Langzeitmessungen von Radiokohlenstoff im atmosphärischen Kohlendioxid

Wie sich Emissionsminderungen auf unabhängige Weise kontrollieren lassen
von Ingeborg Levin

Energie sparen! Dieser Appell wird immer dann laut, wenn die Energie aus fossilen Brennstoffen stammt und das freigesetzte Treibhausgas Kohlendioxid die Klimaerwärmung zu beschleunigen droht. Deutschland hat sich deshalb dazu verpflichtet, die Kohlendioxid-Emissionen bis zum Jahr 2020 drastisch zu senken. Aber wie lassen sich die Effekte energiesparender Maßnahmen messen und kontrollieren? Eine Forschergruppe der Universität Heidelberg hält dafür eine Methode bereit: Mit der Langzeitmessung von Radiokohlenstoff im atmosphärischen Kohlendioxid wird es möglich, zukünftige Emissionsminderungen in unabhängiger Weise zu überprüfen.

Treibhausgase, vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid, sind wichtige Bestandteile unserer Atmosphäre. Sie sorgen dafür, dass die Temperatur in den meisten Gebieten der Erde deutlich über null Grad Celsius liegt, dass Wasser in flüssiger Form vorkommt und damit Leben auf der Erde ermöglicht. Ohne Treibhausgase läge die Temperatur am Erdboden im Mittel bei etwa minus 18 Grad. Zu hohe Treibhausgas-Konzentrationen in der Atmosphäre indes sind schädlich, denn sie führen zur Erwärmung der unteren Luftschicht, was sich in vielen Regionen der Erde katastrophal auswirken kann.

Seit Beginn der Industrialisierung, also seit rund 150 Jahren, werden die Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas intensiv genutzt. Dadurch – und durch die Umwandlung ursprünglicher Waldgebiete in Ackerland – ist der atmosphärische Gehalt an Kohlendioxid (CO2) weltweit um mehr als 35 Prozent gestiegen. Die Folge dieses Anstiegs ist eine fortschreitende Klimaerwärmung, deren Entwicklung nur auf der Basis verlässlicher Vorhersagen über den zukünftigen Verlauf der atmosphärischen CO2-Konzentration möglich ist.

Zurzeit wird etwa die Hälfte des von uns Menschen aufgrund der veränderten Landnutzung und Verbrennung fossiler Brennstoffe zusätzlich produzierten atmosphärischen Kohlendioxids von den Weltmeeren und der Land-Biosphäre aufgenommen. Diese natürlichen Senken verringern den atmosphärischen CO2-Anstieg. Die „Überschuss-Kohlensäure“ in den Ozeanen bewirkt jedoch schon heute eine messbare Versauerung des Oberflächenwassers, was sich auf die marinen Ökosysteme negativ auswirkt. Dahingegen kann eine erhöhte atmosphärische CO2-Konzentration, sofern ausreichend Nährstoffe vorhanden sind, Landpflanzen dazu anregen, besser zu wachsen. Es ist jedoch nur begrenzt möglich, diesen „Überschuss-Kohlenstoff“ langfristig in terrestrischen Ökosystemen zu speichern. Die Speicherung hängt von der mittleren Verweilzeit des Kohlenstoffs in den entsprechenden organischen Teilsystemen, also in den Blättern und Nadeln, im Holz, in Wurzeln oder im organischen Material im Boden ab. So wird nur ein kleiner Teil des heute zusätzlich aufgenommenen Kohlenstoffs über mehr als einige Jahrzehnte beispielsweise in Böden gespeichert bleiben. Vorrangiges Ziel muss daher sein, die von Menschen verursachten (anthropogenen) Treibhausgas-Emissionen drastisch zu reduzieren.

