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Die TreibhausgaseEnergie - Logo

Ohne die Treibhausgase wäre ein Leben auf der Erde, so wie wir es kennen, nicht möglich, da die durchschnittliche Temperatur bei -18°C liegen würde.

Erst durch bestimmte Gase, die Treibhausgase, wird eine momentane globale Durchschnittstemperatur von +15°C und somit Leben auf der Erde ermöglicht: Sonnenlicht trifft auf die Erdoberfläche und erwärmt diese. Ein Teil dieser Energie wird von der Erde aufgenommen, der andere Teil wird wieder abgestrahlt. Von dieser abgestrahlten, langwelligen Strahlung wird wiederrum ein Teil auf die Erde zurückgestrahlt. Verursacht wird die Reflexion von den Treibhausgasen und dem Wasser in der Luft. Sie wirken wie ein Glasdach eines Gewächshauses: die Sonnenstrahlen kommen rein, werden aber durch die Glasscheibe gehindert wieder zu entweichen. Dadurch erwärmt sich die Luft.

Unsere Luft besteht aus verschiedenen Bestandteilen in unterschiedlichen Konzentrationen:

 Energie - Luftzusammensetzung

Quelle: www.co2-emissionen-vergleichen.de/

Substanzen, die für den Treibhauseffekt wichtig sind

Für den natürlichen Treibhauseffekt auf der Erde, wodurch Leben, so wie wir es kennen, ermöglicht wird, sind hauptsächlich andere Substanzen zuständig, als für den Anthropogengen. Welche Stoffe für das Leben auf der Erde verantwortlich sind und wie sie beim anthropogenen Treibhauseffekt mitwirken, wird hier kurz erläutert:

Wasserdampf

Wasserdampf ist die ausschlaggebende Substanz beim natürlichen Treibhauseffekt. 2/3 dieses Phänomens werden durch den Wasserdampf erzeugt. Die abgestrahlte Wärme der Erde wird durch die Wassermoleküle aufgenommen und wieder in alle Richtungen abgestrahlt. Dadurch kommt es zur Erwärmung der Erdatmosphäre.

Wasserdampf in der Atmosphäre ist in einem natürlichen, geschlossenen Kreislauf vorhanden: Wasser aus den Ozeanen, Seen, Landmassen,... steigt in die Atmosphäre auf und kommt als Niederschlag wieder zurück. Durch menschliche Aktivitäten wird nicht mehr Wasserdampf freigesetzt, aber durch die Erwärmung der Luft kann mehr Wasserdampf aufgenommen werden, wodurch sich der Treibhauseffekt verstärkt.

Beim anthropogenen Treibhauseffekt kommt dem Wasserdampf eine indirekte Rolle zu, weswegen er auch bei den Diskussionen um den anthropogenen Treibhauseffekt nicht stärker beachtet wird: die Atmosphäre kann in Abhängigkeit von der Temperatur nur eine gewisse Menge an Feuchtigkeit aufnehmen- anders als bei den typischen sechs Treibhausgasen.

Wird aber die Atmosphärentemperatur erhöht, nimmt auch der Wassergehalt zu, da warme Luft mehr Wasser aufnehmen kann, als kühlere. Dadurch wird die Strahlung der Erde verstärkt abgehalten in die Atmosphäre zu entweichen, wodurch der Treibhauseffekt wieder unterstützt wird.

Somit ist der Wasserdampf ein starker Rückkopplungsfaktor, der den anthropogenen Treibhauseffekt unterstützt.

Ozon O3

Die Ozonschicht kommt in der Atmosphäre in einer Schicht vor, in der kein Wasser mehr vorhanden ist, in der sog. Stratosphäre. Ozon wird aus dem Luft-Sauerstoff O2 gebildet: durch die energiereiche UV-Strahlung werden einige Sauerstoffmoleküle O2 in zwei einzelne Sauerstoffatome O gespalten. Diese verbinden sich gleich wieder mit anderen Sauerstoffmolekülen zu Ozon:

O2 + O ==> O3

Die Ozonschicht absorbiert einen Teil der UV-Strahlung - verhindert also starken Wärmeeintritt - und schützt somit Tiere und Pflanzen vor dieser energiereichen, gefährlichen Strahlung.

