{"id":5163,"date":"2022-01-20T08:00:04","date_gmt":"2022-01-20T08:00:04","guid":{"rendered":"https:\/\/www.envirosustain.com\/de\/our-stories\/quellen-des-atmospharischen-methans-und-die-globale-erwarmung\/"},"modified":"2024-07-12T11:12:27","modified_gmt":"2024-07-12T11:12:27","slug":"quellen-des-atmospharischen-methans-und-die-globale-erwarmung","status":"publish","type":"unsere-geschichten","link":"https:\/\/www.envirosustain.com\/de\/unsere-geschichten\/quellen-des-atmospharischen-methans-und-die-globale-erwarmung\/","title":{"rendered":"Quellen des Atmosph\u00e4rischen Methans und die Globale Erw\u00e4rmung"},"content":{"rendered":"\n

Dieser Artikel ist eine Einf\u00fchrung \u00fcber die Entstehung von Methan und dessen Auswirkungen auf die Umwelt. Insbesondere m\u00f6chten wir zeigen, dass die Emission von Methan einen Teufelskreis darstellt, welcher unterbrochen werden muss. Zum Schluss des Textes sind einige Ma\u00dfnahmen aufgez\u00e4hlt, die die Gesellschaft zur Reduzierung des Methanaussto\u00dfes beitragen k\u00f6nnte.<\/strong><\/strong><\/p>\n\n\n\n

Wie Methan sich in der Atmosph\u00e4re Verh\u00e4lt<\/h3>\n\n\n\n

Methan ist mitunter einer der wirkungsvollsten Treibhausgase in der Erdatmosph\u00e4re. Es existieren einige nat\u00fcrliche und menschenbedingte Methanquellen, die zur globalen Erw\u00e4rmung beitragen. \u00dcber den Zeitraum der letzten Eiszeit (Pleistoz\u00e4n) und vor der Industrielle Revolution wies die Methankonzentration in der Erdatmosph\u00e4re ein einheitliches konstantes Muster auf. Die Untersuchung von Eiskernen in der Antarktis zeigen eine charakteristische Korrelation zwischen Kaltzeiten, Warmzeiten und der Konzentration von atmosph\u00e4rischem Methan. Abbildung 1 beruht auf Daten aus verschiedenen historischen Studien und Messstationen aus der ganzen Welt. Sie zeigt die Konzentrationsentwicklung von atmosph\u00e4rischem Methan \u00fcber die letzten 800.000 Jahre und weist eine pl\u00f6tzliche erhebliche Zunahme seit der Industrial Revolution auf.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 1: Konzentration von atmosph\u00e4risches Methan w\u00e4hrend der letzten 800.000 Jahre [By U.S. Environmental Protection Agency – https:\/\/www3.epa.gov\/climatechange\/pdfs\/print_ghg-concentrations.pdf, Public Domain, https:\/\/commons.wikimedia.org\/w\/index.php?curid=57528703]\u00a0<\/em><\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Der Treibhauseffekt von Methan ist wesentlich wirksamer als bei Karbondioxide (CO2<\/sub>). Basierend auf einem Zeitraum von 20 Jahren liegt das \u201eGlobal Warming Potential<\/a>\u201d (GWP) von Methan bei ca. 84. Das bedeutet, dass Methan 84-mal mehr W\u00e4rme per Masseeinheit als Kohlendioxid in einen Zeitraum von 20 Jahren verursacht. Da die meisten nat\u00fcrlichen und anthropogenen Methanquellen sich auf Landmassen und nicht im Meer befinden, ist die Konzentration von atmosph\u00e4rischem Methan auf der n\u00f6rdlichen Halbkugel, dort wo mehr Landmasse ist, am gr\u00f6\u00dften. Aufgrund der hohen vertikalen atmosph\u00e4rischen Mobilit\u00e4t wird Methan gut durchmischt und wird als \u201cwell-mixed gas\u201d bezeichnet. Anders ausgedr\u00fcckt, die Konzentration von Methan wird bez\u00fcglich der H\u00f6he innerhalb der Troposph\u00e4re als konstant angesehen. Innerhalb der Stratosph\u00e4re nimmt die Konzentration mit H\u00f6he ab. Im Vergleich zu Kohlendioxid ist Methan kein persistentes Gas. Sch\u00e4tzungsweise liegt die durchschnittliche Lebensdauer von Methan in der Atmosph\u00e4re zwischen neun und zw\u00f6lf Jahren – im Gegensatz zu Kohlendioxid, welches eine Lebensdauer von \u00fcber 100 Jahren hat. Methan hat deshalb einen gr\u00f6\u00dferen Treibhauseffekt, aber \u00fcber einen k\u00fcrzeren Zeitraum.<\/p>\n\n\n\n

