Klimagas Kohlendioxid. CO2 Konzentrationen an der Landesmessstation auf dem Brocken

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1 FACHINFOR MATION Nr. 2/2008 Klimagas Kohlendioxid CO2 Konzentrationen an der Landesmessstation auf dem Brocken

2 Fachbereich 3 : Immissionsschutz, Klimaschutz

3 Inhalt Abbildungsverzeichnis Einleitung LÜSA Messstation Brocken Gesamtübersicht über die Messergebnisse Detailauswertung Jahreszeitliche Variationen Tagesgang der Kohlendioxid Konzentration Möglicher Einfluss von Emittenten auf die Kohlendioxid - Konzentration Zusammenfassende Interpretation der Messergebnisse Messergebnisse deutschlandweit und international Vergleich mit den Messergebnissen an der LÜSA Messstation Brocken Strategien zu Klimaschutz und -wandel Ausblick...13

4 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Entwicklung der Kohlendioxid Konzentrationen auf dem Brocken... 5 Abbildung 2: Tagesgang Sommer 2006 (April bis September)... 6 Abbildung 3: Tagesgänge Sommer 2005 und 2006 (April bis September)... 6 Abbildung 4: Tagesgang Winter 2005/ 2006 (Oktober bis März)... 7 Abbildung 5: Tagesgänge Februar 2005 und Februar Abbildung 6: Verlaufskurve ½ - h - Mittelwerte im Zeitraum 19./ 21. August Abbildung 7: Verlaufskurve ½ - h - Mittelwerte im Zeitraum 22./ 23. August Abbildung 8: CO 2 Langzeitmessreihen: ab 1957 an der GAW Station Mauna Loa Hawaii; ab 1972 an der GAW Station Schauinsland und ab 1995 an der GAW Station Zugspitze des Umweltbundesamtes Abbildung 9: Mittlere Jahresgänge gemessener CO 2 Konzentrationen an den GAW Stationen Schauinsland (1200 m) und Zugspitze (2650 m) von 1995 bis Abbildung 10: Mittlerer Jahresgang gemessener CO 2 Konzentrationen an der Messstation Brocken (1142 m) für den Zeitraum 2000 bis

5 1. Einleitung Kohlendioxid (CO 2 ) ist ein farb- und geruchloses Gas. Es ist mit einer Konzentration von ca. 0,04 % ein natürlicher Bestandteil der uns umgebenden Luft. Die wichtigsten anthropogenen Quellen sind die Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdöl und Erdgas) und die großflächige Zerstörung von Wäldern. Eine weitere natürliche Quelle ist die biogene Veratmung organischer Substanz aus Tieren, Pflanzen, Böden oder in bestimmten Fällen aus Gewässern und Sedimenten. Senken von CO 2 sind die Einbindung in Biomasse durch Photosynthese, die wesentlich langsamere Absorption in das Kalk Kohlensäure - Puffergleichgewicht, das in den Ozeanen besteht, sowie die nochmals sehr viel langsamere Deposition (geologische Zeiträume) und schließlich Sedimentation als Karbonatgestein. Kohlendioxid absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwelligere Strahlung, d.h. der größte Teil der Sonnenstrahlung, passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlendioxid zu einem so genannten Treibhausgas, das zur Erderwärmung beiträgt. Es ist das wichtigste der sechs anthropogenen Treibhausgase (Methan CH 4, Lachgas N 2 O, teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe H-FKW, perfluorierte Kohlenwasserstoffe FKW, Schwefelhexafluorid SF 6 und Kohlendioxid). Hinsichtlich der Fähigkeit dieser Gase, Wärme in der unteren Atmosphäre zu halten und somit zur Erderwärmung beizutragen, sind sehr große Unterschiede zu verzeichnen. Kohlendioxid wurde hierbei als Referenz gewählt (Global Warming Potenzial, GWP=1). Das auf 100 Jahre Basis berechnete Erderwärmungspotenzial (GWP) von CH 4, N 2 O, fluorierten Kohlenwasserstoffen und SF 6 ist wesentlich höher. Der CO 2 Anteil ist in der Vergangenheit beträchtlichen Schwankungen unterworfen gewesen. Aus der Analyse von Eisbohrkernen, die in der Arktis oder Antarktis gewonnen wurden, ist bekannt, dass während der letzten Jahre die Konzentration von CO 2 in der Luft immer zwischen ungefähr 180 ppm (parts per million, Teile pro Million) in Eiszeiten und 280 ppm in Warmzeiten geschwankt hat. Dieser Trend änderte sich mit Beginn der Industrialisierung (ca. 1880) und der zunehmenden Nutzung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung. Durch die konventionelle Deckung des schnell steigenden Energiebedarfs übertrifft die Stärke der CO 2 Quellen die der Senken mittlerweile ganz erheblich. Die Konzentration an CO 2 stieg in zunehmendem Maße an und erreichte 2007 einen Wert von 383 ppm [Dr. Pieter Tans, NOAA/ ESRL: Current Trends in CO 2 ], wobei die gegenwärtige, jährliche Steigerung der CO 2 Konzentration ca. 1,5 bis 2 ppm beträgt. Gegenstand dieser Fachinformation ist die Auswertung der bisher im Rahmen des Luftüberwachungs- und Informationssystems Sachsen Anhalt (LÜSA) auf dem Brocken gewonnenen CO 2 Messdaten. Die Auswertungen basieren auf den an diesem Standort seit 2000 ermittelten CO 2 - Konzentrationen. 3

