Wie Methan sich in der Atmosphäre Verhält

Methan ist mitunter einer der wirkungsvollsten Treibhausgase in der Erdatmosphäre. Es existieren einige natürliche und menschenbedingte Methanquellen, die zur globalen Erwärmung beitragen. Über den Zeitraum der letzten Eiszeit (Pleistozän) und vor der Industrielle Revolution wies die Methankonzentration in der Erdatmosphäre ein einheitliches konstantes Muster auf. Die Untersuchung von Eiskernen in der Antarktis zeigen eine charakteristische Korrelation zwischen Kaltzeiten, Warmzeiten und der Konzentration von atmosphärischem Methan. Abbildung 1 beruht auf Daten aus verschiedenen historischen Studien und Messstationen aus der ganzen Welt. Sie zeigt die Konzentrationsentwicklung von atmosphärischem Methan über die letzten 800.000 Jahre und weist eine plötzliche erhebliche Zunahme seit der Industrial Revolution auf.

Abbildung 1: Konzentration von atmosphärisches Methan während 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] 

Der Treibhauseffekt von Methan ist wesentlich wirksamer als bei Karbondioxide (CO₂). Basierend auf einem Zeitraum von 20 Jahren liegt das „Global Warming Potential” (GWP) von Methan bei ca. 84. Das bedeutet, dass Methan 84-mal mehr Wärme per Masseeinheit als Kohlendioxid in einen Zeitraum von 20 Jahren verursacht. Da die meisten natürlichen und anthropogenen Methanquellen sich auf Landmassen und nicht im Meer befinden, ist die Konzentration von atmosphärischem Methan auf der nördlichen Halbkugel, dort wo mehr Landmasse ist, am größten. Aufgrund der hohen vertikalen atmosphärischen Mobilität wird Methan gut durchmischt und wird als “well-mixed gas” bezeichnet. Anders ausgedrückt, die Konzentration von Methan wird bezüglich der Höhe innerhalb der Troposphäre als konstant angesehen. Innerhalb der Stratosphäre nimmt die Konzentration mit Höhe ab. Im Vergleich zu Kohlendioxid ist Methan kein persistentes Gas. Schätzungsweise liegt die durchschnittliche Lebensdauer von Methan in der Atmosphäre zwischen neun und zwölf Jahren - im Gegensatz zu Kohlendioxid, welches eine Lebensdauer von über 100 Jahren hat. Methan hat deshalb einen größeren Treibhauseffekt, aber über einen kürzeren Zeitraum.

Die Atmosphäre als Methan-Senke

Anhand von photochemischen Prozessen werden Hydroxylradikale (·OH) aus der Reaktion von Singulett-Sauerstoffatomen mit Wasserdampf gebildet. Die Hydroxylradikale reagieren ihrerseits mit Methan, wodurch es zur Umsetzung und damit Entfernung von erheblichen Mengen von Methan aus der Troposphäre und Stratosphäre kommt. Dieser Prozess, der auch eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Ozon und Formaldehyd spielt, wird als die wichtigste „Senke“ von Methan angesehen. Wenn Methan in die Atmosphäre aufsteigt, reagiert es mit einem Hydroxylradikal und bildet Wasserdampf und ein ·CH₃-Radikal.

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.

Da Formaldehyd sehr gut wasserlöslich ist, kann es auch leicht bei Niederschlag aus der Atmosphäre herausgewaschen werden. Generell verweilt Formaldehyd nur ein paar Stunden in der Atmosphäre.

Methanbildung durch Methanogenese

Die meisten natürlichen Emissionen vom Methan sind direkt auf methanogene Mikroorganismen zurückzuführen. Sie setzen organisches Material sowohl in warmen, feuchten Böden 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.

Der Boden als Methansenke

Im Gegensatz zu Methanbakterien leben methanotrophe Bakterien im Boden unter aeroben Verhältnissen und wirken als „Senke“ für atmosphärisches Methan. Methanotrophe Bakterien nutzen Methan als Kohlenstoffquelle, um Energie zu gewinnen. Hierbei wird Methan und Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt.

Waldböden sind sehr gute Senken für atmosphärisches Methan, weil der Boden die richtige Feuchtigkeit für die Methanogenese hat und gut gasdurchlässig ist. Bei einem entsprechend tiefen Grundwasserspiegel muss das Methan ggf. aus einer tiefer gelegenen sauerstoffarmen Schicht zuerst den aeroben, oberflächennahen methanotrophen Bereich passieren, um an die Atmosphäre zu gelangen.

