Das System Erde und der Mensch

Mich treibt es immer wieder in die Natur. Ob bei Hitze im Sommer oder bei Schneefall im Winter, ich liebe es, draußen zu sein! Die Natur lässt mich eine andere Wahrheit spüren und ebenso immer wieder einen wohltuenden Abstand zu unserer schnellen Welt. Am Ende meiner Laufstrecke steht ein beeindruckender großer Baum und an seinem Stamm ein Schild mit folgender Aufschrift (Abbildung 1):

Abbildung 1: Die Stieleiche in meiner Nachbarschaft ist nach menschlichen Maßstäben alt. CC-BY-SA, A. Aretz, http://www.geothermal4climate.de

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Jedes Mal, wenn ich an ihm vorbei laufe, bin ich verwundert, wow, über 4 Jahrhunderte steht der hier, was ist in all der Zeit nicht alles passiert? Der 30-jährige Krieg, die Französische Revolution, der 1. und 2. Weltkrieg, der Mauerfall, und selbst an den kann ich mich nicht erinnern, die Welt ist allein seit 1989 eine andere geworden. Und was sind 400 Jahre in der Geschichte der Erde? Ein Wimpernschlag. Einige Kreisläufe des Systems Erde dauern viele Millionen Jahre, wie z. B. die Mantelkonvektion. Das System Erde und der Mensch leben in völlig verschiedenen Zeitskalen.

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Der Kohlenstoff-Kreislauf

Auch Kohlenstoff unterliegt einem Kreislauf, aber den verändert der Mensch tiefgreifend. Atmosphäre, Ozeane, Pflanzen (inklusive Bäume) und Tiere tauschen ständig Kohlenstoff miteinander aus. Durch Photosynthese entziehen Bäume und Pflanzen CO2 aus der Atmosphäre und Phytoplankton CO2 aus dem Meerwasser, um daraus organische Verbindungen aufzubauen. Destruenten nutzen die organischen Verbindungen und geben das CO2 wieder an die Umgebung ab. Die Atmosphäre und das Oberflächenwasser der Ozeane tauschen CO2 über den sogenannten Partialdruck aus. Bei geringen CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre gast der Ozean CO2 aus, bei hohen CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre nimmt das Oberflächenwasser CO2 auf und wandelt es in Kohlensäure um, die seinen pH-Wert senkt. Atmosphäre, Ozeane, Pflanzen und Tiere sind ein System, in dem Kohlenstoff zirkuliert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Mensch bringt den Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen, wie Erdöl, wieder zurück in den Kreislauf von Atmosphäre, Ozeanen, Pflanzen und Tieren. CC-BY-SA, A. Aretz, http://www.geothermal4climate.de

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Der Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen

Fossile Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas oder Kohle gehören nicht zu dem System dazu, denn sie befinden sich isoliert in der Lithosphäre außerhalb des Kreislaufs. Es hat Jahrmillionen gebraucht, bis durch die Bildung von Kohle, Erdöl und Erdgas eine große Menge Kohlenstoff dem Kreislauf entzogen und in die Lithosphäre eingelagert wurde. Der Mensch bringt den längst entsorgten Kohlenstoff seit Beginn der Industrialisierung vor knapp 200 Jahren wieder in das System aus Atmosphäre, Ozeanen, Pflanzen und Tieren zurück. Der alte Baum in meiner Nachbarschaft hatte damals schon mehr als die Hälfte seines jetzigen Alters erreicht.

Pro Jahr emittiert der Mensch rund 40 Gigatonnen Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen in die Atmosphäre (Global Monitoring Laboratory). Pflanzen und Böden entziehen der Atmosphäre zwar jährlich 123 Gigatonnen Kohlenstoff. Davon werden aber 60 Gigatonnen Kohlenstoff durch pflanzliche Atmung wieder in die Atmosphäre freigesetzt – und weitere 60 Gigatonnen Kohlenstoff durch die bakterielle Zersetzung. Langfristig gelangen also rund 97 % der 123 Gigatonnen Kohlenstoff wieder zurück in die Atmosphäre.

Die Idee des kanadischen Premierministers Mark Trudeau oder auch anderer Regierungschefs, eine Milliarde Bäume zu pflanzen, um die hohe CO2-Konzentration der Atmosphäre zu reduzieren, zeugt also von einem mangelnden Verständnis der Prozesse. Der Kohlenstoff würde eines Tages als CO2 wieder in die Atmosphäre zurückgelangen. Dasselbe gilt für den New Green Deal des EU-Parlaments, der das Ziel hat, bis 2050 europaweit klimaneutral zu sein. Klimaneutralität bedeutet, dass die Menge CO2, die wir in die Atmosphäre emittieren, wieder gebunden wird – durch die Aufnahme des Kohlenstoffs durch Pflanzen, Böden oder das Meer. Das hört sich gut an, aber es bleibt dabei: Der Kohlenstoff wird weiterhin von außen in den Kreislauf gepumpt, bleibt drin und wird einfach mehr. Langfristig steigt auch die CO2-Konzentration der Atmosphäre. Ebenso sind Klimakompensationsmaßnahmen, wie sie Fluggesellschaften versprechen, keine Lösung, um den aus fossilen Brennstoffen stammenden Kohlenstoff des Kerosins wieder aus dem Kohlenstoffkreislauf herauszuholen, wenn er einmal drinnen ist.

