Was Sie schon immer über CO2 wissen wollten: Teil 1 – der CO2-Untergrund

Prof. Dr. Horst-Joachim Lüdecke
Verständlicherweise ziehen die Eigenschaften und Wirkungen des Spurengases CO2 oft populäre Veröffentlichungen und deren Leser in ihren Bann. Dabei werden nicht selten Zusammenhänge kolportiert, die der begutachteten Fachliteratur widersprechen. Hier nun einige Korrekturen.

CO2 ist für sichtbares Licht durchlässig und somit unsichtbar. Es absorbiert in bestimmten Frequenzbereichen Infrarotstrahlung (IR), trägt daher zum sogenannten Treibhauseffekt [1] bei (einem fragwürdigen Begriff, denn die Erdatmosphäre ist kein Gärtnertreibhaus) und wird infolgedessen auch als „Treibhausgas“ bezeichnet. Aus physikalischen Gründen müssen Treibhausgasmoleküle aus mindestens drei Atomen bestehen. CO2 ist solch ein Molekül. Es ist linear, die beiden Sauerstoffatome und das Kohlenstoffatom liegen auf einer Linie. CO2 ist kein Dipol. Bei Infrarotabsorption schwingt es aber, wobei „temporäre“ Dipole entstehen. In der folgenden Tabelle 1 die wichtigsten Treibhausgase zusammengestellt.

Tabelle 1: die wichtigsten Treibhausgase, Daten aus [2].

CO2 ist schwerer als Luft, so dass man vermuten könnte, dass sich  CO2 am Boden ansammelt. Dies ist jedoch nur bei sehr hohen Konzentrationen der Fall. Atmosphärisches CO2 mit 0,04% ist dagegen ein Spurengas, welches sich im Prinzip gleichmäßig über fast die gesamte Höhe der Atmosphäre homogen verteilt. Bei sehr hohen Konzentrationen ist CO2 erstickend. Das Lake-Nyos-Unglück, dem viele Menschen und Tiere zum Opfer fielen, wurde von einem vulkanischen CO2-Ausbruch verursacht [3].

Auf die Konzentrationen des CO2 in der Erdatmosphäre, von Beginn der Industrialisierung um das Jahr 1850 an und bis 500 Millionen Jahre zurück, wird in den nächsten Teilen noch näher eingegangen. Hier interessiert zunächst nur die CO2-Konzentration der letzten 60 Jahre, wie sie in folgendem Bild 1 dargestellt ist.

Bild 1: CO2-Volumenkonzentration der Atmosphäre, gemessen auf Mauna Loa, Hawaii, rund 4100 müNN (hellbraun), Schauinsland (grün) und Zugspitze (blau), Grafik des Umweltbundesamts [4].  Der Welttrend ist in rot. Die auffälligen Fluktuationen, die sich dem Anstieg überlagern, sind Effekte jahreszeitlich und örtlich bedingter Schwankungen der Photosynthese, die sich mit zunehmender Höhe immer weniger bemerkbar machen.

Weitere Messungen auf Inseln oder in Gegenden ohne menschliche Besiedelung, bestätigen die in Bild 1 gezeigten Daten. Im Gegensatz zum steten Anstieg in Bild 1 schwankt aber der bodennahe CO2-Gehalt der Atmosphäre oft ungewöhnlich stark. Insbesondere in Städten kann er Werte erreichen, welche die Mouna-Loa-Konzentrationen weit übertreffen. Historische Messungen von bodennahen CO2-Konzentrationen, wie sie in den Unterlagen zahlreicher Universitätsinstitute aufzufinden sind, bestätigen diese Schwankungen auch für die letzten 100 bis 150 Jahre. Wie ist der Widerspruch von Bild 1 mit diesen starken Schwankungen zu erklären?

Tatsächlich hängt der CO2-Gehalt der Atmosphäre von der geodätischen Höhe und der lokalen Umgebung ab. Städte in Industrieländern weisen oft starke CO2-Quellen auf, wie zum Beispiel den Autoverkehr. Aber auch in der unberührten Natur können lokale Vegetation, Jahreszeiten und weitere örtliche Faktoren zu ungewöhnlich erscheinenden bodennahen CO2-Fluktuationen führen. Wenn man daher auf dem Mauna Loa, deutschen Bergen oder entfernten Inseln stets die gleich ansteigenden CO2-Konzentrationen auffindet, so misst man dort den CO2-Untergrund, dessen Konzentration ab ausreichend großer geodätischer Höhe bis weit über 20 km Höhe konstant ist. Dennoch haben die bodennahen starken CO2-Fluktuationen immer wieder zu Irritationen und Missverständnissen geführt. Ein ehemaliges und leider viel zu früh im Jahre 2010 verstorbenes EIKE-Mitglied war zuerst daran beteiligt und hat später umgekehrt wesentlich zur Klärung der Missverständnisse beigetragen.

