Definition: Was sind Treibhausgase?
Treibhausgase sind gasförmige Bestandteile der Atmosphäre, die einen Teil der von der Erdoberfläche abgegebenen Wärmestrahlung aufnehmen und wieder abstrahlen. Dadurch tragen sie dazu bei, dass die untere Atmosphäre und die Erdoberfläche wärmer bleiben, als sie ohne diese Gase wären. Dieser natürliche Prozess wird als Treibhauseffekt bezeichnet.
Zu den wichtigsten Treibhausgasen gehören Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Lachgas, Ozon und verschiedene fluorierte Gase. Menschliche Aktivitäten erhöhen insbesondere die Konzentrationen von Kohlendioxid, Methan, Lachgas und bestimmten synthetischen Gasen. Dadurch wird der natürliche Treibhauseffekt verstärkt und das globale Klima erwärmt sich.
Der natürliche Treibhauseffekt
Die Sonne liefert überwiegend kurzwellige Strahlung, die die Atmosphäre durchdringt und die Erdoberfläche erwärmt.
Die erwärmte Erde gibt Energie in Form langwelliger Infrarotstrahlung wieder ab.
Absorption von Wärmestrahlung
Treibhausgase können bestimmte Wellenlängen dieser Wärmestrahlung aufnehmen.
Sie geben die Energie anschließend in verschiedene Richtungen wieder ab, darunter auch zurück in Richtung Erdoberfläche.
Bedeutung des natürlichen Treibhauseffekts
Ohne den natürlichen Treibhauseffekt wäre die Erde im globalen Mittel erheblich kälter.
Flüssiges Wasser und heutige Lebensbedingungen wären in dieser Form deutlich eingeschränkt.
Verstärkter Treibhauseffekt
Problematisch ist daher nicht die Existenz des Treibhauseffekts, sondern seine Verstärkung durch steigende Konzentrationen langlebiger Treibhausgase.
Menschliche Emissionen verändern dadurch die Energiebilanz des Klimasystems.
Kohlendioxid
Kohlendioxid CO₂ ist das wichtigste langlebige Treibhausgas, das durch menschliche Aktivitäten in großen Mengen zusätzlich freigesetzt wird.
Hauptquellen sind die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas sowie Veränderungen der Landnutzung.
Fossile Brennstoffe
Bei der Verbrennung fossiler Energieträger reagiert der enthaltene Kohlenstoff mit Sauerstoff und bildet Kohlendioxid.
Dadurch wird Kohlenstoff freigesetzt, der zuvor über Millionen Jahre im Untergrund gespeichert war.
Entwaldung
Wälder speichern große Mengen Kohlenstoff in Biomasse und Böden. Werden sie gerodet oder verbrannt, kann ein Teil dieses Kohlenstoffs als Kohlendioxid freigesetzt werden.
Gleichzeitig fällt ein Teil der zukünftigen CO₂-Aufnahme durch die Vegetation weg.
Landnutzungsänderungen
Nicht nur Entwaldung, sondern auch Moorentwässerung, Bodendegradation und andere Veränderungen können zusätzliche Treibhausgasemissionen verursachen.
Landnutzung ist daher eng mit dem Klimasystem verbunden.
Methan
Methan CH₄ ist ein stark wirksames Treibhausgas. Es bleibt deutlich kürzer in der Atmosphäre als Kohlendioxid, besitzt während dieser Zeit aber eine stärkere erwärmende Wirkung pro Molekül.
Wichtige menschliche Quellen sind Landwirtschaft, fossile Energieförderung, Abfallwirtschaft und Verbrennungsprozesse.
Tierhaltung
Wiederkäuer wie Rinder erzeugen Methan bei der mikrobiellen Verdauung im Vormagen.
Auch die Lagerung von Gülle und anderen organischen Reststoffen kann unter sauerstoffarmen Bedingungen Methan freisetzen.
Fossile Methanquellen
Bei Förderung, Verarbeitung und Transport von Erdgas, Erdöl und Kohle kann Methan entweichen.
Leckagen entlang von Leitungen und technischen Anlagen können dabei eine wichtige Rolle spielen.
Methanverluste
Da Erdgas hauptsächlich aus Methan besteht, beeinflussen solche Verluste die Klimabilanz fossiler Gasnutzung.
Eine schnelle Verringerung von Leckagen kann deshalb kurzfristig zur Klimaschutzwirkung beitragen.
