CO2-Konzentrationen

Seit 1959 wird die CO2-Konzentration auf dem Mauna-Loa permanent gemessen (Mauna Loa Annual Mean Data), so daß die jahreszeitlichen Schwankungen in der sogenannten „Keeling-Kurve“ erkennbar sind. Die Schwankungen machen in Abb. 1 ca. ±3 ppm aus, entsprechen also einer CO2-Masse von ca. ±20 Gt.

Alle Meßwerte der atmosphärischen CO2-Konzentrationen seit 1850 zeigt die blaue Kurve in Abb. 2. Die Werte vor 1959 stammen aus Eisbohrkernen: Global Mean CO₂ data @ NASA-GISS.

Die in Abb. 2 grün gezeichnete Ableitung dC/dt der CO2-Konzentration C (geglättet über ±5 Jahre) zeigt die jährliche Veränderung der atm. CO2-Konzentration, die für alle weiteren Überlegungen von großer Bedeutung ist. Auffällig ist die auch in der Literatur erwähnte negative Veränderung Anfang der 1940er Jahre. In ihrem Artikel „Natural and anthropogenic changes in atmospheric CO2 over the last 1000 years from air in Antarctic ice and firn“ (1996) schrieben Etheridge et al. zu ihren Eisbohrkern-Messungen:

„The uncertainty of the ice core CO2 mixing ratios is 1.2 ppm (1 σ). Preindustrial CO2 mixing ratios were in the range 275–284 ppm, with the lower levels during 1550–1800 A.D., probably as a result of colder global climate. Natural CO2 variations of this magnitude make it inappropriate to refer to a single preindustrial CO2 level. Major CO2 growth occurred over the industrial period except during 1935–1945 A.D. when CO2 mixing ratios stabilized or decreased slightly, probably as a result of natural variations of the carbon cycle on a decadal timescale.“

übersetzt:

Die Meßungenauigkeit der CO2-Anteile im Eiskern beträgt 1,2 ppm (1 σ). Die vorindustriellen CO2-Anteile lagen im Bereich von 275–284 ppm, wobei die niedrigeren Werte zwischen 1550 und 1800 wahrscheinlich auf ein kälteres globales Klima zurückzuführen sind. Aufgrund der natürlichen CO2-Schwankungen – siehe Abb. 1 – dieser Größenordnung ist es nicht sinnvoll, sich auf einen einzigen vorindustriellen CO2-Wert zu beziehen. Der größte Anstieg des CO2-Gehalts erfolgte während der Industrialisierung, mit Ausnahme der Jahre 1935–1945, als sich die CO2-Anteile stabilisierten oder leicht zurückgingen, wahrscheinlich aufgrund natürlicher Schwankungen des Kohlenstoffkreislaufs im Jahrzehntmaßstab.

Etheridge et al. sprechen von einer vorindustriellen atmosphärischen CO2-Konzentration Co von 275 bis 284 ppm und konstatieren einen starken Anstieg – also große dC/dt-Werte – ab Beginn der Industrialisierung. Dieser Anstieg muß allerdings noch andere Quellen neben fossilen Brennstoffen und Zementindustrie haben, wie Abb. 3 zeigt. In diesem Bild wird ein Bezug zwischen der jährlichen Kon­zen­trations­ver­ände­rung dC/dt und den jährlichen CO2-Emissionen hergestellt, die für diesen Vergleich in ppm umgerechnet wurden: In der Atmosphäre entspricht 1 ppm einer CO2-Masse von 7,814 Gt.

