EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

128 128 Treibhausgase – Kohlenstoffdioxid, Methan, Lachgas, Wasserdampf 5.9 CO 2 – Treibhauseffekt und Kohlenstoffkreislauf Treibhauseffekt Die Erde erhält Energie von der Sonne in Form von Licht und Wärmestrahlung. Die Atmosphäre ist für beide weitgehend durchlässig. Das Licht wird am Bo- den von der Vegetation aufgenommen, zum Teil chemisch gespeichert (Pho- tosynthese), zum Teil in Wärme verwandelt. Auf der Nachtseite (hauptsächlich, aber nicht nur) wird Wärme ins Weltall abgestrahlt. So entsteht ein Temperatur- gleichgewicht. Treibhausgase, die Wärmestrahlung absorbieren, verringern die Abstrahlung. Dadurch steigt die Temperatur, bis ein neues Strahlungsgleichge- wicht erreicht ist. Die zwei wichtigsten Treibhausgase in unserer Atmosphäre sind Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. Ohne sie wäre die Erde ein Eisplanet mit einer durch- schnittlichen Oberflächentemperatur von –18 °C. Der Treibhauseffekt ermög- licht also erst Bedingungen, wie wir sie heute haben (durchschnittliche Tempe- ratur ca. 15 °C). Kohlenstoffdioxid In dieses Gleichgewicht greift der Mensch seit der Industriellen Revolution durch die Verbrennung fossiler Energieträger ein. Der CO 2 -Gehalt der Atmosphä- re hat sich von ursprünglich unter 300 auf heute (2019) 412 ppm erhöht. Dies ist, so nimmt man heute an, die Hauptursache für die globale Erwärmung. Neben dem CO 2 existieren weitere Treibhausgase, die ebenfalls einen Einfluss auf die Atmosphärenerwärmung haben. Methan CH 4 , Lachgas N 2 O und FCKWs Methan ist als IR-Absorber mehr als 20-mal wirksamer als CO 2 , seine Konzen- tration in der Atmosphäre ist allerdings viel geringer. Auch seine Verweildauer ist geringer, da es durch den Luftsauerstoff oxidiert wird. Es kommt bei der Ge- winnung von Erdgas und Erdöl durch den Menschen in die Atmosphäre. Beim anaeroben Abbau von Cellulose in Sümpfen wird natürlicherweise Methan frei (Sumpfgas). Der Reisanbau in überfluteten Feldern trägt, nach demselben Me- chanismus vom Menschen verursacht, zur Methanbelastung bei. Auch Müllde- ponien und Mist- und Jauchebehälter sind Methanquellen (Biogas). Im Magen der Wiederkäuer entsteht Methan durch Bakterienwirkung. Die Massentierhal- tung von Rindern durch den Menschen ist daher eine weitere beachtliche Me- thanquelle. Das Lachgas entsteht bei einer komplexen Reaktion von Ammonium- bzw. Nitra- tionen im Boden (Abb. 129–1). Normalerweise wird Nitrat aber sofort von Pflan- zen aufgenommen und steht nur sehr eingeschränkt für die Reaktion zur Verfü- gung. Lachgasbildung tritt daher hauptsächlich in unbewachsenen Böden auf, also in stark gedüngten Böden nach dem Pflügen oder nach der Brandrodung von Urwaldflächen. Lachgas ist ca. 300-mal treibhauswirksamer als CO 2 , seine Konzentration ist aber noch geringer als die von Methan (Abb. 128–3). Die wirksamsten IR-Absorber sind Fluorchlorkohlenwasserstoffe. Da sie auch die Ozonschicht angreifen, geht ihr Einsatz weltweit zurück (manche sind kom- plett verboten), sodass ihr Beitrag zur Erderwärmung abnimmt. Als Wärmeüber- träger in Klimaanlagen spielen sie aber noch eine Rolle. Wasserdampf Das wichtigste Treibhausgas ist der Wasserdampf. Er hat auf Grund seiner hohen Konzentration den größten Anteil am Treibhauseffekt. Seine Konzentration ist allerdings örtlich sehr unterschiedlich, je nach Klima und Wettergeschehen. Der Mensch beeinflusst die Wasserdampfkonzentration indirekt durch die Erderwär- mung. Es ist daher zu befürchten, dass ein selbstverstärkender Prozess in Gang kommt – höhere Temperatur führt zu mehr Wasserdampf, der wieder zu höherer Temperatur. Allerdings führt mehr Wasserdampf auch zu mehr Wolkenbildung. Wolken reflektieren einen Teil des Sonnenlichtes ins Weltall zurück, was zu einer Entlastung der Energiebilanz führt. Hier sind die Klimamodelle nicht eindeutig. Abb. 128–3: Eigenschaften klimarelevanter Spurengase c 0 c ∆ c/c CO 2 280 353 0,5 CH 4 0,8 1,7 0,9 N 2 O 0,28 0,31 0,25 CCl 3 F 0 0,00028 4 CCl 2 F 2 0 0,00048 4 τ TP A CO 2 50–200 1 61 CH 4 10 25 17 N 2 O 150 298 4 CCl 3 F 65 12 400 3 CCl 2 F 2 130 15 800 6 τ … mittlere Verweildauer in Jahren TP … relative Wirksamkeit gegenüber CO 2 A … % Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt c 0 … Konzentration in vorindustrieller Zeit in ppm c … gegenwärtige Konzentration in ppm ∆ c / c 0 … derzeitige Zunahmerate in %/a Einstrahlung durch Sonne Abstrahlung Rückstrahlung in Weltraum CO 2 CH 4 N 2 O CFK ERDOBERFLÄCHE CO 2 CH 4 N 2 O Verbrennung fossiler Rohstoffe Sumpfgas Kläranlagen Deponien Mist/Jauche Reisfelder Wiederkäuer Erdgasgewinnung Termiten Düngemittel " Treibhausgase" Abb. 128–2: Emittenten der Treibhausgase Abb. 128–1: Wärmehaushalt der Erde Nur zu Prüfzwecken – Eigentu des Verlags öbv