Methan

Aus Klimawandel

Atmosphärische Konzentrationsänderungen

Gemessen an seinem Strahlungsantrieb ist Methan nach Kohlendioxid das zweitwichtigste langlebige und von Menschen emittierte Treibhausgas. Während der letzten 650 000 Jahre lag die Methankonzentration der Atmosphäre zwischen 400 ppb während der Kaltzeiten und 700 ppb während der Warmzeiten. Sie hat sich seit 1750 von ca. 700 ppb auf ca. 1775 ppb im Jahre 2005 mehr als verdoppelt. Der aktuelle Wert ist in den letzten 650 000 Jahren beispiellos. Während frühere Daten aus in Eis oder Firn eingeschlossenen Luftbläschen stammen, wird die Methankonzentration seit 1983 direkt in der Atmosphäre und global repräsentativ gemessen. In dieser Zeit ist die Methankonzentration noch einmal um 30% angestiegen. Die Wachstumsrate der Methanzunahmen ist allerdings von 1% oder 14 ppb pro Jahr um 1980 auf nahezu Null in der Zeit 2000-2005 zurückgegangen. Dieser Rückgang ist in der Forschung bis heute nicht hinreichend verstanden. Die Hypothesen reichen von einer geringeren anthropogenen Emission bis zu Veränderungen in den Senken. Bei der wichtigsten Senke, der Reaktion mit Hydroxylradikalen (OH), lassen sich allerdings keine nennenswerten Änderungen nachweisen.[1] Aufgrund der Reaktion mit OH-Radikalen in der höheren Atmosphäre beträgt die Lebensdauer von Methan nur 12 Jahre. Dabei entsteht jedoch CO2, welches ebenfalls ein Treibhausgas ist und eine deutlich längere Verweilzeit in der Atmosphäre hat. Die wichtigsten anthropogenen Methanquellen sind unvollständige Verbrennungen, Mülldeponien und Bergwerke, insbesondere aber auch landwirtschaftliche Tätigkeiten wie der Nassreisanbau und die Viehzucht. Die vom Menschen in großer Zahl gezüchteten Wiederkäuer wie Rinder und Schafe emittieren beträchtliche Methanmengen.

Schwankungen in der Zuwachsrate

Datei:CH4 1985-2005.jpg
Methankonzentration und Wachstumsrate 1984-2005[2]

Auffällig an der Zuwachsrate der Methankonzentration sind die starken jährlichen Schwankungen. Für einige dieser Schwankungen in den letzten 25 Jahren sind Erklärungen versucht worden. So ist der Abfall der Zuwachsrate im Jahre 1992 mit dem Ausbruch des Mt. Pinatubo in Verbindung gebracht worden. Bei dem Vulkanausbruch sind große Mengen an Aerosolen und Schwefeldioxid in die untere Stratosphäre geschleudert worden, die die photochemischen Prozesse und die Entfernung von CH4 durch OH negativ beeinflusst haben sollen. Möglicherweise waren auch durch die geringeren Temperaturen und Niederschläge infolge des Pinatubo-Ausbruchs die Emissionen aus Feuchtgebieten reduziert. Umgekehrt hat die deutliche Zunahme der Wachstumsrate 1998 nach Ansicht mancher Forscher mit der Erwärmung durch den El Niño 1997/98 zu tun, die die Emission aus Feuchtgebieten und die Verbrennung von Biomasse in der borealen Klimazone gefördert haben könnte.[1]

Quellen

Natürliche und anthropogene Methanquellen um 1990[3]

