Anthropogene Methan-Emissionen bislang stark unterschätzt

Eisbohrkerne aus Grönland liefern neue Erkenntnisse

Der durch die Nutzung fossiler Energieträger anthropogene Ausstoß des Klimagases Methan (CH4) ist laut mdr wissen höher als bislang angenommen. US-Wissenschaftler von der Universität Rochester (N.Y.) sehen in dieser Erkenntnis aber auch eine Chance im Kampf gegen die Erderwärmung. Denn während Kohlendioxid (CO2) 100 Jahre (und mehr: andere Quellen sprechen von 1.000 Jahren) die Atmosphäre belaste, zerfalle CH4 nach etwa neun Jahren. Eine spürbare Reduktion des Gases hätte daher einen viel schnelleren Effekt. In den vergangenen drei Jahrhunderten stiegen die weltweiten CH4-Emissionen um das Zweieinhalbfache.

Rochester-Forscher bohren in Grönland nach Eiskernen, die Luftblasen enthalten, in denen kleine Mengen alter Luft eingeschlossen sind. Durch die Messung des Kohlenstoff-14-Isotops in der Luft von vor mehr als 200 Jahren fanden die Forscher heraus, dass die Wissenschaftler die Menge an fossilem CH4, das von natürlichen Quellen ausgestoßen wird, bei weitem überschätzt und daher die CH4-Menge, die der Mensch über fossile Brennstoffe in die Atmosphäre abgibt, unterschätzt haben – Foto © Xavier Faïn / Universität Grenoble

Die CH4-Emissionen in die Atmosphäre haben in den vergangenen drei Jahrhunderten um etwa 150 Prozent zugenommen, aber es war für die Forscher schwierig, genau zu bestimmen, woher diese Emissionen stammen; wärmefangende Gase wie CH4 können sowohl natürlich als auch durch menschliche Aktivitäten emittiert werden.

Postdoktorand Benjamin Hmiel im Labor von Vasilii Petrenko (Professor der Erd- und Umweltwissenschaften) an der Universität Rochester und seine Mitarbeiter haben die CH4-Werte in alten Luftproben gemessen und festgestellt, dass die Wissenschaftler die Menge an CH4, die der Mensch über fossile Brennstoffe in die Atmosphäre abgibt, bei weitem unterschätzt haben. In einem in Nature veröffentlichten Papier weisen die Forscher einmal mehr darauf hin, dass die Verringerung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe ein Schlüsselziel bei der Eindämmung des Klimawandels ist: “Die Einführung strengerer Vorschriften für die Methanemission in der Industrie für fossile Brennstoffe hat das Potenzial, die künftige globale Erwärmung in größerem Maße zu reduzieren als bisher angenommen”, so Hmiel.

Zwei Arten von Methan

Hmiel zufolge ist Methan nach CO2 der zweitgrößte anthropogene – aus menschlicher Tätigkeit stammende – Faktor, der zur globalen Erwärmung beiträgt. Aber im Vergleich zu CO2 und anderen wärmeeinschließenden Gasen ist Methan relativ kurz haltbar; es hält im Durchschnitt nur neun Jahre in der Atmosphäre, während Kohlendioxid beispielsweise etwa ein Jahrhundert in der Atmosphäre verbleiben kann. Das macht CH4 zu einem besonders geeigneten Ziel für die Eindämmung von Emissionen in einem kurzen Zeitrahmen.

“Wenn wir heute den Ausstoß von Kohlendioxid ganz einstellen würden, würden die hohen Kohlendioxidwerte in der Atmosphäre noch lange anhalten”, sagt Hmiel. “Die Untersuchung von Methan ist wichtig, denn wenn wir Änderungen an unseren derzeitigen Methanemissionen vornehmen, wird sich dies schneller widerspiegeln”.

