In dieser Arbeit wird auf den anthropogen verstärkten Treibhauseffekt eingegangen. Im Fokus stehen die wichtigsten Spurengase, welche genauer erklärt werden, wie diese entstehen und welche Auswirkungen diese auf den Menschen und die Umwelt haben. Ebenso wird der natürliche und der anthropogen erzeugte Treibhauseffekt erläutert. Durch diese Arbeit soll ein allgemeiner Überblick geschaffen werden um die Komplexität des Treibhauseffektes verständlich zu machen.
Inhalt
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Hinfuhrung zum Thema
2 Der anthropogene Treibhauseffekt
3 Mechanismen
3.1 Grundlagen
3.2 Unterscheidung zwischen dem naturlichen Treibhauseffekt und dem anthropogenen Treibhauseffekt
3.3 Zusammensetzung der Atmosphare
3.4 Gase und Partikel in der Atmosphare
3.4.1 Kohlenstoffdioxid (CO2)
3.4.2 Methan (CH4)
3.4.3 Distickstoffoxid (N2O)
3.4.4 Stickstoffdioxid (NO2) und NOX
3.4.5 Fluorchlorkohlenwasserstoffe
3.4.6 Aerosole
3.4.7 Fluchtige organische Verbindungen (VOC)
3.4.8 Bodennahes Ozon (O3)
4 Der Anthropogene Einfluss
5 Die Wirkungen
5.1 Auswirkungen auf die Natur
5.2 Auswirkungen auf den Menschen
6 Malinahmen zum Klimaschutz
7 Schlusswort
Literaturverzeichnis
Abstract
In dieser Arbeit wird auf den anthropogen verstarkten Treibhauseffekt eingegangen. Im Fokus stehen die wichtigsten Spurengase, welche genauer erklart werden, wie diese entstehen und welche Auswirkungen diese auf den Menschen und die Umwelt haben. Ebenso wird der naturliche und der anthropogen erzeugte Treibhauseffekt erlautert. Durch diese Arbeit soil ein allgemeiner Uberblick geschaffen werden um die Komplexitat des Treibhauseffektes verstandlich zu machen.
This work discusses the anthropogenically enhanced greenhouse effect. The focus is on the most important trace gases, which are explained more precisely, how they arise and what effects they have on humans and the environment. The natural and anthropogenic greenhouse effects are also explained. This work is intended to provide a general overview of the complexity of the greenhouse effect.
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Naturlicher Treibhauseffekt (Klett, 2017) Quelle: https://www.klett.de/alias/1016053 [Stand: 14.03.2018]
Abbildung 2: anthropogener Treibhauseffekt (Klett, 2017) Quelle: https://www.klett.de/alias/1016053 [Stand: 14.03.2017]
Abbildung 3: Veranderung der Konzentration von Treibhausgasen von 1980-2011 (deacademic, 2018) Quelle: http://deacademic.com/pictures/dewiki/77/Major_greenhouse_gas_trends.png [Stand: 15.03.2018]
Abbildung 4: Atmospharische Konzentration wichtiger Treibhausgase vom Jahr 0 bis 2005 (hamburger.bildungsserver, 2018) Quelle: http://bildungsserver.hamburg.de/treibhausgase/2051680/einleitung/ [Stand: 26.02.2018]
Abbildung 5: Jahrliche Treibhausemission in Deutschland (Umweltbundesamt, 2016) Quelle: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimaschutz-energiepolitik-in-deutschland/treibhausgas-emissionen/emissionsquellen [Stand: 26.02.2018]
Abbildung 6: Treibhausgas-Emission der Landwirtschaft (Umweltbundesamt, 2017) Quelle: https://www.umweltbundesamt.de/daten/land-forstwirtschaft/beitrag-der-landwirtschaft-zu-den- treibhausgas#textpart-1 [Stand: 26.02.2018]
Abbildung 7: Ruckgang des arktischen Nleereisesvon 2005 bis 2007 (NASA, 2007) Quelle: http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=8126 [Stand 21.03.2018]
Abbildung 8: Vermiedene Treibhausgas-Emissionen in Tonnen durch den Einsatz Erneuerbarer Energien 2010 (Verivox, 2018) Quelle: https://www.verivox.de/themen/windrad/[Stand: 28.02.2018]
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Die Zusammensetzung der Atmosphare (Schonwiese, 2008) Quelle: Schonwiese C.D. (2008): KHmatologie. 3. Aufl. Stuttgart: Ulmer, S. 359.
