Sind die natürlichen Senken am Ende?

Aktuell werden in den Medien Artikel verbreitet, wonach angeblich die natürlichen CO₂-Senken „plötzlich und unerwartet“ ihre Funktion beendet hätten, stellvertretend für viele andere der Artikel im Focus „Viel früher als berechnet: Plötzlich geraten natürliche CO₂-Speicher ins Wanken„. Die natürlichen CO₂-Speicher ist die biologische Welt, bestehend aus allen Lebewesen, Pflanzen, Tiere und Menschen. Außerdem die Ozeane, die etwa die 50-fache Menge CO₂ der Atmosphäre speichern. Es ist bekannt und seit vielen Jahrzehnten belegt dass sowohl die biologische Welt als auch die Ozeane starke CO₂-Senken sind. Mit wachsender Tendenz wird aktuell mehr als die Hälfte aller anthropogenen Emissionen von den beiden großen Senkensystemen absorbiert, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Was ist passiert, dass plötzlich nun angeblich die Senkenwirkung nachlässt? Schon auf den ersten Blick verrät das Diagramm, dass die abgebildete Senkenwirkung, die den Landpflanzen zugeordnet wird, außerordentlich starken Schwankungen unterliegt, viel stärker als etwa die der Ozeane. Das sollte gleich stutzig machen, wenn von einem „einmaligen“ Ereignis innerhalb des vergangenen Jahres gesprochen wird.

Bei genauerer Betrachtung aller zu diesem Thema erschienenen Artikel wird schnell klar, dass sich alle auf eine einzige Publikation berufen. „Wissenschaftliche“ Grundlage und Auslöser der aktuellen Diskussion ist offenbar dieser Artikel: „Low latency carbon budget analysis reveals a large decline of the land carbon sink in 2023„.  

Um eine angemessene Antwort darauf zu finden, ist es notwendig, genauer hinzuschauen und anhand von Originaldaten zu prüfen, wie sich die Konzentrationsänderungen entwickeln. In den Publikationen Emissions and CO₂ Concentration—An Evidence Based Approach und  „Improvements and Extension of the Linear Carbon Sink Model“ habe ich den Zusammenhang zwischen Emissionen, Konzentrationsanstieg und Senkenwirkung sorgfältig analysiert und ein robustes einfaches Modell der Senkenwirkung entwickelt, das nicht nur die Messdaten der letzten 70 Jahre sehr genau wiedergibt, sondern auch zuverlässige Prognosen erlaubt. Beispielsweise konnten die Konzentrationsdaten der Jahre 2000-2020 aus den Emissionen und den vor dem Jahre 2000 ermittelten Modellparametern mit extrem hoher Genauigkeit vorhergesagt werden. Allerdings endete die neueste in den Publikationen verwendete Messreihe im Dezember 2023, außerdem wurden Jahresmittelwerte verwendet, daher sind die Phänomene, die aktuell für so viel Aufregung sorgen, dort noch nicht berücksichtigt.

Detailanalyse des Konzentrationsanstiegs bis August 2024

Da es hier nun auf Details der letzten beiden Jahre ankommt, werden die Berechnungen der genannten Publikation hier mit monatsgenauen Daten bis August 2024 weitergeführt, um ein klares Bild der Details zu bekommen und um die neuesten Daten einzubeziehen. Ausgangspunkt sind die Original Maona Loa Meßdaten, die in Abbildung 2 dargestellt sind.

Die monatsgenauen Daten unterliegen saisonalen Schwankungen, die von der ungleichen Verteilung der Landmasse zwischen Nord- und Südhalbkugel herrühren. Daher besteht der erste Verarbeitungsschritt darin, die saisonalen Einflüsse, d.h. alle periodischen Änderungen mit Periodendauer 1 Jahr herauszurechnen. Das Ergebnis ist ebenfalls in Abbildung 2 zu sehen (Farbe orange).

Die globale Meeresoberflächentemperatur unterliegt ebenfalls saisonalen Schwankungen, allerdings in sehr viel geringerem Ausmaß, wie aus Abbildung 3 hervorgeht.