Die Rede ist von Erst Georg Beck, Gymnasiallehrer in Freiburg und Gründungsmitglied von EIKE, als einem der vehementesten Verfechter der Hypothese, dass die Mauna LOA Messungen zu falschen Schlüssen über den realen CO2-Gehalt der Atmosphäre führen würden [5]. Beck hat mit bewundernswertem Aufwand unzählige chemische Messungen von CO2-Konzentrationen aus den Unterlagen von Universitäts-Instituten bis weit ins 19. Jahrhundert zurück der Vergessenheit entrissen, die Ergebnisse zusammengestellt und in einem begutachteten Fachjournal veröffentlicht [6]. Erst kurz vor Ende seines Lebens hat Beck dann seine Kritik revidieren können und zwar in einer ebenfalls als begutachtete Fachpublikation vorgesehenen Arbeit zusammen mit dem Hauptautor Dr. F. Massen. Das Manuskript findet sich glücklicherweise noch im Internet [7]. Vermutlich durch den frühen Tod von Beck kam es leider nicht mehr zur Veröffentlichung in einem begutachteten Wissenschaftsjournal.

Die Idee der beiden Autoren, Massen und Beck, war einfach und genial: Sie ergänzten die historischen CO2-Messungen durch gleichzeitige Messungen der Windgeschwindigkeiten am Ort der CO2-Messungen, was ausreichend oft möglich war. Ein stellvertretendes Resultat dieser Arbeit zeigt Bild 2. Bei kleinen Windgeschwindigkeiten schwankt die bodennahe CO2-Konzentration ganz erheblich. Es kommen Werte zwischen 350 bis über 600 ppm vor. Diese Schwankungen verschwinden bei starkem Wind. Anschaulich ausgedrückt, bläst der Wind die lokalen CO2-Fluktuationen weg und läßt nur noch den CO2-Untergrund übrig. Dessen Wert von etwa 380 ppm entspricht genau dem Mauna-Loa-Wert in Bild 1. Bei weiteren Messungen dieser Art finden die beiden Autoren eine maximal mögliche Abweichung von 10 ppm mit ihrer „Wind-Methode“, verglichen mit den Mauna-Loa-Daten .

Bild 2: Windgeschwindigkeit gegen CO2-Konzentration der Luft in Diekirch (Luxembourg) aus der Arbeit von F. Massen und H.-G. Beck. Der CO2-Untergrund stellt sich erst bei ausreichend hohen Windgeschwindigkeiten ein und passt bei der Diekirch-Messung bestens zum Mauna-Loa-Wert. 

Gemäß dieser Arbeit von Massen und Beck dürften nunmehr alle Zweifel an den zahlreichen „offiziellen“ Messungen des CO2-Gehalts der Atmosphäre seit 1958 ausgeräumt sein.

 

Quellen

[1] W. Roedel und T. Wagner, Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre, 5. Auflage, Springer. Die alte 4. Auflage ist im Internet frei erhältlich, https://tinyurl.com/y274fjes

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas

[3] SPON, 19.08.2011, https://www.spiegel.de/einestages/lake-nyos-katastrophe-a-947305.html

[4] Umweltbundesamt, Atmosphärische Treibhausgaskonzentrationen, https://tinyurl.com/y6ercrs7

[5] EIKE-News, vom 27.2.2010, https://tinyurl.com/y3zx6c4e

[6] E.-G. Beck, 180 years of atmospheric CO2 Gas analysis by chemical methods, https://www.ddponline.org/beck.pdf

[7] F. Massen and E.-G. Beck, Accurate estimation of CO2 background level from near ground measurements at non-mixed environments, https://meteo.lcd.lu/papers/co2_background_klima2009.pdf

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12 Kommentare

  1. Herr Prof. Lüdecke,

    danke fuer die besonnene und ehrliche Aufklaerung im Falle der Arbeiten von Herrn Beck und den damit verbundenen moeglichen Missverstaendnissen.

    Es gibt noch Punkte die vielleicht eine weitere Aufklaerung benoetigen.

