Die Chemie des Klimawandels

Im Jahr 1856 füllte eine amerikanische Wissenschaftlerin namens Eunice Newton Foote Glaszylinder mit verschiedenen Gasen, stellte sie ins Sonnenlicht und beobachtete ihre Thermometer. Der Zylinder mit Kohlendioxid wurde heißer als die anderen und hielt seine Wärme am längsten, nachdem sie ihn in den Schatten gestellt hatte. Aus diesem einfachen Tischexperiment zog sie eine bemerkenswerte Schlussfolgerung: Eine Atmosphäre, die reicher an diesem Gas ist, würde unserem Planeten eine höhere Temperatur verleihen. Einige Jahre später bestätigte der irische Physiker John Tyndall, der mit weitaus präziseren Instrumenten arbeitete, im Detail, dass bestimmte Gase Wärmestrahlung absorbieren, während die Hauptbestandteile der Luft dies nicht tun.

Was Foote und Tyndall entdeckten, ist das molekulare Herz des Klimawandels. Die Geschichte, die wir gewöhnlich mit Bildern von schmelzenden Gletschern und steigenden Meeren erzählen, ist im Grunde eine Geschichte über Moleküle: wie sie schwingen, wie sie Atome zwischen Luft, Gestein und lebendem Gewebe austauschen und wie sie reagieren, wenn sie im Meerwasser gelöst sind. Um eine sich erwärmende Welt wirklich zu verstehen, hilft es, die Brille einer Chemikerin aufzusetzen und zu betrachten, was einzelne Moleküle tun.

Warum Kohlendioxid Wärme einfängt

Die Sonne badet die Erde in sichtbarem Licht, das unsere Atmosphäre nahezu unberührt durchlässt. Der Boden und die Ozeane absorbieren dieses Licht, erwärmen sich und strahlen die Energie als Infrarotstrahlung wieder nach außen ab, dieselbe unsichtbare Wärme, die du von einem Herd oder einer sonnendurchglühten Wand spürst. Die Frage ist, ob diese abgehende Wärme ins All entweicht oder unterwegs eingefangen wird. Hier entscheidet die molekulare Struktur über das Schicksal des Planeten.

Die beiden Gase, die etwa 99 Prozent der trockenen Luft ausmachen, Stickstoff und Sauerstoff, bestehen jeweils aus zwei identischen Atomen. Weil die Bindung zwischen diesen gleichen Atomen vollkommen symmetrisch ist, sind diese Moleküle für Infrarotlicht im Wesentlichen durchsichtig. Sie können die abgehende Wärme nicht festhalten. Kohlendioxid ist anders. Ein CO2-Molekül hat ein Kohlenstoffatom, das von zwei Sauerstoffatomen flankiert wird, und seine Bindungen können sich auf eine Weise dehnen und biegen, die die Verteilung der elektrischen Ladung über das Molekül verschiebt. Wenn ein Infrarotphoton der richtigen Energie vorbeikommt, absorbiert das Molekül es, seine Bindungen schwingen heftiger, und einen Augenblick später gibt es diese Energie wieder in eine zufällige Richtung ab, oft zurück zur Oberfläche.

Der Treibhauseffekt in einem Satz: Treibhausgase lassen Sonnenlicht herein, verlangsamen aber das Entweichen der Wärme und halten so die Oberfläche weit wärmer, als sie es sonst wäre. Das ist kein Fehler, es ist essenziell. Ohne jeglichen Treibhauseffekt läge die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde deutlich unter dem Gefrierpunkt, irgendwo um minus 18 Grad Celsius statt der angenehmen 15 Grad, die wir genießen. Das Problem ist eines des Maßes. Das Hinzufügen von mehr CO2 und anderen wärmeabsorbierenden Gasen verdickt die Decke, und die Oberfläche erwärmt sich zum Ausgleich.

Eine Schar von Treibhausmolekülen

Kohlendioxid steht im Rampenlicht, doch es teilt sich die Bühne. Wasserdampf ist tatsächlich das häufigste Treibhausgas, und es verstärkt die Erwärmung: Wenn sich die Luft erwärmt, hält sie mehr Feuchtigkeit, die wiederum noch mehr Wärme einfängt. Aber Wasserdampf reagiert auf die Temperatur, anstatt den langfristigen Trend anzutreiben, denn jeder Überschuss regnet innerhalb von Tagen wieder ab. Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas und ein Produkt von Rindern, Feuchtgebieten und Mülldeponien, ist kurzfristig ein weitaus stärkeres Absorptionsmolekül als CO2, obwohl es nur etwa ein Jahrzehnt in der Atmosphäre verweilt, bevor chemische Reaktionen es abbauen. Lachgas, das größtenteils aus gedüngten Böden freigesetzt wird, ist seltener, aber extrem langlebig.

