Der Treibhauseffekt. Was verursacht ihn und wie kann er verhindert werden?

INHALTSVERZEICHNIS

1. EINLEITUNG
1.1 Problemstellung
1.2 Motivation
1.3 aktuelle Situation

2. DER TREIBHA USEFFEKT
2.1 Theoretischer Teil
2.1.1 der Treibhauseffekt aus technischer Sicht
2.1.2 der Kohlenstoffkreislauf der Erde
2.2 Verursacher des Treibhauseffekts
2.2.1 Herkunft nach Art der Treibhausgase
2.2.2 Herkunft nach Bereichen
2.2.3 Geografische Herkunft
2.3 Lösungsansätze
2.3.1 Alternative Energiequellen
2.3.2 Reduzierung des Energieverbrauchs
2.3.3 Treibhausgasspeicherung - Sequestrierung
2.3.4 Sanktionierung von Emissionsüberschüssen
2.4 Ergebnis - Zusammenfassung

3. SCHLUSSTEIL
3.1 Gegenüberstellung Erwartung/Ergebnis
3.2 Ausblick

ANHANG /ERGÄNZENDE INFORMATIONEN

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungen

Literaturverzeichnis

1. EINLEITUNG

Im folgenden Kapitel wird die Problemstellung zum Arbeitsthema Treibhauseffekt und auf die Motivation für das Thema eingegangen. Es soll dazu dienen einen allgemeinen Überblick über die Materie zu vermitteln.

1.1 Problemstellung

Seit Anbeginn der Industriellen Revolution im neunzehnten Jahrhundert stieg der, durch den Menschen verursachte Ausstoß von Treibhausgasen in die Erdatmosphäre rapide an. Schon zur Jahrhundertwende beschäftigte sich die Wissenschaft mit den Wechselwirkungen der Kohlenstoffdioxidemissionen zwischen Industrie, Natur und Gesellschaft. Die damaligen Ergebnisse der Untersuchungen führten zur Erkenntnis, dass durch die Erzeugung von Kohlendioxid zwei Reaktionen in unserer Erdatmosphäre auftreten. Zum einen erhöht sich die Kohlendioxidkonzentration in der Gashülle des Globus, da die Pflanzen, die Kohlendioxid durch Photosynthese zu Sauerstoff umwandeln, die Verarbeitung des Abgasüberschusses nicht bewältigen können. Zum anderen war schon damals bekannt, dass Kohlendioxid die Fähigkeit besitzt Wärmestrahlung zu absorbieren, wodurch bei erhöhter Mischung der Atmosphäre mit Emissionsgasen eine Erhöhung der gemittelten Erdtemperatur bewirkt wird (vgl. [Lat03]).

Die damaligen Berechnungen für die Erhöhung der Erdmitteltemperatur wurden jedoch als irrelevant verworfen, da die damals emittierte Menge an Treibhausgasen nur einen Bruchteil der heutigen Menge (Bezugsjahr 2005) ausmachte und dadurch in der Berechnung der Änderung der globalen Temperatur marginale Ergebnisse zeigte. Der nach dieser Zeit folgende Produktionsanstieg von Treibhausgasen war aus damaliger Sicht nicht vorhersehbar bzw. erschien nicht als plausibel. Bedingt durch die industrielle Entwicklung im zwanzigsten Jahrhundert und des immer höher werdenden Energiebedarf der Menschheit, stiegen jedoch der Verbrauch an fossilen Brennstoffen und Kohle in einer Exponentialfunktion und somit auch die Treibhausgas-Konzentration der Atmosphäre an.

Durch die Zunahme der Treibhausgase sind im Laufe der letzten Jahrzehnte viele Nachwirkungen bekannt geworden, die einen negativen Einfluss auf das regionale und globale Klima der Erde aufweisen. In diesem Bericht werden bis dato wissenschaftlich reproduzierbare Prozesse, von anthropogen erzeugten Gasen mit der Atmosphäre der Erde beschrieben. Diese physikalischen Vorgänge gelten als Hauptverursacher des so genannten Treibhauseffekts.

Um Rückschlüsse auf Wandlungen des Weltklimas nachvollziehen zu können, kann ausschließlich konkret mit meteorologischen Messdaten gearbeitet werden. Aufzeichnungen dieser Art reichen in etwa zweihundert Jahre zurück. Kritiker behaupten, dass der Treibhauseffekt mit einem natürlichen Verlauf des Erdklimas verwechselt wird, da es immer wieder zu Schwankungen der Erdmitteltemperatur in der Geschichte der Erde kam. Tatsächlich bestanden in der Vergangenheit so genannte Warm- und Eiszeiten, die durch Bohrungen in den arktischen Eisschichten, bis zu mehreren Hunderttausend Jahren vor unserer Zeit, nachgewiesen wurden.

