Kurz und knapp

Seit der vorindustriellen Zeit verbrauchen wir immer größere Mengen fossiler Brennstoffe. Wir können dies mit eigenen Augen sehen, oft nur durch einen Blick aus dem Fenster, oder hören, wenn wir auf den Straßenverkehr achten. Der Anblick und die Geräusche der Verbrennung fossiler Brennstoffe sind konstant und unaufhörlich.

Kohlendioxid, neben Wasserdampf eines der beiden Hauptprodukte dieser Verbrennung, können wir weder sehen noch schmecken. Aber es steigt unaufhörlich in unsere Atmosphäre auf - allein im Jahr 2021 waren es nach Angaben der Internationalen Energieagentur 36.300.000.000 Tonnen. Stellt euch einmal vor, solche eine Menge Sand würde zu einem Haufen aufgeschüttet!

Sind diese Treibhausgase in den oberen Atmosphärenschichten angekommen, wird ein entscheidender Unterschied zwischen Kohlendioxid und Wasserdampf besonders wichtig. Wasserdampf kondensiert zu Wolken und gefriert zu Eiskristallen. Aus den Wolken fallen Regen, Hagel, Graupel und Schnee - ein ständiger, zyklischer Prozess, auch wenn es an verschiedenen Orten viel mehr oder viel weniger Niederschlag geben kann.

Kohlendioxid ist bei dem in der Erdatmosphäre herrschenden Luftdruck nicht flüssig. Stattdessen geht es bei normalem Luftdruck bei -78 °C vom festen in den gasförmigen Zustand über. Festes Kohlendioxid ist auch als Trockeneis bekannt, kann sich aber im Temperaturbereich der Erdatmosphäre nicht bilden, obwohl es für verschiedene Zwecke industriell hergestellt wird. Im Gegensatz zu Wasserdampf ist Kohlendioxid also ein Beispiel für ein nicht kondensierbares Gas: Wenn es einmal in der oberen Atmosphäre angekommen ist, bleibt es für lange Zeit da. Deshalb führen unsere enormen CO₂-Emissionen dazu, dass die Konzentration dieses Gases immer weiter ansteigt.

Wenn ihr unbedingt einen Beweis für das oben Gesagte braucht, hier ist er: Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe hat einen eindeutigen chemischen Fingerabdruck, den man in Luftproben leicht messen kann. Wie das gemacht wird, könnt ihr weiter unten nachlesen. Diese Messungen - deren Trend genau so verläuft, wie wir es aufgrund unserer steigenden Emissionen erwarten würden - zeigen, dass es sich nicht um ein Problem von jemand anderem handelt, sondern dass wir alle auf die eine oder andere Weise mitschuldig sind.

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Weiterführende Informationen

Wenn ihr einen überzeugenden Beweis für die vom Menschen verursachten CO₂-Emissionen und ihre Rolle bei der globalen Erwärmung finden wollt, wo würdet ihr suchen? Es gibt viele, und in der englischen Version der Widerlegung sind etliche davon aufgelistet und beschrieben, aber wir beginnen hier mit dem wichtigsten.

Die Produktion und Nutzung fossiler Brennstoffe ist gut dokumentiert. Daher sind auch die CO₂-Emissionen gut dokumentiert. Im Jahr 2019 wurden etwa 44,25 Milliarden Tonnen (oder Gigatonnen) in die Atmosphäre ausgestoßen (IPCC AR6, WG III Technical Summary 2022). Dies ist der höchste Wert, der in einem stetigen jährlichen Aufwärtstrend verzeichnet wurde. Wir wissen also nur zu gut, dass wir in der jüngeren Vergangenheit jedes Jahr Dutzende Milliarden Tonnen CO₂ in die Atmosphäre abgegeben haben. Wie können wir diesen Fingerabdruck fossiler Brennstoffe in der Luft nachweisen? 

Abbildung 1: Die menschlichen Fingerabdrücke am "Tatort" des Klimawandels. Beachte, dass sich mehrere Spuren auf "Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen" beziehen. Bitte lies weiter ....

Die Antwort liegt in den Isotopen des Kohlenstoffs.

Die meisten chemischen Elemente kommen in der Natur in mehr als einer Form vor. Diese verschiedenen Formen werden als Isotope eines Elements bezeichnet. Kohlenstoff ist da keine Ausnahme. Seine wichtigsten natürlichen Isotope sind Kohlenstoff 12, Kohlenstoff 13 und Kohlenstoff 14, die mit C-12, C-13 und C-14 abgekürzt werden. Alle drei enthalten in ihren Atomkernen sechs Protonen - das ist die Ordnungszahl des Kohlenstoffs, und die ist fest. Aber die Atomkerne von Kohlenstoff 12 enthalten sechs Neutronen, C-13 sieben und C-14 acht.

Kohlenstoff 14 kommt nur in winzigen Spuren vor: eine grobe Schätzung ist etwa ein Atom pro Gramm Kohlenstoff. Es entsteht in der Natur durch Neutronenbeschuss von Stickstoffatomen aus der kosmischen Strahlung nahe dem oberen Rand unserer Atmosphäre. Auch der Mensch trägt dazu bei: Kernexplosionen erzeugen ebenfalls hochenergetische Neutronen, und der Waffentestwahnsinn des letzten Jahrhunderts hat die Menge an C-14 um zwei Größenordnungen erhöht. Das Isotop ist nützlich, weil es radioaktiv ist und zur radiometrischen Datierung von geologisch jungem Material verwendet werden kann. Da es schnell zerfällt (Halbwertszeit 5.700 Jahre), enthält alles, was älter als etwa 50.000 Jahre ist, zu wenig C-14 für die Radiokohlenstoffdatierung. Fossile Brennstoffe, die Millionen bis Hunderte von Millionen Jahren alt sind, enthalten kein C-14.

