Kein Freispruch für CO2 – aber das ist keine Katastrophe

Ein Großteil der Schwierigkeiten, in denen Deutschland gerade steckt, rührt daher, dass in naher Zukunft kein Mensch mehr Kohlendioxid emittieren soll, von der unvermeidlichen Atmung einmal abgesehen. Fragt man nach dem Sinn dieses Ziels, ist die Klärung folgender Frage essenziell: Erhöht mehr CO₂ wirklich die globale Temperatur oder ist die Erdatmosphäre bereits gesättigt? 

Die Sättigungsthese besagt, dass das vorhandene CO₂ bereits alle verfügbare Infrarotstrahlung in seinen Absorptionsbanden aufnimmt, so dass zusätzliches CO2 keinen Effekt mehr hat. Fest steht, dass CO₂ ein klimarelevantes Gas ist und bei steigender Konzentration auch bleibt. Eine Sättigung ist also nicht absehbar. Aber das ist kein Grund zur Panik: Weder wird die Menschheit deshalb untergehen noch der Planet verglühen.

Klimaerwärmung durch CO2: Nachweis durch Messdaten versus Klimamodelle

Die Erwärmung der Atmosphäre durch steigenden CO₂-Gehalt wurde in zwei Langzeitversuchen direkt im Gelände gemessen, die Ergebnisse erschienen 2015 in Nature (“Observational Determination of Surface Radiative Forcing by CO₂ from 2000 to 2010”), zu finden hier und hier. 

In den elf Jahren zwischen Anfang 2000 bis Ende 2010 waren an zwei Standorten, einer in Oklahoma und einer in Alaska, Messstationen mit hochpräzisen Spektrometern aufgebaut mit der Aufgabe, die Differenz zwischen einstrahlender Sonnenenergie und nach unten gerichteter Wärmestrahlung bei klarem Himmel zu messen und so die Strahlungswirkung von CO₂ möglichst isoliert zu erfassen. 

In diesen elf Jahren ist der CO₂-Gehalt der Atmosphäre um rund 22 parts per million (ppm) angestiegen, von 370 ppm auf 392 ppm. Die Messungen ergaben, dass die Erdoberfläche dadurch im Mittel 0,2 Watt mehr pro Quadratmeter und Jahrzehnt aus der Atmosphäre zurückbekam, was einer zusätzlichen globalen Erwärmung von 0,01 bis 0,03 Grad Celsius pro Jahrzehnt entspricht. Das klingt nach ziemlich wenig. Wie also kommt es zu den höheren Prognosen, z.B. in den IPCC-Berichten?

Wie kommt es zu dann zu den Klima-Weltuntergangsszenarien?

Das liegt an den angenommenen „schnellen Feedbacks“. Das sind die Prozesse im Klimasystem, die schnell auf eine Erwärmung der Erdoberfläche reagieren, wie beispielsweise mehr Wasserdampf, veränderte Wolkenbildung, Änderung des Oberflächen-Albedo durch Schnee- und Meereis-Rückgang. Diese Feedbacks lassen sich nur zum Teil überhaupt messen: Das Wasserdampf-Feedback ist durch Satellitenbeobachtung erfassbar, die Wolkenbildung ist bestenfalls mit hoher Unsicherheit abschätzbar, der Albedo-Effekt ist mit Satelliten gut zu beobachten. 

Die gesamte zusätzlich zurückgestrahlte Infrarotenergie, also durch CO₂-Anstieg plus schnelle Feedbacks, in diesen elf Jahren wird mit 2 Watt pro Quadratmeter angenommen, was zwischen 0,8 und 1,2 Grad Celsius Wärmezunahme pro Jahrzehnt bedeuten würde. Gemessen wird aber nur eine Erwärmung von 0,15 bis 0,25 Grad Celsius pro Jahrzehnt. 

Das ist dadurch erklärbar, dass die Ozeane als Wärmepuffer fungieren und über 90 Prozent der zusätzlichen Wärme aufnehmen. Sie haben eine extrem hohe Wärmekapazität und können riesige Mengen an Energie speichern, ohne dass ihre Temperatur stark ansteigt, weil die Wassermassen auch bis in große Tiefen zirkulieren und sich mischen. 

Die vorhandenen Erkenntnisse und Daten werden in Klimamodelle eingegeben, die daraus mit verschiedenen – dramatischen und weniger dramatischen – Szenarien jene Erwärmungsprognosen berechnen, die wir aus den Mainstream-Medien kennen. 