Natürliche Methanemissionen

Die ausschlaggebenden natürlichen Quellen für Methan im Bereich der Landmassen sind die Permafrost-Gebiete sowie die Feuchtgebiete.

Bei steigenden globalen Temperaturen wird das in den Permafrostböden 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 Löchern im gefrorenen Meeresboden (Perforations) freigesetzt werden.

Abbildung 2: Schelf, Kontinentalhang und Kontinentalfuß [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]

Feuchtgebiete sind durch wassergesättigte Böden und spezifische Fauna- und Floragemein­schaften, welche sich an das Feuchtbiotop angepasst haben, charakterisiert. Das konstante wassergesättigten Milieu bietet die anaeroben Voraussetzungen für die Produktion von Methan. Manche Pflanzen sind auch in der Lage, Methan direkt durch ihre Wurzeln, Halme und Blätter an die Atmosphäre abzugeben.

Man hat festgestellt, dass Termiten auch relevante Mengen an Methan erzeugen.

Abbildung 3: Wetlands, Source: Marisa04 auf pixabay.com

Eine weitere mögliche Quelle für atmosphärische Methan ist Methanhydrat; auch bekannt als Methanklathrat (4CH₄·23H₂O). Methanhydrat, das in Sedimentschichten vorwiegend im Bereich des Kontinentalabhangs vorkommt, wurde erst in den 1960er Jahren entdeckt und wird als mögliche fossile Brennstoffquelle betrachtet. Methanhydrat ist ein Substanz, die hohe Mengen von Methan innerhalb des Kristallgerüsts von Eis einlagert und deshalb ähnlich wie Eis erscheint. Angezündet entsteht eine bläulich gelbe Flamme, während der Eisanteil zu Wasser schmilzt. Die physikalische Bedingungen für die Existenz von Methanhydrat sind niedrige Temperaturen und hohe Drücke. Methanhydrat wird deshalb entweder nur in kontinentale Sedimentgesteinen in Polarregionen oder in ozeanischen Sedimenten in Wassertiefen größer als 300 m, in denen die Temperatur des Meeresbodens ca. 2 °C beträgt, vorgefunden. Außerdem ist das Vorkommen von Methanhydrat in tiefen Süßwasserseen wie dem Baikalsee in Sibirien bekannt. Die Auswertung des C¹³-Verhältnisses von Methanhydrat innerhalb von Sedimenten des Meeresbodens weist vorwiegend auf eine Bildung durch bakterielle Reduktion von CO₂ (Methanogenese) hin - eine andere Genese also als bei Erdgas, das unter abiotischen Bedingungen geformt wird. Bezüglich der Größe des Vorkommens von Methanhydrat gibt es verschiedene Angaben. Manche Autoren schätzen das gesamte Vorkommen als wesentlich größer als das bestehende Erdgasvorkommen ein.  

Manche Wissenschaftler befürchten, dass die globale Erwärmung ausreichen könnte, um die Freisetzung von Methan aus den Methanhydatlagerstätten zu bewirken. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die meisten Methanhydratvorkommen weniger empfindlich gegenüber der globalen Erwärmung sind als andere Methanquellen wie z. B. der Permafrost, der an der Erdoberfläche vorliegt. Im paläoklimatologischen Kontext wäre dies ein Prozess, der sich über ein Zeitrahmen von tausenden und mehr Jahren vollziehen würde.

Anthropogene Methanemissionen

Im Vergleich zu den natürlichen Quellen für atmosphärisches Methan überwiegen bei weitem die Methanemissionen aus anthropogenen Quellen. Seit Anfang der Industriellen Revolution ist die Konzentration von Methan in der Erdatmosphäre um 250% gestiegen. Abbildung 3 zeigt, dass innerhalb des nördlichen Polarkreises die Konzentration an atmosphärischem Methan seit 1988 von ca. 1800 ppb auf einen gegenwärtigen Wert von 2000 ppb gestiegen ist.

Abbildung 4: Atmosphärische 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, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17730540 ]

Abbildung 4: Natürliche 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]

Die Hauptursachen für anthropogene Methanemissionen sind Brände, Umwandlung von ökologisch wertvollen Biotope in Agrarlandschaft, Viehhaltung, Reisfelder, Deponien, Abwasserbehandlungsanlagen und der Abbau und Verwertung von fossilen Brennstoffen.