Energie - Schichtung Atmosphaere mit Temperaturprofil

Bildnachweis: LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg

Es gibt jedoch auch Ozon in tieferen Schichten: in der sog. Troposphäre. Hier ist O3 gesundheitsschädlich und kann auch die Vegetation negativ beeinflussen. Zur Anreicherung von Ozon in Erdnähe kommt es z.B. wenn im Sommer lange schönes Wetter, mit intensiver Sonneneinstrahlung und geringem Wind ist. Dieses Phänomen wird dann als „Sommersmog“ bezeichnet. Voraussetzung von diesem bodennahen Ozon ist das Vorhandensein von Stickoxiden (NOx) und flüchtigen organischen Verbindungen, aus denen durch die starke Sonneneinstrahlung Ozon gebildet wird.

Neben den Stoffen, die ganz natürlich in der Atmosphäre den Treibhauseffekt verursachen, gibt es folgende Gase, die v.a. für die anthropogene Erderwärmung zuständig sind:

Kohlenstoffdioxid CO2

CO2 ist ein geruch- sowie farbloses Gas, das natürlicherweise in der Atmosphäre vorkommt. Das CO2-Vorkommen in der Atmosphäre ist jahreszeitlich und lokal abhängig. Es steigt seit der Industrialisierung, Anfang des 19. Jahrhunderts, von 280 ppm (parts per million = 0,0001 %) auf mittlerweile ca. 400 ppm. Kohlenstoffdioxid bleibt ca. 120 Jahre in der Atmosphäre.

Umwelt - Anstieg-CO2-UniCop

Bildnachweis: Richardson, K., W. Steffen, H.J. Schellnhuber, J. Alcamo, T. Barker, D.M. Kammen, R. Leemans, D. Liverman, M. Munasinghe, B. Osman-Elasha, N. Stern & O. Wæver. 2009. Synthesis Report: Climate Change, Global Risks, Challenges and Decisions. University of Copenhagen, Denmark. http://climatecongress.ku.dk/pdf/synthesisreport

Umwelt - co2 Trend_global-14_05

Bildnachweis: NOAA ESRL Global Monitoring Division, Boulder, Colorado, USA (http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/global.html)

Kohlenstoff kommt natürlicherweise in der Atmosphäre vor und dient als "Ausgangsstoff“ jeglicher Biomasse. Pflanzen und photosynthesefähige Bakterien setzen CO2 zusammen mit Wasser (H2O) in Kohlenhydrate, wie Glucose (C6H12O6) und Sauerstoff (O2) um:

6 CO2 + 6 H2O  ==>  C6H12O6 + 6 O2

Die entstehenden Kohlenhydrate dienen als Energieträger für weitere grundlegende biochemische Substanzen, wie Proteine oder Nukleinsäuren. Sauerstoff ist ebenfalls für das Leben auf der Erde nötig. Diese Stoffe werden z.B. von Menschen und Tieren zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen benötigt. Dabei werden jedoch auch wieder Kohlenstoffdioxide ausgeschieden, die wieder von den Pflanzen aufgenommen werden können. Des Weiteren wird CO2 z.B. vom Meer oder Gestein „aufgenommen“ und dort gespeichert, bevor es, z.B. durch Vulkanausbrüche wieder freigesetzt wird.

Dieser Kohlenstoff-Kreislauf unterliegt einem natürlichen Gleichgewicht.

Durch die Industrialisierung und deren Verbrennung von fossilen Energieträgern wird dieses Gleichgewicht gestört, indem viel CO2 in kurzer Zeit freigesetzt wird. Die Verbrennung fossiler Energieträger, wie Erdöl, Gas und Kohle, in denen CO2 „gespeichert“ ist, lässt lange absorbierten Kohlenstoffdioxid wieder frei. Aus diesem Grund steigt der CO2-Anteil in der Atmosphäre an.

Methan CH4

Methan ist ein farb- und geruchloses Gas, das gut brennbar ist. Es ist Hauptbestandteil von Erdgas (ca. 90 %), Biogas (ca. 60%) und Deponiegas (ca. 50 %). Methan entsteht, wenn Mikroorganismen organische Stoffe unter Luftabschluss umwandeln („Methanogenese“), z.B. in Sümpfen, Mägen von Wiederkäuern, im Sediment von Gewässern, in Müllkörpern oder beim Nassreisanbau:

CO2 + 4 H ==>   CH4 + 2 H2O

Methan kann auch unterirdisch bei hohem Druck und hohen Temperaturen während des Reifeprozesses von Kohle (==> Grubengas) und Erdöl (==> Erdgas) entstehen. Auf natürliche Weise wird es dann durch vulkanische Aktivitäten oder durch den menschlichen Einfluss während des Abbaus von Kohle und Erdöl/Erdgas freigesetzt. Methan, das am Meeresboden freigesetzt wird, wird durch den Druck und die tiefe Temperatur zu festem Methanhydrat (auch „Methaneis“ genannt) umgewandelt.