Das Klima der Erde ist ein komplexes System. Man kann zu Recht generell daran zweifeln, ob Computermodelle jemals in der Lage sein werden, das Klima eines Planeten überhaupt und für lange Zeiträume vorherzusagen. Bei den aktuellen Versuchen jedenfalls kommt es durch methodische Unterschiede, unterschiedliche Annahmen und weil eben nicht alle Prozesse bekannt sind, wie beispielsweise das Wolken-Feedback, zu sehr unterschiedlichen Prognosen. Mit diesen unsicheren Prognosen werden politische Entscheidungen angestoßen, die ganze Wirtschaftssysteme in den Ruin führen. Aber das ist ein Thema für sich.

CO₂ ist definitiv ein „Treibhausgas“

Die Messungen im Gelände zeigen: CO₂ ist ein Gas, das – zusammen mit anderen – eine Erwärmung der globalen Temperatur verursacht. Die Erdoberfläche nimmt auftreffende Sonnenenergie auf und gibt sie als Wärmestrahlung wieder ab. Ohne Gase wie CO₂ und Wasserdampf würde diese Wärme mit Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum entweichen. Denn: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich. Es ist gleichzeitig eine Welle, bei der das elektrische und magnetische Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen, und ein Teilchen, ein Photon (Teilchen-Welle-Dualität). Die Wellennatur erklärt Interferenz und Beugung, die Teilchennatur erklärt die Energieübertragung bei den Treibhausgasen.

Die Erdoberfläche reflektiert also Infrarotstrahlung nach oben Richtung Weltall. Trifft auf dem Weg nach oben das passende Strahlungsteilchen auf ein passendes Molekül – z.B. ein Photon mit der Wellenlänge von 15 Mikrometern trifft auf CO₂ – nimmt das Molekül diese Energie vorübergehend in sich auf. Das CO₂-Molekül absorbiert diese Energie aber nur für sehr kurze Zeit, bis es sie als neue Infrarotstrahlung, also als neues Photon, als neues Lichtquant, wieder abgibt, und zwar kugelförmig nach allen Seiten. Dadurch bewegt sich die Hälfte davon weiter nach oben Richtung Weltall und die andere Hälfte wieder zurück nach unten Richtung Erdoberfläche. Und genau das verursacht den Treibhauseffekt: Die wieder nach unten gelenkte Strahlung verzögert die Abkühlung der Atmosphäre.

Moleküle und Photonen müssen harmonieren

Die Moleküle in der Luft besitzen typische Eigenschwingungsfrequenzen, mit denen sie schwingen und deshalb die Energie von dazu passenden Infrarotphotonen zeitweise in sich aufnehmen können. Es ist ein bisschen wie bei einer Brücke, über die eine Armee im Gleichschritt marschiert: Wenn sie dies mit der Eigenfrequenz der Brücke tut, beginnt diese zu schwingen. Exakt formuliert: Die Moleküle besitzen quantisierte Schwingungsmoden, und entspricht die Energie eines eintreffenden Lichtquants (Infrarotphoton) genau einer dieser Resonanzen (z.B. 15 Mikrometer bei CO₂), wird das Photon, bzw. dessen Energie absorbiert, und dadurch die Schwingungsenergie des Moleküls um genau dieses Quant erhöht. Denn: Diese Energien kommen nur in kleinen, fest bestimmten Paketen (Quanten) vor. 

Folgendes kommt noch hinzu: Nur jene Moleküle in der Atmosphäre, die Eigenschwingungen mit Wellenlängen im Infrarotbereich besitzen UND dabei – wenigstens für einen winzigen Moment – asymmetrisch und so zum Dipol werden – wie man sich das vorstellen soll, siehe weiter unten – können als Klimagas wirken. Warum? Weil Infrarotstrahlung nicht nur ein Teilchen (Photon) ist, sondern auch eine elektromagnetische Welle mit einem ständig hin und her schwingenden elektrischen Feld. Damit ein Molekül diese Welle auffangen kann, muss es quasi mit ihr harmonieren, und das geht nur, wenn es selbst ein kleiner Magnet, ein Dipol, ist. Ohne diesen Dipol bemerkt das Molekül die Welle einfach nicht. Quantenphysik ist doch gar nicht so schlimm, oder?