 

Bis 2020: Emissionsreduktion um mehr als 20 Prozent

Das im Jahr 1997 geschlossene Kyoto-Abkommen stellt einen ersten Schritt in diese Richtung dar: Wichtige Industrienationen, beispielsweise in Europa, haben sich verpflichtet, den Ausstoß von Treibhausgasen im Jahr 2012 gegenüber 1990 um etwa zehn Prozent zu senken. Die Europäische Gemeinschaft hat sich darüber hinaus zum Ziel gesetzt, ihre Emissionen bis zum Jahr 2020 um mehr als zwanzig Prozent zu reduzieren, wobei offizielle Berichte der Europäischen Umweltbehörde (EEA) die Gesamtreduktion in den EU-15-Staaten für das Jahr 2008 mit 6,2 Prozent angeben.

Um den anthropogenen Temperaturanstieg auf zwei Grad zu beschränken, müssten die globalen Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2050 jedoch um 80 Prozent reduziert werden. Ein wichtiges Ziel für die anstehenden Verhandlungen über ein wirksames Weltklima-Abkommen muss daher sein, alle großen CO2-Emittenden durch einen völkerrechtlichen Vertrag zu binden, wobei die einzelnen Mitgliedsstaaten CO2-Emissionsrechte erhalten, die auch gehandelt werden können (sogenannte Carbon Credits). Es stellt sich dann aber die Frage, wie die Einhaltung eines solchen Vertrages überwacht und wie die in den Mitgliedsstaaten beziehungsweise weltweit tatsächlich erfolgten Emissionen überprüft werden können.

Die sogenannten Annex-I-Staaten der derzeitigen Klimarahmen-Konvention der Vereinten Nationen berichten jährlich ihre nationalen Emissionszahlen. Diese beruhen allein auf statistischen Erhebungen der einzelnen Länder über die verschiedenen Quellen, wie die Nutzung von Energie in Haushalten oder im Straßenverkehr, und deren spezifische CO2-Emissionen. Die offiziellen Berichte über die nationalen Emissionen werden von einem unabhängigen Gremium überprüft. Diese „Audits“ basieren aber nicht auf unabhängig gewonnenen Eingangsdaten. Sie sind daher mit denselben Unsicherheiten und möglichen systematischen Fehlern behaftet wie die ursprünglich hochgerechneten Emissionen.

Eine aus wissenschaftlicher Sicht wirklich unabhängige Validierung kann letztlich nur über eine objektive Messung der Auswirkung dieser Emissionen auf die Atmosphärenkonzentration erfolgen. Im einfachsten Fall ist dies bei einem Treibhausgas möglich, das keine Senken hat und nur durch menschliche Aktivität produziert und freigesetzt wird. In diesem Fall wird der jährliche Anstieg des globalen atmosphärischen Inventars genau den globalen jährlichen Emissionen entsprechen. Ein Beispiel für ein solches Treibhausgas ist das in Hoch- und Mittelspannungsanlagen verwendete, äußerst klimawirksame Schwefelhexafluorid. Für dieses Gas haben wir erhebliche Diskrepanzen zwischen den offiziell berichteten Emissionen und den globalen Anstiegsraten in der Atmosphäre gefunden. Dies bekräftigt, wie notwendig eine unabhängige Validierung ist.

Im Fall des Kohlendioxids ist eine solche Validierung durch atmosphärische Beobachtungen jedoch extrem schwierig, denn ein Teil der anthropogenen CO2-Emissionen wird ja, wie oben erläutert, von natürlichen Reservoiren aufgenommen. Die Aufnahmeraten von Ozeanen und von der Landbiosphäre unterliegen dabei großen jährlichen Schwankungen. Sie sind auch im mehrjährigen Mittel nur mit einer Genauigkeit von höchstens zwanzig Prozent bestimmbar, da die steuernden Prozesse noch nicht vollständig verstanden sind.

