Treibhausgas

Grundprinzip und Bedeutung

Treibhausgase (THG) sind Spurengase, die zum Treibhauseffekt eines Planeten beitragen. Sie absorbieren einen Teil der von der Planetenoberfläche abgegebenen langwelligen Wärmestrahlung, also infrarote oder thermische Strahlung. Die aufgenommene Energie geben sie entsprechend ihrer lokalen Temperatur wieder ab. Der zur Oberfläche gerichtete Teil heißt atmosphärische Gegenstrahlung und erwärmt die Oberfläche zusätzlich zur direkten Sonnenstrahlung. Auf der Erde findet dieser Vorgang in der Troposphäre statt.

Der natürliche Treibhauseffekt erhöht die durchschnittliche Temperatur der Erdoberfläche um etwa 33 Grad auf +15 °C. Ohne ihn läge die globale Mitteltemperatur der Oberfläche bei −18 °C; höher organisiertes Leben wäre dann kaum möglich. Natürliche Treibhausgase können ebenso wie anthropogene, also durch menschliche Aktivitäten verursachte Gase, daran beteiligt sein. Der gegenwärtige Anstieg vor allem der Kohlenstoffdioxidkonzentration verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt. Dieser zusätzliche Anteil wird anthropogener Treibhauseffekt genannt und führt zur globalen Erwärmung.

Die Treibhauswirksamkeit hängt von der Emissionsrate, den spektroskopischen Eigenschaften und der atmosphärischen Verweilzeit eines Gases ab. Das Treibhauspotenzial (GWP) beschreibt die Wirkung pro Kilogramm Emission in CO₂-Äquivalenten. Das relative Treibhauspotenzial vergleicht ein Gas mit CO₂ und wird meist auf 100 Jahre bezogen. Beispielsweise hat Methan ein relatives Treibhauspotenzial von 25: 1 kg Methan wirkt über diesen Bezugszeitraum so stark wie 25 kg CO₂. Moleküle, deren Dipolmoment sich durch Schwingungen ändern kann, absorbieren Infrarotstrahlung; Sauerstoff und Stickstoff tun dies nicht. Große Moleküle wie FCKWs besitzen viele Schwingungsebenen und daher ein besonders hohes Treibhauspotenzial.

Regulierte und wichtigste Treibhausgase

Das Kyoto-Protokoll regelt wichtige direkte Treibhausgase. Kohlenstoffdioxid (CO₂) dient als Referenzwert, außerdem werden Methan (CH₄), Distickstoffmonoxid beziehungsweise Lachgas (N₂O) und fluorierte Treibhausgase erfasst: teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW/HFC), perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW/PFC) und Schwefelhexafluorid (SF₆). Seit 2012 wird auch Stickstofftrifluorid (NF₃) reglementiert. Indirekte Treibhausgase wie Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOₓ) und flüchtige Nichtmethan-Kohlenwasserstoffe (NMVOC) werden im Montreal-Protokoll behandelt, weil sie zur Zerstörung der Ozonschicht beitragen.

CO₂ macht etwa 0,04 % beziehungsweise rund 410 ppm der Atmosphäre aus (Stand 2019), trägt 9 bis 26 % zum natürlichen Treibhauseffekt und etwa 60 % zum anthropogenen zusätzlichen Treibhauseffekt bei. Die natürliche CO₂-Produktion beträgt etwa 550 Gt pro Jahr und wird im Kohlenstoffkreislauf fast vollständig durch natürliche Aufnahme, besonders Photosynthese, ausgeglichen. Die Verbrennung fossiler Energieträger für Verkehr, Heizung, Stromerzeugung und Industrie ist eine wichtige menschliche Quelle. Die mittlere atmosphärische Verweilzeit beträgt etwa 120 Jahre. Seit Beginn der Industrialisierung stieg die Konzentration von 280 ppm um mehr als 40 % auf deutlich über 400 ppm; 2019 lag sie bei rund 410 ppm und damit höher als in den vergangenen 800.000 Jahren. Nach 1000 Jahren befinden sich laut deutschem Bundesumweltamt noch etwa 15 bis 40 % des anthropogenen CO₂ in der Atmosphäre; der vollständige Abbau dauert mehrere hunderttausend Jahre. Pflanzen und Böden dämpfen den Anstieg unmittelbar, die Aufnahme durch Meerwasser wirkt über Jahrhunderte, Reaktionen mit Kalk über Jahrtausende und die Gesteinsverwitterung über Jahrhunderttausende.