Die Atmosph\u00e4re als Methan-Senke<\/h3>\n\n\n\n

Anhand von photochemischen Prozessen werden Hydroxylradikale (\u00b7OH) aus der Reaktion von Singulett-Sauerstoffatomen mit Wasserdampf gebildet.<\/a> Die Hydroxylradikale reagieren ihrerseits mit Methan, wodurch es zur Umsetzung und damit Entfernung von erheblichen Mengen von Methan aus der Troposph\u00e4re und Stratosph\u00e4re kommt. Dieser Prozess, der auch eine Schl\u00fcsselrolle bei der Bildung von Ozon und Formaldehyd spielt, wird als die wichtigste \u201eSenke\u201c von Methan angesehen. Wenn Methan in die Atmosph\u00e4re aufsteigt, reagiert es mit einem Hydroxylradikal und bildet Wasserdampf und ein \u00b7CH3<\/sub>-Radikal.<\/p>\n\n\n\n

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Methan reagiert mit einen Hydroxylradikal (\u00b7OH) und bildet Wasserdampf und einen \u00b7CH3-<\/sub>Radikal:
CH4<\/sub> + \u00b7OH \u2192 CH3<\/sub>\u00b7 + H2<\/sub>O
<\/p><\/blockquote><\/figure>\n\n\n\n

Formaldehyd entsteht als Zwischenglied in der Oxidation von Methan und kann auf verschiedenen Wegen abgebaut werden, z. B. auf photochemische Weise bei der Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff.<\/p>\n\n\n\n

Unter der Einfluss von UV-Licht wird Formaldehyd zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgeformt:
HCHO + hv \u2192 CO + H2<\/sub><\/p><\/blockquote><\/figure>\n\n\n\n

Da Formaldehyd sehr gut wasserl\u00f6slich ist, kann es auch leicht bei Niederschlag aus der Atmosph\u00e4re herausgewaschen werden. Generell verweilt Formaldehyd nur ein paar Stunden in der Atmosph\u00e4re.<\/p>\n\n\n\n

Methanbildung durch Methanogenese<\/h3>\n\n\n\n

Die meisten nat\u00fcrlichen Emissionen vom Methan sind direkt auf methanogene Mikroorganismen zur\u00fcckzuf\u00fchren. Sie setzen organisches Material sowohl in warmen, feuchten B\u00f6den als auch in dem Verdauungssystem von bestimmten Tieren um. Methanbakterien bzw. methanogene Archaea sind in der Lage, Energie in einem anaeroben (also sauerstofffreien) Milieu zu gewinnen, indem sie Acetat zu Methan und Kohlendioxid umsetzen.<\/p>\n\n\n\n

W\u00e4hrend der anaeroben Fermentation spalten Archaea Acetat auf und produzieren Methan und Kohlendioxid:
H3<\/sub>C-COOH \u2192 CH4<\/sub> + CO2<\/sub>

Archaea k\u00f6nnen auch Wasserstoff mit Kohlendioxid oxidieren, um Methan und Wasser zu erzeugen:
4H2<\/sub> + CO2<\/sub> \u2192 CH4<\/sub> + 2H2<\/sub>O
<\/p><\/blockquote><\/figure>\n\n\n\n

Der Boden als Methansenke<\/h3>\n\n\n\n

Im Gegensatz zu Methanbakterien leben methanotrophe Bakterien im Boden unter aeroben Verh\u00e4ltnissen und wirken als \u201eSenke\u201c f\u00fcr atmosph\u00e4risches Methan. Methanotrophe Bakterien nutzen Methan als Kohlenstoffquelle, um Energie zu gewinnen. Hierbei wird Methan und Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt.<\/p>\n\n\n\n

Methanotrophe Bakterien im Boden nutzen Methan und Sauerstoff, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden.
\u00a0CH4<\/sub> + 2O2<\/sub> \u2192 CO2<\/sub> + 2H2<\/sub>O<\/p><\/blockquote><\/figure>\n\n\n\n