CH4 existiert in der Atmosphäre ca.15 Jahre bevor es zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) umgewandelt wird. Vergleicht man die Treibhauswirkung auf einen Zeitraum von 100 Jahren mit dem von CO2, ist Methan 25 mal wirksamer.

Durch den Abbau von Kohle, Erdgas und Erdöl sowie durch die Massentierhaltung und Leckagen in Deponien und Biogasanlagen, hat sich der Methangehalt in der Atmosphäre seit 1750 von ca. 700 ppb bis 2009 auf ca. 1800 ppb mehr als verdoppelt.

 Umwelt - Anstieg-CH4-UniCopenh

BildnachweisRichardson, K., W. Steffen, H.J. Schellnhuber, J. Alcamo, T. Barker, D.M. Kammen, R. Leemans, D. Liverman, M. Munasinghe, B. Osman-Elasha, N. Stern & O. Wæver. 2009. Synthesis Report: Climate Change, Global Risks, Challenges and Decisions. University of Copenhagen, Denmark. http://climatecongress.ku.dk/pdf/synthesisreport

Distickstoffoxid N2O

Distickstoff(mono-)oxid, oder auch Lachgas genannt, ist ebenfalls ein farbloses Gas, jedoch mit süßlichem Geruch. Es hindert, wie auch CO2 und CH4, die auf der Erde auftreffende Sonnenstrahlung davor, wieder in das Weltall zu verschwinden. N2O hat eine mittlere Verweilzeit von 114 Jahre in der Atmosphäre.

Lachgas entsteht, wenn Mikroorganismen stickstoffhaltige Verbindungen, wie Nitrate (NO3-) oder Ammonium (NH4-), unter Sauerstoffmangel umsetzen.

N2O kommt von Natur aus in der Umwelt vor: Böden in der Subarktis emittieren viel Distickstoffoxid, wenn sie nicht dauerhaft gefroren sind und kleine Wasserlebewesen, wie Insekten und Muscheln, geben das Gas an die Umgebung ab. Durch intensive Landwirtschaft, dem starken Gebrauch von stickstoffhaltigen Düngern, Verbrennungs- und Kläranlagen sowie dem Einsatz in der Industrie, ist der anthropogene N2O-Ausstoß stark gestiegen. Das Gas kommt in der Atmosphäre zwar nur in Spuren vor, da es jedoch ca. 310-mal so wirksam wie CO2 ist, ist es für 6 % des anthropogenen Treibhauseffektes verantwortlich.

Umwelt - Anstieg-N2O-UniCopenh

BildnachweisRichardson, K., W. Steffen, H.J. Schellnhuber, J. Alcamo, T. Barker, D.M. Kammen, R. Leemans, D. Liverman, M. Munasinghe, B. Osman-Elasha, N. Stern & O. Wæver. 2009. Synthesis Report: Climate Change, Global Risks, Challenges and Decisions. University of Copenhagen, Denmark. http://climatecongress.ku.dk/pdf/synthesisreport

Lachgas trägt nicht nur zur Erderwärmung bei, sondern es zerstört auch die Ozonschicht. Das Gas reagiert in Bodennähe kaum mit anderen Stoffen; wird es aber in der Stratosphäre der ganzen UV-Strahlung ausgesetzt, zerfällt es. Mit Ozon (O3) reagiert es zu Stickstoffdioxid (NO2) und Sauerstoff (O2).

Aufbau von Ozon:

1)      NO2   ==>  UV-Strahlung ==>   NO + O

2)     O + O2   ==>   O3

Abbau von Ozon:

1)      NO2   ==>  UV-Strahlung  ==>   NO + O

2)      NO + O3     ==>   NO2 + O2

3)      Weitere in der Atmosphäre vorkommende Stoffe, sogenannte Radikale (X•), führen zur Bildung von Verbindungen, die den Ozonaufbau zusätzlich abschwächen:

ClO• + NO2•    ==>    ClONO2

Fluor-Gase

Fluorkohlenwasserstoffe FKW

Fluorkohlenwasserstoffe sind eine abgewandelte Form von Kohlenwasserstoffen (organische Verbindung), bei denen Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sind. Gibt es in dem Stoff keine Wasserstoffatome mehr, sodass alle durch Fluor ersetzt sind, werden sie perfluorierte Kohlenwasserstoffe (PFC) genannt:

Viele perfluorierte Kohlenwasserstoffe können wegen ihrer stabilen Kohlenstoff-Fluor-Verbindungen von Mechanismen, wie Hydrolyse, UV-Strahlung oder Hitze, nicht abgebaut werden und sind somit unzerstörbar.

