Treibhausgas

Treibhausgase sind gasförmige Stoffe, die zum Treibhauseffekt beitragen und sowohl einen natürlichen als auch einen anthropogenen Ursprung haben können. Die wichtigsten natürlichen Treibhausgase Wasserdampf (36-70% des Treibhauseffekts), Kohlendioxid (CO₂; 9-26%) und Methan (CH₄; 3-7%) heben die durchschnittliche Temperatur an der Erdoberfläche um etwa 30 °C auf +15 °C an. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt hätte die untere Atmosphäre im globalen Mittel nur -18°, was der Verbreitung des Lebens sehr hinderlich (gewesen) wäre.

Die anthropogene Emission von Treibhausgasen verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt. Als mögliche Folge wird nicht nur eine Erwärmung der durchschnittlichen Oberflächentemperatur der Erde diskutiert, sondern auch ein Klimawandel befürchtet.

Wasserdampf, Kohlendioxid und andere Einflüsse

Zum natürlichen Treibhauseffekt trägt der Wasserdampf etwa 70% bei. Er entstammt überwiegend dem Wasserkreislauf (Ozean - Verdunstung - Niederschlag) plus einem kleinen Anteil aus dem Vulkanismus. Kohlendioxid und Methan haben mit etwa 25% (CO₂) bzw. etwa 2% (CH₄) einen deutlich geringeren Beitrag am natürlichen Treibhauseffekt.

Das wichtigste anthropogene Treibhausgas ist das Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Energieträger. Es macht etwa 60% des vom Menschen verursachten Treibhauseffekts aus. Methan, primär aus der Landwirtschaft und Massentierhaltung, trägt rund 20% zum anthropogenen Treibhauseffekt bei. Weitere künstliche Treibhausgase der Luft sind das Distickstoffoxid (Lachgas, N₂O, Beitrag etwa 6%), Fluorkohlenwasserstoffe (FKW bzw. H-FKW), Schwefelhexafluorid (SF₆) und fluorierte Chlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Doch der Mensch erhöht indirekt auch den Wasserdampfgehalt, weil die anthropogene Erwärmung die Verdunstungsrate steigert. Diese sekundäre Verstärkung ("positive Rückkopplung") wird teilweise durch mehr Wolkenbildung kompensiert (Globale Verdunkelung). Doch sind diese Effekte erst wenig geklärt, weil der Wasserdampf sehr ungleich über die Erde verteilt ist und die heutigen Computermodelle der Atmosphäre noch nicht fein genug sind. Die komplizierten Gleichungen für Wind, Strömungen, Verdunstungs- und Strahlungsbilanz, Wolken, Chemie, Gebirgseinfluss usw. benötigen riesige Datenmengen. Viele Prozesse sind so kleinräumig, dass die Klimamodelle auch mit Großrechnern nicht zu bewältigen sind.

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Fluorierte Treibhausgase

Im Kyoto-Protokoll sind neben den klassischen Treibhausgasen CO₂, CH₄ und N₂O auch fluorierte Treibhausgase (F-Gase) aufgenommen worden, da diese aufgrund ihrer hohen Verweildauer in der Atmosphäre ein hohes Treibhauspotenzial besitzen (s. Abbildung 2). Zu den im Kyoto-Protokoll erfassten fluorierten Treibhausgasen gehören

Wasserstoffhaltige Fluorkohlenwasserstoffe (HFC bzw. H-FKW): Kohlenwasserstoffe, deren Moleküle sowohl Fluor- als auch Wasserstoffatome enthalten
Perfluorierte Fluorkohlenwasserstoffe (PFC bzw. FKW): Kohlenwasserstoffe, deren Moleküle keine Wasserstoffatome mehr enthalten (die Wasserstoffatome sind durch Fluoratome substituiert)
Schwefelhexafluorid, SF₆.

Wirkung von Treibhausgasen

Die kurzwellige Sonnenstrahlung wird an der Erdoberfläche zu einem großen Teil reflektiert und als Wärmestrahlung wieder abgestrahlt. Treibhausgase können aufgrund ihrer chemischen Natur in unterschiedlichem Ausmaß die Wärmestrahlung absorbieren und so die Wärme in die Atmosphäre abgeben.

Die Treibhauswirksamkeit eines Gases, also wie stark die Freisetzung eines Gases zum Treibhauseffekt beitragen kann, hängt im Wesentlichen von drei Faktoren ab: Der pro Zeiteinheit freigesetzten Gasmenge (Emissionsrate), den spektroskopischen Eigenschaften des Gases, d.h. wie stark es die Wärmestrahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen absorbiert, und seiner Verweilzeit in der Atmosphäre.

