Frage 10.3: Wenn die Treibhausgas-Emissionen verringert werden, wie schnell nehmen ihre Konzentrationen in der Atmosphäre ab?

Die Anpassung der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre an eine Minderung der Emissionen hängt von den jeweiligen chemischen und physikalischen Prozessen ab, die ein bestimmtes Gas in der Atmosphäre abbauen. Die Konzentrationen mancher Treibhausgase nehmen unmittelbar als Reaktion auf einen Emissionsrückgang ab, während die Konzentrationen anderer jahrhundertelang weiter ansteigen können, obwohl ihre Emissionen vermindert wurden.

Die Konzentration eines Treibhausgases in der Atmosphäre hängt von dem Verhältnis zwischen der Emissionsrate des Gases in die Atmosphäre und der Geschwindigkeit seiner Abbauprozesse in der Atmosphäre ab. Zum Beispiel wird Kohlendioxid (CO2) zwischen der Atmosphäre, dem Ozean und dem Land durch Prozesse wie den Atmosphären-Ozean-Gasaustausch und chemische (z. B. Verwitterung) und biologische (z. B. Fotosynthese) Prozesse ausgetauscht. Während derzeit über die Hälfte der CO2-Emissionen innerhalb eines Jahrhunderts aus der Atmosphäre entfernt wird, verbleibt ein bestimmter Anteil (ca. 20 %) des emittierten CO2 viele Jahrtausende in der Atmosphäre. Aufgrund der langsamen Abbauprozesse wird sich die Konzentration von atmosphärischem CO2 langfristig weiterhin erhöhen, auch wenn die Emissionen im Vergleich zum heutigen Niveau erheblich vermindert werden. Methan (CH4) wird durch chemische Prozesse aus der Atmosphäre entfernt, während Lachgas (N2O) und einige Halogenkohlenwasserstoffe in der oberen Atmosphäre durch Sonneneinstrahlung zerstört werden. Jeder dieser Prozesse lauft über unterschiedliche Zeiträume ab, die von einigen Jahren bis hin zu Jahrtausenden reichen. Ein Maß dafür ist die Verweildauer eines Gases in der Atmosphäre, definiert als die Zeit, die benötigt wird, um eine Störung auf 37 % ihres ursprünglichen Ausmaßes zu verringern. Während für CH4, N2O und andere Spurengase wie Hydrofluorchlorkohlenwasserstoff- 22 (H-FCKW-22), einem Kältemittel, die Verweildauer in der Atmosphäre gut bestimmt werden kann (CH4: etwa 12 Jahre, N2O: etwa 110 Jahre und H-FCKW-22: ca. 12 Jahre), kann für CO2 keine Verweildauer definiert werden.

Die Konzentrationsänderung eines jeden Spurengases hängt zum Teil davon ab, wie sich seine Emissionen im Laufe der Zeit entwickeln. Steigen die Emissionen mit der Zeit an, wird die atmosphärische Konzentration ebenfalls mit der Zeit zunehmen, unabhängig von der atmosphärischen Verweildauer des Gases. Werden allerdings Maßnahmen zur Minderung der Emissionen ergriffen, hängt die weitere Entwicklung der Spurengaskonzentration von den relativen Veränderungen sowohl der Emissionen als auch der Abbauprozesse ab. Hier zeigen wir, wie Verweildauer und Abbauprozesse verschiedener Gase die Entwicklung der Konzentrationen bestimmen, wenn die Emissionen verringert werden.

Als Beispiel sind in Abbildung 1 von Frage 10.3 Testfälle dargestellt, die zeigen, wie sich die zukünftigen Konzentrationen dreier Spurengase infolge beispielhafter Emissionsänderungen verändern würde (hier als Reaktion auf eine erzwungene abrupte Emissionsänderung dargestellt). Hierbei werden als Spurengas CO2, das keine spezifische Verweildauer besitzt, wie auch ein Spurengas mit einer gut definierten langen Verweildauer in der Größenordnung von einem Jahrhundert (z. B. N2O) und ein Spurengas mit einer gut definierten kurzen Verweildauer in der Größenordnung von einem Jahrzehnt (z. B. CH4, HFCKW-22 oder andere Halogenkohlenwasserstoffe) betrachtet. Für jedes Gas werden fünf Fallbeispiele für die zukünftigen Emissionen dargestellt: Stabilisierung der Emissionen auf heutigem Niveau sowie sofortige Emissionsreduktion um 10 %, 30 %, 50 % und 100 %.

