Klimawandel Cluedo: Vom Menschen verursachtes CO2

Vom Menschen verursachtes CO2?

Ein wichtiger Eckstein der Vorhersagen über die zukünftige Zunahme globaler Temperaturen ist der gemessene, vom Menschen verursachte (genannt "anthropogene") Anstieg der CO2-Konzentration in unserer Atmosphäre. Auch daher wird dieser Anstieg nicht selten von Seiten derer in Frage gestellt, die die globale Erderwärmung als Ganzes von der Hand weisen. Interessant ist bei solchen Attacken zu beobachten, dass die komplette Beweislage für den anthropogenen Ursprung des CO2-Anstieg dabei offenbar verloren geht. Aber was ist überhaupt die diese These unterstützende Beweislage? Man kann mehr oder weniger zehn fundierte Argumente für die anthropogene Natur des CO2s vorbringen:

1. Der Beginn des beobachteten CsO2-Anstieg fällt mit dem Beginn der industriellen Revolution zusammen;
2. Der langfristige Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration seit dieser Zeit folgt recht genau den kumulativen, anthropogenen CO2-Emissionen;
3. Der jährliche CO2-Anstieg in der Atmosphäre ist geringer als die jährlichen CO2-Emissionen;
4. Die Abnahme der atmosphärischen Konzentrationen des radioaktiven Kohlenstoffisotops 14C deutet auf eine sehr alte CO2 Quelle hin, z.B. fossiler Kohlenstoff oder vulkanische Ausgasung;
5. Abnehmende Konzentrationen des schweren Kohlenstoffisotops 13C in atmosphärischem CO2 deuten auf eine pflanzliche, nicht vulkanische Quelle hin;
6. Die parallel zum CO2 Anstieg abnehmenden Sauerstoffkonzentrationen deuten auf eine Verbrennungs-, anstatt einer vulkanischen Quelle hin;
7. CO2 Konzentrationen im Ozean steigen ebenfalls an, daher kann der atmosphärische Anstieg nicht mit ozeanischen Ausgasungen zusammenhängen;
8. Gemessene CO2 Emissionen aller oberirdischen und ozeanischen Vulkane sind hundertmal kleiner als gemessene anthropogene Emissionen;
9. Bekannte Vegetationsveränderungen, z.B. Regenwaldrodung, sind ungefähr einen Faktor zehn zu klein, um den atmosphärischen Anstieg zu erklären; und
10. Historisch bekannte Schwankungen atmospärischen CO2s als Folge von Schwankungen der Erdtemperatur (Land, Ozean) sind ebenfalls einen Faktor zehn kleiner als gemessen.

1) Der Beginn

Die jährlichen CO2-Emissionen als Folge der Verwendung fossiler Brennstoffe sind vom ungefähr 3 Millionen Tonnen Kohlenstoff (äquivalent mit 11 Millionen Tonnen CO2) in Jahr 1751 auf 54 Millionen Tonnen Kohlenstoff (198 Millionen Tonnen CO2) im Jahre 1850 angestiegen. Danach begann ein rasanterer Anstieg, so dass im Jahr 2008 die jährlichen Emissionen (einschliesslich der aus der Zementproduktion) 8749 Millionen Tonnen Kohlenstoff (32 Billionen Tonnen CO2) erreicht hatten. Der beobachtete atmosphärische Anstieg begann ebenfalls um 1750 und folgt seither diesen Emissionen. Diese ausserordentliche Parallelität ist ein sehr starker Hinweis auf den ursächlichen Zusammenhang zwischen Emissionen und atmosphärischem Anstieg von CO2.

(Wolfgang Knorr, 2009)

2) Die Korrelation

Über einen langen Zeitraum betractet (1850-2005) korreliert die CO2-Konzentration ausserordentlich gut (R^2 = 0.962) mit den kumulativen anthropogenen CO2-Emissionen aller Quellen, einschliesslich der vom Menschen veränderten Landnutzung (wie z.B. Waldrodung für Landwirtschaft). Diese gute Korrelation hat sich auch in den letzten Jahrzehnten fortgesetzt, wie ein Vergleich mit den bekannten Daten vom Mauna Loa zeigt (R^2 = 0.955). Solch ein exakter Zusammenhang wäre nur dann außergewöhnlich wenn anthropogene Emissionen nicht die Ursache des atmosphärischen Anstiegs wären.