Tabelle 2: Gasformige Bestandteile der Atmosphare (Michelsen & Heinrichs, 2014, S. 225) Quelle: Heinrichs, H; Michelsen, G (Hg.) (2014): Nachhaltigkeitswissenschaften. Berlin, Heidelberg: Springer Spektrum, S.225
Tabelle 3: Wirksamkeit langlebiger Treibhausgase (Solomon u.a. 2007) Quelle: Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K.B., Tignor M., Miller H.L. (Hg.) (2007): Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of working group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, New York: Cambridge University Press, S. 635 in
1 Hinfiihrung zum Thema
Das Klima der Erde wird von vielen Faktoren beeinflusst, dabei ist die Sonne der Motor fiir das Geschehen in der Atmosphare. Die Gesamtheit der meteorologischen Erscheinungen (Temperatur, Wind, Niederschlag), die fiir eine Dauervon mindestens 30 Jahren den durchschnittlichen Zustand der Atmosphare an einem bestimmten Ort charakterisiert, wird als Klima definiert. Dank des Treibhauseffekts hat unser Planet eine konstante Erdmitteltemperatur, welche das Leben fur Flora und Fauna moglich macht. Wurde es diesen Effekt nicht geben, ware die Erde ein Eisplanet und somit nicht bewohnbar. Er wird unterschieden in den naturlichen und den durch anthropogene Einflusse produzierten Treibhauseffekt. Durch naturliche Treibhausgase, wie Kohlenstoffdioxid und Methan ist ein Aufrechterhalten der Mitteltemperatur moglich. Jedoch ist zu beachten, dass der Mensch, durch die vielen Abgase und sonstigen Schadstoffe, die er produziert, einen signifikanten Einfluss auf die Zusammensetzung der Atmosphare hat (vgl. Globalisierung, 2018).
Der anthropogene Treibhauseffekt ist ein viel diskutiertes Thema, da es unterschiedliche Meinungen bezuglich des menschlichen Einflusses auf die Erderwarmung gibt. Daher ist dieser „[...] zunehmend Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen und offentlicher Diskussionen" (Umwelt Bundesamt 1, 2016). Einerseits wird der anthropogene Einfluss auf den Treibhauseffekt affirmiert, andererseits gibt es auch einige Skeptiker, die diesen abstreiten.
In dieser Arbeit werden die anthropogenen Einflusse genauer erlautert und es wird aufgezeigt wie diese den Treibhauseffekt verstarken. Ebenso wird auf die Mechanismen und Wirkungen eingegangen mit besonderer Betrachtung der Luft- inhaltsstoffe.
2 Der anthropogene Treibhauseffekt
Seit der Mitte des 20. Jahrhunderts wird der anthropogene Treibhauseffekt systematisch erforscht, obwohl dieser bereits im fruhen 19. Jahrhundert entdeckt wurde. Darunter versteht man die zusatzliche Freisetzung von Spurengasen und weiteren klimawirksamen Gasen durch menschliche Aktivitaten. Diese Gase kommen in solchen Mengen nicht in der Atmosphare vor und werden erst durch den menschlichen Einfluss so massiv angereichert. Dadurch kommt es zu einem Anstieg der Temperatur, da sich die atmospharischen Fenster schlieBen und mehr Warmestrahlung durch die Gase zuruckgehalten wird. Eines dieser Gase ist Kohlendioxid. Ebenso werden Distickstoffmonoxid, Methan und tropospharisches Ozon durch den Menschen erhbht. Fluorchlorkohlenwasserstoffe wie beispielsweise Chlorfluormethane kommen daruber hinaus durch den Menschen auf nicht naturliche Art und Weise in die Atmosphare und haben eine hohe Lebensdauer (vgl. Hobbs 2000: 83). Auf einige dieser Spurengase wird an spaterer Stelle genauer eingegangen Aufterdem verstarken eine veranderte Landnutzung, Massentierhaltung und das Verbrennen fossiler Energietrager (Kohle, Erdol und Erdgas) den anthropogenen Treibhauseffekt.
3 Mechanismen
3.1 Grundlagen
Ohne den Treibhauseffekt ware die Durchschnittstemperatur der Erde bei -18 °C. Dies kann man anhand des Ruckstrahlvermbgens der Erde berechnen (Jones et.al., 1999: 173-199). Energie in Form von elektromagnetischen Wellen strahlt von der Sonne auf unsere Erde. Das Gleichgewicht zwischen eingehender und ausgehender Strahiung wird gestort, sobaid es eine Anderung der Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphare gibt. Herrscht ein Ungleichgewicht in der Strahlungsbilanz entstehen dadurch Anpassungsprozesse bis ein neues Gleichgewicht erreicht ist. Der Strahlungsantrieb ist ein Mali fur die Veranderung der Strahlungsbilanz und wird in Watt/m2 gemessen. Steht mehr Energie pro Sekunde pro m2 Erdoberflache zur Verfugung, ist der Strahlungsantrieb positiv und dies bewirkt eine Erwarmung der Erdoberflache und der unteren Atmosphare (vgl. Bundeszentrale fur politische Bildung 1,2014).