Nur ein Teil der Infrarotstrahlung wird absorbiert

Die Infrarotstrahlung ist langwelliger als sichtbares Licht, das Wellenlängen von 0,38 bis 0,78 Mikrometer (380–780 Nanometer) hat. Infrarotstrahlung beginnt bei 0,78 Mikrometer und reicht bis 1.000 Mikrometer. Der Hauptteil der Infrarotrückstrahlung der Erde liegt bei Wellenlängen zwischen 4 und 50 Mikrometer. 

Unsere Klimagase absorbieren aus der irdischen Wärmerückstrahlung folgende Wellenlängen: 4,26 Mikrometer (CO₂), 5,5 – 7,5 Mikrometer (Wasserdampf), 7,7 Mikrometer (Methan), 9,6 Mikrometer (Ozon), von 12,5 – 18 Mikrometer mit einem Peak bei 15 Mikrometer (CO₂) und oberhalb von 18 Mikrometer (wieder Wasserdampf). Es gibt also einen Bereich, für den die Erdatmosphäre in Richtung All relativ durchlässig ist, und zwar für die Wellenlängen zwischen 8 und 13 Nanometer. Durch dieses atmosphärische Fenster entweicht ein Teil der Energie direkt ins All, ohne es wäre die Erdatmosphäre wärmer.

Warum ist Kohlendioxid ein „Treibhausgas“ und Stickstoff und Sauerstoff nicht?

Weil nur asymmetrische Dipol-Moleküle Infrarotstrahlung absorbieren können, sind Stickstoff und Sauerstoff in unserer Atmosphäre keine „Treibhausgase“. Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle (N2 und O2) sind aufgebaut wie Hanteln: Egal, wie die beiden Atome sich zueinander bewegen, sie werden bei ihrer Schwingung niemals asymmetrisch, niemals ein Dipol, niemals ein kleiner Magnet und können deshalb keine „Treibhausgase“ sein.

Obgleich Kohlendioxid in seinem grundsätzlichen Aufbau wie ein lineares Gebilde aus drei Atomen aussieht, kann es auf verschiedene Weise schwingen, und zwar zum Teil so, dass es Infrarotstrahlung absorbiert.

Wie genau funktioniert Kohlendioxid als „Treibhausgas“?

Wenn ein an sich symmetrisches Molekül wie CO₂ in einer Weise schwingt , dass es asymmetrisch wird, und sich somit seine elektrische Ladung ungleich verteilt, wird es zu einem winzigen Magneten für die passende elektromagnetische Strahlung. Die drei Atome des CO₂-Moleküls sind zwar in einer geraden Linie aneinander gebunden, aber die beiden Sauerstoffatome können auf drei verschiedene Weisen um das Sauerstoffatom in ihrer Mitte schwingen: 

1: Beide Sauerstoffatome bewegen sich gleichzeitig auf das in der Mitte liegende Kohlenstoffatom zu und wieder weg (Streckschwingung) Diese Bewegung macht aus dem CO₂-Molekül keinen Dipol, und trägt daher nicht zur Erwärmung bei.

2: Eine C-O-Bindung streckt sich, während sich die andere zusammenzieht (Asymmetrische Streckschwingung). Dadurch wird das CO₂-Molekül zum Magneten für Infrarotstrahlung der Wellenlänge von 4,26 Mikrometern, ist also infrarot-aktiv.

3: Das Kohlenstoffatom in der Mitte bewegt sich aus der gesteckten Molekül-Ebene nach „oben und unten“ oder „rechts oder links“ (Biegeschwingungen). Das Molekül wird zum Dipol, ist also ebenfalls infrarot-aktiv, und empfänglich für die Wellenlängen rund um 15 Mikrometer. Diese 15 Mikrometer sind das Zentrum, das Peak, des Infrarotabsorptionsbereichs, der insgesamt von 12,5 bis 18 Mikrometer reicht und dabei glockenförmig zu den Rändern abflacht: Das ist die Absorptionsbande, also nicht EIN einziger Wert, sondern ein Bereich, in dem Infrarotstrahlung absorbiert wird. Denn die Möglichkeiten zu schwingen, entsprechen mehr als nur einer Wellenlänge: Die Glockenform ist über viele einzelne Adsorptionslinien gelegt, wobei jede einer etwas anderen Wellenlänge entspricht.

Kohlendioxid absorbiert die von der Erde abgestrahlte Infrarotstrahlung, die eigentlich auf dem Weg zum Weltraum ist. Diese hat Wellenlängen im Bereich von 5 bis 50 Mikrometer. Und genau dort liegt die Biegeschwingung des CO₂-Moleküls mit 15 Mikrometern Wellenlänge: Diese ist also besonders klimarelevant.

