Treibhausgas
Kohlendioxid
Kohlendioxid (CO2) ist das bedeutendste Treibhausgas. Natürliche Quellen für atmosphärisches CO2 sind Ausgasungen von Vulkanen, die Verbrennung und der natürliche Zerfall organischer Stoffe sowie die Atmung durch aerobe (sauerstoffverbrauchende) Organismen. Diese Quellen werden im Durchschnitt durch eine Reihe physikalischer, chemischer oder biologischer Prozesse ausgeglichen, die als „Senken“ bezeichnet werden und dazu neigen, CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen. Zu den bedeutenden natürlichen Senken gehört die terrestrische Vegetation, die bei der Photosynthese CO2 aufnimmt.
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A number of oceanic processes also act as carbon sinks. One such process, the „solubility pump,” involves the descent of surface seawater containing dissolved CO2. Ein weiterer Prozess, die „biologische Pumpe“, beinhaltet die Aufnahme von gelöstem CO2 durch Meeresvegetation und Phytoplankton (kleine, frei schwebende, photosynthetische Organismen), die im oberen Ozean leben, oder durch andere Meeresorganismen, die CO2 verwenden, um Skelette und andere Strukturen aus Calciumcarbonat (CaCO3) zu bauen. Wenn diese Organismen ablaufen und auf den Meeresboden fallen, wird ihr Kohlenstoff nach unten transportiert und schließlich in der Tiefe vergraben. Ein langfristiges Gleichgewicht zwischen diesen natürlichen Quellen und Senken führt zum Hintergrund oder natürlichen CO2-Gehalt in der Atmosphäre.Im Gegensatz dazu erhöhen menschliche Aktivitäten den atmosphärischen CO2-Gehalt in erster Linie durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe (hauptsächlich Öl und Kohle und in zweiter Linie Erdgas für Transport, Heizung und Stromerzeugung) und durch die Herstellung von Zement. Andere anthropogene Quellen sind die Verbrennung von Wäldern und die Rodung von Land. Anthropogene Emissionen verursachen derzeit die jährliche Freisetzung von etwa 7 Gigatonnen (7 Milliarden Tonnen) Kohlenstoff in die Atmosphäre. Anthropogene Emissionen machen etwa 3 Prozent der gesamten CO2-Emissionen natürlicher Quellen aus, und diese verstärkte Kohlenstoffbelastung durch menschliche Aktivitäten übersteigt die Kompensationskapazität natürlicher Senken bei weitem (um vielleicht 2-3 Gigatonnen pro Jahr).
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Folglich hat sich CO2 in der Atmosphäre zwischen 1959 und 2006 mit einer durchschnittlichen Volumenrate von 1,4 ppm pro Jahr und zwischen 2006 und 2018 mit etwa 2,0 ppm pro Jahr angesammelt. Insgesamt war diese Akkumulationsrate linear (dh über die Zeit gleichmäßig). Bestimmte Stromsenken wie die Ozeane könnten jedoch in Zukunft zu Quellen werden. Dies kann zu einer Situation führen, in der sich die Konzentration von atmosphärischem CO2 exponentiell aufbaut (dh mit einer Anstiegsrate, die auch mit der Zeit zunimmt).
Der natürliche Hintergrundgehalt von Kohlendioxid variiert auf Zeitskalen von Millionen von Jahren aufgrund langsamer Veränderungen der Ausgasung durch vulkanische Aktivität. Zum Beispiel scheinen die CO2-Konzentrationen vor etwa 100 Millionen Jahren in der Kreidezeit um ein Vielfaches höher gewesen zu sein als heute (vielleicht nahe 2.000 ppm). In den letzten 700.000 Jahren variierten die CO2-Konzentrationen in einem viel kleineren Bereich (zwischen etwa 180 und 300 ppm) in Verbindung mit den gleichen Erdumlaufbahneffekten, die mit dem Kommen und Gehen der Eiszeiten des Pleistozäns zusammenhängen. Zu Beginn des 21.Jahrhunderts erreichte der CO2-Gehalt 384 ppm, was etwa 37 Prozent über dem natürlichen Hintergrundniveau von etwa 280 ppm liegt, das zu Beginn der industriellen Revolution bestand. Die atmosphärischen CO2-Werte stiegen weiter an und erreichten bis 2018 410 ppm. Laut Eiskernmessungen wird angenommen, dass diese Werte die höchsten seit mindestens 800.000 Jahren und nach anderen Beweislinien die höchsten seit mindestens 5.000.000 Jahren sind.Der durch Kohlendioxid verursachte Strahlungsantrieb variiert in etwa logarithmisch mit der Konzentration dieses Gases in der Atmosphäre. Die logarithmische Beziehung tritt als Ergebnis eines Sättigungseffekts auf, bei dem es mit zunehmender CO2-Konzentration für zusätzliche CO2-Moleküle immer schwieriger wird, das „Infrarotfenster“ (ein bestimmtes schmales Band von Wellenlängen im Infrarotbereich, das nicht von atmosphärischen Gasen absorbiert wird) weiter zu beeinflussen. Die logarithmische Beziehung sagt voraus, dass das Erwärmungspotential der Oberfläche bei jeder Verdoppelung der CO2-Konzentration um ungefähr den gleichen Betrag ansteigen wird. Bei der derzeitigen Nutzung fossiler Brennstoffe wird bis Mitte des 21.Jahrhunderts eine Verdoppelung der CO2-Konzentrationen gegenüber dem vorindustriellen Niveau erwartet (wenn die CO2-Konzentrationen voraussichtlich 560 ppm erreichen werden). Eine Verdoppelung der CO2-Konzentrationen würde einen Anstieg des Strahlungsantriebs um etwa 4 Watt pro Quadratmeter bedeuten. Angesichts typischer Schätzungen der „Klimasensitivität“ ohne ausgleichende Faktoren würde dieser Energieanstieg zu einer Erwärmung von 2 bis 5 ° C (3,6 bis 9 ° F) gegenüber vorindustriellen Zeiten führen. Der gesamte Strahlungsantrieb durch anthropogene CO2-Emissionen seit Beginn des Industriezeitalters beträgt etwa 1,66 Watt pro Quadratmeter.
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