Möchte man darüber hinaus die Emissionen einzelner Regionen oder Länder durch atmosphärische Beobachtungen prüfen und damit deren Änderungen langfristig überwachen, gestaltet sich diese Aufgabe fast aussichtslos: Hierfür muss der Transport der ausgestoßenen Gase von der Quelle zum Messort und die damit verbundene Verdünnung der Konzentration berücksichtigt werden. Dennoch ist es auch auf der regionalen Skala möglich, Änderungen der Emission im zugehörigen Einzugsgebiet zu überprüfen. Dazu vergleicht man Spurenstoff-Messungen im Emissionsgebiet mit entsprechenden Beobachtungen an sogenannten Reinluft-Referenzstationen. Die gemessenen Konzentrationsunterschiede und deren zeitliche Änderungen können dann direkt den Änderungen der regionalen Spurenstoff-Flüsse zugeordnet werden.

Ebenso wie für den globalen Ansatz sind hierfür aber lange und homogene Messreihen notwendig. Dies ist einerseits wichtig, um den Zeitrahmen, in dem die Änderungen erfolgen sollen, auch tatsächlich zu erfassen. Zum anderen können nur bei Mittelung über längere Zeiträume die von Jahr zu Jahr schwankenden meteorologischen Einflüsse am Messort klein gehalten werden.

Das Ziel: Saubere Energielandschaften

Die Arbeitsgruppe „Kohlenstoffkreislauf“ im Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg führt seit Mitte der 1990er Jahre kontinuierliche Messungen der CO2-Konzentration und anderer Treibhausgase am Standort des Instituts im Neuenheimer Feld durch. Diese Messungen erlauben es unter anderem, Änderungen der CO2-Quellen und -Senken in den letzten 15 Jahren im dicht besiedelten Oberrheingraben zu verfolgen. Die Heidelberger Messungen sind ein besonderer Datensatz: Traditionell erfolgen hochgenaue Treibhausgasmessungen vorwiegend in sauberen Regionen – also fernab der anthropogenen Quellen – damit die natürlichen Austauschprozesse dieser Gase untersucht werden können. Der Heidelberger Datensatz ist auch deswegen einmalig, weil hier begleitend zu den CO2-Konzentrationsmessungen auch systematisch Radiokohlenstoff-Messungen (14C) im atmosphärischen CO2 erfolgen. Für die Interpretation der CO2-Konzentrationsmessungen sind diese 14CO2-Daten entscheidend; sie erlauben es nämlich, die pflanzlichen von den fossilen CO2-Beiträgen im Einzugsgebiet von Heidelberg eindeutig zu unterscheiden. Dies ist wichtig, weil ein großer Teil der erhöhten CO2-Konzentration, die wir am Messort Heidelberg relativ zu maritimer Reinluft beobachten, auf den Einfluss des biosphärischen Stoffwechsels (Respiration) zurückzuführen ist.

Radiokohlenstoff, das radioaktive Isotop des Kohlenstoffs, wird in der Atmosphäre durch sogenannte Sekundär-Neutronen aus der Höhenstrahlung aus Stickstoff der Luft produziert. Nach Oxidation zu Kohlendioxid nimmt das radioaktiv „markierte“ 14CO2 – ebenso wie das stabile 12CO2 – am Kohlenstoff-Kreislauf teil und wird so auch in organisches Material eingebaut, in dem es mit der Halbwertszeit von 5?730 Jahren zerfällt. Die fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas sind ursprünglich aus organischen Pflanzen- und Tierresten entstanden. Während ihrer Lagerung über viele Jahrmillionen in terrestrischen und ozeanischen Sedimenten ist aber ihr ursprünglicher 14C-Gehalt nahezu vollständig zerfallen. Verbrennen wir heute diese fossilen Brennstoffe, entsteht Kohlendioxid, welches kein 14C mehr enthält.

