September 21, 2021

Wieviel CO2 bleibt in der Atmosphäre?

Es gibt zwei Teile der Klimadiskussion:

  • Die Empfindlichkeit der Temperatur gegenüber dem atmosphärischen CO_2-Gehalt
  • Die Menge an CO_2 in der Atmosphäre

Während die CO_2-Sensitivität die wissenschaftliche Klimadiskussion dominiert, werden die politischen Entscheidungen von „Kohlenstoffbudget“-Kriterien auf der Basis von Zahlen dominiert, die kaum öffentlich diskutiert werden.
Es wird behauptet, dass mehr als 20 % des emittierten CO_2 für mehr als 1000 Jahre in der Atmosphäre verbleiben werden.

In diesem Artikel soll der Zusammenhang zwischen CO_2-Emissionen und dem tatsächlichen CO_2-Gehalt in der Atmosphäre untersucht werden.
Mit Hilfe dieses als Modell verwendbaren einfachen Zusammenhangs werden verschiedene zukünftige Emissionsszenarien und deren Auswirkung auf den atmosphärischen CO_2-Gehalt untersucht.

Kohlendioxid-Emissionen in der Vergangenheit

Ausgangspunkt sind die tatsächlichen CO_2-Emissionen während der letzten 170 Jahre:

Es ist sehr informativ, von dieser Zeitserie die (prozentualen) relativen Veränderungen y'(t)/y(t) zu betrachten (Hier mathematische Herleitung). Dies ist das Äquivalent des Wirtschaftswachstums für CO_2 Emissionen.

Der größte Anstieg der CO_2-Emissionen war zwischen 1945 und 1980, die Phase des großen Wachstums an Wohlstand und Lebensqualität v.a. in den Industrieländern, wobei der absolute Höhepunkt des weltweiten Emissions-Wachstums im Jahre 1970 überschritten wurde, interessanterweise 3 Jahre vor der ersten Ölkrise. Um die Jahrtausendwende gab es nochmal einen Anstieg der Emissionen, diesmal verursacht durch den wirtschaftlichen Aufschwung der Schwellenländer. Seit 2003 geht das Anwachsen der Emissionen stetig zurück, und hat de facto bereits die Nullinie unterschritten, d.h. ab sofort werden die Emissionen voraussichtlich nicht mehr anwachsen, trotz des Wachstums in China, Indien und anderen Schwellen- und Entwicklungsländern.
Dies wird überzeugend dargestellt in der Zeitserien-Graphik des Global Carbon Projekts:

Quelle: Global Carbon Project (Time Series)

Der langjährige Rückgang der Emissionen in den Industrieländern hält sich aktuell die Waage mit dem seit 2010 verlangsamten Anstieg in den Schwellenländern China und Indien.
Demzufolge ist es realistisch und legitim, einen ab 2019 konstanten CO_2-Ausstoß als „business as usual“ zu bezeichnen (2020 war ein Covid-19 bedingter Emissions-Rückgang).

CO2-Gehalts der Atmosphäre mit simplen Emissions-Modellen

Es wird angenommen, dass vor 1850 das CO_2-Niveau annähernd konstant war und dass der gemessene CO_2-Gehalt die Summe aus dem vorindustriellen konstanten Niveau und einer Funktion der CO_2-Emissionen ist.

Drei verschiedene Modelle werden getestet – diese Modelle haben nicht den Anspruch, die Physik abzubilden, sie liefern einen möglichen funktionalen Zusammenhang zwischen CO_2-Emissionen und atmosphärischem CO_2-Gehalt, der für Prognosen geeignet ist.:

  • Das erste Modell geht davon aus, dass alle CO_2-Emissionen für immer in der Atmosphäre bleiben. Das bedeutet, dass der zusätzliche – über das vorindustrielle Niveau hinausgehende – CO_2-Gehalt die kumulative Summe aller CO_2-Emissionen wäre.
  • Das zweite Modell geht von einem exponentiellen Zerfall des emittierten CO_2 in die Ozeane bzw. die Biosphäre mit einer Halbwertszeit von 70 Jahren aus, d.h. die Hälfte des zusätzlich emittierten CO_2 ist nach 70 Jahren absorbiert. Dies wird durch eine Faltung mit einem exponentiellen Zerfallskern und einer Zeitkonstante 70/ln(2) \approx 100 Jahre erreicht
  • Das dritte Modell geht von einem exponentiellen Zerfall des emittierten CO_2 in die Ozeane bzw. Biosphäre mit einer Halbwertszeit von 35 Jahren aus, d.h. die Hälfte des emittierten CO_2 ist nach 35 Jahren absorbiert. Dies wird durch eine Faltung mit einem exponentiellen Zerfallskern und einer Zeitkonstante 35/ln(2) \approx 50Jahre erreicht.

Um die Zahlen vergleichbar zu machen, müssen die Emissionen, die in Gt gemessen werden, in ppm umgerechnet werden. Dies geschieht mit der Äquivalenz von 3210 Gt CO_2 = 410 ppm ( Gesamtmasse des CO_2 in der Atmosphäre und Anteil im Jahr 2015 )

Die gelbe Kurve sind die gemessenen tatsächlichen Emissionen aus dem obigen Diagramm, und die blaue Kurve ist der gemessene tatsächliche CO_2-Gehalt.

Das erste „kumulative“ Modell approximiert den gemessenen CO_2-Gehalt von 1850 bis 1910 recht gut, überschätzt aber den CO_2-Gehalt nach 1950 stark. Dies falsifiziert die Hypothese, dass CO_2 für „Tausende von Jahren“ in der Atmosphäre bleibt.
Auch das zweite Modell mit einer Halbwertszeit von 70 Jahren des emittierten CO_2 überschießt nach 1950 erheblich, es approximiert die Zeit zwischen 1925 und 1945. Das dritte Modell mit einer Halbwertszeit der Emissionen von 35 Jahren passt sehr gut zum tatsächlichen CO_2-Gehalt von 1975 bis heute.

Dies bestätigt, was erst kürzlich in Nature veröffentlicht wurde, dass die Rate der CO_2-Absorption in die Ozeane mit steigendem atmosphärischen CO_2-Gehalt zunimmt. Physikalisch ist das insofern plausibel, weil der mit wachsender Konzentration steigende atmosphärische Partialdruck des CO_2 eine wachsende Absorption nahelegt. Dass die Absorption höher ist als nach den bisherigen Modellen, liegt daran dass in der für den Gasaustausch relevanten dünnen Oberflächen-Grenzschicht durch die Verdunstungskälte des Wasserdampfs die Oberflächen-Temperatur niedriger ist als bisher angenommen.

figure2
Source: https://www.nature.com/articles/s41467-020-18203-3

Ein Abflachen des Effekts, etwa aufgrund von Sättigung des CO_2-Gehalts im Meer, ist nicht zu erkennen, im Gegenteil der Effekt wird in den letzten Jahren größer.
Der gleiche Zusammenhang, insbesondere die zunehmende „Kohlenstoffsenke“ von Ozeanen und Biosphäre, wird vom Global Carbon Project in dieser Grafik gezeigt:

Co2 Quellen Senken

Obwohl für die Zukunft ein weiterer Anstieg des CO_2-Flusses in den Ozean zu erwarten ist, können wir daher das dritte Modell mit einer Halbwertszeit von 35 Jahren für konservative, d.h. nicht optimistische Vorhersagen verwenden.