Methan aus Deponien
Organische Abfälle werden in Deponien unter sauerstoffarmen Bedingungen mikrobiell abgebaut.
Dabei kann Deponiegas entstehen, das einen hohen Methananteil besitzt.
Deponiegaserfassung
Das Gas kann technisch gesammelt und energetisch genutzt oder kontrolliert verbrannt werden.
Dadurch wird verhindert, dass ein großer Teil des Methans unkontrolliert in die Atmosphäre gelangt.
Lachgas
Lachgas N₂O ist ein langlebiges und stark wirksames Treibhausgas. Es entsteht vor allem durch mikrobielle Prozesse im Stickstoffkreislauf.
Besonders landwirtschaftlich genutzte Böden sind eine wichtige menschlich beeinflusste Quelle.
Düngung
Hohe Stickstoffeinträge können die Bildung von Lachgas fördern. Mikroorganismen setzen Stickstoffverbindungen bei Nitrifikation und Denitrifikation um.
Ein Teil des Stickstoffs kann dabei als N₂O in die Atmosphäre gelangen.
Fluorierte Treibhausgase
Fluorierte Gase sind überwiegend synthetisch hergestellte Verbindungen, die in technischen Anwendungen eingesetzt werden.
Dazu gehören bestimmte Kältemittel, Isoliergase und Produktionsgase.
Hohe Treibhauswirkung
Einige fluorierte Gase besitzen pro Masseeinheit eine sehr hohe Klimawirkung und können lange in der Atmosphäre verbleiben.
Schon vergleichsweise geringe Emissionsmengen können daher klimatisch relevant sein.
Kältemittel
Kälteanlagen, Klimaanlagen und Wärmepumpen benötigen Kältemittel zur Wärmeübertragung.
Bestimmte ältere und heutige Kältemittel gehören zu den fluorierten Treibhausgasen.
Leckagen
Bei Herstellung, Betrieb, Wartung oder Entsorgung können Kältemittel entweichen.
Dichte Anlagen und fachgerechte Rückgewinnung sind deshalb wichtige Klimaschutzmaßnahmen.
Wasserdampf
Wasserdampf ist das mengenmäßig bedeutendste natürliche Treibhausgas der Atmosphäre.
Seine Konzentration hängt stark von Temperatur und Wasserkreislauf ab.
Rückkopplung
Steigt die Lufttemperatur, kann die Atmosphäre mehr Wasserdampf aufnehmen. Dadurch wird der Treibhauseffekt zusätzlich verstärkt.
Wasserdampf wirkt daher vor allem als Rückkopplung im Klimasystem und weniger als primäre Ursache der heutigen Erwärmung.
Ozon
Ozon besitzt sowohl in der Stratosphäre als auch in Bodennähe Bedeutung. Es absorbiert nicht nur UV-Strahlung, sondern wirkt auch als Treibhausgas.
In Bodennähe entsteht Ozon durch photochemische Reaktionen aus Vorläuferstoffen.
Bodennahes Ozon
Stickoxide und flüchtige organische Verbindungen reagieren unter Einfluss von Sonnenlicht und können Ozon bilden.
Eine Verringerung dieser Vorläuferstoffe verbessert daher sowohl Luftqualität als auch teilweise die Klimabilanz.
Unterschiedliche Klimawirkung
Nicht alle Treibhausgase wirken gleich stark und gleich lange. Entscheidend sind unter anderem Absorptionsvermögen, atmosphärische Konzentration und Lebensdauer.
Zur Vergleichbarkeit werden ihre Wirkungen häufig relativ zu Kohlendioxid angegeben.
CO₂-Äquivalente
CO₂-Äquivalente fassen unterschiedliche Treibhausgase anhand ihrer Klimawirkung in einer gemeinsamen Einheit zusammen.
Dadurch können beispielsweise Methan-, Lachgas- und Kohlendioxidemissionen gemeinsam bilanziert werden.
Globales Erwärmungspotenzial
Das globale Erwärmungspotenzial beschreibt, wie stark eine bestimmte Menge eines Treibhausgases im Vergleich zu Kohlendioxid über einen festgelegten Zeitraum wirkt.
Die Bewertung hängt deshalb auch vom betrachteten Zeitraum ab.
Kurze und lange Lebensdauer
Methan wirkt vergleichsweise stark, wird aber schneller aus der Atmosphäre entfernt als Kohlendioxid.