6 2. LÜSA Messstation Brocken Auf Grund der eben dargelegten Bedeutung von Kohlendioxid als Treibhausgas und der stetig ansteigenden Konzentration von CO 2 in der Atmosphäre wurde der Parameter CO 2 in das Messprogramm der LÜSA Messstation Brocken aufgenommen. Als höchste Erhebung in Norddeutschland stellt der Brocken einen exponierten Standort für das Monitoring des klimarelevanten Gases Kohlendioxid dar. Wegen ihrer Lage in 1142 m Höhe befindet sich die Station zumindest zeitweilig über der bodennahen Mischungsschicht, wodurch sowohl weiträumig transportierte als auch lokal beeinflusste Luftmassen erfasst werden können. Mithin ist die Messung sehr begrenzter und kleinräumiger Umweltbedingungen zumindest eingeschränkt. Als bedeutsame CO 2 Emittenten im weiteren Umfeld (ca. 50 bzw. 100 km entfernt) sind die Braunkohlekraftwerke Buschhaus (zwischen Helmstedt und Schöningen gelegen) und Schkopau zu nennen. Die nachfolgende Tabelle 1 enthält die wichtigsten Angaben zur Charakterisierung der Messstation und eine Übersicht des aktuellen Messprogramms Tabelle 1: Stationscharakteristik der Messstation Brocken Standort Brockengipfel Messbeginn 01/ 1996 Gauß Krüger Koordinaten Rechtswert: Hochwert: Höhe ü. NN 1142 m Stationsumgebung ländlich regional Art der Station Hintergrund Luftparameter Schwefeldioxid Stickstoffdioxid Stickstoffmonoxid Kohlendioxid Ozon Parameter der Meteorologie Relative Luftfeuchtigkeit (DWD Station) Lufttemperatur Sonnenscheindauer Windrichtung Windgeschwindigkeit Für die Messung des Parameters CO 2 wird der Gasfilter Korrelationsanalysator TE 41 CHL der Firma Thermo Electron verwandt. Das Messgerät basiert auf dem Prinzip der Infrarot Absorption. Im Rahmen der Qualitätssicherung der Messergebnisse erfolgte in 2007 die Anbindung an den GAW Standard (GAW Global Atmosphere Watch) der GAW Messstation Schauinsland des Umweltbundesamtes (UBA). 3. Gesamtübersicht über die Messergebnisse Tabelle 2 enthält die Jahresmittelwerte für Kohlendioxid im Zeitraum von 2000 bis Tabelle 2: Jahreskenngrößen Kohlendioxid in ppm Jahresmittelwert Messstation Brocken