Was Kohlendioxid auszeichnet, ist seine Beständigkeit und seine schiere Menge. Ein bedeutender Anteil des heute ausgestoßenen CO2 wird das Klima noch in Jahrhunderten beeinflussen, weil die Natur es nur langsam entfernt. Diese Kombination aus Beharrlichkeit und steigender Konzentration ist der Grund, warum CO2 als der Hauptregler des langfristigen Klimas behandelt wird. Vor der industriellen Revolution enthielt die Atmosphäre etwa 280 Teile pro Million Kohlendioxid. Inzwischen ist dieser Wert über 420 Teile pro Million gestiegen, ein Niveau, das der Planet seit Millionen von Jahren nicht gesehen hat, und der Anstieg deckt sich eng mit der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas.

Der Kohlenstoffkreislauf: Ein planetares Recyclingsystem

Kohlenstoff wird durch all dies weder erzeugt noch zerstört, er wird nur bewegt. Die Erde betreibt einen enormen, unaufhörlichen Recyclingbetrieb, in dem Kohlenstoffatome zwischen vier großen Reservoirs pendeln: der Atmosphäre, den Ozeanen, den Lebewesen und dem Gestein und Boden. Den Klimawandel zu verstehen bedeutet zu verstehen, wie menschliches Handeln dieses Gleichgewicht verschoben hat.

Photosynthese und Atmung bilden die schnelle, biologische Schleife. Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien ziehen CO2 aus der Luft und fügen mithilfe des Sonnenlichts den Kohlenstoff zu Zuckern zusammen, wobei sie Sauerstoff als Nebenprodukt freisetzen. Tiere und Mikroben fressen dann diese Zucker und atmen CO2 wieder aus, oder die Pflanzen selbst atmen. Über ein Jahr hinweg atmet diese Schleife riesige Mengen Kohlenstoff ein und aus, weshalb die gemessenen CO2-Werte in jedem Sommer der Nordhalbkugel leicht sinken, wenn die Wälder Blätter treiben, und im Winter wieder steigen.

Die langsame, geologische Schleife wirkt über Tausende bis Millionen von Jahren. Vulkane stoßen CO2 aus dem tiefen Inneren der Erde aus. Regen, der durch gelöstes Kohlendioxid leicht sauer wird, verwittert langsam das Gestein und spült Mineralien ins Meer, wo Meeresbewohner Kohlenstoff in Schalen aus Calciumcarbonat einschließen, die schließlich zu Kalkstein werden. Vergrabenes Pflanzenmaterial, über geologische Zeitalter hinweg verdichtet, wurde zu Kohle, Öl und Gas. Hier liegt der Kern des Problems: Fossile Brennstoffe sind Kohlenstoff, den die langsame Schleife über Hunderte Millionen Jahre aus der Luft entfernt hat. Indem wir sie verbrennen, setzen wir diesen uralten Kohlenstoff in ein paar Jahrhunderten wieder in die Atmosphäre frei, weit schneller, als die langsame Schleife ihn wieder herunterholen kann. Der natürliche Kreislauf war ungefähr im Gleichgewicht, wir haben ihm einen großen einseitigen Strom hinzugefügt, mit dem er nicht Schritt halten kann.

Der stille Handel des Ozeans

Die Ozeane haben den Schlag abgemildert. Meerwasser absorbiert einen großen Teil des Kohlendioxids, das wir ausstoßen, vielleicht ein Viertel oder mehr, und wirkt wie ein riesiger chemischer Schwamm. Ohne diese Aufnahme wären das atmosphärische CO2 und die Erwärmung an der Oberfläche erheblich schlimmer. Aber die Hilfe des Ozeans hat einen chemischen Preis, und dieser Preis ist ein völlig eigenständiges Problem, das nichts mit der Temperatur zu tun hat.