Methan kommt in Konzentrationen von unter 2 ppm vor. Etwa die Hälfte der anthropogenen Emissionen stammt aus Landwirtschaft, Land- und Biomassenutzung, Tierhaltung, Klärwerken und Deponien; die andere Hälfte vor allem aus Leckagen bei Förderung, Transport und Verarbeitung von Erdgas sowie aus unvollständiger Verbrennung. Auch Reisfelder, Binnengewässer, auftauender Permafrost und Methanhydrate sind Quellen. Methan ist etwa 25-mal wirksamer als CO₂, trägt rund 20 % zum anthropogenen Treibhauseffekt bei und bleibt 9 bis 15 Jahre in der Atmosphäre. Die Konzentration stieg von etwa 700 ppb im Jahr 1750 auf 1750 ppb im Jahr 1999 und später auf über 1800 ppb; 2021 wurde der höchste jährliche Anstieg seit Beginn der systematischen Messungen verzeichnet. Für nördliche Süßwasserseen wird durch den Klimawandel eine Zunahme der Treibhausgasemissionen um das 1,5- bis 2,7-Fache erwartet.

Lachgas ist 298-mal so wirksam wie CO₂. 82 % der menschengemachten Emissionen gehen laut einem Sonderbericht von 2019 auf Landnutzung zurück. Hauptquellen sind Landwirtschaft, Viehhaltung, Düngung und mikrobielle Prozesse in Böden; weitere Quellen sind Medizintechnik, Kraftwerke und Verkehr. Besonders schwere, überdüngte und feuchte Böden können viel N₂O freisetzen, dies wurde jedoch auch bei trockenen Böden beobachtet. Die Verweilzeit beträgt durchschnittlich 114 Jahre. Die Konzentration stieg von 270 ppbV vorindustriell auf 322–323 ppbV im Jahr 2010; der Beitrag zum anthropogenen Treibhauseffekt wird auf 6 bis 9 % geschätzt. In den letzten vier Jahrzehnten stiegen die menschlichen Lachgasemissionen um 30 %.

Fluorkohlenwasserstoffe und FCKWs werden überwiegend gezielt als Treib-, Kälte- oder Feuerlöschmittel sowie in Industrie und Elektronik hergestellt. Fluorierte Kohlenwasserstoffe tragen etwa 10 % zur Erderwärmung bei; einzelne Stoffe sind bis zu 14.800-mal stärker klimawirksam als CO₂. SF₆ ist mit einer Verweilzeit von 3200 Jahren und einer 22.800-fachen Wirkung von CO₂ das stärkste bekannte Treibhausgas, sein Einfluss bleibt wegen der sehr geringen Konzentration von etwa 10 ppt jedoch gering. NF₃ ist 17.200-mal so wirksam wie CO₂. Die Verwendung von SF₆ als Reifenfüllgas ist seit dem 4. Juli 2007 verboten.

Weitere klimawirksame Stoffe

Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas und verursacht bei klarem Himmel etwa 60 % des natürlichen Treibhauseffekts. Er stammt überwiegend aus dem Wasserkreislauf und zu einem kleinen Teil aus Vulkanismus. Menschlicher bodennaher Wasserdampf wirkt nicht unmittelbar, aber die globale Erwärmung erhöht Lufttemperatur und Verdunstung. Diese Rückkopplung verstärkt die Erwärmung besonders stark. In der Stratosphäre kommt Wasserdampf nur in Spuren vor; er entsteht unter anderem durch Flugverkehr und durch die Oxidation von Methan.

Wasserstoff (H₂) absorbiert selbst keine Infrarotstrahlung und ist deshalb kein direktes Treibhausgas. In der Atmosphäre kann er jedoch mit anderen Gasen und Dämpfen reagieren. Angaben zu seiner Klimawirksamkeit reichen vom 1,9- bis zum 44-Fachen von CO₂; eine britische Studie nennt für eine Tonne Wasserstoff über 100 Jahre etwa die elffache Wirkung einer Tonne CO₂. Wasserstoff wird dennoch nicht in der Liste der Treibhausgase des Pariser Abkommens und nicht in nationalen Klimabilanzen geführt.