    Fuer mich ist es unverstaendlich, das immer noch alleing Mauna Loa als Referenz benutzt wird.
    Wenn man davon ausgeht, das:
    1. Die Weltmeere durch Ausgasen zum CO2 Haushalt beitragen, wie will man mit dieser einzelnen lokalen Messung feststellen an welcher Stelle es den CO2 Rueckstau an den Senken gibt? Mauna Loa selbst, so sollte man einschaetzen, liegt in einem Ausgasungsgebiet. Nein ich meine nicht die Vulkane, sondern die umliegenden sich erwaermenden Meere.
    Gibt es weiterfuehrende CO2 Messreihen? Ich denke vor allem in Arktischen und Antarktischen Gebiet waeren Messungen notwendig um einen Vergleich Quelle/Senken zu bekommen.
    2. Wie wirkt sich die lokale Konzentration auf die lokalen Temperaturen aus? Das es hoehere Konzentrationen geben kann hat Herr Beck ja anschaulich gezeigt. Aber es sieht nicht so aus als wenn man einen direkten Einfluss auf die Temperaturen im Tagesverlauf messen oder errechnen kann. Oder gibt es eine Arbeit, die die konvektive Kuehlung durch Wind der Konzentrationeverduennung durch den selben, rechnerisch gegenueberstellt?

    Im Uebrigen fehlt mir wie auch Herr Wedekind ausfuehrt der Bezug zu den groessten CO2 Quellen wie Pflanzen und wie Herr Dr. B. Schmidkonz anmerkt zu den Boeden.

  2. Hartmut Lehner
    29.07.2019

    CO2 diffundiert in die Meere, weil es schwerer als Luft ist. Es sinkt auch in Gärfuttersilos zum Boden u. erreicht dort Konzentrationen, die tödlich sind, wenn ohne Atemgerät/Belüftung gearbeitet wird.

    Ich habe als Betriebsleiter einer Weizenfarm in Saudi-Arabien gearbeitet: Tagsüber war es so heiß, dass nur mit Handschuhen Stahl angefasst werden konnte. Nachts u. besonders gegen Morgen, wurde es so kalt, dass sich eine fünf Zentimeter dicke Eisschicht auf Wasserpfützen bildete. Wo blieb da die „wärmende Decke aus CO“?
    Die 120 ppmV mehr CO2 in der Luft haben ganz erheblich zu den höheren Ernteerträgen der letzten Jahrzehnte beigetragen (Gesetz vom ertragsbegrenzendem Minimum). Sehr wahrscheinlich wurden große Hungersnöte auf der Erde dadurch vermieden. Wie erklärt sich, dass Deutschland seit 2015 ca. zwei Millionen mehr Esser ohne große Probleme ernähren kann? Es ist einfach pervers, wie CO2 verteufelt wird.
    MfG.

  3. Es ist vollkommen unbestritten, daß CO2 infrarotsensitiv ist, sich also bei Bestrahlung mit spezifischen infraroten Wellenlängen erwärmen kann. Vermutlich ist das der Grund, warum CO2 als „Treibhausgas“ bezeichnet wird.

    Es ist allerdings auch klar, daß nirgends Wärme aus dem Nichts entstehen kann. Daher ist jene Wärmeenergie, die vom CO2 aufgenommen wird, zuvor von irgend einem Quellmedium aufs CO2 übergegangen und von dieser Quelle in dem Moment weg. Die Energiesumme hat sich nicht geändert. Es ist also dadurch im Gesamtsystem weder wärmer noch kühler geworden.

    Verändern tut sich die Systemtemperatur nur, wenn sich die Bilanz hin zu höheren Energiewerten verschiebt. Und das ist ohne mehr Energie ab Sonne eigentlich unmöglich.

    • Ich sehe das genauso. Aber das Argument ist ja, das die Waerme ansonsten gleich in den Weltraum abstroemt und daher (und hier wirds schwammig) die „Erde“ dadurch waermer ist.
      Wenn man unterscheidet zwischen Erdboden und Atmosphaere wer wird denn dann waermer?

      Ohne THG hat die Atmosphaere ja kein Kuehlmittel mehr. Und wenn der Erdboden keine Konvektive Kuehlung mehr erfaehrt, weil die Atmosphaere viel waermer ist, dann muss die Temperatur steigen um die Energie abzugeben.

      MFG Werner

  4. Es wäre sehr verwunderlich, wenn bei einer der Grundlagen allen Lebens auf der Erde, dem CO2, keine Konzentrationsänderungen,keine dynamische Prozesse auftreten würden.
    Die Frage von Hr. Zippan deutet das Hauptproblem der THE-Jünger an: Mit Strahlungsgleichgewichten allein läßt sich in Systemen mit Konvektion, Gravitation, Stoffaustausch und Aggregzustandsäderungen kein thermodynamisch plausibles Modell erstellen.