In den letzten 600.000 Jahren bis vor 200 Jahren lag die CO2-Konzentration der Atmosphäre immer zwischen 180 und 280 ppm (parts per million, Abbildung 3). In der Moderne steigt sie durch den Menschen jährlich immer schneller an – bis 1989 um je 1,5 ppm, von 1989 bis 2015 um je 2 ppm und seit 2015 um je 3 ppm auf aktuell 414 ppm (Stand Juli 2020, Global Monitoring Laboratory). Solch einen Anstieg hat es in den letzten 65 Millionen Jahren nicht ansatzweise gegeben. Seit 20 Millionen Jahren war die CO2-Konzentration der Atmosphäre nicht mehr so hoch wie heute.

Abbildung 2: CO2-Zeit-Diagramm der letzten 400.000 Jahre und dem rasanten Anstieg heute. (Quelle: verändert nach Robert A. Rohde, climate change diagrams, CC-SY-BA-3.0. https://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Carbon_Dioxide_400kyr.png)

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Der Treibhauseffekt

Das Treibhausgas CO2 nimmt die auf der Erdoberfläche reflektierte (langwellige) Sonnenstrahlung auf und gibt sie als Wärmestrahlung in alle Richtungen wieder ab. Der Teil der Wärmestrahlung, der wieder auf der Erdoberfläche auftritt, führt zur zusätzlichen Erwärmung. Es ist also ganz einfach: Je mehr CO2 in der Atmosphäre ist, desto wärmer wird es. Das folgende Video zeigt den Treibhauseffekt sogar im Labor:

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Der direkte Zusammenhang zwischen der CO2-Konzentration der Atmosphäre und ihrer Temperatur ist für letzten 250 Millionen Jahre sicher nachgewiesen (Fletcher et al., 2008). Zumindest in den letzten 500.000 Jahren der Erdgeschichte galt für die Arktis, dass eine Zunahme von 1 ppm CO2 in der Atmosphäre zu einem Temperaturanstieg von knapp 0,1° C führte (Cook, 2014).

Die Veränderungen durch den Klimawandel auf dem Land sind bekannt: Dürren, Waldbrände, Stürme, Überschwemmungen, Abschmelzen der Polkappen und Anstieg des Meeresspiegels, eisfreiere Winter, mehr Schädlinge in Wäldern usw, wie das folgende Video zeigt:

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Seit dem Beginn der Industrialisierung bis 2018 emittierte der Mensch 655 Gigatonnen Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen in die Atmosphäre (Global Monitoring Laboratory). Etwa 260 Gigatonnen davon blieben in der Atmosphäre, die heute überhaupt nur 850 Gigatonnen Kohlenstoff enthält. 160 Gigatonnen Kohlenstoff nahm das Meer auf (Lafolley & Baxter, 2016) – für das System Erde in einem atemberaubenden Tempo. Am Ende der letzten Eiszeit vor 19.000 Jahren stieg zwar auch der CO2-Konzentration der Atmosphäre und im Meer an, aber heute nimmt das Oberflächenwasser des Meeres das CO2 aus der Atmosphäre etwa 100 Mal so schnell auf. Die Folgen sind gravierend. Die Zunahme an CO2 lässt den pH-Wert des Meeres sinken und macht sein Wasser chemisch immer saurer. Die Ozeanversauerung hebt die Tiefengrenze im Meer an, unter der Kalk aufgelöst und über der Kalk gebildet wird (Karbonat-Kompensationstiefe) – seit dem 19. Jahrhundert um 50 bis 200 Meter.

Kalkbildende Organismen wie Muscheln, Korallen und Seeigel geraten nun unter diese Grenze und sterben, und sie sind die Basis der Nahrungskette. Riffe, die Regenwälder der Meere, sind akut bedroht. Am Äquator liegt die Karbonat-Kompensationstiefe im Pazifik mit 4.000 bis 4.500 Metern und im Atlantik mit 4.500 bis 5.000 Meter deutlich tiefer als an den Polen. Am Ende des 21. Jahrhunderts wird, wenn der pH-Wert weiter so stark sinkt, diese Tiefengrenze im nördlichen Atlantischen Ozean von 2.000 Meter Tiefe vor ein paar Jahrhunderten auf 100 Meter Tiefe ansteigen und im Arktischen und Südlichen Ozean die Oberfläche erreichen (Lafolley & Baxter, 2016).

Die CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen sind im Meer also genau so schädlich wie in der Atmosphäre. Wir müssen verstehen, dass das System Erde andere Zeitskalen gewohnt ist. Es konnte auf Veränderungen in seiner Zeitskala immer gut reagieren, aber mit den Veränderungen in unserer Zeitskala ist es überfordert. Wenn wir wirklich weniger CO2 in der Atmosphäre und im Meer haben wollen, dann dürfen wir den Kohlenstoff nur noch reduziert aus dem Untergrund holen und müssen auf erneuerbare Energien, wie die Geothermie, umstellen.

Quellennachweis:

Cook, J./klimafakten.de (2014): https://www.klimafakten.de/behauptungen/behauptung-der-co2-anstieg-ist-nicht-ursache-sondern-folge-des-klimawandels (27.08.2020)

Global Monitoring Laboraty – Earth System Research Laboratories – National Oceanic and Atmospheric Administration

Fletcher, B.J., Brentnall., S.J., Anderson, C.W., Berner, R.A., Beerling, D.J. (2008): Atmospheric carbon dioxide linked with Mesozoic and early Cenozoic climate change. Nature Geoscience, 1, 43-48 U.S. DOE, (2008): Carbon Cycling and Biosequestration: Report from the March 2008 Workshop, DOE/SC-108, U.S. Department of Energy Office of Science (https://genomicscience.energy.gov/carboncycle/report/).

Laffoley, D., Baxter, J.M. (2016): Explaining ocean warming: Causes, scale, effects and consequences. Full report. Gland, Switzerland.  978-2-8317-1806-4, IUCN, 466 Seiten

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