CH4, das in die Atmosphäre ausgestoßen wird, kann in zwei Kategorien eingeteilt werden, basierend auf seiner Signatur von C14, einem seltenen radioaktiven Isotop. Es gibt fossiles Methan, das seit Millionen von Jahren in alten Kohlenwasserstofflagerstätten abgelagert wurde und kein C14 mehr enthält, weil das Isotop zerfallen ist; und es gibt biologisches CH4, das mit Pflanzen und Tieren auf der Planetenoberfläche in Kontakt steht und C14 enthält. Biologisches CH4 kann auf natürliche Weise aus Quellen wie Feuchtgebieten oder über anthropogene Quellen wie Deponien, Reisfelder und Vieh freigesetzt werden. Fossiles CH4, auf das sich Hmiel in seiner Studie konzentriert, kann über natürliche geologische Versickerungen oder als Folge der Gewinnung und Nutzung fossiler Brennstoffe wie Öl, Gas und Kohle durch den Menschen freigesetzt werden.

Das in die Atmosphäre ausgestoßene CH4 kann in zwei Kategorien eingeteilt werden – fossiles oder biologisches Methan, basierend auf seiner Signatur des Isotops Kohlenstoff-14. Biologisches Methan kann auf natürliche Weise aus Quellen wie Feuchtgebieten oder über anthropogene Quellen wie Deponien, Reisfelder und Vieh freigesetzt werden. Fossiles Methan kann über natürliche geologische Versickerungen oder als Folge der Gewinnung und Nutzung fossiler Brennstoffe durch den Menschen freigesetzt werden – Illustration von Michael Osadciw, Universität Rochester

Wissenschaftler sind in der Lage, die Gesamtmenge an CH4, die jedes Jahr in die Atmosphäre ausgestoßen wird, genau zu quantifizieren, aber es ist schwierig, diese Gesamtmenge in ihre einzelnen Bestandteile aufzuschlüsseln: Welche Anteile stammen aus fossilen und welche aus biologischen Quellen? Wie viel Methan wird auf natürliche Weise und wie viel durch menschliche Aktivitäten freigesetzt?

“Als wissenschaftliche Gemeinschaft haben wir darum gekämpft, genau zu verstehen, wie viel Methan wir als Menschen in die Atmosphäre abgeben”, sagt Petrenko, Koautor der Studie. “Wir wissen, dass die Komponente der fossilen Brennstoffe eine unserer größten Emissionskomponenten ist, aber es war eine Herausforderung, dies zu bestimmen, weil in der heutigen Atmosphäre die natürlichen und anthropogenen Komponenten der fossilen Emissionen isotopisch gleich aussehen.

Hinwendung zur Vergangenheit

Um die natürliche und die anthropogene Komponente genauer zu trennen, wandten sich Hmiel und seine Kollegen der Vergangenheit zu, indem sie Eisbohrungen durchführten und Eisbohrkerne aus Grönland sammelten. Die Eiskernproben wirken wie Zeitkapseln: Sie enthalten Luftblasen, in denen kleine Mengen alter Luft eingeschlossen sind. Die Forscher verwenden eine Schmelzkammer, um die antike Luft aus den Blasen zu extrahieren und dann ihre chemische Zusammensetzung zu untersuchen.

Hmiels Forschung erweitert die bisherigen Forschungen von Petrenko, konzentriert sich aber auf die Messung der Luftzusammensetzung vom frühen 18. Jahrhundert – vor dem Beginn der industriellen Revolution – bis heute. Die Menschen begannen erst Mitte des 19. Jahrhunderts, fossile Brennstoffe in signifikanten Mengen zu nutzen. Die Messung der Emissionswerte vor diesem Zeitraum ermöglicht es den Forschern, die natürlichen Emissionen ohne die aus fossilen Brennstoffen zu identifizieren, die in der heutigen Atmosphäre vorhanden sind. Es gibt keine Hinweise darauf, dass die natürlichen fossilen Methanemissionen im Laufe einiger Jahrhunderte variieren können.

Bis 1870 nur biologisches Methan

Durch die Messung der C14-Isotope in der Luft von vor mehr als 200 Jahren fanden die Forscher heraus, dass fast das gesamte in die Atmosphäre ausgestoßene CH4n bis etwa 1870 biologischer Natur war. Zu diesem Zeitpunkt begann der fossile Anteil rasch zu steigen. Der Zeitpunkt fällt mit einem starken Anstieg der Nutzung fossiler Brennstoffe zusammen.