Methan (CH4) ist ein Treibhausgas, das sowohl aus natürlichen (z.B. Feuchtgebieten, Termiten, Ozean und Erdkruste) als auch anthropogenen Quellen (z.B. Reisfeldern, Rinderzucht, Mülldeponien oder Erdgasgewinnung und -transport) stammt. Im Prinzip kann es überall dort entstehen, wo anaerobe Bedingungen herrschen, d. h. Sauerstoffmangel, so dass organisches Material bei der Zersetzung nicht zu Kohlendioxid oxidiert werden kann. Die Emissionen aus den einzelnen Quellen können quantitativ nur sehr grob abgeschätzt werden. Global werden jährlich ungefähr 0,6 Gt emittiert, wovon 60 % aus anthropogenen Quellen stammen. Eine möglicherweise bedeutende Quelle könnte das in großen Mengen an den Kontinentalhängen der Ozeanböden in Tiefen von ca. 400-1000 m lagernde Methanhydrat bilden, eine unter hohem Druck und bei Temperaturen um den Gefrierpunkt entstehende Verbindung aus Wasser und Methan. Die gegenwärtig dort eingebundene Methanmenge wird auf ca. 4000 Gigatonnen geschätzt (eine Gigatonne entspricht einer Milliarde (109) Tonnen oder einer Billion (1012) Kilogramm).[1] Nach Meinung mancher Forscher könnte eine Erwärmung des Meerwassers durch eine globale Temperaturzunahme die eisartigen Methanhydrate zerfallen lassen und zur Freisetzung von Methan führen. Methan kann sich im Wasser mit gelöstem Sauerstoff zu Kohlendioxid verbinden, das dann zusammen mit nicht reagiertem Methan in die Atmosphäre aufsteigen kann. Zu einer gewaltigen Methanfreisetzung dieser Art soll es vor etwa 55 Millionen Jahren im Paläozän/Eozän (zu Beginn des Känozoikums) gekommen sein. Die Folge war ein starker Temperaturanstieg in den höheren Breiten um 5-8 °C.[4] Als Ursache für diese Methanfreisetzung werden sowohl eine Erwärmung des Ozeans um 4-6 °C durch Veränderungen in der ozeanischen Zirkulation, die durch den allgemeinen Erwärmungstrend zu Beginn des Känozoikums angestoßen worden sein könnten, als auch tektonisch verursachte Erdrutsche an den Kontinentalhängen diskutiert.[5] Während der Zeitraum der früh-känozoischen Methanfreisetzuung im Umfang von 1500-2200 Gigatonnen (eine Gigatonne entspricht einer Milliarde (109) Tonnen oder einer Billion (1012) Kilogramm) auf 10 000 bis 20 000 Jahre geschätzt wird, hielt die dadurch verursachte globale Erwärmung 150 000 bis 220 000 Jahre an, mit der Folge von dramatischen Veränderungen für die marinen und terrestrischen Ökosysteme. Auch während des Quartärs soll es vor allem in den ersten Jahrzehnten am Beginn von Interstadialen, den sogenannten Dansgaard-Oeschger-Zyklen, zur schnellen Freisetzung von Methan aus Gashydraten am Meeresboden gekommen sein. Als Ursache wird eine Erwärmung des Meerwassers durch Veränderungen der thermohalinen Zirkulation um 2-3,5 °C angenommen. Begünstigt wurde der Zerfall der Methanhydrate zudem durch einen geringen Wasserdruck aufgrund des gegenüber heute um ca. 80 m niedrigeren Meeresspiegels.[6] Andere Untersuchungen halten eine nennenswerte Freisetzung von Methan aus Hydraten während der letzten 50 000 Jahre für ausgeschlossen, da die atmosphärischen Veränderungen der Methankonzentration zu Beginn der Interstadiale, wie sie aus Eisbohrkernen abgelesen werden können, viel zu langsam erfolgt seien. Vielmehr könnten die Methananstiege des Quartärs aus tropischen und borealen Festlandquellen erklärt werden.[7]

Gegenwärtig stammen etwa 10 Tg (= 10 Millionen Tonnen) CH4 pro Jahr aus Methanhydraten. Bei einer Erwärmung des Ozeans kann die freiwerdende Menge vielleicht erhöht werden. Eine qantitative Abschätzung ist jedoch nicht möglich. Historische Daten sprechen eher gegen eine plötzliche Freisetzung von größeren Methanmengen aus Methanhydraten.[8]. Innerhalb von 1000-100000 Jahren könnte die Methanfreisetzung aus Gashydraten jedoch eine sehr starke positive Rückkopplung anstoßen. Anthropogene Emissionen von 2000 GtC könnten schätzungswese noch einmal dieselbe Menge an Methan freisetzen.[1]

Senken

In der Atmosphäre hat Methan eine verhältnismäßig kurze Verweilzeit von 12 Jahren. Dies liegt daran, dass es in Folge chemischer Reaktionen in der Atmosphäre abgebaut wird. Die wichtigste Senke ist die Reaktion mit OH in der Troposphäre:

OH + CH4 -> CH3 + H2O

Durch diesen Prozess werden pro Jahr 511 Tg Metan aus der Atmosphäre entfernt. Außerdem wird ein geringer Teil vom Boden aufgenommen (30 Tg/Jahr) und in der Stratosphäre durch Reaktion mit OH, Cl und O umgewandelt (40 Tg/Jahr).[1] Das Hydroxyl-Radikal (OH), das nicht nur Methan, sondern auch andere klimatisch und toxisch wichtige Spurenstoffe wie Stickoxide und Kohlenmonoxid kontrolliert, entsteht hauptsächlich durch die photolytische Spaltung von Ozon (O3 + hv -> O + O2). Elektronisch angeregte O-Atome reagieren anschließend mit Wasserdampf zu Hydroxyl-Radikalen:

O* + H2O -> 2 OH

Die im globalen Mittel wichtigsten Senken für OH sind die Reaktion mit CO und CH4. Es reagiert aber außerdem mit einer Reihe von anderen Spurengasen. Diese Reaktionen führen häufig zur Entstehung von H2O-Radikalen, durch die es über eine Reaktion mit O3 oder NO wieder zur Entehung von OH kommt.Obwohl nach Modellberechnungen bei einer Zunahme der Methan-Konzentration um 1% die OH-Konzentration um 0,32% zurückgehen sollte,[8] konnte ein Trend zu einer Abnahme der globalen OH-Konzentration in der Atmosphäre nicht nachgewiesen werden.[9]. Allerdings sind die OH-Konzentrationen nur indirekt aus den Konzentrationen anderer Gase abzuleiten und erfordern die Anwendung von Computermodellen, was große Unsicherheiten impliziert.[1]

Neuere Erkenntnisse zeigen, dass freigesetztes Methan in den oberen Sedimentschichten des Ozeanbodens in großen Mengen von marinen Bakterien unter Verwendung von Sulfat als Oxidationsmittel oxidiert wird, bevor es ins freie Wasser gelangen kann.[10] Diese 'Metanfresser' in den anaeroben Sedimenten des Ozeanbodens sind möglicherweise die entscheidende Senke im Methankreislauf, die die oft beschworene Treibhauserwärmung durch eine plötzliche Methanausgasung aus dem Meer verhindert.

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.3.2 und 7.4.1
  2. ↑ Verändert nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure 2.4
  3. ↑ IPCC (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge and New York 2001, Table 4.2
  4. ↑ Norris, R.D., U. Röhl (1999): Carbon cycling and chronology of climate warming during the Palaeocene/Eocene transition, Nature 401, 775 - 778; Katz, M.E., D.K. Pak, G.R. Dickens, and K.G. Miller (2000): The Source and Fate of Massive Carbon Input During the Latest Paleocene Thermal Maximum, Science 288, 128-133; Dickens, R. (1999): Carbon cycle: The blast in the past, Nature 401, 752-755; Schiermeier, Q. (2003): Gas leak!, Nature 423, 681-682; Schmidt, G.A., and D.T. Shindell (2003): Atmospheric composition, radiative forcing, and climate change as a consequence of a massive methane release from gas hydrates, Paleoceanography 18 (1), 1004, doi: 10.1029/2002PA000757
  5. ↑ Katz, M.E., B.S. Cramer, G.S. Mountain, S. Katz, and K.G. Miller (2001): Uncorking the bottle: What triggered the Paleocene-Eocene thermal maximum methane release? Paleoceanography 16 (6), 549-562
  6. ↑ Kennett, J.P., K.G. Cannariato, I.L. Hendy, and R.J. Behl (2000): Carbon Isotopic Evidence for Methane Hydrate Instability During Quaternary Interstadials, Science 288, 128-133
  7. ↑ Brook, E. J. , S.Harder, J. Severinghaus, E.J. Steig and C.M. Sucher (2000): On the origin and timing of rapid changes in atmospheric methane during the last glacial period, Global Biogeochem. Cycles 14 , 559-572
  8. ↑ 8,0 8,1 IPCC (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge and New York 2001, 4.2.1.1
  9. ↑ Krol, M. C., J. Lelieveld, D.E. Oram, G.A. Sturrock, S.A. Penkett, C.A.M. Brenninkmeijer, V. Gros, J. Williams, H.A. Scheeren (2003): Continuing emissions of methyl chloroform from Europe, Nature 421, 131 - 135
  10. ↑ M.Krüger, A. Meyerdierks, F. O. Glöckner, R. Amann, F. Widdel, M. Kube, R. Reinhardt, J. Kahnt, R. Böcher, R.K. Thauer & S. Shima (2003): A conspicuous nickel protein in microbial mats that oxidize methane anaerobically, Nature 426, 878-881

Siehe auch

Weblinks


Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Methan vom Hamburger Bildungsserver und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation.

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