  5. Sehr geehrte Herr Lüdecke,
    Sie haben dargelegt,das der TE -Anteil für CO2 bei 9-26% liegt.Meine Frage ist:
    Wie verteilt sich die große Spreizung von 9-26%?(zeitlich,örtlich oder nach Wetterlage)
    Wie ist konkret die Wirkung des TE durch CO2? Großer Streitpunkt ist ja die Darstellung
    der Energieflüsse ,wo die „Rückstrahlung“der IR-Strahlen durch CO2 die Erde „Aufgeheizt“ soll!Also wie groß ist den nun der IR-Rückstrahlung Anteil gegenüber der normalen kinetischen Anregung ,die die Energie auf die umliegenden Moleküle ( Wärme) verteilt?Leider wollte mir noch niemand auf diese Frage antworten.
    Aber gerade für die Argumentation -für u.wider-TE sollte die Beantwortung doch wichtig sein.Herr Dietze und Herr Penner meinen ja nun,das 100% Rückstrahlung richtig sei,da alle Körper über 1°k strahlen.Es sollte alles in die richtige Relation gesetzt werden
    und der 1.u.2. Hauptsatz beachtet werden.

  6. Zur bodennahen CO2-Konzentration: Das CO2 in der Bodenluft stammt nicht nur aus der Pflanzenatmung, sondern vor allem auch aus der Atmung von Mikroorganismen. Die Bodenluft ist gegenüber der atmosphärischen Luft mit CO2 angereichert, besonders in der wärmeren Jahreszeit, wenn die Mikroorganismen und Pflanzen am aktivsten sind. Die Anreicherung der Bodenluft mit CO2 ist auch der Grund dafür, warum sich in Kalksteingegenden überhaupt Tropfsteine bilden. Siehe z.B.: A. Gerstenhauer, „Der Einfluß des CO2-Gehaltes der Bodenluft auf die Kalklösung“, Erdkunde, 26/2 (1972) 116 (dort Grafik des Jahresgangs); R. G. Amundson, E. A. Davidson, „Carbon dioxide and nitrogenous gases in the soil atmosphere“, J. Geochem. Explor., 38 (1990) 13.

  7. CO2 ist unsichtbar? Ja, haben Sie denn noch keines der vielen Fotos gesehen, auf denen das CO2 in dichten, undurchdringlichen Wolken aus den Kühltürmen aufsteigt? Selbst Kernkraftwerke stoßen so große Mengen an CO2 aus, wie leicht zu sehen ist. Nicht nur Greta kann CO2 sehen, jeder kann es. Man muss nur ARD und ZDF sehen, dann weiß man das!

    (Satire muss auch mal sein)

  8. Sehr geehrter Herr Prof. Lüdecke

    Vielen Dank für Ihren Beitrag und besonders für den Hinweis auf die Literaturstelle [7].

    Dazu noch eine Bemerkung:

    Nach Massen & Beck soll der Wind für die starke Schwankungsbreite im bodennahen CO2-Gehalt über den Tagesverlauf verantwortlich sein. Es scheint aber noch einen weiteren Grund zu geben:

    In dem Buch sehr lesenswerten Buch „Witterung und Klima“ von P.Hupfer e.a., Teubner 2005, wird in Kapitel 12 ebenfalls das bodennahe Klima beschrieben. In Abb 12.18 sind Messungen in einem Waldstandort in Ungarn bei verschiedenen Windsituationen gezeigt: In der belaubten Phase sind die Schwankungen sehr stark (80 – 100 ppm bei Schwachwind) und in der unbelaubten Phase schwach (ca. 10 ppm). Neben der nächtlichen Windschwäche und -stärke am Tage leitet er noch einen weiteren Grund ab:

    In der belaubten Phase atmen die Pflanzen nachts CO2 aus (Respiration), und tagsüber absorbieren sie das CO2 mittels Photosynthese wieder. In der unbelaubten Phase ist die Atmungstätigkeit der Pflanten sehr viel geringer, und dadurch auch die Schwankung sehr viel kleiner, unabhängig von der Windsituation.

    Die Tätigkeit der Pflanzen trägt also offensichtlich ebenfalls sehr stark zu dem Tagesgang der bodennahen CO2-Konzentration bei.

    MfG
    Gerhard Wedekind

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