Frage 10.3, Abbildung 1. (a) Simulierte Änderungen der atmosphärischen CO2-Konzentration in Relation zu heutigen Konzentrationen für auf dem gegenwärtigen Niveau stabilisierte Emissionen (schwarz), oder für Emissionen, die um 10 % (rot), 30 % (grün), 50 % (dunkelblau) und 100 % (hellblau) unterhalb des derzeitigen Niveaus liegen; (b) wie in (a) für ein Spurengas mit einer Verweildauer von 120 Jahren, angetrieben von natürlichen und anthropogenen Stoffflüssen; und (c) wie in (a) für ein Spurengas mit einer Verweildauer von 12 Jahren, nur durch anthropogene Stoffflüsse angetrieben.

CO2 (Abbildung 1a) verhält sich völlig anders als die Spurengase mit klar definierten Verweildauern. Eine Stabilisierung der CO2-Emissionen auf dem heutigen Niveau würde zu einem kontinuierlichen Anstieg des atmosphärischen CO2 im Laufe des 21. Jahrhunderts und darüber hinaus führen. Hingegen würde für ein Gas mit einer Verweildauer in der Größenordnung eines Jahrhunderts (Abbildung 1b) oder eines Jahrzehnts (Abbildung 1c) eine Emissionsstabilisierung auf heutigem Niveau zu einer Stabilisierung der Konzentration auf einem höheren Niveau als dem heutigen innerhalb von je ein paar Jahrhunderten bzw. Jahrzehnten führen. Tatsächlich kann die atmosphärische CO2-Konzentration nur durch einen im Wesentlichen kompletten Emissionsstopp letztlich auf einem konstanten Niveau stabilisiert werden. Alle anderen Fälle von mäßiger CO2-Emissionsreduktion zeigen aufgrund der charakteristischen Austauschprozesse im Zusammenhang mit dem Kohlenstoffkreislauf im Klimasystem steigende Konzentrationen.

Genauer gesagt übersteigen derzeit die CO2-Emissionen bei Weitem seine Abbaurate, und der langsame und unvollständige Abbau bedeutet, dass geringe bis mäßige Verringerungen der Emission nicht zur Stabilisierung der CO2-Konzentrationen führen würden, sondern nur die Anstiegsrate in den kommenden Jahrzehnten abgeschwächt würde. Eine 10 %-ige Verringerung der CO2-Emissionen würde den CO2-Anstieg um voraussichtlich 10 % reduzieren, während eine 30 %-ige Emissionsverringerung den atmosphärischen CO2-Anstieg in ähnlicher Weise um 30 % verringern würde. Eine Verringerung um 50 % würde die atmosphärische CO2-Konzentration stabilisieren, aber nur für weniger als ein Jahrzehnt. Danach würde das atmosphärische CO2 voraussichtlich wieder ansteigen, da Land- und Meeressenken aufgrund bekannter chemischer und biologischer Anpassungen abnähmen. Ein vollständiger Stopp der CO2-Emissionen würde Schätzungen zufolge zu einer langsamen Abnahme des atmosphärischen CO2 um etwa 40 ppm während des 21. Jahrhunderts führen.

Völlig anders stellt sich die Situation für Spurengase mit einer klar definierten Verweildauer dar. Für das beispielhafte Spurengas mit einer Verweildauer in der Größenordnung von einem Jahrhundert (z. B. N2O) ist eine Emissionsreduktion um mehr als 50 % erforderlich, um die Konzentrationen nahe dem heutigen Niveau zu stabilisieren (Abbildung 1b). Gleichbleibende Emission führt zu einer Stabilisierung der Konzentration innerhalb weniger Jahrhunderte.

Im Falle des beispielhaften Spurengases mit der kurzen Verweildauer beträgt der derzeitige Abbau rund 70 % der Emissionen. Zwar würde eine Verringerung der Emissionen um weniger als 30 % immer noch einen kurzfristigen Konzentrationsanstieg erzeugen, würde aber, im Gegensatz zu CO2, zu einer Stabilisierung der Konzentration innerhalb weniger Jahrzehnte führen (Abbildung 1c). Die Abnahme des Niveaus, auf das sich die Konzentration eines solchen Gases stabilisieren würde, ist direkt proportional zur Emissionsreduktion. Somit wäre in diesem anschaulichen Beispiel eine Emissionsreduktion dieses Spurengases um mehr als 30 % erforderlich, um die Konzentrationen auf einem Niveau deutlich unter dem heutigen zu stabilisieren. Ein kompletter Emissionsstopp eines Spurengases mit einer Verweildauer in der Größenordnung von einem Jahrzehnt würde zu einer Rückkehr zu vorindustriellen Konzentrationen innerhalb von weniger als einem Jahrhundert führen.