7 Anhand der nachfolgenden Abbildung 1 ist ein deutlicher Anstieg der CO 2 Konzentrationen seit dem Jahr 2000 erkennbar. Dieser Trend zeigt sich noch stärker bei Betrachtung der gleitenden Jahresmittelwerte. Für den Zeitraum 2000 bis 2006 beträgt die durchschnittliche jährliche Anstiegsrate etwa 2 Teile pro Million (ppm). Kohlendioxid [ppm] Jan 08 Sep 07 Mai 07 Jan 07 Sep 06 Mai 06 Jan 06 Sep 05 Mai 05 Jan 05 Sep 04 Mai 04 Jan 04 Sep 03 Mai 03 Jan 03 Sep 02 Mai 02 Jan 02 Sep 01 Mai 01 Jan 01 Sep 00 Mai 00 Jan 00 Monatsmittelwerte Gleitende Jahresmittelwerte Abbildung 1: Entwicklung der Kohlendioxid Konzentrationen auf dem Brocken 4. Detailauswertung 4.1 Jahreszeitliche Variationen Die Abbildung 1 gibt sehr gut die jahreszeitlichen Variationen der Kohlendioxid Konzentration wieder, die auf Photosynthese und Atmung der kontinentalen Biosphäre zurückzuführen sind. Auch die sehr heißen Sommer 2003 und 2006 (2006 vor allem der Monat Juli) spiegeln sich in den markierten Monatsmittelwerten der genannten Abbildung eindeutig wieder. Bei den Monatsmittelwerten im Sommer dieser beiden Jahre zeigt sich kein ausgeprägtes vegetationsbedingtes Minimum hinsichtlich der Kohlendioxid Konzentration, wie es in den anderen betrachteten Jahren zu verzeichnen ist. 4.2 Tagesgang der Kohlendioxid Konzentration Neben einer jahreszeitlichen Variation der Kohlendioxid Messdaten ist in den Sommermonaten auch ein ausgeprägter Tagesgang der Messergebnisse zu beobachten. Abbildung 2 macht diesen Effekt ( Badewannenkurve für die CO 2 Konzentration) ersichtlich. Zur besseren Verdeutlichung ist der CO 2 Konzentration die zugehörige Lufttemperatur auf dem Brocken gegenübergestellt. (Zur Erstellung der Abbildungen 2-5 wurden jeweils 1-h-Mittelwerte, ½-stündlich gleitend, verwandt.) 5

8 Kohlendioxid [ppm] Lufttemperatur [ C] :00 23:30 23:00 22:30 22:00 21:30 20:30 20:00 19:30 18:30 18:00 17:30 16:30 16:00 15:30 14:30 14:00 13:30 12:30 12:00 11:30 10:30 10:00 9:30 9:00 8:30 8:00 7:30 7:00 6:30 6:00 5:30 5:00 4:30 4:00 3:30 3:00 2:30 2:00 1:30 1:00 0: (CO2) 2006 (LT) 5 Abbildung 2: Tagesgang Sommer 2006 (April bis September) In ähnlicher Weise stellt Abbildung 3 die Tagesgänge für die Sommer 2005 und 2006 dar. Hierbei sind ebenfalls die zugehörigen Temperaturverläufe auf dem Brocken mit aufgetragen. Auch der Einfluss des sehr heißen Sommers 2006 auf die Kohlendioxid Konzentration (vegetationsbedingtes Minimum der CO 2 Konzentration ist im Vergleich zum Sommer 2005 weniger ausgeprägt) wird aus dieser Abbildung ersichtlich. Kohlendioxid [ppm] Lufttemperatur [ C] :00 23:30 23:00 22:30 22:00 21:30 20:30 20:00 19:30 18:30 18:00 17:30 16:30 16:00 15:30 14:30 14:00 13:30 12:30 12:00 11:30 10:30 10:00 9:30 9:00 8:30 8:00 7:30 7:00 6:30 6:00 5:30 5:00 4:30 4:00 3:30 3:00 2:30 2:00 1:30 1:00 0: (CO2) 2006 (CO2) 2005 (LT) 2006 (LT) 5 Abbildung 3: Tagesgänge Sommer 2005 und 2006 (April bis September) 6