Wenn sich Kohlendioxid im Wasser löst, bleibt es nicht einfach dort sitzen. Es reagiert. CO2 verbindet sich mit Wassermolekülen zu Kohlensäure, derselben schwachen Säure, die der Limonade ihren prickelnden Geschmack verleiht. Kohlensäure gibt dann Wasserstoffionen in das umgebende Meerwasser ab. Mehr gelöstes CO2 bedeutet mehr Kohlensäure, was mehr freie Wasserstoffionen bedeutet, und eine steigende Konzentration von Wasserstoffionen ist per Definition eine Zunahme der Säure. Das Meer wird, ganz allmählich, saurer. Das ist die Ozeanversauerung, manchmal als der ebenso ernste Zwilling der globalen Erwärmung bezeichnet.

Wenn das Meer sauer wird

Die Zahlen klingen klein, aber die Chemie ist nicht nachsichtig. Das Oberflächenwasser des Ozeans hat sich von einem vorindustriellen pH-Wert von etwa 8,2 auf heute rund 8,1 verschoben. Weil die pH-Skala logarithmisch ist, stellt jeder Schritt von einer Einheit eine zehnfache Veränderung dar, sodass dieser scheinbar winzige Rückgang einem beträchtlichen Anstieg der Wasserstoffionenkonzentration entspricht, einer Zunahme von etwa einem Viertel bis zu einem Drittel. Der Ozean bleibt leicht alkalisch, nicht wörtlich sauer, aber er bewegt sich stetig in die saure Richtung, und der Trend ist das, worauf es für die darin lebenden Geschöpfe ankommt.

Die Schalenbildner bekommen es ab. Korallen, Austern, Muscheln, Meeresschnecken und unzählige winzige Planktonarten bauen ihre Skelette und Schalen aus Calciumcarbonat. Sie tun dies, indem sie Calciumionen und Carbonationen aus dem Wasser ziehen. Hier liegt die grausame chemische Pointe: Die zusätzlichen Wasserstoffionen, die durch all das gelöste CO2 freigesetzt werden, reagieren mit Carbonationen und entziehen sie damit effektiv dem Umlauf, sodass weniger der Bausteine übrig bleiben, die diese Organismen benötigen. In Wasser, das sauer genug ist, können sich Calciumcarbonatstrukturen sogar aufzulösen beginnen. Labor- und Feldstudien haben gezeigt, dass empfindlich beschaltes Plankton und junge Schalentiere unter diesen Bedingungen damit kämpfen, gesunde Skelette zu bilden, obwohl Wissenschaftler noch genau herausarbeiten, wie verschiedene Arten und Ökosysteme damit zurechtkommen werden. Weil dieses Plankton nahe der Basis des marinen Nahrungsnetzes steht, könnten sich die Folgen auf eine Weise nach oben fortpflanzen, die noch nicht vollständig verstanden ist.

Das Wichtigste in Kürze

Der Klimawandel ist im Grunde eine chemische Geschichte. Kohlendioxid erwärmt den Planeten, weil seine molekularen Bindungen die Infrarotwärme absorbieren und wieder abstrahlen können, die Stickstoff und Sauerstoff entweichen lassen, und so die natürliche Treibhausdecke verdicken, die die Erde bewohnbar hält. Der Kohlenstoff, der diese Erwärmung antreibt, ist nicht aus dem Nichts aufgetaucht, er ist Teil eines planetaren Kreislaufs, der Atome zwischen Luft, Leben, Ozeanen und Gestein pendeln lässt, eines Kreislaufs, der ungefähr im Gleichgewicht war, bis wir begannen, fossile Brennstoffe zu verbrennen und Kohlenstoff freizusetzen, den die langsame geologische Schleife über Hunderte Millionen Jahre vergraben hatte. Die Ozeane haben einen Großteil unseres überschüssigen CO2 aufgenommen und uns eine schlimmere Erwärmung erspart, aber diese Aufnahme treibt eine zweite chemische Reaktion an, die Bildung von Kohlensäure, die den pH-Wert des Meerwassers senkt und die schalenbildenden Geschöpfe bedroht, die das Fundament des marinen Lebens bilden. Die Hitze in der Luft und die Säure im Meer entspringen ein und demselben Molekül. Den Klimawandel durch die Augen einer Chemikerin zu sehen, als eine Frage schwingender Bindungen, sich lösender Gase und sich verschiebender Reservoirs, verwandelt eine abstrakte globale Krise in etwas Konkretes, Mechanisches und letztlich Begreifbares, was der erste Schritt ist, ihr zu begegnen.