Kohlendioxid beeinflusst das Klima dagegen über sehr lange Zeiträume.
Treibhausgase aus der Energiewirtschaft
Die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Strom- und Wärmeerzeugung gehört zu den größten Quellen menschlich verursachter Kohlendioxidemissionen.
Kohle verursacht besonders hohe Emissionen pro erzeugter Energiemenge.
Erneuerbare Energien
Wind- und Solarenergie benötigen während des Betriebs keine fossile Verbrennung.
Sie können deshalb einen erheblichen Teil energiebedingter Treibhausgasemissionen vermeiden.
Treibhausgase im Verkehr
Straßenverkehr, Schifffahrt und Luftfahrt nutzen überwiegend fossile Kraftstoffe und erzeugen dadurch Kohlendioxid.
Je nach Verkehrsträger entstehen zusätzlich weitere klimawirksame Emissionen.
Elektrifizierung
Elektrofahrzeuge verursachen während der Fahrt keine Kohlendioxidemissionen aus Kraftstoffverbrennung.
Ihre indirekte Klimawirkung hängt wesentlich vom verwendeten Strommix und der Fahrzeugherstellung ab.
Treibhausgase aus Gebäuden
Gebäude verursachen Emissionen vor allem durch Heizung, Warmwasser und die Herstellung von Baustoffen.
Öl- und Gasheizungen setzen bei der Verbrennung direkt Kohlendioxid frei.
Wärmepumpen
Wärmepumpen nutzen Strom und Umweltwärme statt direkter fossiler Verbrennung.
Mit zunehmend erneuerbarem Strom sinken ihre indirekten Emissionen weiter.
Treibhausgase aus der Industrie
Industrie benötigt große Mengen Energie und Rohstoffe. Neben Emissionen aus Brennstoffen entstehen teilweise auch prozessbedingte Treibhausgase.
Besonders Stahl-, Zement- und Chemieindustrie sind klimarelevant.
Zement
Bei der Herstellung von Zement wird Kalkstein erhitzt. Dabei wird chemisch gebundenes Kohlendioxid freigesetzt.
Diese Prozessemissionen entstehen unabhängig von der Energiequelle des Ofens.
Landwirtschaft
Landwirtschaft verursacht besonders Methan- und Lachgasemissionen. Tierhaltung, Wirtschaftsdünger und Stickstoffdüngung spielen dabei eine wichtige Rolle.
Auch Veränderungen organischer Böden können erhebliche Kohlendioxidemissionen verursachen.
Entwässerte Moorböden
Wird Torf entwässert, gelangt Sauerstoff in den Boden und organische Substanz wird abgebaut.
Dabei werden große Mengen Kohlendioxid freigesetzt.
Abfallwirtschaft
Abfälle können Treibhausgase durch Verbrennung und biologische Zersetzung verursachen.
Insbesondere organische Abfälle auf Deponien können Methan bilden.
Kreislaufwirtschaft
Abfallvermeidung, Wiederverwendung und Recycling können Emissionen reduzieren, indem weniger neue Rohstoffe hergestellt werden müssen.
Die tatsächliche Wirkung hängt vom jeweiligen Material und Recyclingprozess ab.
Natürliche Kohlenstoffsenken
Wälder, Böden und Meere nehmen einen Teil des vom Menschen freigesetzten Kohlendioxids auf.
Sie bremsen dadurch den Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration.
Wälder
Bäume speichern Kohlenstoff in Holz, Blättern, Wurzeln und Böden.
Waldschutz und nachhaltige Bewirtschaftung können dazu beitragen, bestehende Kohlenstoffvorräte zu erhalten.
Meere als Kohlenstoffsenke
Ozeane nehmen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf. Ein Teil wird im Wasser gelöst und chemisch umgewandelt.
Diese Aufnahme beeinflusst jedoch gleichzeitig die Chemie des Meerwassers.
Versauerung der Meere
Gelöstes Kohlendioxid bildet Kohlensäure und verändert das chemische Gleichgewicht des Wassers.
Dadurch sinkt der pH-Wert, was insbesondere kalkbildende Organismen beeinträchtigen kann.
Treibhausgase und globale Erwärmung
Steigende Treibhausgaskonzentrationen führen dazu, dass mehr Wärme im Klimasystem verbleibt.
Dadurch erhöht sich die globale Durchschnittstemperatur.