(Scripps Institute)

3) Die Massenbilanz

Über das 20. Jahrhundert hinweg lag der atmosphärische CO2-Anstieg stets unter den anthropogenen CO2-Emissionen, im Schnitt "nur" bei 56% zwischen 1850 und 2005. Sehr wahrscheinlich lag der Anstieg der gesamten CO2-Emissionen unter dem der anthropogenen Emissionen seit den frühen 1880er Jahren, ungefähr der Zeit als letztere das Äquivalent eines atmosphärischen jährlichen Anstiegs von 0.45 ppm (1 ppm = 1 Teilchen pro 1 Million Teilchen) erreichten. Gegenwärtig liegt der jährliche Anstieg bei über 2 ppm, und es wird mit grossem Interesse beobachtet, dass der Anteil anthropogener CO2-Emissionen, der in der Atmosphäre verbleibt, in letzter Zeit zugenommen hat. Das bedeutet, dass natürliche Reservoire bisher, aber abnehmend, im Schnitt 44% der anthropogenen CO2-Emissionen absorbiert haben, und dass die Quelle des atmosphärischen Anstiegs nur anthropogen sein kann.

(Adaptiert von Cawley, 2011; Daten von CDIAC)

4) Abnehmende 14C Menge

14C, ein radioaktives Isotop von Kohlenstoff, wird durch die Absorption kosmischer Strahlung in der Atmosphäre gebildet. Es hat eine relative lange Halbwertszeit von 5730 Jahren, wird staendig neu gebildet, und es sollte daher ein nahezu konstante Menge in der Atmosphaere zu beobachten sein. 14C in Materialien nicht in Kontakt mit der Atmosphaere zerfaellt allerdings ohne erneuert zu werden. Daher hat CO2, dass von solchen Quellen emittiert wird, wie z.B. Vulkanen oder fossilen Brennstoffen, effektiv kein 14C. Die Addition grosser Mengen CO2 von solch einer Quelle führt daher zu einer "Verdünnung" der atmosphaerischen 14C Menge, und genau dass wird beobachtet. Hochpräzise Messungen in den letzten Jahren zeigen, dass diese Abnahme sich auch nach den oberirdischen Atombombenversuchen der 50er und 60er Jahre, die als aussergewöhnliche 14C Quelle fungierten, fortgesetzt hat. Dies ist Beleg dafür, dass die zunehmende atmosphärische Konzentration von CO2 eine Folge fossiler Kohlenstoff-Emissionen ist, mit Ursprung entweder in Vulkanen oder fossilen Brennstoffen.

(Levin and Hesshaimer 2006)

5) Abnehmendes 13C/12C Verhältnis

Kohlenstoff hat zwei stabile Isotope, 12C und 13C; das schwerere 13C Isotop (ein extra Neutron) stellt nur ca. 1% der Gesamtmenge dar. Während der pflanzlichen Photosynthese wird bevorzugt 12CO2 aus der Atmosphäre entnommen mit dem Resultat, dass kohlenstoffhaltige "Produkte" der Photosynthese, wie z.B. Holz oder auch Menschen und Tiere und fossile Brennstoffe, die aus diesen gebildet wurden, ein geringeres 13C/12C Verhältnis haben als die Atmosphäre selbst. Wenn man also ein grosse CO2-Menge mit solch geringem 13C/12C Verhältnis in die Atmsophäre entlaesst, verdünnt man daher das atmosphaerische 13C/12C Verhaeltnis. Im Vergleich dazu würde die Ausgasung von CO2 aus Vulkanen oder von gelöstem CO2 im Ozean das atmsophaerische 13C/12C Verhaeltnis nicht veraendern. In der Tat, die besagte Verdünnung wird beobachtet und ist ein starker Beleg für eine Quelle deren 13C/12C Verhaeltnis gering ist und sehr wahrscheinlich auf Photosynthese zurückzuführen ist. Solch eine Quelle ist entweder natürlich (Biosphäre) oder fossile Brennstoffe, aber definitiv nicht vulkanisch oder ozeanisch.