Ozon beeinflusst den Strahlungshaushalt sowohl in der Stratosphäre als auch bodennah. Die Ozonschicht liegt oberhalb der Tropopause; ihre höchste Dichte befindet sich in etwa 20 bis 30 km Höhe, der höchste Volumenanteil in etwa 40 km. Eine Ausdünnung durch FCKWs wirkt kühlend auf die Troposphäre und lässt mehr ultraviolette Strahlung zur Erdoberfläche gelangen. Bodennahes Ozon entsteht aus Stickoxiden, Methan, Kohlenstoffmonoxid und anderen Kohlenwasserstoffen unter Sonneneinstrahlung. Es kann regional erwärmen und in höheren Konzentrationen Menschen und Pflanzen schädigen; seine Verweilzeit beträgt wenige Tage bis Wochen.

Wolken sind kondensierter Wasserdampf und daher kein Treibhausgas im engeren Sinn. Sie absorbieren Infrarotstrahlung, reflektieren aber zugleich Sonnenenergie. Lokal hängt die Wirkung unter anderem von Höhe, Tageszeit, Sonnenhöhe und Dichte ab; global wirken Wolken kühlend. Durch die Erwärmung nimmt diese kühlende Wirkung wahrscheinlich ab.

Aerosole sind feste oder flüssige Teilchen mit einer Verweilzeit von einigen Tagen bis Wochen. Sie wirken durch Absorption und Reflexion von Sonnenstrahlung sowie als Kondensationskeime für Wolken. Die meisten Aerosole kühlen, Ruß erwärmt, senkt auf Schnee die Albedo und beschleunigt das Abschmelzen polarer Eisflächen. Der menschliche Aerosoleintrag dämpfte die Erwärmung von 1750 bis 2019 insgesamt um etwa −0,5 °C. Sulfataerosole trugen ungefähr −0,5 °C, organischer Kohlenstoff −0,1 °C, Ammoniak und Nitrate zusammen −0,03 °C bei; Ruß wirkte mit etwa +0,1 °C erwärmend.

Messung und Beobachtung

Emissionen aus Vegetation und landwirtschaftlichen Flächen können mit der Eddy-Kovarianz-Methode gemessen werden. Sie beruht auf turbulenten Wirbeln und der Messung vertikaler turbulenter Stoffflüsse. Die Messstationen werden Eddy-Kovarianz-Türme oder Eddy-Flux-Türme genannt.

Seit Januar 2009 werden die Konzentrationen wichtiger Treibhausgase auch satellitengestützt überwacht. Der japanische Satellit Ibuki misst Kohlenstoffdioxid und Methan weltweit. Er umkreist die Erde in 666 km Höhe 14-mal täglich, jeweils in 100 Minuten, und kehrt alle drei Tage an dieselben Stellen zurück. Dadurch können Gaskonzentrationen an 56.000 Punkten in bis zu 3 km Höhe über der Erdoberfläche erfasst werden.

Emissionsbilanzen und Außenhandel

Bei nationalen Treibhausgasbilanzen wird zwischen produktionsbedingten und konsumbedingten Emissionen unterschieden. Produktionsbedingte, territoriale oder Inlandsemissionen umfassen alle Emissionen auf dem Territorium eines Landes. Sie bilden die Grundlage der nationalen Inventare nach den Anforderungen der Klimarahmenkonvention und lassen sich vor allem aus fossilem Brennstoffverbrauch sowie Aktivitäten in Industrie, Landwirtschaft und Abfallwirtschaft berechnen. Kritisiert wird, dass Außenhandel, grenzüberschreitender Verkehr und Carbon Leakage – die Verlagerung emissionsintensiver und handelsexponierter Wirtschaftszweige ins Ausland – nur unzureichend berücksichtigt werden.

Konsumbedingte Emissionen werden dem Gesamtkonsum eines Landes zugerechnet, unabhängig davon, ob sie im Inland oder Ausland entstehen. Emissionen der Herstellung exportierter Produkte werden abgezogen, Emissionen importierter Produkte einbezogen. Die Berechnung ist komplex und erfolgt näherungsweise über Input-Output-Analysen nationaler oder internationaler Tabellen. Wegen der großen Datenmenge und der Abhängigkeit von ausländischen Daten sind die Ergebnisse unsicher und nicht für alle Länder und Jahre verfügbar. Für die Schweiz lagen die konsumbedingten Emissionen 2015 etwa 2,5-mal über den produktionsbedingten. CO₂-Bilanzen beruhen normalerweise auf konsumbedingten Emissionen.