Zukunftsszenarien

Um politische Entscheidungen zu bewerten, werde ich dieses Modell anwenden, um den zukünftigen CO_2-Gehalt mit 3 verschiedenen Szenarien vorherzusagen:

  • Das erste Szenario (rot) möchte ich als „Business-as-usual“-Szenario bezeichnen, in dem Sinne, dass China sich verpflichtet hat, den Anstieg der CO_2-Emissionen nach 2030 zu stoppen. Bereits jetzt steigen die weltweiten CO_2-Emissionen nicht mehr an, und die Industrieländer haben alle fallende Emissionen. Dieses Szenario nimmt an, dass die globalen Emissionen auf dem aktuellen Maximalwert von 37 Gt/a bleiben. Gesamtbudget bis 2100: 2997 Gt CO_2, danach 37 Gt/Jahr
  • Das zweite Szenario (grün) ist die weithin proklamierte Dekarbonisierung bis 2050.
    Dabei wird verschwiegen, dass ein weltweiter vollständiger Ersatz existierender fossiler Energiequellen die tägliche Neuinstallation des Äquivalents eines größeren Kernkraftwerks mit je 1,5 GW Leistung erfordern würde.
    Gesamtbudget bis 2100: 555 Gt CO_2, danach 0 Gt/Jahr.
  • Das dritte Szenario (blau) ist ein realistischer Plan, der die Emissionen bis 2100 auf 50% reduziert, also etwa dem Wert von 1990. Dieses Szenario spiegelt die Tatsachen wider, dass fossile Brennstoffe endlich sind und dass Forschung und Entwicklung neuer zuverlässiger Technologien Zeit brauchen.
    Gesamtbudget bis 2100: 2248 Gt CO_2, danach 18,5 Gt/Jahr

Die Konsequenzen für den CO_2-Inhalt sind folgende:

  • Das erste Szenario (rot) erhöht den CO_2-Gehalt, aber nicht über 510ppm in der fernen Zukunft hinaus, was weniger als eine Verdopplung gegenüber der vorindustriellen Zeit bedeutet. Je nach Sensitivität (0,5°…2°) bedeutet dies einen hypothetischen Temperaturanstieg von 0,1° bis 0,6° gegenüber den heutigen Temperaturen, bzw. 0,4° bis 1,4° seit der vorindustriellen Zeit. In jedem Fall unter dem optimistischen Ziel von 1,5° des Pariser Klimaabkommens.
  • Das zweite Szenario — weltweit schnelle Dekarbonisierung — (grün) erhöht den CO_2-Gehalt kaum noch und reduziert den atmosphärischen CO_2-Gehalt schließlich auf vorindustrielles Niveau.
    Wollen wir das wirklich? Das würde einen Nahrungsentzug für alle Pflanzen bedeuten, die am besten bei CO_2-Werten größer als 400 ppm gedeihen. Nicht einmal der Weltklimarat (IPCC) hat eine solche Reduzierung jemals als Ziel formuliert.
  • Das realistische Reduktions-Szenario (blau) hebt die CO_2-Werte die nächsten 50 Jahre leicht an, hält sie aber unter 455 ppm und senkt sie nach 2055 dann allmählich auf das Niveau von 1990.

Schlussfolgerungen

Nicht einmal das pessimistischste der oben beschriebenen Szenarien erreicht auch nur annähernd einen „katastrophalen“ CO_2-Gehalt in der Atmosphäre.
Das Szenario der vollständigen Dekarbonisierung bis 2050 kann nur als völliger Unsinn bewertet werden. Abgesehen von der Unmöglichkeit, bis dahin täglich eine Energiequelle mit dem Äquivalent eines größeren Kernkraftwerks zu installieren, kann sich niemand wünschen, auf das vorindustrielle CO_2-Niveau zurückzugehen. Eine einseitige Dekarbonisierung von Deutschland oder Europa hat ohnehin so gut wie keinen Effekt auf den weltweiten CO_2 Gehalt.
Auf der anderen Seite motivieren die begrenzten fossilen Ressourcen dazu, sie auf eine machbare und menschenwürdige Weise zu ersetzen. Dies spiegelt sich im „Kompromiss“-Szenario wider, das die langfristigen weltweiten Emissionen bis zum Ende des Jahrhunderts schrittweise auf das Niveau des Jahres 1990 reduziert.

Allen, die sich darüber Sorgen machen, durch die Aufnahme des CO_2 aus der Atmosphäre würden die Ozeane „versauern“, sei gesagt, dass die gesamte Menge des CO_2 in der Atmosphäre gerade mal 2% dessen sind, was in den Ozeanen gelöst ist. Davon gelangt nur ein Teil in die Ozeane. Auch wenn die Vorgänge sehr komplex sind, kann davon ausgegangen werden dass die Veränderung des CO_2-Gehalts in die Ozeanen für alle oben genannten Szenarien vernachlässigt werden kann. Dazu kommt, dass etwa die Hälfte des zusätzlichen atmosphärigen CO_2 in Form der CO_2-Düngung der Biosphäre, insbesondere Begrünung und Humusbildung, zugute kommt.

Die Frage, welche Auswirkungen diese Szenarien auf die Entwicklung der globalen Durchschnittstemperatur haben werden, wird in diesem Beitrag behandelt.

Eine mathematisch formalisierte saubere Herleitung der beschriebenen Zusammenhänge mit ähnlichen Ergebnissen ist hier beschrieben.

7 Gedanken zu “Wieviel CO2 bleibt in der Atmosphäre?

  1. Guten Tag,

    als Chemiker habe ich füreinige Inhalte der obigen ein gutes Verständnis, für andere wiederum nicht. Gibt es ein Seminar oder ähnliches, wo versucht wird, den Stand bzw. die wesentlichen Punkte zu den Modellrechnungen zu erläutern. Ich wäre daran sehr interessiert, da ich gerne verstehen möchte, warum 150 ppm CO2 ( früher 250, heute 400 ppm) eine sehr große Auswirkung auf die Erwärmung haben.

    Für eine Antwort vielen Dank

    freundlichen Grüßen

    Wolfgang Wirth

    1. Sehr geehrter Herr Wirth,
      zunächst – Ihre Adresse habe ich aus Datenschutzgründen bei der Veröffentlichung Ihres Kommentars weggelassen.
      Wenn Sie, sagen wir mal 8-10 Leute zusammenbekommen, kann ich gerne mal ein reales oder virtuelles Seminar zu diesen Themen durchführen.
      Um Mißverständnisse auszuräumen, ich selbst bin nicht der Überzeugung, dass die Zunahme des CO2 eine große Auswirkung auf die Erwärmung hat. Der für mich als Physiker plausible Effekt von CO2 (er ist noch nie wissenschaftlich nachgewiesen worden!) sind 0.3° C Erwärmung seit dem Beginn der Industrialisierung – das ist der Effekt der von Ihnen genannten Zahlen, den ich auf der Seite http://klima-fakten.net/?p=4896 diskutiert habe. Die signifikante Temperaturerhöhung der letzten 40 Jahre ist sehr viel wahrscheinlicher auf Veränderungen der Wolkenbedeckung zurückzuführen ( http://klima-fakten.net/?p=3217 ), was u.U. auch teilweise menschengemacht ist (Abholzung, Wärmeinseln durch Urbanisierung, Ausbreitung von Wüsten), CO2 spielt dabei m.E. nur eine untergeordnete Rolle.
      Vor einiger Zeit habe ich die mir wichtigen einzelnen Elemente der Klimawandel- und Energiewendediskussion zusammenhängend in einem Vortrag behandelt: http://klima-fakten.net/?p=4121 . In diesem Manuskript ist auch ein Link zur Video-Aufzeichnung des Vortrags.

      1. Sehr geehrter Herr Dr. Dengler,
        vielen Dank für Ihre schnelle Antwort. Ihren Vortrag werde ich mit Interesse lesen. Danke für diesen Link! Leider wird die Klimadiskussion in den Medien ganz überwiegend von Leuten geführt, die nicht über die dahinter stehenden Zusammenhänge informiert sind, oder auch – ganz vorwurfsfrei – nicht informiert sein können, weil es nicht ihr Fachgebiet ist. Sie berufen sich mit Begründungen wie ‚die Wissenschaft hat festgestellt‘, oder ‚es ist die allgemein gültige Meinung‘ darauf, dass allein das anthropogen erzeugte CO2 für die Klimaerwärmung verantwortlich ist. Prominente und leider auch Fachjournalisten in Wissenschaftssendungen vertreten vehement diese Meinung ohne auf die Komplexität des Themas und Gegenargumente einzugehen. Sie politisieren die Debatte und schaden einer tiefergehenden, kraftvollen Diskussion in der Öffentlichkeit. Vor allem haben sie nicht verstanden, dass eine wissenschaftliche Herangehensweise, insbesondere bei einem derart komplexen Geschehen, ein zeitaufwändiger, Prozess ist, bis die Erkenntnislage interdisziplinär formuliert werden.