Genau an diesem fehlenden 14C lässt sich jenes fossile CO2 eindeutig von CO2 unterscheiden, welches beispielsweise bei der Zersetzung von jungem Pflanzenmaterial (Respiration) entsteht und deshalb einen 14C-Gehalt hat, der dem des atmosphärischen CO2 sehr ähnlich ist. Bereits ein kleiner Beitrag beziehungsweise regionaler Überschuss an fossilem CO2 in der Atmosphäre lässt sich zuverlässig nachweisen, denn er bewirkt hier im Vergleich zu einem Reinluftgebiet ein messbares Defizit des 14C-Gehalts im CO2. Allerdings ist für den Nachweis des fossilen CO2 in der Atmosphäre und für die Quantifizierung der oft nur relativ kleinen Anteile die größtmögliche Genauigkeit der 14C-Messung notwendig. Diese Messgenauigkeit wird nur von wenigen Radiokohlenstoff-Labors weltweit erreicht. Das ursprünglich von Karl Otto Münnich aufgebaute Heidelberger 14C-Labor der Akademie der Wissenschaften im Institut für Umweltphysik gehört zu diesen ausgewählten Labors. Hier erfolgen neben genauen Datierungen unterschiedlichster Artefakte und der Verbesserung der internationalen Kalibrationskurve zur 14C-Datierung seit mehr als 50 Jahren hochgenaue Messungen von 14C im atmosphärischen CO2.

Um die geforderte Messgenauigkeit von besser als zwei Promille des atmosphärischen 14CO2-Gleichgewichtswertes mit konventioneller Zähltechnik zu erreichen, muss das Kohlendioxid aus etwa 20 Kubikmetern Luft extrahiert, gereinigt und dann über mehr als eine Woche in speziell konstruierten Zählrohren gemessen werden. Das Messverfahren ist aufwendig und teuer, sodass atmosphärische 14CO2-Analysen – bis auf wenige Ausnahmen – nur in wöchentlicher Zeitauflösung durchführbar sind.

Kontinuierliche, über jeweils zwei beziehungsweise eine Woche integrierte atmosphärische 14CO2-Messungen gibt es in Heidelberg bereits seit dem Jahr 1977. Was ursprünglich nur als Vergleichsmessungen für verschiedene zeitlich begrenzte Anwendungen, beispielsweise der 14C-Überwachung von Kernkraftwerken, gedacht war, wurde dennoch über die letzten Jahrzehnte hinweg weitergeführt. Denn es hatte sich schon in den frühen 1980er Jahren herausgestellt, dass man mit diesen Zeitreihen den fossilen atmosphärischen CO2-Anteil nachweisen kann.

 

Weltweit einzigartiger Datensatz

Im Jahr 1986 haben wir schließlich auch mit regelmäßigen Messungen von 14CO2 an einer hochalpinen Reinluftstation (Jungfraujoch, 3?450 Meter über dem Meer) in den Schweizer Alpen begonnen. Diese Messreihe ist für die Festlegung der Europäischen Reinluftreferenz notwendig, denn es ist genau diese Differenz zwischen den 14CO2-Konzentrationen in den verschmutzten Gebieten und der Reinluftreferenz, aus welcher der regionale fossile CO2-Überschuss abgeleitet wird.

Die Forschungsstation Jungfraujoch liegt die meiste Zeit des Jahres in der sogenannten „freien Troposphäre“ und ist daher nur sehr selten durch Luftmassen beeinflusst, welche zuvor direkten Kontakt mit verschmutzter Luft aus den umliegenden Gebieten hatte. Dass wir schon so früh mit diesen systematischen 14CO2-Messungen sowohl in Heidelberg als auch am Jungfraujoch begonnen haben, stellt sich heute als äußerst weitsichtig und für die hier diskutierte Fragestellung als enormer Glücksfall heraus, denn diese Messreihen über heute fast 25 Jahre sind weltweit einmalig.
 

Die Auswertung unserer Heidelberger 14CO2-Daten seit dem Jahr 1986 zeigt, dass hier der Anteil an fossilem Überschuss-CO2 im Mittel bei etwas mehr als 10 ppm liegt, was einer circa dreiprozentigen Erhöhung relativ zur gegenwärtigen CO2-Reinluftkonzentration von fast 390 ppm entspricht. Dieser fossile CO2-Anteil schwankt saisonal, er ist im Winter während der Heizperiode größer als im Sommer, aber er zeigt bislang keinen systematischen Trend.