3.2 Unterscheidung zwischen dem naturlichen Treibhauseffekt und dem anthropogenen Treibhauseffekt
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: anthropogener Treibhauseffekt (Klett, 2017)
Mittels der beiden Abbildungen wird der Unterschied zwischen dem naturlichen Treibhauseffekt und dem anthropogen erzeugten Treibhauseffekt dargestellt. Durch ein Wellenmodel kann Strahlung beschrieben werden, wobei Strahlung kurzerer Wellenlange energiereicher ist, als eine niederfrequente langwellige Strahlung. Von den Gasen in der Atmosphare wird die einfallende, kurzwellige Strahlung fast ohne Beeinflussung durchgelassen, jedoch die von der Erde abgestrahlte, langwellige Warmestrahlung zu einem Teil aufgenommen. Treibhausgasmolekule nehmen die Energie auf, die sie von der Erde empfangen und strahlen sie wieder in alle Richtungen ab. Der Teil, der wieder in Richtung Erdoberflache geht, macht als Gegenstrahlung den Treibhauseffekt aus. In Abbildung 1 wird die einfallende Sonnenstrahlung durch einen gelben Pfeil gezeigt. Diese wird zum Teil an Wolken in das Weltall zuruck reflektiert, bevor sie den Erdboden erreicht. Der Teil der einfallenden Strahlung, der auf der Erdoberflache ankommt wird von dieser aufgenommen und ein Teil wieder zuruckgestrahlt. Ein Teil der von der Erdoberflache zuruckgestrahlten Strahlung wird wiederum von Treibhausgasen absorbiert und wieder dorthin zuruckgestrahlt. Durch diesen naturlichen Mechanismus kommt es zu einer Art „Warmestau“.
Im Unterschied zum naturlichen Treibhauseffekt lassen sich in Abbildung 2 mehr Treibhausgase in der Atmosphare erkennen, welche durch Industrien Oder andere anthropogene Einflusse dort hingelangt sind. Auf Grund der Anhaufung dieser Gase wird mehr Strahlung in alien Richtungen gestreut und absorbiert, somit kann weniger ins Weltall entweichen. Dies hat zur Folge, dass sich die Erde erwarmt. (vgl. Rahmstorf & Schellnhuber, 2012: 30-67)
3.3 Zusammensetzung der Atmosphare
Die Atmosphare der Erde besteht zu 78,084 % aus Stickstoff und zu 20,946 % aus Sauerstoff, womit 99 % der Anteile der Luft geklart sind. Gase, die in geringem Anteil vorhanden sind, nennt man Spurengase. Sie sind charakterisiert durch eine relativ lange Lebensdauer und eine homogene Verteilung in der Erdatmosphare. Die Konzentration ist bei manchen, wie zum Beispiel Ozon, von der Hohe abhangig (vgl. Schonwiese, 2008: 335-369).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Die Zusammensetzung der Atmosphare (Schonwiese, 2008)
In Tabelle 1 ist zu sehen, dass einige Gase als „zunehmend“ beschrieben werden.
Diese Gase haben einen graven Einfluss auf den Treibhauseffekt.
Die Zusammensetzung der Atmosphare hat sich im Laufe der Erdgeschichte einige Male auf naturliche Art und Weise durch verschiedene Prozesse verandert. Die Uratmosphare war fast frei von Sauerstoff, da diese aus Ausgasungen aus dem Erdmantel stammt (vgl. Spektrum Akademischer Verlag, 1999).
3.4 Gase und Partikel in der Atmosphare
Die Absorptionsspektren von Treibhausgasen liegen vor allem im Infrarotbereich, weshalb sie starken Einfluss auf das Klima haben. Weitere Charakteristika von Treibhausgasen sind eine lange Verweildauer und eine gleichmaliige Verteilung in der Atmosphare. Diese Gase absorbieren einen Teil der abgegebenen langwelligen Warmestrahlung vom Boden, welche sonst ins Weltall entweichen wurde und reflektieren sie zum Teil wieder. Zu den Treibhausgasen gehoren eine Vielzahl von Gasen. In dieser Arbeit wird nicht auf alle eingegangen (vgl. Roedel, 1994: 16).