Die Mengen an natürlich freigesetztem fossilem CH4 sind etwa zehnmal geringer als in früheren Forschungsberichten angegeben. Angesichts der heute in der Atmosphäre gemessenen Gesamtemissionen fossiler Brennstoffe folgern Hmiel und seine Kollegen, dass der vom Menschen verursachte fossile Anteil 25 bis 40 Prozent höher sei als erwartet, fanden sie.

Auswirkungen des Klimawandels

Die Daten haben wichtige Implikationen für die Klimaforschung: Wenn die anthropogenen CH4-Emissionen einen größeren Teil der Gesamtmenge ausmachen, wird die Verringerung der Emissionen aus menschlichen Aktivitäten wie der Gewinnung und Nutzung fossiler Brennstoffe einen größeren Einfluss auf die Eindämmung der zukünftigen globalen Erwärmung haben, als die Wissenschaftler bisher angenommen haben.

Für Hmiel ist das eigentlich eine gute Nachricht. “Ich möchte nicht zu hoffnungslos werden, denn meine Daten haben eine positive Auswirkung: Der Großteil der Methanemissionen ist anthropogen, so dass wir mehr Kontrolle haben. Wenn wir unsere Emissionen reduzieren können, wird es eine größere Wirkung haben.”

Abstract aus Nature

Atmosphärisches Methan (CH4) ist ein starkes Treibhausgas, und sein Molanteil hat sich seit der vorindustriellen Zeit mehr als verdoppelt. Die Gewinnung und Nutzung fossiler Brennstoffe gehört zu den größten anthropogenen Quellen von CH4-Emissionen, aber das genaue Ausmaß dieser Beiträge ist Gegenstand einer Debatte. Kohlenstoff-14 in CH4 (14CH4) kann verwendet werden, um zwischen fossilen (14C-freien) CH4-Emissionen und gleichzeitigen biogenen Quellen zu unterscheiden; allerdings haben schlecht eingeschränkte direkte 14CH4-Emissionen aus Kernreaktoren diesen Ansatz seit Mitte des 20. Jahrhunderts erschwert. Darüber hinaus wird die Aufteilung der gesamten fossilen CH4-Emissionen (derzeit 172 bis 195 Teragramm CH4 pro Jahr) auf anthropogene und natürliche geologische Quellen (wie Sickerwasser und Schlammvulkane) diskutiert; Emissionsinventare deuten darauf hin, dass letztere etwa 40 bis 60 Teragramm CH4 pro Jahr ausmachen. Am Ende des Pleistozäns, vor etwa 11.600 Jahren, lagen die geologischen Emissionen bei weniger als 15,4 Teragramm CH4 pro Jahr, aber dieser Zeitraum ist aufgrund der großen terrestrischen Eisdecke, des niedrigeren Meeresspiegels und des ausgedehnten Permafrosts ein unvollkommenes Analogon für die heutigen Emissionen. Hier verwenden wir vorindustrielle Messungen des Eiskerns 14CH4 aus der vorindustriellen Ära, um zu zeigen, dass die natürlichen geologischen CH4-Emissionen in die Atmosphäre etwa 1,6 Terogramm CH44 pro Jahr betragen, mit einem Maximum von 5,4 Teragramm CH4 pro Jahr (95 Prozent Konfidenzgrenze) – eine Größenordnung, die unter den derzeit verwendeten Schätzungen liegt. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die anthropogenen fossilen CH4-Emissionen um etwa 38 bis 58 Teragramm CH4 pro Jahr, d.h. um etwa 25 bis 40 Prozent der jüngsten Schätzungen, unterschätzt werden. Unsere Aufzeichnung zeigt die Auswirkungen des Menschen auf die Atmosphäre und das Klima auf, bietet ein festes Ziel für die Inventarisierung des globalen CH4-Budgets und wird dazu beitragen, Strategien für gezielte Emissionsreduktionen zu entwickeln.

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