Viele verschiedene Gase bilden die Atmosphäre der Erde. Allein Stickstoff macht 78 Prozent aus. Sauerstoff, an zweiter Stelle, macht weitere 21 Prozent aus. Viele andere Gase machen das restliche 1 Prozent aus. Einige davon (wie Helium und Krypton) sind chemisch inert. Das heißt, sie reagieren nicht mit anderen. Andere haben die Fähigkeit, wie eine Decke für den Planeten zu wirken. Diese sind als Treibhausgase bekannt geworden.
Wie die Fenster in einem Gewächshaus fangen diese Gase die Energie der Sonne als Wärme ein. Ohne ihre Rolle bei diesem Treibhauseffekt wäre es auf der Erde ziemlich frostig. Laut der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) läge die globale Durchschnittstemperatur bei etwa -18° Celsius (0° Fahrenheit). Stattdessen beträgt die durchschnittliche Temperatur auf der Oberfläche unseres Planeten etwa 15 °C, was ihn zu einem angenehmen Ort für das Leben macht.
Seit etwa 1850 haben menschliche Aktivitäten jedoch zusätzliche Treibhausgase in die Luft abgegeben. Dies hat zu einem langsamen Anstieg der Durchschnittstemperaturen auf dem gesamten Globus geführt. Insgesamt lag der globale Durchschnitt 2017 um 0,9 Grad Celsius höher als zwischen 1951 und 1980. Das geht aus Berechnungen der NASA hervor.
Stephen Montzka ist ein Forschungschemiker bei der NOAA in Boulder, Colo. Es gibt vier Haupttreibhausgase, über die man sich Sorgen machen muss, sagt er. Das bekannteste ist Kohlendioxid (CO2). Die anderen sind Methan, Distickstoffoxid und eine Gruppe, die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) und deren Ersatzstoffe enthält. (FCKWs sind Kältemittel, die eine Rolle bei der Ausdünnung der schützenden Ozonschicht in den Höhenlagen der Erde gespielt haben. Sie werden als Teil eines 1989 begonnenen globalen Abkommens aus dem Verkehr gezogen.)
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Viele Chemikalien beeinflussen das Klima. Montzka merkt jedoch an, dass diese vier Treibhausgase diejenigen sind, „die wir direkt kontrollieren können.“
Klimaerwärmende Chemikalien
Jedes Treibhausgas steigt, sobald es emittiert wird, in die Luft auf. Dort hilft es der Atmosphäre, die Wärme zu speichern. Einige dieser Gase fangen pro Molekül mehr Wärme ein als andere. Einige bleiben auch länger in der Atmosphäre als andere. Das liegt daran, dass jedes dieser Gase unterschiedliche chemische Eigenschaften hat, so Montzka. Außerdem werden sie im Laufe der Zeit durch unterschiedliche Prozesse aus der Atmosphäre entfernt.
Überschüssiges CO2 stammt hauptsächlich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe – Kohle, Öl und Erdgas. Diese Brennstoffe werden für alles verwendet, vom Antrieb von Fahrzeugen über die Stromerzeugung bis hin zur Herstellung von Industriechemikalien. Im Jahr 2016 machte CO2 81 Prozent der in den Vereinigten Staaten emittierten Treibhausgase aus. Andere Chemikalien sind effektiver beim Einfangen von Wärme in der Atmosphäre. Aber CO2 ist das am häufigsten vorkommende der durch menschliche Aktivitäten freigesetzten Gase. Es bleibt auch am längsten in der Atmosphäre.
Ein Teil des CO2 wird jedes Jahr von den Pflanzen beim Wachstum entfernt. Viel CO2 wird jedoch in den kälteren Monaten freigesetzt, wenn die Pflanzen nicht wachsen. CO2 kann auch aus der Luft in den Ozean gezogen werden. Organismen im Meer können es dann in Kalziumkarbonat umwandeln. Schließlich wird diese Chemikalie zu einem Bestandteil von Kalksteingestein, in dem der Kohlenstoff für Jahrtausende gespeichert werden kann. Dieser Prozess der Gesteinsbildung ist sehr langsam. Insgesamt kann CO2 für Jahrzehnte bis hin zu Tausenden von Jahren in der Atmosphäre verweilen. Montzka erklärt: „Selbst wenn wir heute aufhören würden, Kohlendioxid auszustoßen, würde die Erwärmung noch sehr lange andauern.“
Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas. Es wird auch aus einer Reihe von biologischen Quellen freigesetzt. Dazu gehören der Reisanbau, Tierdung, die Verdauung von Kühen und der Abbau von Abfällen, die auf Deponien gelagert werden. Methan ist für etwa 10 Prozent der Treibhausgasemissionen in den USA verantwortlich. Jedes Molekül dieses Gases kann Wärme viel besser einschließen als ein Molekül CO2. Aber Methan verbleibt nicht so lange in der Atmosphäre. Es wird abgebaut, wenn es in der Atmosphäre mit Hydroxylradikalen (neutral geladene OH-Ionen, die aus gebundenen Sauerstoff- und Wasserstoffatomen bestehen) reagiert. „Die Zeitskala für den Abbau von Methan beträgt etwa ein Jahrzehnt“, merkt Montzka an.
Nitrous-Oxid (N2O) machte 2016 6 Prozent der von den USA emittierten Treibhausgase aus. Dieses Gas stammt aus der Landwirtschaft, der Verbrennung von fossilen Brennstoffen und menschlichen Abwässern. Aber lassen Sie sich von seiner geringen Menge nicht dazu verleiten, die Auswirkungen von N2O zu vernachlässigen. Dieses Gas ist bei der Speicherung von Wärme hundertmal effektiver als CO2. Außerdem kann N2O fast ein Jahrhundert lang in der Atmosphäre verbleiben. Jedes Jahr wird nur etwa 1 Prozent des in der Luft befindlichen N2O von grünen Pflanzen in Ammoniak oder andere Stickstoffverbindungen umgewandelt, die Pflanzen nutzen können. Dieser natürliche N2O-Abbau ist also „wirklich langsam“, sagt Montzka.
FCs und ihre neueren Ersatzstoffe werden alle von Menschen hergestellt. Viele wurden als Kühlmittel verwendet. Andere werden als Lösungsmittel für chemische Reaktionen und in Aerosolsprays verwendet. Zusammen machten sie 2016 nur etwa 3 Prozent der Treibhausgasemissionen in den USA aus. Diese Gase werden nur entfernt, wenn sie in einer hohen Schicht der Atmosphäre eingeschlossen werden. In dieser Stratosphäre bombardiert hochenergetisches Licht die Chemikalien und spaltet sie auf. Aber das kann Jahrzehnte dauern, sagt Montzka.
Chemikalien auf Fluorbasis wie FCKW, stellt er fest, „sind starke Treibhausgase, auf einer pro-Molekül-Basis.“ Aber ihre Freisetzung ist so gering, dass ihr Gesamteinfluss im Vergleich zu CO2 recht klein ist. Die Verringerung der Emissionen von Methan, N2O und FCKW wird helfen, den Klimawandel zu verlangsamen, bemerkt Montzka. „Aber wenn wir das Problem lösen wollen, müssen wir uns um das CO2 kümmern“, sagt er. „Es trägt am meisten dazu bei … und es hat eine extrem lange Verweilzeit in der Atmosphäre.“