Kohlenstoff 12 ist stabil und weit verbreitet, er macht 98,93 % des gesamten Kohlenstoffs auf der Erde aus, der Rest ist Kohlenstoff 13, abgesehen von einer winzigen Menge Kohlenstoff 14. Beim lebenswichtigen Prozess der Photosynthese nehmen Pflanzen Kohlendioxid und Wasser auf. Diese Rohstoffe werden in Nährstoffe (Zucker) umgewandelt, und als Nebenprodukt werden zwei Drittel des enthaltenen Sauerstoffs an die Atmosphäre abgegeben, die dadurch für uns und andere Lebewesen atembar wird. Wichtig ist, dass bei der Photosynthese die Kohlenstoffisotope fraktioniert werden, d.h. das Verhältnis von C-12 und C-13 wird durch die beteiligten chemischen Reaktionen verändert, wobei C-12 bevorzugt in diesen Zucker aufgenommen wird. Die Photosynthese führt also zu einer Verschiebung zugunsten von C-12.

Jede kohlenstoffhaltige Probe - eine Flasche Öl, ein Stück Kohle, ein Stück Kalziumkarbonat wie Kalkstein oder eine Muschel, eine Flasche Luft - es gibt viele Beispiele - kann analysiert und die Zusammensetzung ihrer Kohlenstoffisotope bestimmt werden. Auf diese Weise kann das Verhältnis von C-13 zu C-12 (delta oder dC-13) berechnet und mit einer international anerkannten Standard Zusammensetzung verglichen werden. Die Gleichung lautet

delta C-13 = ((C-13/C-12 Probe)/(C-13/C-12 Standard)-1) x 1000

Aufgrund der bevorzugten Aufnahme von C-12 in Pflanzen ist der in ‰ ausgedrückte dC-13-Wert von allem, was aus ihrer Zersetzung, Verbrennung, Konservierung oder ihrem Verbrauch stammt, ähnlich. Der niedrigere (oder negativere) dC-13-Wert verbreitet sich also über die Nahrungskette und bleibt in Kohle-, Öl- oder Gaslagerstätten, in Karbonatgesteinen wie Kalkstein und in Muschelfossilien erhalten.

Es sollte daher nicht überraschen, dass bei der Förderung und Verbrennung fossiler Brennstoffe das freigesetzte CO₂ der Atmosphäre einen negativeren dC-13-Wert verleiht - und genau das finden wir. Wäre das gesamte CO₂ in der Atmosphäre das von Vulkanen emittierte, läge der dC-13-Wert näher bei Null; stattdessen ist der anhaltende Trend immer negativer; eine kumulative Darstellung der Luftmessstationen auf dem Mauna Loa und am Südpol (Abbildung 2) zeigt Werte von -7,5‰ im Jahr 1980, die kontinuierlich auf -8,5‰ im Jahr 2020 ansteigen. Der geschätzte vorindustrielle Wert liegt bei -6,6‰ (Graven et al. 2020). Dies ist ein Hinweis auf die anthropogenen Kohlendioxidemissionen. Ein weiterer Grund ist, dass fossile Brennstoffe kein C-14 enthalten und somit auch die CO₂-Emissionen aus fossilen Brennstoffen kein C-14 enthalten und somit die ohnehin geringe Menge an C-14 in der Atmosphäre weiter verdünnen.

Abbildung 2: Der Datensatz der Kohlenstoff-Isotopen, 1975-2022. Schwarze Punkte: Monatlich gemitteltes Kohlenstoff-Isotopenverhältnis (dC-13) des atmosphärischen Kohlendioxids am Mauna Loa Observatorium, Hawaii. Wie bei der Keeling-Kurve des CO₂-Gehalts zeigt das Diagramm die jahreszeitlichen Schwankungen, die durch photosynthetische Pflanzen verursacht werden, wenn die Blätter wachsen und dann absterben. Rote Punkte: Monatsdurchschnitt dC-13 des atmosphärischen Kohlendioxids am Südpol, Antarktis.

Das Kohlenstoffisotopenverhältnis ist auch in der Geologie von großem Nutzen. Plötzliche Änderungen ihrer Werte, die als positive oder negative "Ausschläge" bekannt sind, zeigen an, dass etwas Gewaltiges passiert ist. Einer der größten negativen dC-13-Ausschläge in den geologischen Aufzeichnungen markiert beispielsweise das Massenaussterben am Ende des Perms vor 250 Millionen Jahren (Saitoh & Isozaki 2021).

Die Tatsache, dass eine der längsten und umfangreichsten vulkanischen Episoden der letzten 500 Millionen Jahre zeitgleich mit dem Massenaussterben am Ende des Perms stattfand, lässt vermuten, dass zu dieser Zeit viel CO₂ freigesetzt wurde. Vulkanogenes CO₂ aus dem Erdmantel hat jedoch einen "schwereren" oder positiveren dC-13-Wert von etwa -6‰. Es kann die negative Abweichung nicht verursacht haben, aber es könnte eine Rolle gespielt haben. In dem Sedimentbecken, durch das das Magma aus dem Erdinneren aufstieg, befanden sich riesige Öl- und Kohlevorkommen, die bei der Eruption weitgehend geröstet wurden. Man schätzt, dass die Eruptionen des Sibirischen Trapps in nur wenigen zehntausend Jahren zwischen zehn und hundert Billionen Tonnen Kohlendioxid freigesetzt haben, das zum Teil vulkanischen Ursprungs war, zum großen Teil aber aus den verbrannten fossilen Lagerstätten stammte. Was vor 250 Millionen Jahren in Sibirien geschah, ist für die Menschheit die eindringlichste Warnung vor Eingriffen in den Kohlenstoffkreislauf der Erde.