3.4.1 Kohlenstoffdioxid (CO2)
Dieses Gas bringen vor allem drei Hauptverursacher direkt in die Atmosphare: Kohle, Erdol und Erdgas, welche fossile Energietrager sind. Im Lauf von Millionen Jahren der Erdgeschichte wurden diese Kohlenstofftrager durch Assimilation gebildet und abgelagert. Durch das Verbrennen der Energietrager und der damit einhergehenden Umwandung in CO2 in extrem kurzer Zeit sind die naturlichen Auslagerungsmechanismen nicht in der Lage das Kohlenstoffdioxid zu kompensieren. Das Verheizen fossiler Energietrager im groBen Stil hat zweifellos auch mit unserem Wohlstand, Mobilitat und unserem Komfortzu tun.
Das Treibhauspotential, welches sich aus dem Prozentsatz der Strahlung, den es abhangig von der Wellenlange absorbiert, der Breite der Absorptionsbande und der Stelle, an der es sich im Ausstrahlspektrum der Erde befindet, ergibt, ist fur jedes Treibhausgas unterschiedlich. Von alien langlebigen Spurengasen ist das Treibhauspotential von CO2am schwachsten (vgl. Bohm, 2010: 28-32).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Durch Abbildung 3 wird verdeutlicht, wie stark der Anstieg der verschiedenen Gase ist. Jedes Gas zeigt eine deutliche Erhohung in den letzten 30 Jahren. 1978 lag der Wert von Kohlenstoffdioxid noch bei ca. 330 ppm. 2010 stieg der Wert auf circa 390 ppm, also um etwa 18 %. Auch die Gase Methan und Distickstoffoxid, sowie die FCKWs, welche alle in den folgenden Abschnitten genauer erklart werden, verzeichnen einen Anstieg von 16 %, 10%, bzw. circa 80%.
3.4.2 Methan (CH4)
Durch Trockenlegung von Feuchtraumgebieten Oder durch das Auftauen von Permafrostgebieten in hohen geographischen Breiten entstehen neue potentielle Methanquellen. Eine Verdichtung von Pflanzendecken kdnnte den Effekt abpuffern, wobei man sich da noch unschlussig ist. Methan entsteht auch aus abgestorbenen Pflanzen in Mooren, in Reisfeldern Oder in Rindermagen. Das Treibhauspotential von CH4 ist 30-mal so wirksam wie CO2 (vgl. Buchal & Schonwiese, 2010: 20-29) und die durchschnittliche Verweildauer in der Atmosphare ist wesentlich geringer als bei CO2 (vgl. Tabelle 2). Sie betragt neun bis 15 Jahre. In Deutschland wird es groBtenteils in der Land- und Forstwirtschaft, sowie in Klarwerken und Mulldeponien erzeugt (vgl. Umwelt Bundesamt2, 2016).
3.4.3 Distickstoffoxid (N2O)
Rund 300-mal so schadlich wie Kohlendioxid ist das Treibhausgas N2O, auch Lachgas genannt. Prozesse in der chemischen Industrie, stickstoffhaltige Dungemittel in der Landwirtschaft, sowie Verbrennungsprozesse sind Hauptquellen fur das Lachgas. Seit den 1990er Jahren sind die Treibhausgas-Emissionen von Deutschland rucklaufig, da in den neuen Bundeslandern beispielsweise weniger Tierbestande vorhanden sind und deshalb ein geringerer Einsatz von Wirtschaftsdunger notwendig ist. Flachenstilllegungen und der somit geringere Einsatz von mineralischen Stickstoffdungern und das vorgeschriebene Dungemanagement tragen in geringerem Mafie dazu bei. Zu unterscheiden ist zwischen direkten und indirekten Lachgasemissionen. Faktoren wie Klima, Eigenschaft des Bodens, Temperatur und die Dungetechnik sind neben der Menge des eingebrachten Stickstoff- Oder Kalkdungers wichtige Faktoren (vgl. Umwelt Bundesamt 3, 2017).
3.4.4 Stickstoffdioxid (NO2) und NOX
Zu den so genannten reaktiven Stickstoffverbindungen gehoren die Stickstoffoxide, die zu einer Vielzahl von negativen Umweltwirkungen fuhren konnen. Zusammen mit fluchtigen Kohlenwasserstoffen sind Stickoxide fur die sommerliche Ozonbildung verantwortlich. Ebenso tragen sie zur Feinstaubbelastung bei. Zum Schutz der menschlichen Gesundheit wurde europaweit fur Stickstoffdioxid der 1-Stunden- Grenzwert von 200 pg/m3 festgelegt, der nicht offer als 18-mal im Kalenderjahr uberschritten werden darf. Der Jahresgrenzwert betragt 40 pg/m3. Zum Schutz der Vegetation wird ein kritischer Wert von 30 pg/m3 als Jahresmittelwert verwendet (vgl. Umwelt Bundesamt 4, 2016).