Bildung und Analyse des monatlichen Konzentrationsanstiegs

Durch Subtraktion zeitlich aufeinanderfolgender Messpunkte wird der „rohe“ Konzentrationsanstieg berechnet:     

Es ist leicht erkennbar, dass die monatlichen Schwankungen des Konzentrationsanstiegs beträchtlich sind, und der besonders hohe Peak Ende 2023 keinesfalls ein singuläres Ereignis darstellt; insbesondere geht der positiven Spitze eine viel größere negative voraus, über die in der Presse kein Wort verloren wurde.  Auch der um einiges höhere Anstieg 2015 wurde nicht berücksichtigt. Damit hätte man leicht die gewagte Hypothese eines nachlassenden Senkeneffekts widerlegen können, denn in den geglätteten Daten (orange) ist erkennbar, dass es nach 2015 einen deutlichen Trend eines rückläufigen Konzentrationsanstiegs gibt.

Nach einer Glättung (orange) kann man den wirklichen Verlauf besser erkennen als mit den rohen, rauschbehafteten Differenzen. Da es sich um monatliche Werte handelt, müssen die Werte mit 12 multipliziert werden, um Rückschlüsse auf jährlichen Konzentrationsanstieg ziehen zu können. Ohne Zweifel ist am rechten Rand des Diagramms erkennbar, dass es seit 2023 tatsächlich eine Zunahme des Konzentrationsanstiegs gibt, was in der aktuellen Diskussion als Nachlassen der Senkenleistung interpretiert wird.

Interpretation des Anstieg des Konzentrationswachstums als Folge natürlicher Emissionen

Zur Veranschaulichung ist in Abbildung 5 der Senkenleistung (grün) aus der Differenz von  anthropogenen Emissionen (blau) und Konzentrationswachstum (orange). 
Grundlage dieser Berechnung ist die auf der Massenerhaltung beruhende Kontinuitätsgleichung, wonach das Konzentrationswachstum im Monat sich aus der Differenz aller Emissionen und allen Absorptionen ergibt, wobei die Gesamtemissionen die Summe der anthropogenen Emissionen und der natürlichen Emissionen sind, also

Die effektive monatliche Senkenwirkung wird ermittelt als Differenz zwischen den monatlichen anthropogenen Emissionen und dem monatlichen Konzentrationswachstum , also

Aufgrund der Kontinuitätsgleichung beinhaltet die effektive Senkenwirkung außer den Absorptionen durch Ozeane und Pflanzen auch die natürlichen Emissionen:

Es ist leicht zu sehen, dass auch am rechten Rand von Abbildung 5 die (über einige Monate geglättete) effektive Senkenleistung nicht unter 0 sinkt. Allerdings geht sie tatsächlich zurück. Jetzt muss man sich aber darauf besinnen, dass nach der Kontinuitätsgleichung die „effektive Senkenleistung“ aus Absorptionen (Senken im engeren Sinn) und natürlichen Emissionen besteht. Es könnte also auch sein, dass die Spitzen des Konzentrationswachstums durch natürliche Emissionen hervorgerufen werden.  Diese kommen in den Publikationen, die aktuell Alarm schlagen, überhaupt nicht vor.

Es ist allgemein bekannt und Folge des sogenannten Henry-Gesetzes, dass der Gasaustausch zwischen Meer und Atmosphäre von der Meeresoberflächentemperatur abhängt. Deswegen erwarten wir bei steigender Temperatur verstärkte CO₂-Emissionen aus den Meeren, etwas übertrieben vergleichbar mit einer Sprudelflasche im Backofen.
Diese Überlegung motiviert die Einführung der Temperatur als Modellparameter in der Beschreibung der effektiven Senkenleistung. Die Details der Ausarbeitung dieser Modellerweiterung ist in der oben erwähnten Publikation sowie in deren vereinfachter Beschreibung zu finden.

Was die Hinzunahme der Temperatur für die Modellierung des Konzentrationsanstiegs bedeutet, sieht man in Abbildung 6.

Während die grüne Kurve das weithin bekannte lineare Senkenmodell darstellt (siehe hier (2024), hier (2023), hier (2019) und hier (1997)), wie es in der Publikation bzw. in der vereinfachten Darstellung beschrieben ist, wird in der orangenen Kurve auch noch die Abhängigkeit von der Temperatur gemäß der neuen Publikation berücksichtigt. Es stellt sich heraus, dass der aktuelle „zu große“ Anstieg der Konzentration eine ganz natürliche Folge des zugrundeliegenden Temperaturanstiegs ist. An der Senkenleistung, der linearen Abhängigkeit der Absorption von der CO₂-Konzentration, hat sich überhaupt nichts geändert.

Höchste Zeit also, die Temperatur als „normale“ Ursache von CO₂-Konzentrationsveränderungen in der öffentlichen Diskussion als Einflußfaktor zu etablieren statt wilde Spekulationen über ausbleibenden Senken ohne Evidenz anzustellen.