Waldb\u00f6den sind sehr gute Senken f\u00fcr atmosph\u00e4risches Methan, weil der Boden die richtige Feuchtigkeit f\u00fcr die Methanogenese hat und gut gasdurchl\u00e4ssig ist. Bei einem entsprechend tiefen Grundwasserspiegel muss das Methan ggf. aus einer tiefer gelegenen sauerstoffarmen Schicht zuerst den aeroben, oberfl\u00e4chennahen methanotrophen Bereich passieren, um an die Atmosph\u00e4re zu gelangen.<\/p>\n\n\n\n

Nat\u00fcrliche Methanemissionen<\/h3>\n\n\n\n

Die ausschlaggebenden nat\u00fcrlichen Quellen f\u00fcr Methan im Bereich der Landmassen sind die Permafrost-Gebiete sowie die Feuchtgebiete.<\/p>\n\n\n\n

Bei steigenden globalen Temperaturen wird das in den Permafrost<\/a>b\u00f6den eingefrorene Methan langsam freigesetzt. In der Arktis kann Permafrost auch im Meer an der Grenze zum Schelf vorkommen. Wissenschaftler haben festgestellt, dass erhebliche Mengen an Methan aus L\u00f6chern im gefrorenen Meeresboden (Perforations) freigesetzt werden.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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Abbildung 2: Schelf, Kontinentalhang und Kontinentalfu\u00df [Von derivative work: Jo (talk)Continental_shelf.png: Original uploader was Interiot – Continental_shelf.png, Gemeinfrei, https:\/\/commons.wikimedia.org\/w\/index.php?curid=5070969]<\/em>
<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Feuchtgebiete sind durch wasserges\u00e4ttigte B\u00f6den und spezifische Fauna- und Floragemein\u00adschaften, welche sich an das Feuchtbiotop angepasst haben, charakterisiert. Das konstante wasserges\u00e4ttigten Milieu bietet die anaeroben Voraussetzungen f\u00fcr die Produktion von Methan. Manche Pflanzen sind auch in der Lage, Methan direkt durch ihre Wurzeln, Halme und Bl\u00e4tter an die Atmosph\u00e4re abzugeben.<\/p>\n\n\n\n

Man hat festgestellt, dass Termiten auch relevante Mengen an Methan erzeugen.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 3: Wetlands, Source: Marisa04 auf pixabay.com<\/em><\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Eine weitere m\u00f6gliche Quelle f\u00fcr atmosph\u00e4rische Methan ist Methanhydrat; auch bekannt als Methanklathrat (4CH4<\/sub>\u00b723H2<\/sub>O). Methanhydrat, das in Sedimentschichten vorwiegend im Bereich des Kontinentalabhangs vorkommt, wurde erst in den 1960er Jahren entdeckt und wird als m\u00f6gliche fossile Brennstoffquelle betrachtet. Methanhydrat ist ein Substanz, die hohe Mengen von Methan innerhalb des Kristallger\u00fcsts von Eis einlagert und deshalb \u00e4hnlich wie Eis erscheint. Angez\u00fcndet entsteht eine bl\u00e4ulich gelbe Flamme, w\u00e4hrend der Eisanteil zu Wasser schmilzt. Die physikalische Bedingungen f\u00fcr die Existenz von Methanhydrat sind niedrige Temperaturen und hohe Dr\u00fccke. Methanhydrat wird deshalb entweder nur in kontinentale Sedimentgesteinen in Polarregionen oder in ozeanischen Sedimenten in Wassertiefen gr\u00f6\u00dfer als 300 m, in denen die Temperatur des Meeresbodens ca. 2 \u00b0C betr\u00e4gt, vorgefunden. Au\u00dferdem ist das Vorkommen von Methanhydrat in tiefen S\u00fc\u00dfwasserseen wie dem Baikalsee in Sibirien bekannt. Die Auswertung des C13<\/sup>-Verh\u00e4ltnisses von Methanhydrat innerhalb von Sedimenten des Meeresbodens weist vorwiegend auf eine Bildung durch bakterielle Reduktion von CO2<\/sub> (Methanogenese) hin – eine andere Genese also als bei Erdgas, das unter abiotischen Bedingungen geformt wird. Bez\u00fcglich der Gr\u00f6\u00dfe des Vorkommens von Methanhydrat gibt es verschiedene Angaben. Manche Autoren sch\u00e4tzen das gesamte Vorkommen als wesentlich gr\u00f6\u00dfer als das bestehende Erdgasvorkommen ein.  <\/p>\n\n\n\n