Die blaue Kurve der Emissionen „E(t) fossil“ aus fossilen Brennstoffen und Industrie liegt bis ca. 1930 unter oder auf der grünen Kurve der jährlichen CO2-Kon­zen­trations­ver­ände­rung. Das korrespondiert damit, daß die Kurve der fossilen Emissionen erst ab ca. 1950 oberhalb der Emissionen  aus Landnutzungsänderungen (ELUC) liegt (siehe Emissionen). Ohne Berücksichtigung der Emissionen aus Landnutzungsänderungen ist also das Maß des Anstiegs der CO2-Konzentration zwischen 1850 und 1950 nicht zu verstehen. Nur die rote Kurve in Abb. 3, die den Emissionen seit 1850 unter Einbeziehung der ELUC-Daten entspricht, erfüllt die aus Massenbilanz-Überlegungen folgende Bedingung, daß die CO2-Kon­zen­trations­ver­ände­rung eines Jahres nicht größer sein kann als die gesamte CO2-Emission des Jahres.

Airborne Fraction = Verhältnis von dC/dt zur Emission

Der die Konzentrationserhöhung beschreibende Anteil dC/dt der Emissionen (in Abb. 3 also das Verhältnis von grüner zu blauer bzw. grüner zu roter Kurve), heißt Airborne Fraction, dargestellt in Abb. 4.

Man sieht durch den Vergleich der roten mit der blauen Kurve, daß sich nur unter Einbeziehung der ELUC-Emissionen sinnvolle (unter 100% liegende) Werte für die Airborne Fraction ergeben.

CO2-Absorption (= Differenz von Emission und dC/dt),
vorindustrielle CO2-Konzentration Co und Relaxationszeit τ

Ein weiteres wichtiges Kriterium für das Verständnis der von den CO2-Emissionen hervorgerufenen Erhöhung der atmosphärischen CO2-Konzentration ist die Differenz von Emission und Kon­zen­trations­ver­ände­rung dC/dt, also die CO2-Absorption.

Abb. 5 zeigt über der atmosphärischen CO2-Konzentration C, wie sich die CO2-Absorption (die Differenz von Emission und dC/dt) mit wachsender Differenz C-Co erhöht hat, wobei Co=296 ppm so gewählt wurde, daß die Absorption bei C=Co den Wert 0 hat (also das System im Gleichgewicht ist). Die Steigung der Absorption (1/τ mit der Dimension 1/Jahr) verringert sich, wenn der Abstand von C zur vorindustriellen CO2-Konzentration Co wächst:
Für C ≤ 331 ppm gilt im Mittel τ = 40 Jahre; für C ≥ 331 ppm liefert die lineare Regression τ = 53 Jahre.

Der Parameter τ wird als Relaxationszeit bezeichnet; das ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der sich ein neues Gleichgewicht zwischen absorbierendem Medium und der Atmosphäre wieder einstellt, nachdem dieses Gleichgewicht durch eine Emission gestört wurde. Das absorbierende Medium ist vor allem die Ozean-Oberfläche, in der sich durch Aufnahme von atmosphärischem CO2 das Karbonat-Gleichgewicht verändert – ein reversibler Prozeß; siehe Dübal HR, Vahrenholt F (2023) Oceans’ surface pH-value as an example of a reversible natural response to an anthropogenic perturbation. Ann Mar Sci 7(1): 034-039. Laut Dübal/Vahrenholt hat sich der pH-Wert der Meeresoberfläche durch die Veränderung des Karbonatgleichgewichts seit 1850 von 8.17 auf 8.03 vermindert. Damit verbunden hat sich der Revelle-Faktor leicht erhöht, was einem leicht verminderten Puffer-Effekt für die Aufnahme von atmosphärischem CO2 entspricht. Das wiederum paßt zu der aus Abb. 5 abzulesenden Beobachtung, daß die Relaxationszeit mit steigender atmosphärischer CO2-Konzentration steigt.

Der aus Abb. 5 hervorgehende Wert von Co = 296 ppm für die vorindustrielle CO2-Konzentration würde bedeuten, daß es vor 1900 negative Absorption, also zusätzliche Emissionen in Form von Desorption gab. Das Postulieren von negativer Absorption wird vermieden, wenn man stattdessen die (ELUC-)Emissionen aus Landnutzungsänderungen berücksichtigt – siehe unten.