Warum sind Wasser und Methan noch stärkere „Treibhausgase“?

Die Wassermoleküle in der Atmosphäre sind immer asymmetrisch und somit magnetische Dipole, denn das Molekül ist geformt wie ein V, mit einem Sauerstoffatom eingebunden zwischen den beiden Wasserstoffatomen. Es kann in vielfältiger Weise schwingen, und egal, wie dieses Molekül schwingt: Es ist empfänglich für Infrarotstrahlung der Frequenzen 5,5 bis 7,5 Mikrometer und oberhalb von 18 Mikrometer. Wassermoleküle absorbieren also Teile der Infrarot-Rückstrahlung, die nicht von CO₂ abgefangen werden kann.

Ebenso verhält es sich mit Methan, das aufgebaut ist wie ein Tetraeder und bei 7,7 Mikrometer infrarot-aktiv ist, und Ozon, dessen drei Sauerstoffatome ähnlich wie das Wassermolekül zusammenhängen und das bei 9,6 Mikrometer absorbieren kann.

Wie sieht es mit der CO2-Sättigung aus?

Wenn ein CO₂- oder H₂O-Molekül ein Infrarot-Photon mit der passenden Wellenlänge (also 15 Mikrometer bei CO₂) absorbiert, gerät dieses Molekül in einen angeregten Schwingungszustand und gibt diese Energie nach Sekundenbruchteilen entweder in Form eines neuen Infrarot-Photons wieder ab, oder das Molekül stößt vorher mit einem anderen Molekül (meist die häufigen N₂- oder O₂-Moleküle) zusammen: Dadurch werden die betroffenen Moleküle beschleunigt wie Billardkugeln auf dem grünen Filz, Schwingungsenergie wird kinetische Energie, was die umgebende Luft direkt erwärmt. Denn in der Luft fliegen Milliarden von Molekülen wild durcheinander. Wenn eines dieser Luftmoleküle gegen ein angeregtes CO₂-Molekül stößt, fliegen sie noch etwas schneller und wilder durcheinander als vorher, und genau das ist es, was wir als höhere Temperatur in der Luft messen.

Das geschieht besonders häufig in der erdnahen Atmosphäre, wo sich vergleichsweise viele andere Moleküle für einen Zusammenstoß finden. In der bodennahen Troposphäre werden zwischen 10 und 20 Prozent als Infrarot-Photonen re-emittiert, 80 bis 90 Prozent werden durch Stöße in Wärme der umgebenden Luft umgewandelt. In der dünneren Atmosphäre in Höhen oberhalb von 10 Kilometern dominiert die Re-Emmission als neues Infrarot-Photon. Jedes CO₂-Molekül, das seine Energie abgegeben hat, ist sofort bereit, neue Infrarotstrahlung zu absorbieren, und der Prozess beginnt von neuem. Eine dauerhafte „Sättigung“ kann also nicht auftreten.

Die Sättigungthese besagt, dass das bereits jetzt vorhandene CO₂ alle verfügbare Infrarotstrahlung absorbiert, so dass zusätzliches Kohlendioxid keinen weiteren Erwärmungseffekt haben kann. Für den zentralen Bereich der Absorption durch CO₂ bei 15 Mikrometern ist das – zumindest im erdnahen Teil der Atmosphäre – auch so. 

Aber zum einen: An den Rändern des glockenförmigen Absorptionsbereiches von CO₂ – unter- und oberhalb des 15 Mikrometer-Peaks – entsteht bei steigender CO₂-Konzentration weitere Kapazität, um Infrarotstrahlung dieser Wellenlängen zu absorbieren und dann wieder Richtung Erde zurückzuschicken. Wenn sich die CO₂-Konzentration erhöht, werden immer mehr Infrarotphotonen mit Wellenlängen etwas abseits von Zentrum (z.B. 13 Nanometer oder 17 Nanometer) absorbiert, die bei geringerer CO₂-Konzentration noch durchgelassen wurden. Um sich das bildlich vorstellen zu können: Die Glockenform der Absorptionsbande verbreitert sich und wird an den Seiten höher. Deshalb führt mehr CO₂ auch in der unteren Atmosphäre zu weiterer globaler Erwärmung.

Und zum anderen: Die Atmosphäre ist ja keine einheitliche Schicht, sondern ein gestaffeltes System mit nach oben abnehmendem Druck und abnehmender Moleküldichte. 