Manche Wissenschaftler bef\u00fcrchten, dass die globale Erw\u00e4rmung ausreichen k\u00f6nnte, um die Freisetzung von Methan aus den Methanhydatlagerst\u00e4tten zu bewirken. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die meisten Methanhydratvorkommen weniger empfindlich gegen\u00fcber der globalen Erw\u00e4rmung sind als andere Methanquellen wie z. B. der Permafrost, der an der Erdoberfl\u00e4che vorliegt. Im pal\u00e4oklimatologischen Kontext w\u00e4re dies ein Prozess, der sich \u00fcber ein Zeitrahmen von tausenden und mehr Jahren vollziehen w\u00fcrde.<\/p>\n\n\n\n

Anthropogene Methanemissionen<\/h4>\n\n\n\n

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Im Vergleich zu den nat\u00fcrlichen Quellen f\u00fcr atmosph\u00e4risches Methan \u00fcberwiegen bei weitem die Methanemissionen aus anthropogenen Quellen. Seit Anfang der Industriellen Revolution ist die Konzentration von Methan in der Erdatmosph\u00e4re um 250% gestiegen. Abbildung 3 zeigt, dass innerhalb des n\u00f6rdlichen Polarkreises die Konzentration an atmosph\u00e4rischem Methan seit 1988 von ca. 1800 ppb auf einen gegenw\u00e4rtigen Wert von 2000 ppb gestiegen ist.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 4: Atmosph\u00e4rische Methankonzentrationen gemessen in Alaska von 1988 bis2020. [By NOAA – http:\/\/www.esrl.noaa.gov\/gmd\/dv\/iadv\/graph.php?code=MLO&program=ccgg&type=ts (Earth System Research Laboratory) Parameter: Methane (CH4) Data Type: In-situData Frequency: Monthly AveragesTime Span: AllData is collected from Mauna Loa Observatory, 19.536 -155.576, Public Domain,\u00a0<\/em>https:\/\/commons.wikimedia.org\/w\/index.php?curid=17730540<\/a>\u00a0]<\/em>
<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Abbildung 4: Nat\u00fcrliche und anthropogene Methanquellen nach NASA Goddard Institute for Space Studies [By Harvey Augenbraun, Elaine Matthews, and David Sarma – National Aeronautics and Space Administration, Goddard Institute for Space Studies, GISS Institute on Climate and Planets, The Global Methane Cycle http:\/\/icp.giss.nasa.gov\/education\/methane\/intro\/cycle.html, Public Domain, https:\/\/commons.wikimedia.org\/w\/index.php?curid=47592896]<\/em>
<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Hauptursachen f\u00fcr anthropogene Methanemissionen sind Br\u00e4nde, Umwandlung von \u00f6kologisch wertvollen Biotope in Agrarlandschaft, Viehhaltung, Reisfelder, Deponien, Abwasserbehandlungsanlagen und der Abbau und Verwertung von fossilen Brennstoffen.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 5: Forest fires, Source: skeeze auf pixabay.om<\/em><\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die unvollst\u00e4ndige Verbrennung von totem und lebendigem organischen Material verursacht Methanemissionen. Obwohl nat\u00fcrliche Waldbr\u00e4nde auch zur Emission von Methan beitragen, sind die meisten Br\u00e4nde von Menschen verursacht. Die Agrarwirtschaft tr\u00e4gt erheblich zur Emission von Methan bei. Die Umwandlung von W\u00e4ldern und anderen nat\u00fcrlichen Biotope in landwirtschaftliche Fl\u00e4chen verursacht eine Zunahme an Stickstoff im Boden, wodurch die Oxidation von Methan verhindert wird – methanotrophe Bakterien werden daran gehindert ihre Funktion als Methansenke auszu\u00fcben. Das Verdauungssystem von Wiederk\u00e4uern setzt relevante Mengen an Methan frei. Mikroorganismen setzen schwer abbaubares organisches Material im Verdauungstrakt von Tieren um und geben es durch Ausscheidung an die Atmosph\u00e4re frei. Reisfelder z\u00e4hlen auch zu den relevanten Quellen f\u00fcr atmosph\u00e4risches Methan. Andere Quellen im urbanen Bereich sind Deponien und Abwasserbehandlungs\u00adanlagen.<\/a><\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 6: Oil rig, Source: kristinakasp auf pixabay.com<\/em><\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Erdgas besteht haupts\u00e4chlich aus Methan, welches durch die thermische Zersetzung von organischem Material unter hohem Druck in der Erdkruste erzeugt wird. Analog zum Roh\u00f6l ist Erdgas ein Produkt der Zersetzung mariner Organismen, die \u00fcber Jahrmillionen auf dem Meeresboden sedimentierten. Mit zunehmender M\u00e4chtigkeit der aufliegenden Sedimentschichten nehmen Druck und Temperatur zu, was die Zersetzung des organischen Materials einleitet. Obwohl Erdgas ein nat\u00fcrliches Produkt ist, wird Methan im Wesentlichen erst durch die Ausbeutung durch Menschen freigesetzt. Sch\u00e4tzungsweis ist der Abbau und die Verarbeitung von fossilen Energiequellen f\u00fcr rund 20% der globalen Methanemissionen verantwortlich. Da Methan den \u00fcberwiegenden Teil von Erdgas ausmacht und oft assoziiert mit Erd\u00f6l vorkommt, wird bei Produktion, Verarbeitung, Lagerung, Transport und Verteilung von Erdgas bzw. Erd\u00f6l nachl\u00e4ssigerweise bzw. ungewollt Methan freigesetzt.<\/p>\n\n\n\n