Die Ergebnisse aus Abb. 5 sind trotz der fehlenden ELUC-Berücksichtigung wichtig, weil die vom IPCC verwendeten auf dem Bern Carbon Cycle Modell basierenden Projektionen zukünftiger CO2-Konzentrationen ebenfalls die Land-Use-Change-Emissionen nicht berücksichtigen; siehe Hansen et al. (2007) „Dangerous human-made interference with climate: a GISS modelE study“, Kap. 5.2 (S. 2302):

(A)
In recent decades the increase of atmospheric CO2, averaged over several years, has been ∼58% of fossil fuel emissions (IPCC, 2001; Hansen, 2005b).
…
(B)
Integration over the period 1750–2005 of the product of Eq. (1) and fossil fuel emissions yields a present airborne fossil fuel CO2 amount of ∼80 ppm. (Kharecha and Hansen, 2007) The observed atmospheric CO2 increase is ∼100 ppm, the difference presumably due to the net consequence of deforestation and biospheric uptake not incorporated in the carbon cycle model.

zu (A): aus Abb. 4 geht hervor, daß die mittlere Airborne Fraction für die Jahre 1959 – 2006 den Wert 57% hat, wenn man die ELUC-Emissionen nicht berücksichtigt; mit ELUC-Berücksichtigung beträgt die mittlere Airborne Fraction (1959-2006) jedoch nur 43,5%.

zu (B): Die fehlenden ca. 20 ppm haben die Größenordnung der Differenz von 296 ppm (siehe Abb. 5) und der auf Eisbohrkern-Messungen beruhenden Annahme einer vorindustriellen CO2-Konzentration von 277 ppm (Eisbohrkern-Meßwert für 1750).

CO2-Absorption unter Berücksichtigung von Landnutzungsänderungs-Emissionen

Die in Abb. 6 dargestellte Berücksichtigung der ELUC-Daten führt zu Co = 282 ppm, einer sehr kurzen Relaxationszeit von 28 Jahren für C ≤ 331 ppm und einer zu Abb. 5 ähnlichen Relaxationszeit von τ = 55 Jahren für C ≥ 331 ppm.

Unter Berücksichtigung der im Abschnitt Emissionen erwähnten Tatsache, daß die ELUC-Schätzungen eine Unsicherheit von 44% aufweisen, ist es vertretbar, die ELUC-Emissionen nur durch ihren Mittelwert von 0.6 ppm zu berücksichtigen:

Die Verwendung des ELUC-Mittelwerts von 0,6 ppm führt in Abb. 7 zum Wert von Co=274 ppm für die vorindustrielle CO2-Konzentration – einem Wert, der sehr dicht an dem allgemein in der Literatur postulierten Wert von 277 ppm liegt. Die Relaxationszeiten 40 Jahre für kleine (C ≤ 331 ppm) und 53 Jahre für höhere CO2-Konzentrationen entsprechen denen aus Abb. 5.

Fazit

Die auf der Massenbilanz
Absorption = Emission – Konzentrationsveränderung
basierenden Abbildungen 5, 6 und 7 weisen darauf hin,

• daß die Relaxationszeit τ(C) nicht konstant ist, sondern sich mit steigender atmosphärischer CO2-Konzentration C (und damit einhergehender Erniedrigung des pH-Werts der Ozean-Oberfläche und infolgedessen steigendem Revelle-Faktor) von ca. 40 Jahren auf etwas über 50 Jahre erhöht hat;
• daß die aus Landnutzungsänderungen resultierenden CO2-Emissionen berücksichtigt werden müssen, um 0 ppm Absorption für die aus Eisbohrkernen ermittelte vorindustrielle CO2-Konzentration Co ≈ 277 ppm zu erhalten.

Die Massenbilanz ist der Ausgangspunkt für unterschiedliche Ansätze, die aus den bisherigen CO2-Emissionen resultierenden atmosphärischen CO2-Konzentrationen physikalisch sinnvoll zu beschreiben, um daraus glaubhafte zukünftige CO2-Konzentrationsverläufe für vorstellbare Emissions-Szenarien abzuleiten.