In den letzten zwanzig Jahren (vom Jahr 1985 bis 2005) wurde jedoch, unwiderlegbar durch die konkreten meteorologischen Daten der letzten zwei Jahrhunderte, eine Ansammlung an

Wetterextremen (wie z.B. in Mitteleuropa neun der zehn schwersten Hochwasser) registriert. Flutwellen, Tornados, Erdbeben, die Erhöhung des Meeresspiegels und dergleichen sind Auswirkungen in vor genanntem Zeitraum konzentriert erschienen. Es stellt sich die Frage ob die globale Erwärmung durch die Steigerung an Emissionen in Zusammenhang mit der Konzentration dieser Ereignisse steht.

Die Probleme die durch den Treibhauseffekt erzeugt werden, offenbaren sich in vielen Gebieten der Gesellschaft. Auswirkungen zeigen sich unmittelbar in unserem alltäglichen Leben durch Intensivierung der Sonneneinstrahlung, Temperatur, Witterung und Schadstoffkonzentrationen unserer Umwelt und führen auch zu negativen wirtschaftlichen Auswirkungen auf die Gesellschaft (siehe 3.2).

Durch diverse Schritte zur Reduktion der weltweiten Emissionswerte, wie z.B. durch das Kyoto - Protokoll (siehe 2.3.4), gibt es Versuche den so genannten Klimawechsel unter Kontrolle zu bringen. Da jedoch manche Länder aufgrund des erhöhten Energiebedarfs diese Maßnahmen nicht unterstützen, bzw. diese Abkommen nicht erfüllen können, müssen andere Wege zur Gewinnung von Energie zum gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Gebrauch zugänglich gemacht werden. Eine Nutzung von alternativen Energiequellen zu fossilen Brennstoffen, ist eine Notwendigkeit, um ein Kippen des Naturkreislaufs verhindern, respektive verlangsamen zu können.

1.2 Motivation

Das Verständnis über die Ursachen ist die Voraussetzung zur Lösung von Problemen, daher ist es wichtig die Grundlagen der Problematik der Umwelttechnik zu kennen. Durch den fortlaufend wachsenden Energiebedarf kommt der natürliche Kreislauf der Erde mit dem menschlichen Konsum an Energiegütern nicht zurecht, es entsteht ein Ungleichgewicht. Eine der wichtigsten Problemstellungen ist hierbei der Treibhauseffekt. Durch den Einfluss des Menschen wurden somit massive Modifikationen im Ökosystem unserer Erde bewirkt. Die bereits bestehenden Änderungen, wobei diese sich bei subjektiver Überlegung relativ gering erscheinen (z.B. Erdmitteltemperaturerhöhung um ca. 0,6 Grad Celsius), bewirken jedoch schon markante Veränderungen in unserem unmittelbaren Umfeld.

Im Bereich der Umwelttechnik konzentriert sich die Frage nach Energiequellen, die ökologisch und ökonomisch brauchbar sind um dieser Tendenz entgegenwirken zu können. Bei einem Umdenken in der Energiepolitik von konventionellen zu alternativen Formen der Energieerzeugung ist es wichtig, die Hebelwirkung der Ursache zu nutzen. Das heißt, wo die meisten Ursachen für die Resultate des Treibhauseffekts auftreten, ist es am effektivsten mit Lösungen anzusetzen um eine rasche Kehrtwendung der gegenwärtigen Situation herbeiführen zu können.

1.3 aktuelle Situation

Seit Anbeginn des zwanzigsten Jahrhunderts zählen die fossilen Brennstoffe zu den überwiegend genutzten Energiereserven der Erde. Die mit der Verbrennung dieser Stoffe verbundene Freisetzung von CO2 sowie anderen klimarelevanten Gasen ist mit Zunahme des Energiebedarfs der Menschen angewachsen.

Zur Überwachung und Beobachtung der klimatischen Änderungen wurde im Jahr 1988 eine überstaatliche Vereinigung namens IPCC von der Institution UNEP und der WMO, beides Spezialorganisationen innerhalb der UN, gegründet. Die IPCC besteht aus internationalen Arbeitsgruppen, die die Aufgabe haben die Klimaänderungen zu überwachen und diese zu protokollieren. Aufgrund der Daten der meteorologischen Wetterstationen der IPCC bzw. NASA lässt sich ein Wert von ca. +0,6 Grad global gemittelter Anomalie der Oberflächentemperatur der Erde feststellen, welche im direkten Zusammenhang zur anthropogenen Treibhausgasemission steht (vgl. [IPCC06]).