Methan wird auch im Braun- und Steinkohlbergbau aus aktiv betriebenen und stillgelegten Minen freigesetzt. Unterirdische Kohlenminen setzen mehr Methan als beim Tagebau frei wegen des h\u00f6heren Gasanteils von tiefliegenden Kohlefl\u00f6zen.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 7: Die gegenseitige Beeinflussung von anthropogenen Methanemissionen und der globale Erw\u00e4rmung ist ein Teufelskreis [By George Lindemann, ES EnviroSustain GmbH]<\/em>
<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Der Teufelskreis und Gegenma\u00dfnahmen<\/h3>\n\n\n\n

Man muss sich bewusst machen, dass einige der oben genannten Methanquellen entweder direkt oder indirekt durch die globale Erw\u00e4rmung beeinflusst werden. Die Aktivit\u00e4t von methanerzeugenden Organismen (Methanogenese) steigt mit zunehmende Temperaturen an. Waldbr\u00e4nde, die gegenw\u00e4rtig ein erst zunehmendes Risiko darstellen, h\u00e4ngen mit den erh\u00f6hten globalen Temperaturen zusammen.<\/p>\n\n\n\n

Im Angesicht der drohenden globalen Erw\u00e4rmung und der gegenseitigen Beeinflussung von steigender Temperatur und Methanemissionen muss mehr getan werden, um der Freisetzung von Methan entgegenzuwirken. Um landwirtschaftliches und urban erzeugtes Methan sowie Methan aus dem Abbau von fossilen Brennstoffquellen einzuschr\u00e4nken, ist der Einsatz von neuen und verbesserten Technologien in den Industrie- und Drittweltl\u00e4ndern n\u00f6tig. Die Internationale Energieagentur (IEA) berichtet, dass es im Bereich der \u00d6l- und Gasgewinnung und Verarbeitung reichlich kosteneffektive Verbesserungsm\u00f6glichkeiten gibt. Im Gegensatz zu Kohlendioxid hat Methan kommerziellen Wert. Laut der IEA ist es technisch m\u00f6glich, rund drei Viertel aller heutigen Methanemissionen aus dem \u00d6l- und Erdgassektor zu vermeiden. Speziell k\u00f6nnten 40% der heutigen Methanemissionen aus der \u00d6l-und Erdgasindustrie ohne zus\u00e4tzlichen Kosten vermieden werden.  <\/p>\n\n\n\n

Mehr muss unternommen werden, um die nat\u00fcrliche Funktion des Bodens als Methansenke aufrechtzuerhalten. So sollten global mehr Ressourcen zur Bek\u00e4mpfung von Waldbr\u00e4nden investiert werden. Auch eine L\u00f6sung gegen die Umwandlung von wertvollem nat\u00fcrlichem Regenwald und anderen Biotopen in landwirtschaftliche bzw. urbane Fl\u00e4chen muss gefunden werden. Vor allem schreitet der Raubbau am Amazonas Regenwald in schockierendem Tempo voran.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 8: Deforestation, Source: MemoryCatcher auf pixabay.com<\/em>
<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Unser n\u00e4chster Blog in der \u201cNeptune\u2019s Legacy\u201d-Serie wird sich mit Methanhydrat und dem Pal\u00e4oz\u00e4n\/Eoz\u00e4n-Temperaturmaximum besch\u00e4ftigen.
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