(Bohm et al, 2002)

6) Abnehmende Sauerstoffkonzentrationen

Parallel zum CO2-Anstieg wird ebenfalls eine O2-Abnahme in der Atmosphäre beobachtet. Obwohl das Verhältnis von Zu- und Abnahme nicht genau mit der Stoichiometrie einer Verbrennung uebereinstimmt, so lässt sich doch logisch ausschliessen, dass es eine wie auch immer geartete nicht-Verbrennungs-CO2 Quelle gibt, die mit der beobachteten Sauerstoffabnahme in Einklang zu bringen ist. Weil die beobachtete Sauerstoffabnahme jedoch von hoher Bedeutung ist, wurde sie genauer erforscht, und durch eine Kombination mehrerer Prozesse erklärt, die hier dargestellt sind (IPCC Third Assessment report, 2001):

(Quelle)

Die O2-Abnahme ist entlang der y-Achse, die CO2-Zunahme entlang der x-Achse aufgetragen. Die kurzen Pfeile mit Jahresangaben geben die atmosphärischen Beobachtungen wieder. Der lange, diagonale Pfeil, rechts mit "fossil fuel burning" gekennzeichnet, gibt die Stoichiometrie einer Verbrennung wieder und endet rechts unten bei den erwarteten atmosphärischen CO2- und O2-Konzentration unter Annahme, dass alles CO2 in der Atmosphäre verbleiben sei. Wie oben beschrieben, verbleibt jedoch nur ca. 56% in der Atmosphäre. Im wesentlichen zwei weitere Prozesse entnehmen die verbleibenden 44%: Der Pfeil "ocean uptake" beschreibt die (chemische) Löslichkeit von CO2 im Ozean, die ohne eine Änderung atmosphärischen Sauerstoffs abläuft; der Pfeil "land uptake" beschreibt den (CO2-stimulierten) Prozess der Photosynthese von Landpflanzen und verlaueft parallel zum Prozess der Verbrennung in umgekehrter Richtung. Zuguterletzt kann der verbleibende Unterschied zwischen den Messungen und diesen drei Prozessen durch einen vierten, "outgassing", erklärt werden. Dabei handelt es sich schlicht um eine relativ kleinere Menge (physikalisch) gelösten Sauerstoffs in Meerwasser, verursacht durch den beobachteten Temperaturanstieg im Ozean und die Abnahme in der Atmsophäre selbst, und ist im diesen Fall ohne Einfluss auf CO2. Obwohl die drei letzteren Prozesse nicht so gut erfasst sind wie der erste, die Verbrennung fossilen Kohlenstoffs, so sind sie doch gut begruendet. Interessant ist, dass der in diesem Graph erklärte Unterschied zwischen CO2-Zunahme und O2-Abnahme auch zeigt, dass die Landbiosphäre gegenwärtig mehr Kohlenstoff aufbaut als durch natuerliche Zersetzung oder anthropogene Landumwandlung (z.B. Rodung) wieder an die Atmosphäre abgegeben wird.

7) Zunehmende Meerwasser CO2-Konzentrationen

Parallel zum CO2-Anstieg in der Atmosphäre wird im Ozean ein Anstieg von gelöstem CO2 (und dessen Karbonaten) beobachtet. Mehr gelöstes CO2 wird wissenschaftlich als erhöhter Partialdruck (pCO2) bezeichnet und führt simultan zu einer Abnahme des Meerwasser pH Wertes, d.h. der Ozean wird "saurer". Würde die Menge an gelöstem CO2 abnehmen, als der CO2 Partialdruck abnehmen, so würde auch der pH zunehmen. Dies ist ein eindeutiger Beleg dafür dass ozeanische CO2-Ausgasung nicht der Grund für den CO2-Anstieg in der Atmosphäre ist.