Die atmosphärische Verweilzeit ist die Zeit, die ein Stoff im Durchschnitt in der Atmosphäre verbleibt, bevor er durch chemische oder andere Prozesse wieder aus ihr entfernt wird. Je länger die Verweilzeit eines Treibhausgases ist, desto höher ist auch die theoretische Wirkung.

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Ein Maß für die Treibhauswirkung eines Gases pro Kilogramm Emissionsmenge ist das stoffabhängige sog. relative Treibhauspotenzial (global warming potential, GWP), in dem die Absorptionseigenschaften und die Verweilzeit berücksichtigt sind.

Das relative Treibhauspotential ist eine auf das Kohlendioxid normierte Größe, mit der die Wirkung eines Treibhausgases mit der äquivalenten Menge Kohlendioxid verglichen wird. So hat beispielsweise Methan ein relatives Treibhauspotenzial von 21, d.h. 1 Kilogramm Methan hat die gleiche Treibhauswirkung wie 21 Kilogramm Kohlendioxid. Allerdings sind diese Äquivalenzfaktoren noch mit gewissen Unsicherheiten behaftet.

Das relative Treibhauspotential wird in der Regel auf einen Zeithorizont von 100 Jahren bezogen, d.h. es wird die über einen Zeitraum von 100 Jahren nach der Emission gemittelte Erwärmungswirkung betrachtet. Bezieht man es auf einen anderen Zeithorizont, verändert sich, entsprechend der atmosphärischen Verweildauer, auch das relative Treibhauspotential. Enthält ein Treibhausgas ein oder mehrere Chlor- oder Fluoratome so erhöht sich dessen relatives Treibhauspotential aufgrund der hohen chemischen Stabilität deutlich gegenüber Treibhausgasen ohne Halogenatom(e) (siehe Abb. 2) (Quelle: IPCC: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Cambridge University Press, Cambridge (U.K.) 2001)

Hinsichtlich der Treibhauswirkung von Dieselruß vertritt Mark Z. Jacobson, Professor der Stanford Universität, seit 2002 die These, dass die Wirkung von Ruß aus fossilen Energieträgern und anderen Aerosolen neben CO₂ und CH₄ ebenfalls einen starken Beitrag zum Klimwandel liefert. Ob diese Effekte eher eine Abkühlung oder eine Erderwärmung fördern, ist aufgrund der komplexen Wirkungszusammenhänge noch umstritten.

Abkommen zur Verringerung der Treibhausgasemissionen

Im Kyoto-Protokoll wurde daher ein völkerrechtlich verbindliches Abkommen zur Reduzierung des anthropogenen Ausstoßes von wichtigen Treibhausgasen (direkte Treibhausgase) beschlossen. Andere Treibhausgase, die sog. indirekten Treibhausgase, wie z.B. Kohlenmonoxid, CO, Stickoxide, NO_x, oder flüchtige Kohlenwasserstoffe ohne Methan, NMVOC, sind im Montreal-Protokoll geregelt, weil sie zur Zerstörung der Ozonschicht beitragen.

Siehe auch

Deutsche Emissionshandelsstelle, Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz, Klimawirkung von Dieselruß

Literatur

P. Fabian: Kohlenstoffdioxid und andere Treibhausgase: Luftverschmutzung und ihre Klimawirksamkeit. Praxis der Naturwissenschaften Chemie 45(2), S. 2 ff. (1996), ISSN 0177-9516
Hans-Joachim Ziesing: Treibhausgas-Emissionen nehmen weltweit zu - Keine Umkehr in Sicht. Wochenbericht – Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung 70(39), S. 577 – 587 (2003), ISSN 0012-1304 (PDF)
Eike Roth: "Globale Umweltprobleme - Ursachen und Lösungsansätze", Friedmann Verlag München 2004, ISBN 3-933431-31-X (gut lesbare Darstellung des Treibhausefektes einschließlich seiner Verursachung und Diskussion der Argumente für und gegen einen anthropogenen Einfluss)

Weblinks

Treibhausgase und Aerosole (Hamburger Bildungsserver)
Informationen vom Umweltbundesamt
www.wissenschaft.de: Das Treibhausgas Kohlendioxid beschleunigt das Wachstum von Nadelbäumen
Himmlischer Treibhauseffekt - Kosmische Strahlung bestimmt unser Klima
Current Greenhouse Gas Concentrations - regelmäßig upgedatete Seite mit Messwerten der Treibhausgaskonzentrationen (englisch)

Umweltschutz | Klimatologie

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