9 Im Gegensatz dazu kann im Zeitraum von Oktober bis März nicht von einem ausgeprägten Tagesgang gesprochen werden, was in Abbildung 4 wieder gegeben wird. Kohlendioxid [ppm] 394,0 393,0 392,0 391,0 390,0 389,0 388,0 387,0 386,0 385,0 384,0 Lufttemperatur [ C] ,0 0:00 23:30 23:00 22:30 22:00 21:30 20:30 20:00 19:30 18:30 18:00 17:30 16:30 16:00 15:30 14:30 14:00 13:30 12:30 12:00 11:30 10:30 10:00 9:30 9:00 8:30 8:00 7:30 7:00 6:30 6:00 5:30 5:00 4:30 4:00 3:30 3:00 2:30 2:00 1:30 1:00 0: /06 CO2 2005/06 LT -8 Abbildung 4: Tagesgang Winter 2005/ 2006 (Oktober bis März) Noch deutlicher wird das Fehlen eines ausgeprägten Tagesgangs in den Wintermonaten an der Abbildung 5. Hier sind die Tagesgänge für Februar 2005 und 2006 aufgetragen. Kohlendioxid [ppm] 394,0 393,0 392,0 391,0 390,0 389,0 388,0 387,0 386,0 385,0 384,0 Lufttemperatur [ C] ,0 23:30 23:00 22:30 22:00 21:30 20:30 20:00 19:30 18:30 18:00 17:30 16:30 16:00 15:30 14:30 14:00 13:30 12:30 12:00 11:30 10:30 10:00 9:30 9:00 8:30 8:00 7:30 7:00 6:30 6:00 5:30 5:00 4:30 4:00 3:30 3:00 2:30 2:00 1:30 1:00 0: (CO2) 2006 (CO2) 2005 (LT) 2006 (LT) -8 Abbildung 5: Tagesgänge Februar 2005 und Februar

10 4.3 Möglicher Einfluss von Emittenten auf die Kohlendioxid - Konzentration In Perspektive sollen auch Zusammenhänge zwischen einzelnen Messgrößen (Zusammenhang CO 2 / SO 2 Konzentrationen) näher beleuchtet werden sowie das Auftreten von Konzentrationsspitzen bei den genannten Parametern in Folge einer plötzlichen Veränderung der Windrichtung, um ggf. eine Zuordnung zu Emittenten im Umfeld vornehmen zu können. Abbildung 6 und 7 geben derartige Zusammenhänge wieder. Im Falle der Abbildung 6 könnte die am im Zeitraum zwischen 1 und 3 Uhr aufgetretene CO 2 Spitze, einhergehend mit einer erhöhten SO 2 Konzentration (markierter Bereich), in Folge einer plötzlichen Windrichtungsänderung von Süd auf Nord ggf. dem Kraftwerk Buschhaus zugeordnet werden. SO 2 [µg/m³], WR [ ] 360 CO 2 [ppm] :00 03:00 05:00 07:00 09:00 23:00 01:00 03:00 05:00 07:00 09:00 23:00 01:00 03:00 05:00 07:00 09: Schwefeldioxid (SO2) Kohlendioxid (CO2) Windrichtung (WR) Abbildung 6: Verlaufskurve ½ - h - Mittelwerte im Zeitraum 19./ 21. August