(Quelle)

8) Messungen vulkanischer Ausgasung

Wissenschaftler haben eine Vielzahl verschiedener Methoden verwendet, um die CO2-Emission von Vulkanen zu bestimmen. Ein typische Methode is die Verwendung eines sogenannten Tracers, einem Gas das bekanntermassen von Vulkanen emittiert wird, wie z.B. Schwefeldioxid, SO2. Die Bestimmung der Emissionsrate des Tracers zusammen mit dem Verhältnis dieses zu CO2 in der Umgebung von Vulkanen verschiedener Aktivität erlaubt dann die Bestimmung der Gesamtemissionen von CO2 aus Vulkanen im Verhältnis zur vulkanischen Aktivität als Ganzes. Andere Methoden werden verwendet, um Emissionen von Vulkanen und anderen geologischen Quellen unter der Meeresoberfläche zu bestimmen. Als Resultat dieser Arbeiten wurde gefunden, dass alle vulkanischen Quellen zusammen nur etwa ein hundertsel der gut bekannten anthropogenen CO2-Emissionen ausmachen. Trotz möglicher Ungenauigkeiten ist es sehr unwahrscheinlich, dass der Fehler dieser Abschätzung so gross sein könnte, um die vulkanische CO2-Quelle zu einem beträchtlichen Anteil anthropogener Emissionen zu erhöhen (siehe Graph). Dies belegt dass vulkanische CO2-Emissionen nicht für den atmosphärischen Anstieg der CO2-Konzentration verantwortlich sein können.

(Verhältnis von durch Menschen und Vulkane verursachter CO2-Emissionen; Quelle)

9)  Bekannte, globale Vegetations-Veränderungen

Indirekte CO2-Emissionen entstehen durch anthropogene Landveränderungen, insbesondere Rodungen für Landbau. Sie repräsentieren nahezu 10% aller anthropogenen CO2-Emissionen, mit abnehmender Tendenz. Im Verlauf des letzten Jahrhunderts stellten Rodungen und ähnliche, menschenverursachte Landnutzungsänderungen die größten Landveränderungen dar. Keine natürlichen Veränderungen vergleichbarer Natur sind bekannt (Quelle). Im Gegenteil, wie oben mit Bezug auf die atmosphärische Sauerstoffabnahme diskutiert, hat die Kohlenstoffmenge in Landvegetation sehr wahrscheinlich zugenommen. Sie nimmt noch immer zu aber mit fallender Tendenz.

10) Urzeitliche Veränderungen der CO2-Konzentration

Während der "Eiszeiten", also nicht anthropogen beeinflusst, korrelierte die natürliche atmosphärische CO2-Konzentration mit globalen Temperaturen, mit einem Anstieg von ca. 22 ppm CO2 pro Grad Celsius Temperaturanstieg wie man durch Analyse von Eisbohrkernen herausgefunden hat. Dieselben Methoden zeigen, dass auch in juengerer Zeit, im fruehen Mittelalter, Temperaturschwankungen von ca. einem Grad Celsius mit CO2-Schwankungen von etwa 10 ppm einhergingen (siehe Graph). Betrachtet man den gegebenen, globalen Temperaturanstieg von 0.8 Grad Celsius seit 1850, so sollte man also einen parallelen, natuerlichen CO2-Anstieg von 8-16 ppm erwarten. Tatsächlich jedoch beträgt der Anstieg etwa 110 ppm ueber diesen Zeitraum, und dies ist eine weiterer Beleg dafuer, dass der Grund des beobacteten atmosphärischen Anstiegs nicht in natuerlichen Quellen liegen kann.

(Quelle)

Eine Runde Klimawandel Cluedo

Viele von uns haben schon einmal Cluedo gespielt. Wir haben schnell gelernt, wie man durch die ergatterten Hinweise - und insbesondere die fehlenden Hinweise - ein klares Bild davon erhalten kann, wer wo und mit was die Tat begangen hat. Dazu konnte man sich z.B. der dem Spiel mitgelieferten Matrix bedienen. Auch die Wissenschaft bedient sich gerne solcher Mittel. Wenn wir die obigen Belege und Hinweise (ähnlich unserer Fragen im Cluedo-Spiel) vor uns ausbreiten, ergibt sich ein klares Bild davon, dass es wir Menschen sind, die für den Anstieg atmosphärischen CO2s verantwortlich sind. Jede andere Erklärung kann aufgrund der gesammelten Beweislage ausgeschlossen werden:

Beweismatrix für anthropogenes CO2

Deutsche Version von Gunnar Schade

Translation by BaerbelW. View original English version.