Abbildung 5: Forest fires, Source: skeeze auf pixabay.om

Die unvollständige Verbrennung von totem und lebendigem organischen Material verursacht Methanemissionen. Obwohl natürliche Waldbrände auch zur Emission von Methan beitragen, sind die meisten Brände von Menschen verursacht. Die Agrarwirtschaft trägt erheblich zur Emission von Methan bei. Die Umwandlung von Wäldern und anderen natürlichen Biotope in landwirtschaftliche Flächen verursacht eine Zunahme an Stickstoff im Boden, wodurch die Oxidation von Methan verhindert wird - methanotrophe Bakterien werden daran gehindert ihre Funktion als Methansenke auszuüben. Das Verdauungssystem von Wiederkäuern setzt relevante Mengen an Methan frei. Mikroorganismen setzen schwer abbaubares organisches Material im Verdauungstrakt von Tieren um und geben es durch Ausscheidung an die Atmosphäre frei. Reisfelder zählen auch zu den relevanten Quellen für atmosphärisches Methan. Andere Quellen im urbanen Bereich sind Deponien und Abwasserbehandlungs­anlagen.

Abbildung 6: Oil rig, Source: kristinakasp auf pixabay.com

Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan, welches durch die thermische Zersetzung von organischem Material unter hohem Druck in der Erdkruste erzeugt wird. Analog zum Rohöl ist Erdgas ein Produkt der Zersetzung mariner Organismen, die über Jahrmillionen auf dem Meeresboden sedimentierten. Mit zunehmender Mächtigkeit der aufliegenden Sedimentschichten nehmen Druck und Temperatur zu, was die Zersetzung des organischen Materials einleitet. Obwohl Erdgas ein natürliches Produkt ist, wird Methan im Wesentlichen erst durch die Ausbeutung durch Menschen freigesetzt. Schätzungsweis ist der Abbau und die Verarbeitung von fossilen Energiequellen für rund 20% der globalen Methanemissionen verantwortlich. Da Methan den überwiegenden Teil von Erdgas ausmacht und oft assoziiert mit Erdöl vorkommt, wird bei Produktion, Verarbeitung, Lagerung, Transport und Verteilung von Erdgas bzw. Erdöl nachlässigerweise bzw. ungewollt Methan freigesetzt.

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 höheren Gasanteils von tiefliegenden Kohleflözen.

Abbildung 7: Die gegenseitige Beeinflussung von anthropogenen Methanemissionen und der globale Erwärmung ist ein Teufelskreis [By George Lindemann, ES EnviroSustain GmbH]

Der Teufelskreis und Gegenmaßnahmen

Man muss sich bewusst machen, dass einige der oben genannten Methanquellen entweder direkt oder indirekt durch die globale Erwärmung beeinflusst werden. Die Aktivität von methanerzeugenden Organismen (Methanogenese) steigt mit zunehmende Temperaturen an. Waldbrände, die gegenwärtig ein erst zunehmendes Risiko darstellen, hängen mit den erhöhten globalen Temperaturen zusammen.

Im Angesicht der drohenden globalen Erwärmung 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 einzuschränken, ist der Einsatz von neuen und verbesserten Technologien in den Industrie- und Drittweltländern nötig. Die Internationale Energieagentur (IEA) berichtet, dass es im Bereich der Öl- und Gasgewinnung und Verarbeitung reichlich kosteneffektive Verbesserungsmöglichkeiten gibt. Im Gegensatz zu Kohlendioxid hat Methan kommerziellen Wert. Laut der IEA ist es technisch möglich, rund drei Viertel aller heutigen Methanemissionen aus dem Öl- und Erdgassektor zu vermeiden. Speziell könnten 40% der heutigen Methanemissionen aus der Öl-und Erdgasindustrie ohne zusätzlichen Kosten vermieden werden.  

Mehr muss unternommen werden, um die natürliche Funktion des Bodens als Methansenke aufrechtzuerhalten. So sollten global mehr Ressourcen zur Bekämpfung von Waldbränden investiert werden. Auch eine Lösung gegen die Umwandlung von wertvollem natürlichem Regenwald und anderen Biotopen in landwirtschaftliche bzw. urbane Flächen muss gefunden werden. Vor allem schreitet der Raubbau am Amazonas Regenwald in schockierendem Tempo voran.



Abbildung 8: Deforestation, Source: MemoryCatcher auf pixabay.com

Unser nächster Blog in der “Neptune’s Legacy”-Serie wird sich mit Methanhydrat und dem Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum beschäftigen.