Folgen der Erwärmung
Die Erwärmung beeinflusst Gletscher, Meeresspiegel, Niederschlagsmuster, Ökosysteme und die Häufigkeit bestimmter Extremereignisse.
Die Auswirkungen unterscheiden sich regional erheblich.
Klimarückkopplungen
Das Klimasystem enthält Prozesse, die eine anfängliche Erwärmung verstärken oder abschwächen können.
Zu den verstärkenden Rückkopplungen gehören Veränderungen von Wasserdampf und Eisflächen.
Eis-Albedo-Rückkopplung
Schnee und Eis reflektieren einen großen Teil der Sonnenstrahlung. Schmelzen diese Flächen, kommen dunklere Oberflächen zum Vorschein.
Diese absorbieren mehr Sonnenenergie und verstärken dadurch die Erwärmung.
Permafrost
Permafrostböden speichern große Mengen gefrorener organischer Substanz. Tauen sie auf, können Mikroorganismen dieses Material abbauen.
Dabei können Kohlendioxid und Methan freigesetzt werden.
Zusätzliche Rückkopplung
Die Freisetzung dieser Gase kann die globale Erwärmung weiter verstärken.
Permafrostregionen werden deshalb intensiv wissenschaftlich untersucht.
Reduktion von Treibhausgasen
Die Begrenzung des Klimawandels erfordert eine starke Verringerung menschlich verursachter Treibhausgasemissionen.
Dazu gehören der Ausbau erneuerbarer Energien, höhere Energieeffizienz, Elektrifizierung und ein geringerer Verbrauch fossiler Brennstoffe.
Emissionsvermeidung
Besonders wirksam ist es, Emissionen gar nicht erst entstehen zu lassen.
Der Ersatz einer fossilen Verbrennung durch erneuerbaren Strom kann beispielsweise direkte Kohlendioxidemissionen vollständig vermeiden.
Methanminderung
Da Methan relativ kurz in der Atmosphäre verbleibt, kann eine schnelle Verringerung seiner Emissionen vergleichsweise rasch auf die Erwärmungsrate wirken.
Wichtige Maßnahmen betreffen Leckagen in fossiler Infrastruktur, Deponien und Landwirtschaft.
Leckagekontrolle
Technische Überwachung kann austretendes Methan aus Leitungen, Ventilen und Anlagen erkennen.
Schnelle Reparaturen verhindern, dass größere Mengen dauerhaft entweichen.
Kohlenstoffspeicherung
Neben Emissionsminderung können natürliche und technische Verfahren Kohlendioxid aus der Atmosphäre oder Abgasströmen binden.
Wälder, Moore und Böden sind wichtige natürliche Speicher.
Technische CO₂-Abscheidung
Bei bestimmten Verfahren wird Kohlendioxid aus Industrieabgasen abgeschieden und anschließend gespeichert oder weiterverwendet.
Solche Technologien können insbesondere für schwer vermeidbare Prozessemissionen relevant sein.
Klimaneutralität
Klimaneutralität bedeutet, dass verbleibende menschlich verursachte Treibhausgasemissionen durch entsprechende Entnahmen oder Bindungen ausgeglichen werden.
Dafür müssen die direkten Emissionen zunächst möglichst weit reduziert werden.
Netto-Null
Netto-Null beschreibt einen Zustand, in dem anthropogene Emissionen und dauerhafte Entnahmen von Treibhausgasen langfristig im Gleichgewicht stehen.
Dieser Zustand ist eine zentrale Voraussetzung dafür, die weitere Erwärmung langfristig zu stabilisieren.
Zusammenfassung
Treibhausgase sind Bestandteile der Atmosphäre, die Wärmestrahlung aufnehmen und dadurch den natürlichen Treibhauseffekt erzeugen. Zu den wichtigsten gehören Kohlendioxid, Methan, Lachgas, Wasserdampf, Ozon und fluorierte Gase.
Menschliche Aktivitäten erhöhen vor allem die Konzentrationen langlebiger Treibhausgase und verstärken dadurch die globale Erwärmung. Energieversorgung, Verkehr, Industrie, Landwirtschaft und Landnutzung sind zentrale Emissionsquellen. Eine starke Verringerung dieser Emissionen sowie der Schutz natürlicher Kohlenstoffspeicher sind entscheidend, um den Klimawandel zu begrenzen.