Ein fehlender Trend im regionalen fossilen CO2-Überschuss entspricht eigentlich nicht den Erwartungen. Laut Berichten des Umweltbundesamtes wurden bundesweit in Deutschland die Emissionen nämlich seit 1990 um etwa 20 Prozent gesenkt. Wenn man sich jedoch die regionalen Emissionsstatistiken anschaut, ergibt sich ein anderes Bild: In Baden-Württemberg scheinen die Emissionen nur unwesentlich abzunehmen.

Sowohl für den Stadtkreis Heidelberg als auch für den Rhein-Neckar-Kreis wurden zwar vom Statistischen Landesamt Baden-Württemberg deutliche Emissionsminderungen von 1990 bis 2007 gemeldet. Diese werden jedoch durch eine starke Zunahme im Stadtkreis Mannheim mehr als ausgeglichen. Hier wirkt sich in den Statistiken die örtliche Umverteilung der fossilen CO2-Emissionen durch den Anschluss vieler Heidelberger Haushalte an die Fernwärme des Großkraftwerks Mannheim aus. Da auch das Kraftwerk im unmittelbaren Einzugsgebiet der Heidelberger Mess-Stelle liegt, zeigen unsere Messungen keinen sichtbaren Trend. Möglicherweise wirken aber auch immer noch steigende Emissionen aus dem Straßenverkehr im Rhein-Neckar-Kreis einem abnehmenden Trend entgegen.

Regelmäßige atmosphärische Messungen sind die Basis zur Überprüfung neuer Klimarahmen-Abkommen

Dass die fossilen CO2-Emissionen in Südwestdeutschland noch nicht in einem messbaren Grad abgenommen haben, ist ein wesentliches Ergebnis unserer Heidelberger Luftmessungen. Weit darüber hinaus geht aber deren experimentell gesicherte Erkenntnis, dass durch sorgfältige und langfristige atmosphärische Messungen die Entwicklung von fossilen CO2-Emissionen im Einzugsgebiet (also etwa 50 bis 100 km um die Mess-Stelle) überwacht werden kann. Es ist sogar realistisch, entsprechende Änderungen von weniger als zehn Prozent innerhalb weniger Jahre nachzuweisen, wenn die jährlichen Schwankungen im fossilen CO2-Überschuss als meteorologisches Signal berücksichtigt werden (zum Beispiel durch begleitende atmosphärische Transportmodell-Rechnungen).

 

Damit haben wir nun ein Instrument an der Hand, welches es erlaubt, auf unabhängige Weise zukünftige Emissionsminderungen tatsächlich zu überprüfen. Dies ist ein enormer Fortschritt, weil die atmosphärischen Messungen die rechtliche Grundlage zur Überprüfung neuer Klimarahmen-Abkommen und für einen vertrauenswürdigen Handel mit Emissionsrechten liefern können. Kontinuierliche 14CO2-Messungen sollen daher im Rahmen des „Integrierten Kohlenstoff-Beobachtungssystems“ (ICOS) auf ganz Europa ausgeweitet werden.

 

Dr. Ingeborg Levin hat nach ihrer Promotion im Jahr 1984 am Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg eine Arbeitsgruppe aufgebaut, die sich mit der regionalen und globalen Messung und Modellierung der wichtigsten Treibhausgase und ihrer Isotopenverhältnisse befasst. Zurzeit engagiert sie sich unter anderem am Aufbau einer europäischen Infrastruktur (ICOS) für ein langfristiges Beobachtungssystem von Kohlendioxid, Methan und anderen Treibhausgasen in Europa.

Kontakt: ingeborg.levin@iup.uni-heidelberg.de