Entwicklung und Verteilung der Emissionen

Im Kyoto-Protokoll sollten die teilnehmenden Industrieländer ihre Emissionen in Phase I um 5,2 % gegenüber 1990 senken; dieses Ziel wurde erreicht, reichte aber nicht für eine Begrenzung des Temperaturanstiegs auf 2 °C. Die USA unterzeichneten nicht, China und Indien hatten keine Minderungsverpflichtungen, Japan verfehlte sein Ziel und Kanada trat aus dem Protokoll aus. 1992 vereinbarte die Staatengemeinschaft in der Klimarahmenkonvention die Stabilisierung der Treibhausgaskonzentrationen auf einem Niveau, das eine gefährliche Störung des Klimasystems verhindert; Kyoto 1997 und das Übereinkommen von Paris 2015 legten Begrenzungen und Minderungen fest.

Deutschland verpflichtete sich zu einer Verringerung um 21 % bis zum Durchschnitt der Jahre 2008 bis 2012 und erreichte bis 2011 etwa 27 %. Ziele waren −40 % bis 2020, −55 % bis 2030, −70 % bis 2040 und −80 bis −95 % bis 2050 gegenüber 1990. Die Gesamtemissionen sanken von 1.251 Mio. t im Jahr 1990 auf 674 Mio. t im Jahr 2023. Landwirtschaft verursachte 2016 65,2 Mio. t CO₂-Äquivalente beziehungsweise 7,2 % der Gesamtemissionen. Bis 2016 sanken CO₂-Emissionen um 27,6 %, Methan zwischen 1990 und 2014 um 53 %, Lachgas um 40 % und F-Gase um 14 %. Ursachen waren unter anderem Modernisierungen, erneuerbare Energien, weniger Deponierung, geringere Steinkohleförderung und kleinere Tierbestände.

In Österreich stiegen die Emissionen 2017 auf 82,3 Mio. t CO₂-Äquivalente. Für 2018 wurden je nach Angabe ein Rückgang um 3,8 % beziehungsweise um 3,2 Mio. t auf 79,1 Mio. t geschätzt. Als Gründe wurden vor allem mildes Wetter, weniger Heiztage, die Wartung eines Hochofens sowie geringerer Heizöl- und Erdgasverbrauch genannt; im Verkehr stiegen die Emissionen. 2022 und 2023 gingen die Emissionen deutlich zurück, vor allem durch klimapolitische Maßnahmen und höhere Energiepreise. In der Schweiz betrugen die Emissionen 2019 46,2 Mio. t CO₂-Äquivalente und lagen 14 % unter 1990. Der Verkehr ist dort der größte Verursacher; der Bundesrat strebt bis 2050 Klimaneutralität an.

Weltweit stiegen die Emissionen langfristig. 2020 erreichte die CO₂-Konzentration 413,2 ppm, also 149 % des vorindustriellen Niveaus; 2022 wurde ein neuer Höchstwert der weltweiten CO₂-Emissionen erreicht. Laut UNO stiegen die Treibhausgasemissionen von 2021 bis 2022 um 1,2 % auf 57,4 Milliarden Tonnen.

Für 2024 entfielen unter den Staaten mit mehr als 1 % Weltanteil auf China 15.536 Mio. t CO₂-Äquivalente beziehungsweise 29,2 %, auf die USA 5.913 Mio. t beziehungsweise 11,1 % und auf Indien 4.371 Mio. t beziehungsweise 8,2 %. Russland folgte mit 2.576 Mio. t, 4,8 % und 18,0 t pro Person; Deutschland lag bei 674 Mio. t, 1,3 % und 8,2 t pro Person. Weltweit waren es 53.206 Mio. t, 6,6 t pro Person und 65 % mehr als 1990. Nach Carbon Majors verursachten 32 Unternehmen der fossilen Industrie 2024 mehr als 50 % der weltweiten CO₂-Emissionen. Den größten Einzelanteil hatte Saudi Aramco mit 4,3 %, gefolgt von Coal India und China Energy Investment mit jeweils 3,9 %.