  2. Sehr geehrter Herr Dr. Dengler,

    danke für Ihre Antwort. Ob 1750 oder 1850 ist sicherlich von untergeordneter Bedeutung. Es geht nicht um die Jahreszahl und um dementsprechend ein paar ppm rauf oder runter, sondern darum, warum das „System Erde“ überhaupt zu gerade diesem Gleichgewicht von vor Beginn der Industrialisierung zurückkehren soll. Dieses Gleichgewicht war bestimmt von der damals gerade herrschenden Kombination aller Parameter, die irgendwie den Kohlenstoffkreislauf beeinflussen. Warum soll die Erde bei einem Stopp der anthropogenen Freisetzungen gerade zu diesem Gleichgewicht von vor Beginn der Industrialisierung zurückkehren und nicht zu dem von z. B. 1650 oder zu dem von 1000? Das „System Erde“ wird auf das Gleichgewicht hinsteuern, das der Paramterkombination zum Zeitpunkt der Beendigung der anthropogenen Freisetzungen entspricht! Es ist sehr unwahrscheinlich, dass das gerade das Gleichgewicht von vor Beginn der Industrialisierung ist.

    Der zweite Punkt ist die Frage nach der Rückstellkraft, mit der dieses neue Gleichgewicht angesteuert wird. Wenn ich Ihr Modell richtig verstanden habe, ist das bei Ihnen die Überschusskonzentration über das neue (das bei Ihnen ja das alte ist) Gleichgewicht hinaus, also etwa 410 – 280 = 130 ppm und die zugehörige Halbwertszeit wird bestimmt aus der Relation des (gemessenen) Konzentrationsanstiegs zur (geschätzten) anthropogenen Freisetzung. Das ist mathematisch einfach, ich kann aber kein physikalisches Gesetz erkennen, nach dem das „System Erde“ sich gerade so verhalten sollte.

    Physikalisch muss man m. E. die Vorgänge „Entnahme aus der Atmosphäre“ und „Freisetzung in die Atmosphäre“ getrennt voneinander verfolgen (und dann überlagern), weil sie sich in ihren Momentanwerten nicht gegenseitig beeinflussen. Die „Entnahme aus der Atmosphäre“ erfolgt, sowohl in den Ozean (dort, wo der kalt ist), als auch in die Biomasse (Fotosynthese, dort, wo gerade die Wachstumsphase herrscht), durch Diffusion, muss also proportional zur Konzentration in der Atmosphäre (und unabhängig von der gleichzeitigen Freisetzung in diese!) sein. Die „Freisetzung in die Atmosphäre“ erfolgt, sowohl aus dem Ozean (dort, wo der warm ist), als auch aus der Biomasse (Verrotten dort, wo gerade Herbst und Winter ist), ebenfalls per Diffusion und ist damit nur vom (momentanen) Zustand von Ozean und Biomasse abhängig und unabhängig von der (momentanen) Konzentration in der Atmosphäre (und damit unabhängig von der gleichzeitig ablaufenden Entnahme). Im Gleichgewicht sind Entnahme und Freisetzung definitionsgemäß gleich groß (und um mehr als eine Größenordnung größer als die heutigen anthropogenen Freisetzungen!). Weil die Konzentration seit 1850 um ca. 50 % gestiegen ist, muss auch die Entnahme um ca. 50 % gestiegen sein. Und weil die Konzentration die ganze Zeit zugenommen hat, muss die Freisetzung (die gesamte Freisetzung) sogar stärker gestiegen sein, und zwar gerade um die 2 ppm/a, um die die Konzentration derzeit eben wächst. Wäre die natürliche Freisetzung nicht gestiegen (wäre die gesamte Freisetzung nicht stärker gestiegen als die gesamte Entnahme), wäre die Konzentration gefallen. Gespeist wurde (und wird) dieser Anstieg der natürlichen Freisetzung auf jeden Fall aus der allgemeinen Erwärmung (Löslichkeit von CO2 in Wasser) und aus der verstärkten Verrottung einer stärker fotosynthetisierenden (und auch insgesamt wachsenden) Biomasse und möglicherweise auch aus Umlagerungen von Meeresströmen und vielleicht auch aus verstärkten vulkanischen Ausgasungen.

    Bei einer erhöhten Konzentration (und ohne weitere Veränderungen) ist also die natürliche Umwälzung nicht mehr ausgeglichen und wirkt der Konzentrationserhöhung entgegen. Wäre die natürliche Freisetzung nicht gewachsen, hätten die anthropogenen Freisetzungen viel stärker sein müssen, um die Konzentration um 50 % anzuheben, und wenn sie beendet werden, würde die Konzentration ganz schnell wieder auf den Ausgangswert (keine weiteren Veränderungen!) zurückgehen.

    Die Rückstellkraft hin zum neuen Gleichgewicht ist also die unausgewogene natürliche Umwälzung. Solange die natürliche Entnahme um 2 ppm/a größer ist als die natürliche Freisetzung, wird, nach einem unterstellten Stopp der anthropogenen Freisetzungen, die Konzentration konstant um 2 ppm/a abnehmen. Wie lange und wohin, das hängt davon ab, wie sich die den Kohlenstoffkreislauf beeinflussenden Parameter verändern. In den letzten 150 Jahren haben sie sich so verändert, dass die natürlichen Freisetzungen massiv gewachsen sind, viel stärker als die anthropogenen Freisetzungen. Wenn sie weiter so wachsen, wird die Konzentration auch nach einem Stopp der anthropogenen Freisetzungen bald wieder zunehmen. Sollten die natürlichen Freisetzungen aber wieder abnehmen (weil sich die bestimmenden Parameter eben so entwickeln), dann wird die Konzentration auch wieder abnehmen. Der Einfluss des Menschen darauf wird immer kein bleiben, weil die von ihm ausgelösten Flüsse klein sind gegenüber der Veränderung der natürlichen Flüsse.

    1. Sehr geehrter Herr Dr. Roth,
      wenn Sie den Artikel genau anschauen, dann sehen Sie, dass der erste Teil ein einfaches, „erratenes“, intuitives mathematisches Modell ohne konkreten Bezug zur Physik beschreibt (gemäß Prof. Feynman ein durchaus legitimes wissenschaftliches Vorgehen). Ihre Kommentare beziehen sich ausschließlich auf dieses Modell, das ich nutzte, um vor einem Nicht-Fachpublikum plausibel zu machen, dass CO2 nicht endlos in der Atmosphäre bleibt, und um mit einer Extrapolation zu zeigen, dass wir nicht auf eine Klima-Katastrophe zusteuern.
      Den Bezug zur Physik finden sie im zweiten Teil, wo ich mit dem ARX-Modell auf der Grundlage der Diffusions-Physik stehe (siehe unser eingereichtes Paper dazu: http://paradigm2.net.au/wp-content/uploads/2021/04/ReidDengler2021.pdf). Dieses m.E. saubere Modell nutzt keine willkürlichen Anfangswerte, kein CO2-Basisniveau und verwendet für den „CO2-Zerfall“ stets den gesamten CO2-Gehalt der Atmosphäre. Auf dieses „wissenschaftliche“ Modell treffen also Ihre Einwände nicht zu. Es hat überdies den nicht zu unterschätzenden Vorteil, dass man für Prognosen Fehlerintervalle angeben kann. Interessanterweise kommen für die mich interessierenden CO2-Prognosen ganz ähnliche Ergebnisse heraus wie bei dem naiven und angreifbaren ersten Modell.

  3. Ein sehr interessanter Beitrag. Nach meinem Verständnis geht er aber von 2 Grundannahmen aus, die sich physikalisch nur schwer begründen lassen: Erstens, dass das Gleichgewicht von 1850 eine Sonderstellung einnimmt und zweitens, dass anthropogen freigesetzte CO2-Moleküle sich anders verhalten als natürlich freigesetzte CO2-Moleküle.

    Zu Ersterem: Dafür, dass das „System Erde“ nach Beendigung der anthropogenen CO2-Freisetzungen wieder gerade in den Zustand von 1850 zurückschwingen wird, sehe ich keine Begründung. Der Zustand von 1850 ist ein zufälliger und kein bevorzugter. Es hat sich seither viel mehr verändert, er wird also nicht wiederkehren.

    Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre stellt sich immer so ein, dass die Summe aller Entnahmen von CO2 aus der Atmosphäre gerade genau so groß ist, wie die Summe aller Freisetzungen in die Atmosphäre (Zahl der CO2-Moleküle, die pro Sekunde aus der Atmosphäre heraus fließen bzw. in sie hinein freigesetzt werden, jeweils Summe aller Senken bzw. aller Quellen). Zu einem Gleichgewicht kommt es, weil die Entnahme konzentrationsabhängig ist, die Freisetzung aber nicht: Die Entnahme wächst mit der Konzentration (mit der Konzentration, nicht mit dem Konzentrationsüberschuss über das Gleichgewicht von 1850 hinaus!) und sie ist unabhängig davon, ob und wie viele CO2-Moleküle gleichzeitig in die Atmosphäre freigesetzt werden. Die Freisetzung in die Atmosphäre ist demgegenüber unabhängig von der Konzentration in ihr (und gleichfalls unabhängig vom gerade laufenden Gegenprozess, also unabhängig davon, ob und wie viele CO2-Moleküle gleichzeitig der Atmosphäre entnommen werden). Diese unterschiedliche Abhängigkeit führt eben zu einem Gleichgewicht. Gäbe es sie nicht, würde die Erde völlig anders aussehen.

    Der genaue Wert der Konzentration im Jahre 1850 ist der damals herrschenden zufälligen Kombination aller, den Kohlenstoffkreislauf beeinflussenden Parameter geschuldet. Zu diesem Wert zurückkehren wird das „System Erde“ nur, wenn auch diese Parameterkombination wieder so hergestellt wird (oder eine andere Parameterkombination eingestellt wird, die zufälligerweise zum gleichen Gesamtergebnis führt). Im Klartext heißt das, dass die Konzentration von 1850, nüchtern betrachtet, nur dann wiederhergestellt wird, wenn die anthropogenen CO2-Freisetzungen die alleinige Ursache der klimatischen Veränderungen seit 1850 waren. Das halte ich für extrem unwahrscheinlich.

    Zur zweiten Grundvoraussetzung: Dass anthropogen freigesetzte CO2-Moleküle sich irgendwie anders verhalten als natürlich freigesetzte CO2-Moleküle, kann m. E. nicht sein, weil alle CO2-Moleküle gleich sind und die Atmosphäre durch Wind und Wetter immer relativ gut durchmischt ist. In der Atmosphäre ist daher ein Herkunft-abhängig unterschiedliches Verhalten nicht möglich . Insbesondere muss auch die mittlere Verweilzeit der CO2-Moleküle in der Atmosphäre für alle CO2-Moleküle gleich sein. Wenn sie für die anthropogen freigesetzten Moleküle z. B. 50 Jahre sein soll, dann muss sie auch für die natürlich freigesetzten Moleküle 50 Jahre betragen. Dann hätten wir aber eine ganz wesentlich höhere Konzentration. Also muss die Verweilzeit für beide Molekülgruppen gleich kurz (einige Jahre) sein.

    Beide Grundannahmen treffen daher wohl eher nicht zu. Die Atmosphäre verhält sich entscheidend anders. In der nachfolgenden Ausarbeitung habe ich das Problem wesentlich ausführlicher diskutiert und aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet. Immer mit dem gleichen Ergebnis: Das viele CO2 in der Atmosphäre muss überwiegend natürlichen Ursprungs sein, die Natur ist auch hier viel stärker als der Mensch. Diese Überlegungen möchte ich zur Diskussion stellen. Wenn jemand einen grundsätzlichen Fehler findet, wäre ich für eine Rückkopplung dankbar.