3.4.5 Fluorchlorkohlenwasserstoffe
Fluorchlorkohlenwasserstoffe auch FCKWs genannt, sind Gase, welche nicht naturlich vorkommen, sondern anthropogenen Ursprung haben. Dadurch, dass FCKWs chemisch inert sind, verbleiben diese lange Zeit in der Atmosphare und werden kaum durch chemische Reaktionen zerstort. Die atmospharische Verweilzeit der beiden wichtigsten FCKWs liegt zwischen 45 und 100 Jahren (vgl. Tabelle 2). Aus der langen Verweilzeit und der starken Absorption im infraroten Spektralbereich resultiert ein hohes Treibhauspotential, welches 15.000-mal wirksamer wie CO2 ist (vgl. IPCC, 2007).
Eine gleichmaBige Verteilung rund urn den Globus wird erreicht durch die lange Verweilzeit der FCWK-Molekule in derTroposphare. Anhand Abbildung 3 erkennt man die Steigerung des Wertes des vollhalogenierten Kohlenwasserstoffes CFC-11, welcher im Jahr 1981 bei 160 ppt liegt und im Jahr 1993 den hochsten Wert von 260 ppt erreicht hat, danach aber leicht abfallt. Seit der Jahrtausendwende sinkt auch der Gehalt von CFC-112. Jedoch betragt die Lebensdauer der beiden Stoffe, wie in der Tabelle 2 zu sehen ist, 45 bzw. 100 Jahre, weshalb die Konzentration lediglich urn ca. 1 % in 10 Jahren sinkt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2: Gasformige Bestandteile der Atmosphare (Michelsen & Heinrichs, 2014, S. 225)
3.4.6 Aerosole
Ein Gemisch aus flussigen oder festen, kleinsten Teilchen, welche in der Luft bzw. in der Atmosphare vorkommen, werden als Aerosolteilchen bezeichnet. Aerosolteilchen sind nur wenige millionstel bis mehrere tausendstel Millimeter graft, beispielsweise Ruft- und Schwefelpartikel, aber auch Mineralstaub Oder Pollen. Die Freisetzung dieser Aerosolteilchen erfolgt durch naturlichen Weg, aber auch durch anthropogene Aktivitaten. Durch die Streuung und Absorption der Sonnenstrahlung beeinflussen sie den Strahlungshaushalt der Atmosphare und haben einen Einfluss auf unser Klima, dies wird oftmals die direkte Strahlungswirkung der Aerosolteilchen genannt. Ebenso agieren sie als Kondensationskerne fur Wassertropfchen und beeinflussen so die Wolkenbildung, aber auch die Eigenschaften von Wolken. Dies wird als indirekte Strahlungswirkung bezeichnet. Seesalzpartikel, Mineralstaub, Sulfat und organische Kohlenstoffverbindungen konnen Bestandteile von Aerosolteilchen sein. Die Streuungs- und Absorptionseigenschaft hangt von der chemischen Zusammensetzung ab. RuBpartikel beispielsweise absorbieren die Sonnenstrahlung und haben somit einen erwarmenden Effekt auf die Luftschichten, in denen sie sich aufhalten. Neue Abschatzungen haben ergeben, dass die Aerosolpartikel dem Treibhauseffekt weniger stark entgegenwirken als bisher angenommen (Schnelle- Kreis et. al., 2007: 220-230).
3.4.7 Fluchtige organische Verbindungen (VOC)
VOC (Volatile Organic Compounds) umschreibt gas- und dampfformige Stoffe organischen Ursprungs in der Luft. Dazu gehoren zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Aldehyde und organische Sauren. Flussigbrennstoffe, synthetisch hergestellte Stoffe und viele Losungsmittel konnen als VOC auftreten, aber auch zahlreiche organische Verbindungen, welche in biologischen Prozessen gebildet werden. Hunderte verschiedene Einzelverbindungen konnen in der Luft gemeinsam auftreten. In Fachkreisen wird unterschieden zwischen schwerfluchtigen organischen Verbindungen (Semivolatile Organic Compunds, SVOC) und sehr fluchtigen organischen Verbindungen (Very Volatile Organic Compounds, WOC). Die Summe samtlicher VOC-Konzentrationen ergibt den TVOC-Wert (Total Volatile Organic Compounds) (vgl. Umwelt Bundesamt 5, 2016).
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