Die Temperatur hingegen nimmt nicht kontinuierlich ab: In der Troposphäre bis 12 km Höhe sinkt die Temperatur auf minus 50 Grad, in der Stratosphäre bis 50 km steigt sie wieder auf 0 Grad an – weil die dort vorhandene Ozonschicht Infrarotstrahlung absorbiert, und so für Erwärmung sorgt – danach fällt sie in der Mesosphäre bis 90 km Höhe wieder bis auf minus 90 Grad ab. 

Von der Erdoberfläche ausgehend, wird die Infrarotstrahlung bereits nach kurzer Strecke absorbiert, dann wieder abgestrahlt und wieder absorbiert usw.. Bei einem höheren CO₂-Gehalt wird die absorbierende Schicht dicker, und die Abstrahlung ins All verschiebt sich nach oben. Die letzte Emission, die dann ins All geht, erfolgt also aus höheren Luftschichten: Je mehr CO₂ in der Atmosphäre verfügbar ist, umso höher muss die Strahlung „hochgereicht“ werden, bis sie ins All entkommen kann. Durch diesen Mechanismus erwärmt sich bei höherem CO₂-Gehalt auch die Atmosphäre stärker.

Kein Zweifel, CO₂ ist klimarelevant. Aber die Menschheit wird nicht untergehen.

Es hilft nichts, so zu tun, als wäre es nicht so: CO₂ absorbiert Wärmestrahlung und ist dadurch klimarelevant. Von einer bereits vorhandenen Sättigung kann ebenfalls nicht ausgegangen werden: Mehr CO₂ in der Atmosphäre verursacht Erwärmung.

Die gute Nachricht ist: Der CO₂-Gehalt der Atmosphäre war, seitdem es Landpflanzen gibt, nie höher als 1.000 ppm, und die meiste Zeit hat er sich bei 800 ppm eingepegelt. Das Leben auf diesem Planeten ist unter diesen Bedingungen prächtig gediehen. Derzeit ist der CO₂-Gehalt so niedrig wie selten im Verlauf der Geschichte des Lebens.

Der mit Satelliten gemessene Meeresspiegelanstieg in den Jahren 2000 bis 2026 liegt bei 3,7 mm pro Jahr, im Jahr 2024 wurden 4,5 mm gemessen. Das ist etwas, auf das wir uns einstellen müssen und auch können. Derzeit jedenfalls gehen klimabedingt weder Inseln noch Küstenstädte unter, sondern höchstens aus lokalen tektonischen oder hydrogeologischen Gründen. 

Die globale Mortalität durch extreme Wetterereignisse sank seit den 1920er Jahren um 98 Prozent: Es gab weniger Tote durch Dürren und Fluten. In den Jahren 1980 bis 2016 war in dieser Hinsicht die größte Verbesserung in ärmeren Ländern zu verzeichnen, wo kleine Fortschritte große Effekte haben: Entwicklung und Wohlstand sind die Haupttriebfeder, um eine Gesellschaft weniger verletzlich gegenüber der Natur zu machen.

Irreführende Meldungen, wie: „Fünfmal so viele Extremwetterereignisse wie in den 1970er Jahren“ kommen zustande, wenn allein die vermehrt gemeldete Anzahl betrachtet wird (100 Events pro Jahr in den 1970ern, 400 Event jährlich aktuell). Das Centre for Research on the Epidemiology of Disasters (CRED), das diese Daten in seiner Emergency Event-Datenbank (EM-DAT) sammelt, sieht eine Zunahme der gemeldeten Ereignisse durch technischen Fortschritt – wie Internet, globale Kommunikation, verbesserte Datenerfassung – und nicht durch den Klimawandel. Erst seit den 2000er Jahren gibt es eine durchgehende Datenerfassung – und seither hat es keinen Anstieg an Wetterkatastrophen mehr gegeben.

Zweifel angebracht sind an Klimamodellen, die unsere Wirklichkeit nicht abbilden können, deren Ergebnisse aber in den zwischenstaatlichen Handlungsempfehlungen des IPCC gipfeln, der „Zusammenfassung für politische Entscheidungsträger“, an Weltuntergangsszenarien, wie sie vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) verbreitet werden und an politischen Maßnahmen, die mit aller Gewalt und wider jede Vernunft CO₂-Emissionen vollständig unterbinden wollen. 

Eine Politik mit dem Ziel zu betreiben, ein bestimmtes „Klima“ in der Erdgeschichte zu fixieren und zu „retten“, noch dazu im deutschen Alleingang, wird nur den vollständigen wirtschaftlichen Niedergang dieses Landes bewirken.