11 Die in Abbildung 7 am Morgen sowie am Vormittag des bei Südost Wind erkennbaren CO 2 Spitzen, wiederum korrespondierend mit erhöhten SO 2 Konzentrationen (gekennzeichneter Bereich), könnten dem Kraftwerk Schkopau als Emittenten zugeordnet werden. Als kleinräumige Emissionsquelle kommt bei Ost- bzw. Nordost Wind auch die Brockenbahn (Brocken Bahnhof) in Betracht. SO 2 [µg/m³], WR [ ] 360 CO 2 [ppm] :00 03:00 05:00 07:00 09:00 23:00 01:00 03:00 05:00 07:00 09: Schwefeldioxid (SO2) Kohlendioxid (CO2) Windrichtung (WR) Abbildung 7: Verlaufskurve ½ - h - Mittelwerte im Zeitraum 22./ 23. August Zusammenfassende Interpretation der Messergebnisse 5.1 Messergebnisse deutschlandweit und international In Abbildung 8 sind die längste CO 2 Messreihe der Welt, die der GAW Station Mauna Loa auf Hawaii, die längste verfügbare kontinentale Messreihe an der GAW Station Schauinsland im Schwarzwald und die der GAW Station Zugspitze dargestellt [GAW Brief des Deutschen Wetterdienstes, November 2003]. 9

12 Abbildung 8: CO 2 Langzeitmessreihen: ab 1957 an der GAW Station Mauna Loa Hawaii; ab 1972 an der GAW Station Schauinsland und ab 1995 an der GAW Station Zugspitze des Umweltbundesamtes Abbildung 8 zeigt, dass CO 2 neben dem ansteigenden Trend auch einen deutlichen Jahresgang aufweist, der durch jahreszeitlich variierende Stärken der CO 2 Quellen und Senken zu erklären ist. in der Vegetationsperiode von etwa April bis September wird CO 2 durch Photosynthese verstärkt ab- und der Kohlenstoff in organisches Material eingebaut. Im Zeitraum von Oktober bis März dominiert hingegen die Freisetzung von Kohlendioxid durch anthropogene Verbrennungsprozesse sowie biologische Veratmung. Weiterhin wird im o. g. GAW Brief auf die standortabhängige Ausprägung des CO 2 Jahresgangs eingegangen. Wie Abbildung 9 zeigt, unterscheiden sich die mittleren Jahresgänge der Stationen Schauinsland und Zugspitze deutlich. Der Jahresgang auf dem Schauinsland zeigt im Winter wesentlich höhere Werte als die Zugspitze auf, da sich der Messort Schauinsland auf Grund der niedrigeren Höhe häufiger in der Mischungsschicht und damit wesentlich näher an bodennahen Quellen befindet. Die größere Nähe des Messorts Schauinsland zur Vegetation macht sich vor allem im Frühsommer während der starken Wachstumsphase durch niedrigere CO 2 Werte im Vergleich zur Zugspitze bemerkbar. 10

13 Abbildung 9: Mittlere Jahresgänge gemessener CO 2 Konzentrationen an den GAW Stationen Schauinsland (1200 m) und Zugspitze (2650 m) von 1995 bis 2002 Umweltforschern der Universität Bremen ist es jüngst gelungen, mittels Satellitenmessungen erhöhte regionale Konzentrationen des Treibhausgases Kohlendioxid nachzuweisen, die vom Menschen verursacht wurden. Demnach befinden sich die höchsten Konzentrationen des Treibhausgases CO 2 über Europa über dem Hauptballungsgebiet, welches sich von Amsterdam bis Frankfurt (Main) erstreckt [ESA Portal Envisat makes first ever observation of regionally elevated CO 2 from manmade emissions]. 5.2 Vergleich mit den Messergebnissen an der LÜSA Messstation Brocken Ein Vergleich der Abbildung 1 (Entwicklung der Kohlendioxid Konzentrationen auf dem Brocken) mit der Abbildung 8 (CO 2 Langzeitmessreihen der GAW Stationen Mauna Loa Hawaii, Schauinsland und Zugspitze) zeigt, dass sich die weltweite Zunahme von CO 2 mit den Messergebnissen an der Station Brocken repräsentativ belegen lässt. Die unter 3. für die Messstation Brocken im Zeitraum von 2000 bis 2006 angeführte durchschnittliche jährliche Steigerungsrate der Kohlendioxid Konzentration von etwa 2 ppm entspricht der vom Schauinsland (ca. 2 ppm gemäß Jahresbericht des UBA von 2005). Die im Sommer 2007 an der Messstation Brocken registrierten, vergleichsweise niedrigeren Messdaten bedingen einen kurzzeitigen Abfall der gleitenden Jahresmittelwerte (wie aus Abbildung 1 ersichtlich) sowie auch des Jahresmittelwertes für Die Einflussfaktoren hierfür konnten noch nicht identifiziert werden. Auch die unter 5.1 für den Schauinsland (auf Grund seiner geringeren Höhe gegenüber der Zugspitze) angesprochenen ausgeprägten saisonalen Variationen sind mit denen an der Landesmessstelle Brocken annähernd vergleichbar. 11

