmten Zeitpunkt sind, das heißt ob ein Laubwald gerade viele neue Blätter bildet oder ob er sie abwirft, weil der Herbst kommt.
Messdaten füttern Modelle
All diese Daten fließen in Computermodelle ein, die alle wichtigen Prozesse im Austausch von CO2 zwischen Ökosystemen und Atmosphäre simulieren - zum Beispiel die Photosynthese (hier wird CO2 gebunden), die Stoffwechselprozesse von Bodenmikroben (die CO2 freisetzen) oder die Menge der Blätter, die pro Jahr von Bäumen fällt und am Boden wieder zersetzt wird. Mit diesen Modellen erstellen die Forscherinnen und Forscher globale Karten, die darstellen, wo wieviel CO2 freigesetzt oder gebunden wird.
Diese Modelle sind stark vereinfacht, keines alleine bildet die Realität korrekt ab. Aber wenn man mehrere Modelle miteinander kombiniert, gleichen sich die Schwächen der einzelnen Modelle aus und die Wissenschaftler können Schätzungen zur globalen Kohlenstoffbilanz abgeben.
Die globale Kohlenstoffbilanz
"Seit dem Ende der 90er Jahre kann man relativ gut beschreiben, wieviel CO2 Ökosysteme freisetzen oder binden", fasst Hans-Peter Schmid zusammen. Je mehr Messdaten Forscher und Forscherinnen sammeln und je mehr sie ihre Modelle verfeinern, desto genauer werden die Erkenntnisse. Aktuelle Zahlen zur globalen Kohlenstoffbilanz trägt jedes Jahr das "Global Carbon Project" zusammen, ein weltweiter Zusammenschluss von Wissenschaftlern, die zum Kohlenstoffkreislauf der Erde forschen.
Ihre aktuelle Bilanz: Die Biosphäre (also die belebte Natur in den Ökosystemen der Erde) gibt jährlich rund 440 Gigatonnen CO2 in die Atmosphäre ab und nimmt 452 Gigatonnen CO2 auf. Die Ozeane geben 330 Gigatonnen CO2 ab und binden 339 Gigatonnen. Das heißt unterm Strich binden Landvegetation und Ozeane circa 21 Gigatonnen mehr Kohlendioxid als sie freigeben.
Von den insgesamt 41 Gigatonnen CO2, die die Menschen durch fossile Brennstoffe und Landnutzungsänderungen jedes Jahr erzeugen, reichert sich also nur knapp die Hälfte in der Atmosphäre an. Ohne diese Dienstleistung der Natur würde die menschengemachte Klimaerwärmung viel schneller voranschreiten.
FAZIT
Wie CO2 als Treibhausgas wirkt, ist also sowohl theoretisch als auch durch direkte Messungen gut beschrieben. In den letzten Jahrzehnten zeigen Atmosphärenmessungen deutlich, wie die CO2-Konzentrationen ansteigen. Und mit Hilfe der aktuellen Kohlenstoffbilanz kann man sagen: Ohne diese Dienstleistung der Natur würde die menschengemachte Klimaerwärmung viel schneller voranschreiten.
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