    Ein grundsätzlicher Fehler in der Klimawissenschaft?
    Abstract
    Der Mensch beeinflusst das Klima. Wenn wir unsere CO2-Freisetzungen nicht sofort drastisch reduzieren und nicht innerhalb von nur wenigen Jahrzehnten sogar vollständig einstellen, dann ist eine schwere Klimakatastrophe nicht mehr zu vermeiden. Das scheint jedenfalls die „vorherrschende Meinung“ in der Klimawissenschaft zu sein. Diese Meinung kann aber nur stimmen, wenn tatsächlich das CO2 für den Klimawandel verantwortlich ist. Und ob das zutrifft, darüber wird seit Jahrzehnten heftig diskutiert. Eine Einigung ist nicht in Sicht.
    Auch diese Arbeit kann das nicht leisten. In ihrem Zentrum steht vielmehr eine weitere Voraussetzung, die auch erfüllt sein muss, damit die genannte „vorherrschende Meinung“ überhaupt richtig sein kann: Das viele CO2 in der Atmosphäre muss tatsächlich aus menschlichen Aktivitäten stammen! Das ist vielleicht sogar noch wichtiger, weil anderenfalls nach den Gesetzen der Logik mit einem Schlag gleich die gesamte Basis für die menschengemachte Klimakatastrophe entfällt! Trotzdem wird das Thema in der Öffentlichkeit kaum diskutiert. Das will diese Arbeit aufbrechen. Es werden die wichtigsten Argumente für und gegen den anthropogenen Ursprung des vielen CO2 in der Atmosphäre vorgestellt und diskutiert. Es zeigt sich, dass die Gegenargumente nicht so ohne weiteres von der Hand zu weisen sind und eine vertiefte Diskussion sehr wohl notwendig ist. Die Arbeit möchte den Anstoß dazu geben.
    1 Einleitung
    Das Klima ändert sich. Ursache ist, so wird meist gesagt, der Mensch mit seinen CO2-Freisetzungen. Werden die unvermindert fortgesetzt, dann sind katastrophale Auswirkungen der „anthropogenen Klimaerwärmung“ unvermeidbar. Aber wie zuverlässig ist diese Aussage? Rein logisch gesehen kann sie nur stimmen, wenn zwei Voraussetzungen erfüllt sind: Erstens muss das viele CO2 in der Atmosphäre tatsächlich für den Klimawandel verantwortlich sein und zweitens muss der Mensch tatsächlich für dieses viele CO2 in der Atmosphäre verantwortlich sein!
    Mit Bezug auf die erste Voraussetzung wird vielfach gesagt, die Wissenschaft wäre sich einig („the science is settled“): CO2 ist der entscheidende Klimafaktor! Diese Bewertung „einig“ hält aber einer näheren Überprüfung nicht stand, es gibt erheblich unterschiedliche Ansichten. Hauptstreitpunkt ist die „Klimasensitivität“ des CO2, das ist die Erwärmung, die sich im Falle einer Verdoppelung der CO2-Konzentration einstellt. Selbst der „Weltklimarat“ IPCC gibt dafür einen sehr breiten Bereich von 1,5 bis 4,5 Grad an /1/! Die Unsicherheit beträgt nicht ein paar Prozent, sondern den Faktor 3! IPCC kennt den Wert also nur sehr grob. Andere Forscher geben noch stärker divergierende Werte an. „Einigkeit in der Wissenschaft“ sieht jedenfalls anders aus! Jahrzehntelange intensive Forschungen haben kaum Fortschritte gebracht, der Unsicherheitsbereich ist nicht kleiner geworden. Den richtigen Wert kann immer noch niemand gesichert angeben. Eine Einigung ist nicht in Sicht. Das Zutreffen der ersten Voraussetzung muss daher als offen bezeichnet werden.
    Auf den ersten Blick einfacher ist die Bewertung der zweiten Voraussetzung: Nur wenige Wissenschaftler zweifeln an der anthropogenen Herkunft des vielen CO2 in der Atmosphäre. Da trifft die „Einigkeit in der Wissenschaft“ schon eher zu. Aber es gibt auch da Abweichler, z. B. /2/, nur werden die von der Öffentlichkeit kaum zur Kenntnis genommen. Dabei ist das Thema besonders wichtig, denn wenn die Abweichler Recht haben, dann fällt mit einem Schlag gleich die ganze Basis für den menschengemachten Klimawandel weg! Denn dann gibt es nur noch zwei Möglichkeiten: Entweder wird das Klima von natürlich freigesetztem CO2 bestimmt, oder es wird gar nicht von CO2 bestimmt, sondern von ganz anderen Einflussfaktoren! In beiden Fällen verliert der Streit über die Höhe der Klimawirksamkeit des CO2 seine Bedeutung. CO2-Einsparungen sind, unabhängig von der Klimawirksamkeit des CO2, auf keinen Fall erforderlich und wir können weiterhin kostengünstige fossile Energie zur Bekämpfung von Hunger und Elend in der Welt und zum Anheben des Lebensstandards einsetzen. Angesichts der Tragweite muss auch diese Diskussion sorgfältig geführt werden.
    Diese Ausarbeitung hier will einen Anstoß dafür geben. Hierzu werden die Ansicht von IPCC und Gegenargumente dargelegt und diskutiert. Es wird sich zeigen, dass die Argumente für eine natürliche Herkunft des vielen CO2 gar nicht so schlecht sind. Eine detaillierte Diskussion ist dringend notwendig!
    2 Sachstand, was wir einigermaßen gesichert wissen:
    2.1. Vor Beginn der industriellen Revolution waren in der Atmosphäre ca. 280 ppm CO2 enthalten (0,028 %).
    2.2. Jährlich wurde gut ein Viertel des CO2-Inventars der Atmosphäre zwischen dieser und dem Ozean und der Biomasse ausgetauscht („natürliche Umwälzung“). Dieser Wert ist nur grob bekannt: IPCC gibt ca. 80 ppm/a an, mit einer Unsicherheit von „mehr als ± 20 %“! Entnahme und Rückgabe müssen aber gleich groß gewesen sein, wenn Gleichgewicht geherrscht haben soll.
    2.3. Zu diesen natürlichen Freisetzungen von ca. 80 ppm/a sind als Folge der Industrialisierung noch die anthropogenen CO2-Freisetzungen hinzu gekommen. Heute betragen diese ca. 4 ppm/a.
    2.4. Heute sind 410 ppm CO2 in der Atmosphäre vorhanden und die Konzentration wächst jährlich um ca. 2 ppm weiter.
    3 Interpretation und Schlussfolgerungen durch IPCC:
    3.1. Der Anstieg der CO2-Konzentration um 2 ppm/a bei anthropogenen Freisetzungen von 4 ppm/a zeigt, dass die Hälfte der anthropogenen Freisetzungen in der Atmosphäre verbleibt. Dieser Verbleib von 50 % ist nicht zufällig, sondern er gilt immer. Der Anstieg der Konzentration von 280 auf 410 ppm ist daher ausschließlich auf die anthropogenen Freisetzungen zurück zu führen.
    Zur Klarstellung: Manchmal gibt IPCC für den Verbleib auch einen anderen Wert als 50 % an, aber immer als festen Prozentsatz. Alles, was hier zu den 50 % gesagt wird, gilt analog für jeden festen Prozentsatz, unabhängig seiner genauen Höhe!
    3.2. Weil immer 50 % verbleiben, steigt die CO2-Konzentration immer weiter, solange die anthropogenen Freisetzungen nicht vollständig eingestellt werden.
    3.3. Weil CO2 der entscheidende Klimafaktor ist, steigt mit der Konzentration auch die Klimaerwärmung immer weiter an. Die anthropogenen Freisetzungen müssen daher unbedingt auf null reduziert werden.
    3.4. Als Folge des obigen entspricht einer jeden vorgegebenen Klimagrenze, z. B. Erwärmung um maximal 1,5 ° C, eine bestimmte CO2-Konzentration und dieser Konzentration entspricht eine bestimmte Gesamtmenge an anthropogen freigesetztem CO2 (festes „CO2-Budget“). Dieses „CO2-Budget“ darf, unabhängig von der zeitlichen Verteilung der Freisetzungen, nicht überschritten werden, wenn die Grenze eingehalten werden soll.
    4 Die Missing Sink
    Die grundlegende Annahme von IPCC ist Ziff. 3.1: Es verbleiben immer 50 % der anthropogenen CO2-Freisetzungen in der Atmosphäre, 50 % werden wieder ausgeschieden. IPCC fasst das als eine Art Gesetz auf. Die Ziff. 3.2 bis 3.4 sind nur Schlussfolgerungen daraus.
    Die Ursache dieser Interpretation gem. Ziff. 3.1 liegt weit zurück: Schon früh hatte man festgestellt, dass das anthropogen freigesetzte CO2 nicht einfach in der Atmosphäre verbleibt. Die Konzentration wuchs vielmehr nur halb so schnell, wie sie aufgrund der Freisetzungen hätte wachsen müssen. Offensichtlich wurde CO2 auch wieder aus der Atmosphäre entnommen. Und weil in der Wissenschaft ein „Missing Link“ gerade Hochkonjunktur hatte, sprach man, Humor war damals noch keine Seltenheit, beim CO2 von einer „Missing Sink“. Dieser „Missing Sink“ galt die Aufmerksamkeit, die wurde gesucht. Natürlich kamen hierfür nur der Ozean und die Biomasse in Frage. Aber wer nimmt durch welchen Prozess wie viel auf? Das wollte man klären.
    Dass aber die Hälfte entnommen wird (und die andere Hälfte verbleibt), das galt als abgehakt. Diese Ansicht hat sich immer mehr verfestigt. Heute lehnen es die meisten Klimaforscher rundweg ab, darüber überhaupt nachzudenken. 4 ppm/a Freisetzung und 2 ppm/a Anstieg sagen doch alles! Da gibt es nichts mehr zu diskutieren!
    5 Gegenargumente zu IPCC:
    Gegen die Interpretation und die Schlussfolgerungen von IPCC lassen sich gewichtige Argumente vorbringen. Diese seien zunächst in Kurzform vorgestellt, detailliertere Begründungen kommen anschließend (Ziff. 6):
    5.1 Es gibt kein physikalisches Gesetz, nach dem immer ein fester Prozentsatz der anthropogenen CO2-Freisetzungen in der Atmosphäre verbleibt, unabhängig von der Konzentration und unabhängig von der Höhe der Freisetzungen! Damit entfällt nach menschlichem Ermessen die Basis-Annahme von IPCC (Ziff. 3.1) und mit ihr werden auch die daraus gezogenen Schlussfolgerungen hinfällig (Ziff. 3.2 bis 3.4)!
    5.2 Der Anstieg der CO2-Konzentration von 280 auf 410 ppm (ca. 50 %!) kann nicht durch die relativ kleinen anthropogenen Freisetzungen (nur ca. 5 % der natürlichen Freisetzungen!) bewirkt worden sein! Für einen so starken Anstieg ist vielmehr eine wesentlich stärkere Quelle erforderlich! Auch das macht die Basis-Annahme und alle Schlussfolgerungen von IPCC ungültig!
    5.3 Wenn die anthropogenen CO2-Freisetzungen auf dem heutigen Wert (4 ppm/a) eingefroren werden, dann strebt die Konzentration in der Atmosphäre rasch einem Gleichgewichtswert zu und wächst anschließend nicht mehr weiter! Es gibt daher auch kein festes „CO2-Budget“! Die Ziff. 3.2 bis 3.4 können daher nicht stimmen!
    5.4 Selbst wenn CO2 der entscheidende Klimafaktor ist (Ziff. 3.3), kann eine Reduktion der anthropogenen Freisetzungen die Klimaerwärmung nur dann ernsthaft reduzieren, wenn diese Freisetzungen Hauptursache des vielen CO2 in der Atmosphäre sind. Sind sie aber höchstwahrscheinlich nicht, wie in diesem Beitrag hier gezeigt wird. Eine Reduktion der anthropogenen Freisetzungen ist daher so gut wie sicher nicht erforderlich, eine Reduktion auf null natürlich erst recht nicht! Die Ziff. 3.2 bis 3.4 sind aller Wahrscheinlichkeit nach falsch.