14 Abbildung 10 zeigt den mittleren Jahresgang gemessener Kohlendioxid Konzentrationen an der LÜSA Messstation Brocken für den Zeitraum 2000 bis 2007, der sehr gut mit dem in Abbildung 9 dargestellten mittleren Jahresgang der CO 2 Konzentration auf dem Schauinsland korrespondiert. Der mittlere Jahresgang der Kohlendioxid Konzentration auf dem Brocken ist lediglich, wie zu erwarten, noch ausgeprägter. Die für den Monat Juli dargestellte, vergleichsweise höhere CO 2 Konzentration könnte auf die sehr heißen Monate Juli in den Jahren 2003 und 2006 zurückzuführen sein. 385 Mittlerer Jahresgang von Kohlendioxid auf dem Brocken CO 2 [ppm] Jan. Feb. März Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. Abbildung 10: Mittlerer Jahresgang gemessener CO 2 Konzentrationen an der Messstation Brocken (1142m) für den Zeitraum 2000 bis 2007 Ergänzend muss noch angeführt werden, dass die CO 2 Messdaten der Station Schauinsland eine Selektion erfahren (nur Messwerte im Zeitraum zwischen 22 und 6 Uhr bei hohen Windgeschwindigkeiten, Festlegung hinsichtlich zulässiger Standardabweichung), um die Einflüsse der lokalen Quellen und Senken zu minimieren. Eine solche Datenfiltration wird mit den CO 2 Messwerten vom Brocken bislang nicht vorgenommen, so dass saisonale und andere Einflussfaktoren hier eher zum Tragen kommen können. Es wird auch deutlich, dass für einen Vergleich ähnliche Randbedingungen (z. B. hinsichtlich der Höhenlage sowie der Umgebungsbedingungen) gegeben sein müssen. Messstandorte wie der Mauna Loa (3400 m) auf Hawaii oder Messungen über maritimen Oberflächen bieten eher die Möglichkeit der Minimierung lokaler und saisonaler Einflüsse. 6. Strategien zu Klimaschutz und -wandel Die unter 5.2 angeführte durchschnittliche jährliche Steigerungsrate der Kohlendioxid Konzentration von gegenwärtig etwa 2 ppm verdeutlicht die Notwendigkeit der forcierten Umsetzung von Emissionsminderungsmaßnahmen. 12

15 Als Maßnahmenprogramme auf nationaler und internationaler Ebene sollen hier nur das Energie- und Klimaprogramm der Europäischen Union sowie das integrierte Energie- und Klimapaket der Bundesregierung genannt werden. In Ergänzung der bereits seitens der Bundesregierung vorgesehenen nationalen Klimaschutzaktivitäten wird gegenwärtig ein neues Klimaschutzprogramm für das Land Sachsen Anhalt erarbeitet, das die Strategie der Landesregierung zum Klimaschutz und vorgesehene Landesaktivitäten beinhalten wird. 7. Ausblick Auf Grund der dargelegten Bedeutung der Entwicklung der Kohlendioxid Konzentration ist die weitere Fortführung des CO 2 Monitorings auf dem Brocken, einem hierfür exponierten Standort in Norddeutschland, vorgesehen. Hierbei ist eine langfristige Fortsetzung des Monitorings angezeigt, da die Messreihe mit zunehmender Länge größere Bedeutung für die Ableitung von Entwicklungstrends erlangt. 13