Weiters stellte die IPCC, wie in Abbildung 1-1gezeigt, einen sprunghaften Anstieg der Erdoberflächentemperatur in den letzten hundert Jahren fest. Die Abbildung 1-1 besteht aus zwei Grafiken, die mit a) und b) bezeichnet sind.

Beide Grafiken stellen die gemittelte Anomalie der Oberflächentemperatur der Erde in °C (Grad Celsius) dar. Die Grafik a) zeigt die Abweichung zur globalen gemittelten Erdoberflächentemperatur über den Zeitraum von 1860 bis 2001. In der Grafik sind die einzelnen Temperaturwerte, durch Thermometer erfasst, mit vertikalen Balken gekennzeichnet. Die roten Balken zeigen die jährlichen Temperaturmessungen. Die unterbrochen gezeichneten vertikalen Balken stehen für ein schlechteres 95%-Konfidenzintervall der aufgezeichneten Daten aufgrund von Lücken in den Messreihen. Die Schwarze Kurve kennzeichnet die Berechnung der Temperaturabweichung je Jahrzehnt zur Vermeid]ung von Verfälschungen der Darstellung durch Ausreißer der Temperaturwerte.

Die Grafik b) zeigt die Abweichung zur gemittelten Erdoberflächentemperatur der nördlichen Hemisphäre vom Jahr 1000 bis 2001. In der Grafik sind die einzelnen Temperaturwerte, durch Thermometer und durch rekonstruierte Proxidaten (siehe Grafik unten rechts) erfasst, mit senkrechten Balken gekennzeichnet. Die roten Balken zeigen die jährlichen Temperaturmessungen, die blauen Balken zeigen die Proxidaten. Die Schwarze Kurve charakterisiert die Berechnung der Temperaturabweichung gemittelt für Zeiträume über je 50 Jahre zur Verhinderungen der Verzerrung der Darstellung durch Ausreißer der Temperaturwerte.

Als Ergebnis sieht man einen auffälligen Anstieg der mittleren Erdmitteltemperatur in den angegebenen Zeiträumen um 0,6 ± 0,2°C.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-1: Schwankungen der Erdoberflächentemperatur (vgl. [Ipc01-01])

Um den Zusammenhang zwischen Erhöhung der Erdoberflächentemperatur und dem anthropologischen Emissionsausstoß erkenntlich zu gestalten ist in der Abbildung 1-2 der Anstieg der produzierten Treibhausgase ersichtlich.

In der Abbildung 1-2 sind drei Diagramme enthalten. In jedem Diagramm ist die atmosphärische Konzentration der einzeln abgebildeten, gut gemischten Gase auf der rechten vertikalen Achse in der Maßeinheit ppm und ppb aufgetragen. Die waagerechte Achse beschreibt den Zeitfortschritt von dem Jahr 1000 n.Chr. bis heute. Auf der linken vertikalen Achse ist der Strahlungsantrieb^[1] in W/m2 (Watt pro Quadratmeter) skaliert.

Die Grafiken zeigen, dass die Zunahmen bei der Erzeugung von treibhausfördernden Gase seit Beginn des neunzehnten Jahrhunderts exponentiell erfolgen. Der Strahlungsantrieb sowie die Temperaturabweichung zur mittleren Erdoberflächentemperatur stehen somit im direkten Zusammenhang.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-2: Indikatoren für den menschlichen Einfluss auf die Atmosphäre (vgl. [Ipc01-02])

Die IPCC kam aufgrund der Untersuchung der Herkunft unter anderem im Bericht 2001 weiters zu folgendem Ergebnis: „Ungefähr drei Viertel der anthropogenen Emissionen von CO2 in die Atmosphäre während der letzten 20 Jahre sind auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe zurückzuführen. Der Rest stammt hauptsächlich von Landnutzungsänderungen, insbesondere Entwaldung.“ [Ipc01-04].

Ein weiterer Bericht der IPCC zur aktuellen Lage wird in etwa im Sommer 2007 erwartet.

[...]

^[1] Der Strahlungsantrieb ist ein Faktor für den Einfluss auf das Gleichgewicht eines Systems (Atmosphäre-Erde) in das Energie Ein-und Abfließt. Der Strahlungsantrieb ist ein wichtiger Index für den Einfluss von Treibhausgasen auf die Klimaänderung.