    6 Diskussion im Einzelnen:
    CO2 in der Atmosphäre ist die Grundlage für alles Leben auf der Erde. Ohne CO2 würde es auch uns Menschen nicht geben. Und viele Forscher halten es auch für wahrscheinlich, dass es einmal eine zu geringe CO2-Konzentration sein wird, die das Leben auf der Erde beendet.
    Aber CO2 hat zweifelsfrei auch Einfluss auf das Klima der Erde. Das bestreitet niemand. Nur wie groß dieser Einfluss ist, das ist umstritten. Und umstritten ist auch, wie sich CO2 zwischen Atmosphäre, Ozean und Biomasse aufteilt. Die Ansicht von IPCC hierzu wurde bereits genannt (Ziff. 3), ebenso Gegenargumente (Ziff. 5). Nachfolgend werden fünf wichtige Begründungen detaillierter diskutiert, die gegen die Ansicht von IPCC und für die Gegenargumente sprechen:
    6.1 Die Umwälzung hängt von der Konzentration ab!
    Zwischen der Atmosphäre und den Speichern Ozean und Biomasse werden große Mengen von CO2 ausgetauscht („natürliche Umwälzung“, Ziff. 2.2). Was treibt diese Umwälzung an? Ursache ist eine entscheidende Besonderheit der Atmosphäre: Diese ist durch Wind und Wetter immer gut durchmischt. Daher herrscht in ihr überall praktisch die gleiche CO2-Konzentration. Nicht exakt, räumlich und zeitlich begrenzt gibt es durchaus beachtliche Abweichungen, aber im Großen und Ganzen stimmt „die gleiche Konzentration überall in der Atmosphäre“ sehr wohl. Der Ozean ist dagegen viel schlechter durchmischt (langsame Meeresströmungen!), die Biomasse so gut wie gar nicht. Dadurch gibt es in manchen Teilen der Welt (mit starken örtlichen und jahreszeitlichen Schwankungen) erhebliche Unterschiede in der CO2-Konzentration zwischen Atmosphäre (überall gleich) und Ozean bzw. Biomasse (stark unterschiedlich). Solche Unterschiede will die Natur immer ausgleichen! Dazu gibt die Atmosphäre CO2 ab, wo sie mehr hat (höhere Konzentration) als der Ozean oder die Biomasse, und sie nimmt CO2 auf, wo sie weniger hat (niedrigere Konzentration). Abgabe hier, Aufnahme dort, das ist die Umwälzung! Innerhalb von ca. vier Jahren wird das gesamte Inventar der Atmosphäre einmal ausgetauscht (Ziff. 2.2).
    Im Gleichgewicht sind Abgabe und Aufnahme gleich groß. Um die Konsequenzen einer Störung zu untersuchen, nehmen wir einmal an, dass die Konzentration in der Atmosphäre sprungförmig um x ppm erhöht wird. Dann wird dort, wo CO2 aus der Atmosphäre abgegeben wird, mehr CO2 abgegeben (höherer Konzentrationsunterschied), und dort, wo CO2 zurück in die Atmosphäre kommt, kommt weniger zurück (kleinerer Konzentrationsunterschied). Die Umwälzung ist dann nicht mehr ausgeglichen, sie arbeitet vielmehr der Störung entgegen! Man kann drei Fälle unterscheiden:
    • Ist die Störung einmalig (einmal x ppm), dann stellt sich rasch ein neues Gleichgewicht mit wieder ausgeglichener Umwälzung bei leicht erhöhter Konzentration ein.
    • Wird die Störung konstant fortgesetzt (laufend y ppm/a), steigt die Konzentration zunächst an und mit ihr auch die Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre. Die natürliche Umwälzung ist dann nicht mehr ausgeglichen und diese Unausgeglichenheit wird immer größer. Nach einiger Zeit ist diese Unausgeglichenheit gerade gleich groß wie die fortgesetzte Zugabe. Dann ändert sich nichts mehr („Fließgleichgewicht“) und die Zugabe kann theoretisch unendlich lange fortgesetzt werden, ohne dass die Konzentration und damit die Temperatur weiter steigen. Ein festes „CO2-Budget“, das zum Einhalten eines bestimmten Temperatur-Grenzwertes nicht überschritten werden darf, existiert nicht, dafür fehlt einfach die physikalische Grundlage. Ziff. 3.4 kann daher nicht stimmen!
    • Wächst die Störung kontinuierlich, dann hinkt die Konzentration hinter dem (Fließ)Gleichgewicht her, in umso kleinerem Abstand, je langsamer die Störung wächst (siehe auch Ziff. 6.2).
    Anmerkung: Diese Reaktion der Umwälzung auf eine veränderliche Konzentration ist ein entscheidendes Charakteristikum im Kohlenstoffkreislauf der Erde: Nur durch sie kann sich in der Atmosphäre überhaupt ein Gleichgewicht einstellen! Dabei stellt sich die Konzentration in der Atmosphäre immer gerade so ein, dass Abgabe und Aufnahme gleich groß sind. Wäre die Umwälzung unabhängig von der Konzentration, wäre die Atmosphäre instabil und wir hätten eine völlig andere Erde! IPCC berücksichtigt die Veränderlichkeit der Umwälzung nicht, den Ziff. 3.1 bis 3.4 fehlt daher die Grundlage!
    6.2 Entnahme und Zufuhr sind stark angestiegen
    Der physikalische Prozess, nach dem die Entnahme von CO2-Molekülen aus der Atmosphäre abläuft, ist die Diffusion. Nach den Gesetzen der Physik ist die Entnahme daher proportional zur CO2-Konzentration in der Atmosphäre und sie ist unabhängig davon, ob und wie viele CO2-Moleküle gleichzeitig der Atmosphäre zugeführt werden! Das unterscheidet die „Entnahme“ (von CO2-Molekülen) von der „Netto-Entnahme“, bei der die zugeführten Moleküle den entnommenen Molekülen gegengerechnet werden. Dort, wo Atmosphäre und Ozean bzw. Biomasse die gleiche CO2-Konzentration haben, ist die „Netto-Entnahme“ null, die „Entnahme“ ist aber auch dort proportional zur Konzentration!
    Früher, bei der CO2-Konzentration in der Atmosphäre von 280 ppm und Gleichgewicht, betrugen Entnahme und Zufuhr von CO2 je ca. 80 ppm/a (Ziff. 2.2). Heute, bei 410 ppm, muss die Entnahme rein rechnerisch 80 x 410/280 = 117 ppm/a betragen. Und da die Konzentration derzeit um 2 ppm/a wächst, muss die Zufuhr um diese 2 ppm/a höher sein, sie muss also entsprechend stärker angestiegen sein. Sie muss daher 119 ppm/a betragen! Es sei aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass von diesen Werten nur die Differenz von 2 ppm/a durch Messungen einigermaßen genau belegt ist, die absoluten Flussgrößen sind demgegenüber nur grobe Abschätzungen.
    Und im Detail ist natürlich auch die Berechnung des heutigen Wertes für die Entnahme komplizierter als einfach Diffusion anzunehmen und proportional umzurechnen. Nur für den unmittelbaren Fluss durch die Grenzfläche zwischen Atmsophäre und Ozean (bzw. Biomasse) hindurch ist die Diffusion tatsächlich der bestimmende Prozess. Für den Fluss insgesamt ist vielmehr vor allem der Weitertransport des CO2, weg von dieser Grenze, entscheidend. Erst durch ihn wird, unmittelbar an der Grenze, wieder Platz frei für neu diffundierende Moleküle. Im Ozean erfolgt dieser Weitertransport vor allem durch makroskopischen Transport von Wasser inklusive allen darin enthaltenen Kohlenstoffes. Wieviel Wasser von der Grenzfläche wegtransportiert wird, ist von vielen Randbedingungen wie Turbulenzen etc. abhängig, sollte aber weitgehend unabhängig von der Kohlenstoff-Konzentration in diesem Wasser sein. Die Menge an Kohlenstoff, die mit dem Wasser transportiert wird, sollte daher, andere Einflussgrößen gleich gelassen, proportional zur Konzentration sein. Daher sollte auch die Flussmenge von CO2 aus der Luft ins Wasser insgesamt proportional zur Konzentration sein (im Gegensatz zur Netto-Entnahme!). Jedenfalls kann die Umrechnung der Entnahme (Fluss in die eine Richtung) proportional zur Konzentration als gute Näherung angesehen werden. Und was in die andere Richtung fließt, ergibt sich aus der (gemessenen) Veränderung der Konzentration.
    Soviel zum Ozean. Bei der Biomasse ist es ähnlich, nur tritt an die Stelle des makroskopischen Wassertransportes die Fotosynthese. Durch sie werden CO2-Moleküle chemisch aus dem Grenzbereich entfernt. Zumindest bis zur heutigen CO2-Konzentration ist aber auch die Fotosynthese annähernd proportional zur Konzentration (weitere Informationen weiter unten). Die oben durchgeführte proportionale Umrechnung der Flussgrößen dürfte daher für den Ozean und für die Biomasse prinzipiell eine ausreichend gute Näherung sein.
    Noch eine Überlegung: Von den errechneten 119 ppm/a Zufluss kommen 80 ppm/a aus dem alten Gleichgewicht und 4 ppm/a aus den anthropogenen Freisetzungen. Es fehlen noch 35 ppm/a. Ein Teil davon kommt mit Sicherheit aus dem Ozean, weil der infolge der Klima-Erwärmung mehr CO2 ausgasen muss (abnehmende Löslichkeit von Gasen in Wasser mit steigender Temperatur!).
    Ein weiterer Teil kommt, ebenso mit Sicherheit, aus der Biomasse, sogar gleich auf zweifache Weise: Erstens fördert eine höhere Konzentration die Fotosynthese und bewirkt daher ein schnelleres Wachstum von Pflanzen im Frühjahr und Sommer („CO2-Düngeeffekt“) und damit auch eine stärkere Verrottung von Blättern und dergleichen im Herbst und Winter. Absorption und Freisetzung nehmen daher zweifelsfrei mit der Konzentration zu. Zweitens sind dieses verstärkte Wachstum und die verstärkte Verrottung nicht völlig ausgeglichen, vielmehr wächst die Biomasse als Folge der steigenden CO2-Konzentration auch insgesamt („Ergrünen der Erde“). Nach /3/ war allein von 1982 bis 2008 das Ergrünen der Erde „vergleichbar mit einem zusätzlichen grünen Kontinent von der doppelten Fläche der USA“. Und mit zunehmender Menge der Biomasse nehmen natürlich auch Absorption und Freisetzung von CO2 zu. Konzentration des CO2 und Menge der Biomasse, beide erhöhen daher die CO2-Freisetzungen aus der Biomasse!
    Die Freisetzungen aus dem Ozean und aus der Biomasse sind also unweigerlich gestiegen. Die IPCC-Ansicht, die anthropogenen Freisetzungen wären die alleinige Ursache des Zuwachses des CO2 in der Atmosphäre (Ziff. 3.1), kann daher nicht stimmen! Offen beim heutigen Stand der Kenntnisse ist nur, ob diese beiden erhöhten Freisetzungen auch tatsächlich ausreichen, die insgesamt fehlenden ca. 35 ppm/a abzudecken. Aber wenn nicht, dann gibt es auch noch weitere mögliche Quellen für CO2, z. B. Umlagerungen von Meeresströmungen oder vulkanische Ausgasungen. Über die wissen wir nur sehr wenig. Die Gesamthöhe der Zufuhr von CO2 zur Atmosphäre lässt sich einigermaßen abschätzen, siehe gerade, deren exakte Zusammensetzung muss noch weiter erforscht werden. Man könnte auch sagen: An die Stelle der „Missing Sink“ von früher ist heute eine „Missing Source“ getreten.