Da sie fett- und wasserabweisend sind, werden sie in der Industrie- und in Konsumprodukten gerne und viel eingesetzt. Dort finden sie Einsatz als Imprägnierung, in schützenden Beschichtungen für Textilien oder Möbeln, in Reinigungsmitteln, Baumaterialien und Feuerlöschmittel. Des Weiteren braucht man sie auch in der Elektrotechnik, dem Anlagenbau und der Militärtechnik.

In der Natur kommen PFC`s natürlicherweise nicht vor. Sie sind immer menschlichen Ursprungs, kommen aber mittlerweile auch in Gewässern, der Luft und im menschlichen/tierischen Körper vor.

 

Gibt es bei den Fluorkohlenwasserstoffen nicht nur Fluoratome, sondern auch Chloratome die statt den Wasserstoffatomen eingebaut werden, werden diese Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) genannt:

FCKW`s sind sehr haltbar, geruch- und farblos. Verwendung fanden sie als Treibgase z.B. in Sprühflaschen, als Kälte- oder Lösemittel. Fluorchlorkohlenwasserstoffe haben wegen ihrer geringen Reaktionsfähigkeit eine hohe Verweildauer in der Atmosphäre (je nach Produkt: 44 bis 180 Jahr). Erst durch die UV-Strahlung werden sie zerlegt, wobei Chlor- und Fluorradikale freigesetzt werden. Diese reagieren mit dem Ozon, zerstören dieses und gelten somit als Verursacher des Ozonloches. Außerdem tragen FCKW`s zum Treibhauseffekt bei, indem sie Sonnenstrahlung im Infrarotbereich absorbieren; dies sogar bis um das Zehntausendfache von CO2. Aus diesen Gründen wurde in der Londoner Konferenz 1990 beschlossen, die Herstellung und Verwendung dieser Stoffe ab dem Jahr 2000 zu verbieten bzw. stark einzuschränken.

Bezeichnung 

ASHRAE-
Kennung
 

Halbstrukturformel 

Treibhauspotenzial

(GWP) auf 100 Jahre

Lebenszeit
(Atmosphäre [Jahre])

Tetrafluormethan

R 14

CF4

7.390

50.000

Trifluormethan

R 23

CHF3

14.800

250

Difluormethan

R 32

CH2F2

675

6

Fluormethan

R 41

CH3F

150

3,7

Hexafluorethan

R 116

CF3CF3

9.200

10.000

Pentafluorethan

R 125

CF3CHF2

3.500

36

1,1,1,2-Tetrafluorethan

R 134a

CF3CH2F

1.430

14

1,1,1-Trifluorethan

R 143a

CF3CH3

4.470

55

1,1-Difluorethan

R 152a

CHF2CH3

140

1,5

Decafluorbutan

R 610

CF3CF2CF2CF3

7.000[7]

3.200

Quelle: Tabelle nach http://de.wikipedia.org/wiki/Fluorkohlenwasserstoffe

 Als Alternativen für FCKW`s werden seitdem Stoffe verwendet, die die Ozonschicht nicht zerstören. Teilweise sind diese jedoch genauso bzw. stärker treibhauswirksam, giftig oder hochentzündlich.

Schwefelhexafluorid SF6

Schwefelhexafluorid ist eine anorganische Verbindung, die ebenfalls farb- und geruchlos und nicht entflammbar ist.

Verwendung findet das Gas als Isolations- und Löschgas in Hochspannungschaltanlagen. Zudem wurde es als Füllgas für Autoreifen und für Schallschutzverglasungen eingesetzt, was mittlerweile verboten ist.

SF6 bleibt in der Atmosphäre 3200 Jahre, wobei sein Treibhauspotenzial 23.900 mal so hoch ist, wie das von CO2. Auf Grund dieser hohen Treibhauswirkung wird es vom Weltklimarat als das stärkste, bekannte Treibhausgas eingestuft, wobei sein Einfluss auf die Erderwärmung minimal ist, da es nur in sehr geringen Spuren vorkommt (ca. 0,005 ppb volumenbezogen = 0,12 ppmV CO2-Äquivalent).