    Ergänzung: Die anthropogenen Freisetzungen haben ca. 4 ppm/a erreicht und sie wachsen weiter. Aber so langsam, dass wir sehr nahe am Gleichgewicht sein müssten. Davon sind wir aber weit entfernt, die Konzentration nimmt vielmehr jährlich um 2 ppm zu! Die „Missing Source“ muss daher nicht nur existieren, sondern sie muss zusätzlich auch wachsen, sogar erheblich schneller wachsen als die anthropogenen Freisetzungen zunehmen! Die anhaltende Klima-Erwärmung und die weiter wachsende Biomasse würden jedenfalls gut dazu passen.
    Noch eine Anmerkung zu einschlägigen Diskussionen: Manchmal wird einer erhöhten CO2-Freisetzung aus natürlichen Quellen entgegen gehalten, dass „eine Senke keine Quelle“ ist. Ozean und Biomasse wären immer Senke für das anthropogen freigesetzte CO2 gewesen und sie wären es auch heute noch. Sie können daher gar keine zusätzliche Quelle sein und die Konzentration erhöhen. Diese Argumentation übersieht jedoch, dass Ozean und Biomasse immer gleichzeitig sowohl Senke als auch Quelle sind (das ist ja gerade die Umwälzung!). Ein gegenseitiger Ausschluss besteht daher gerade nicht. Eine verstärkte natürliche Quelle ist sehr wohl auch dann möglich, wenn die Konzentration langsamer wächst als die anthropogenen Freisetzungen CO2 zuführen (und wegen der erhöhten Konzentration ist das physikalisch sogar plausibel). Außerdem sei daran erinnert, dass die Flussgrößen der Umwälzung sehr viel größer sind als die anthropogenen Freisetzungen. Das Gesamtergebnis wird daher von ihrem Verhältnis zueinander bestimmt, nicht von den sehr viel kleineren anthropogenen Freisetzungen.
    6.3 CO2-Zusammensetzung proportional zu den Quellstärken
    Infolge der guten Durchmischung in der Atmosphäre und der hohen Umwälzung (Ziff. 6.1) muss die Zusammensetzung der CO2-Moleküle in der Atmosphäre immer der relativen Stärke der Quellen entsprechen. Wenn die anthropogenen Freisetzungen nur 5 % der natürlichen ausmachen (Ziff. 2.3), dann können auch nur 5 % der CO2-Moleküle in der Atmosphäre aus anthropogenen Quellen stammen! Wenn 50 % hinzugekommen sind (Anstieg von 280 auf 410 ppm), dann muss der Großteil aus einer anderen Quelle kommen!
    Dem wird manchmal ein Fass entgegen gehalten, bei dem über eine Umwälzschleife mit Pumpe viel Wasser umgewälzt wird. Wird zusätzlich auch nur eine minimale Wassermenge kontinuierlich weiter zugegeben, steigt der Wasserspiegel im Fass immer weiter an, bis es überläuft. Das widerlegt angeblich die gerade gemachten Überlegungen zu den begrenzten Auswirkungen einer kleinen zusätzlichen Quelle. Dieses Wasserfass ist jedoch kein zulässiges Modell für die Atmosphäre, weil bei ihm die Umwälzung konstant gehalten wird! Dann hat sie trivialerweise keinen Einfluss auf das Wasservolumen. Das gesamte zugegebene Wasservolumen verbleibt dann im Fass und schon „ein steter Tropfen kann es zum Überlaufen bringen“. In der Atmosphäre ist das jedoch in zwei Punkten entscheidend anders: Erstens wächst in ihr das CO2-Inventar nachweislich der Beobachtungen nur im halben Ausmaß der anthropogenen Freisetzungen (Ziff. 3.1), irgendetwas muss also anders sein, und zweitens ist die Umwälzung nach den Regeln der Physik nicht konstant, sondern konzentrationsabhängig (Ziff. 6.1): Je höher die Konzentration ist, desto stärker unausgeglichen wird die Umwälzung! Das bringt den Konzentrationsanstieg unvermeidbar rasch zum Erliegen. Es stimmt daher schon, kleine Zugaben können die Konzentration in der Atmosphäre nur wenig erhöhen! Gemessen an den natürlichen Freisetzungen sind die anthropogenen Freisetzungen nur „kleine Zugaben“. Auch daraus folgt, dass es eine erhebliche(!) zusätzliche Quelle geben muss!
    6.4 Gleiche Moleküle verhalten sich auch gleich!
    Die natürlich freigesetzten CO2-Moleküle halten sich im Schnitt etwa vier Jahre lang in der Atmosphäre auf (Ziff. 2.2). Anthropogen freigesetzt werden nur ca. 5 % davon (Ziff. 2.3). Diese wenigen Moleküle können die Konzentration nur dann um 50 % (von 280 auf 410 ppm) erhöhen, wenn sie wesentlich länger in der Atmosphäre verbleiben. So ähnlich argumentiert auch IPCC und spricht von hunderten von Jahren. Das kann aber, nüchtern betrachtet, gar nicht sein, da alle CO2-Moleküle gleich sind und sich daher auch gleich verhalten müssen! Insbesondere können sie nicht unterschiedlich lange in der Atmosphäre verweilen!
    Weil in der Atmosphäre alles gut durchmischt wird, durchströmen die anthropogen freigesetzten CO2-Moleküle die Atmosphäre auch nicht auf einem anderen Weg, der halt länger dauert. Alle Ströme von CO2-Molekülen in die Atmosphäre hinein enden vielmehr in ihr in einer guten Durchmischung und alle Ströme aus der Atmosphäre heraus starten aus dieser guten Durchmischung. Von keinem CO2-Molekül in der Atmosphäre kann gesagt werden, aus welcher Quelle es dorthin gekommen ist, wie lange es schon dort ist und wohin es später einmal ausgelagert werden wird. Die CO2-Moleküle sind eben alle gleich. Wenn von den einen, den anthropogen freigesetzten, 50 % langfristig (mehrere Jahrhunderte) in der Atmsophäre verbleiben, dann müssen von den anderen, den natürlich freigesetzten, ebenfalls 50 % langfristig verbleiben. Das ist aber eindeutig nicht der Fall!
    IPCC räumt ein, dass infolge der Gleichheit aller CO2-Moleküle die anthropogen freigesetzten Moleküle genau so rasch umgewälzt werden müssen wie die natürlich freigesetzten. Dabei würde, meint IPCC, aber immer nur ein Molekül 1 : 1 gegen ein anderes Molekül ausgetauscht werden, ohne die Gesamtzahl zu verändern. Es würden eben nicht die anthropogen freigesetzten Moleküle als solche länger verbleiben, sondern nur gleich viele Moleküle beliebiger Herkunft! Es gilt aber das schon in Ziff. 6.3 zum Fass Gesagte: Alle Modelle, die mit konstanter Umwälzung (Austausch 1 : 1) arbeiten, zeigen ein Verhalten, das es in der realen Atmosphäre nicht gibt! In der realen Atmosphäre sind nicht nur alle CO2-Moleküle gleich, sondern sie verhalten sich auch alle gleich! insbesondere haben alle die gleiche mittlere Verweilzeit! Die wenigen anthropogen freigesetzten CO2-Moleküle können daher die hohe CO2-Konzentration in der Atmosphäre nicht erklären, hierfür ist vielmehr eine viel stärkere zusätzliche Quelle unabdingbar!
    6.5 CO2 als entscheidender Klimafaktor?
    Nach Ziff. 3.3 ist für IPCC CO2 der entscheidende Klimafaktor. Das geht natürlich nur, wenn die Klimawirksamkeit von CO2 tatsächlich hoch ist. Und das ist, wie in Ziff. 1 schon festgestellt, in der Wissenschaft eine offene Frage. Diese Frage verliert aber dann ihre Bedeutung, wenn das in der Atmosphäre angesammelte CO2 gar nicht anthropogenes CO2 ist, sondern natürliches. Denn dann beeinflusst bei hoher Klimawirksamkeit eben natürliches CO2 das Klima und bei niedriger Wirksamkeit sind zwangsweise ganz andere Einflüsse stärker! So rum oder so rum, bei „überwiegend natürlicher Herkunft“ kann eine Reduktion der anthropogenen Freisetzungen generell keinen großen Einfluss auf das Klima haben und jede Forderung einer Reduktion auf null entbehrt zwangsweise jeder Grundlage! In diesem Beitrag hier wird gezeigt, dass genau das nach allem menschlichen Ermessen der Fall ist. Ziff. 3.3 ist dann zwangsweise falsch!
    7 Was tun?
    Soweit die wichtigsten Begründungen für das Zurückweisen der IPCC-Ansichten in stark komprimierter Form. In /4/ sind der Sachverhalt und noch einige weitere Pro- und Contra-Argumente wesentlich ausführlicher dargelegt. Zweck ist es, in leicht verständlicher Form eine Diskussion der breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen, die bisher nur von wenigen Wissenschaftlern geführt worden ist und ansonsten weitgehend unbeachtet geblieben ist, die aber das Potential hat, die gesamte Klimadiskussion völlig zu verändern. Für eine endgültige Beurteilung ist es vielleicht noch zu früh, aber das Ergebnis der hier vorgenommenen sachlichen Überlegungen scheint eindeutig zu sein: Die Basis des menschengemachten Klimawandels ist ernsthaft in Frage gestellt! Wie in vielen anderen Fällen spricht auch beim CO2 alles dafür, dass die Natur stärker ist als der Mensch. Das viele CO2 in der Atmosphäre ist aller Wahrscheinlichkeit nach zum größten Teil natürliches CO2. Der Klimawandel ist daher höchstwahrscheinlich nicht menschengemacht und den eingeleiteten und beabsichtigten Klimaschutzmaßnahmen fehlt die Basis! Die Klimawissenschaft scheint einen grundsätzlichen Fehler zu haben!
    Was in dieser Situation Not tut, ist eine mit hoher Priorität geführte vorurteilsfreie Diskussion darüber, woher das viele CO2 in der Atmosphäre tatsächlich kommt. Aus heutiger Sicht ist das die vordringlichste Aufgabe. Ist das viele CO2 tatsächlich überwiegend natürlich, dann hat unser Tun, wie auch immer wir es gestalten, keinen großen Einfluss auf das Klima! Wenn dieses CO2 aber doch hauptsächlich anthropogen sein sollte, dann müsste als Nächstes quantitative Klarheit über die Klimawirksamkeit des CO2 herbeigeführt werden. Erst wenn dabei ein hoher Wert bestätigt würde, könnten einschneidende Maßnahmen zur Reduktion der anthropogenen Freisetzungen berechtigt sein! Derzeit fehlt hierfür die Grundlage gleich doppelt: Die Klimawirksamkeit des CO2 ist fraglich und die Herkunft des vielen CO2 ist das erst recht!
    Literatur
    /1/ IPCC AR 5: „Climate Change 2013: The Physical Science Basis”. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
    /2/ Hermann Harde: “What Humans Contribute to Atmospheric CO2: Comparison of Carbon Cycle Models with Observations”, Earth Sciences, Vol. 8, No. 3, 2019, pp. 139-159. doi: 10.11648/j.earth.20190803.13.
    /3/ „Unser blauer Planet wird grüner – Steigender Kohlendioxidgehalt der Luft fördert das Pflanzenwachstum“: https://www.scinexx.de/news/geowissen/unser-blauer-planet-wird-gruener/.
    /4/ „Abgesagt! Dem Klimanotstand bricht die Basis weg“, BoD-Verlag Norderstedt 2020, ISBN 978-3-7526-4764-8.

    1. Sehr geehrter Herr Dr. Roth,
      danke für Ihre ausführliche Stellungnahme. Ihre beiden kritischen Anfragen zu meinem Beitrag lassen sich einfach beantworten:
      1. Die Sonderstellung des Jahres 1850 ist dadurch begründet, dass zu diesem Zeitpunkt die gemessenen Emissionen hinreichend nahe bei 0 waren. Der genaue Zeitpunkt ist allerdings willkürlich. Genauso gut hätte ich das Jahr 1750 nehmen können, das Jahr des Beginns der mir verfügbaren CO2-Emissionsdaten. Leider beginnen aber die mir verfügbaren anderen Kennzahlen (CO2-Gehalt, Temperatur) erst im Jahr 1850, von daher unterliegt das „Finetuning“ des Startpunktes einger gewissen Willkür. Darauf kommt es allerdings nicht an, denn im Artikel differenziere ich 3 Phasen im Zusammenhang zwischen Emissionen und CO2 Gehalt, und die für die danach folgenden Überlegungen (Extrapolation und Prognose) relevante Phase beginnt ohnehin erst in den 50-er Jahren des 20. Jahrhunderts. Auch hier kommt es auf das genaue Jahr nicht so sehr an.
      2. Im ersten Teil sieht es tatsächlich so aus, als ob ich beim „Zerfall“ des atmosphärischen CO2 zwischen emittiertem und natürlichem CO2 unterscheide. Zunächst ist das nur ein mathematisches Modell ohne Bezug zur Physik, um einerseits auszudrücken, dass vorindustriell ein Gleichgewicht zwischen natürlicher Absorption und Emission herrschte, und um die Null-Hypothese auszuschließen, dass sich das CO2 kumulativ ansammelt. Der Gesamtprozess zwischen Absorption in kalten Ozeanen und Ausgasung in warmen Ozeanen macht das alles komplizierter, ebenso die Verstärkung der Absorption bei zunehmendem CO2-Gehalt. Nehmen Sie diesen Teil bitte als anschauliche Einführung in die Thematik auf Abiturienten-Niveau (dafür war es ursprünglich gemacht).

      Das Diffusions-Physik basierte ARX-Modell räumt jedes Mißverständnis einer Ungleichbehandlung von natürlichem und emittiertem CO2 aus. Der exponentielle Abfall gilt selbstverständlich für den gesamten CO2-Gehalt, unabhängig von seiner Herkunft, was Sie an den Gleichungen unschwer erkennen. In diesem Modell benötige ich auch keinen „Anfangswert“ von 1850, also entfällt auch das Thema „Sonderstellung“.

      Für Ihre weiteren Ausführungen benötige ich einige Zeit, werde sie mir anschauen und prüfen, was ich ggf. für eine verbesserte Modellierung verwenden kann.

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