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Klimawandel: Entwicklung des Lebens auf der Erde

Kohlenstoffdioxid, Wasser/Wasserdampf und Sauerstoff waren und sind dafür die wichtigste Grundlagen

von Prof. Dr. Werner Kasig

Prof. Dr. Werner Kasig, Geologisches Institut, Rheinisch-Westfälische-Technische-Hochschule Aachen

Die gegenwärtige Umwelt- und Klimadebatte (Klimawandel, -wechsel, Erderwärmung) ist seit der Konferenz von Kyoto 1999 und dem bisherigen Höhepunkt Kopenhagen 2009 zunehmend eine CO2-Diskussion geworden. Der in überzogener Weise gebrauchte Begriff „CO2-Ausstoß“ wurde eine allgemeine Bezeichnung für alle möglichen CO2- Emissionen. Er wird heute bereits in Geld aufgewogen (Zertifikate). Trotzdem wissen nur wenige, welche Bedeutung das CO2 für die Entwicklung des Lebens auf der Erde hatte und trotz seines geringen Anteils in der heutigen bodennahen Luft noch immer hat.

Natur- und geowissenschaftliche Fakten

Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist mit einem Anteil von nur 0,038 Vol.% in der heutigen erdoberflächennahen Luft (Atmosphäre) ein „Spurengas“. Trotzdem wird es als global klimawirksames „Treibhausgas“ bezeichnet. Es ist jedoch wegen der zu geringen Zahl an CO₂-Molekülen in der unteren Atmosphäre im Vergleich zu deren Gesamtmasse von 5,3 x 1018 kg weder ein Treibhausgas noch klimaschädlich („Klimakiller“) im globalen Maßstab. Darauf machte bereits vor 25 Jahren der bekannte deutsche Meteorologe THÜNE aufmerksam. Bei der heutigen Luftzusammensetzung von 78,09 Vol.% Stickstoff (N₂), 20,95 Vol.% Sauerstoff (O₂) und 1 Vol.% Spurengase wie CO₂, CH₄ (Methan), N₂O (Lachgas) und Edelgasen ist das CO₂ vielmehr ein wichtiger Baustein für die organische Substanz von Lebewesen (Pflanzen, Tiere, Mensch) und die Atmung. Es sorgte weiterhin dafür, dass O₂ durch Photosynthese von Pflanzen aller Art produziert und so ein Gleichgewichtszustand für das Leben auf der Erde geschaffen wurde, der noch heute anhält. Die im Verhältnis zur Gesamtatmosphäre geringe Menge des anthropogen (vom Menschen) erzeugten CO₂ ist aus den genannten Gründen nicht in der Lage, gemeinsam mit dem natürlichen CO₂ global wirksam und damit ein „so genanntes Treibhausgas“ zu sein. Insgesamt sorgen jedoch beide Arten von CO₂ mit dem wichtigen Wasser/Wasserdampf (H₂O) für die Sonderstellung der Erde im Sonnensystem (Entstehung des Lebens und Weiterentwicklung seit 3 Milliarden Jahren). Das gilt natürlich auch für die Lufthülle (Atmosphäre) und die Wasserhülle (Hydrosphäre). Die Gesteine (Lithosphäre) gleichen dagegen denen der anderen Planeten. Auch der Stickstoff (N₂) spielt bereits seit der Entstehung der „Uratmosphäre“ vor 4,5 Milliarden Jahren gemeinsam mit CO₂, H₂O und später O₂ eine wesentliche Rolle als reaktionsträges Gas und damit Stabilisator bei der Luftzusammensetzung.

Folgerungen für den derzeitigen Wissensstand

Es gibt bisher keinen ausreichenden wissenschaftlichen Nachweis für die behauptete globale Klimaeinwirkung durch das CO₂ in der jüngeren Erdgeschichte. Die geringen Variationen des CO₂-Anteils in der Luft (dritte Stelle hinter dem Komma) sind völlig normal, wenn man den kurzen Messzeitraum betrachtet. Auch die als Beweis immer wieder angeführte Hawaii-Kurve kann nicht ernsthaft gewertet werden, da sie aus einem Gebiet mit aktivem Vulkanismus stammt. Dort erfolgen ständig CO₂-Austritte, besonders am Meeresboden. Die Forderung von Kopenhagen 2009 nach einer „Erwärmungsbegrenzung“ der Erde von 2 ° C bis 2020 ist praktisch nicht zu realisieren, da die meteorologischen Bedingungen (ständige Turbulenz in der Atmosphäre) das nicht zulassen. Es ist deshalb nur eine theoretische Zahl ohne konkrete Anwendbarkeit. Dazu kommt noch die Tatsache, dass CO2 spezifisch deutlich schwerer als Luft ist und deshalb nur eine geringe Verweildauer in dieser besitzt. Auch die neuerdings vorgeschlagene Methode der unterirdischen Speicherung von CO₂ (CCS – Carbon Capture and Storage) ist aus den genannten Gründen zu teuer, zu wenig erprobt und deshalb nicht notwendig. Nicht das CO₂, sondern der Wasserdampf bzw. Wasser spielten die entscheidenden Rollen in den 4,5 Milliarden Jahren Erdgeschichte seit Bildung der festen Erdkruste und von Hydro- und Atmosphäre. Wasser in allen drei Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig) war und ist noch heute ein bedeutender Faktor mit globaler Klimawirkung.

Entwicklung der Erdatmosphäre und des Lebens

Der zeitliche Ablauf des erdgeschichtlichen Geschehens in den letzten 1.000 Millionen Jahren ist aus der vereinfachten Darstellung des O₂–CO₂–N₂-Diagramms zu erkennen. Dieses wurde bereits vor 20 Jahren veröffentlicht [1], fand jedoch trotz seiner großen geowissenschaftlichen Bedeutung wenig Beachtung. Es erfolgte anschließend in einer Diplomarbeit, die in Aachen durchgeführt wurde, eine Bewertung im Rahmen des Themas: „Das CO₂ im geologischen Kreislauf“ [2]. Auch wurde es in eine Darstellung über die Karbonatgesteine Deutschlands (Rohstoff, Nutzung, Umwelt) aufgenommen [3]. Schließlich ist das Diagramm auch im Rahmen der Lehrveranstaltung „Umweltgeologie“ des Verfassers an der RWTH Aachen benutzt worden. Mit dessen Hilfe werden nachfolgend in aller Kürze die Entwicklung der Atmosphäre und die Geschichte des Lebens geschildert. Es erfolgt dabei eine Beschränkung auf die Pflanzen und Wirbeltiere einschließlich des Menschen. Erstere haben durch Photosynthese O₂ produziert und das zunächst reichlich vorhandene CO₂ vermindert. Letztere haben schließlich den Menschen hervorgebracht und damit die Voraussetzungen für die Erkenntnis und Erklärung der erd- und lebensgeschichtlichen Vorgänge. Auf der horizontalen Zeitachse sind die letzten 1.000 Millionen Jahre aufgetragen mit Angabe einiger Zeitmarken durch Pfeile. Die senkrechte Achse zeigt eine Skala, auf der die Volumenprozent-Angaben für N₂, O₂ und CO₂ der Luft abgelesen werden können. So ist die Zusammensetzung der bodennahen Luft (Atmosphäre) zu jedem Zeitpunkt leicht erkennbar. In der Zeit davor hatte sich bereits der Schalenbau der Erde (Kruste, Mantel, Kern) durch stoffliche Differenzierung gebildet. An der Wende Präkambrium/Kambrium (600 Millionen Jahre) gab es erdweit bereits bedeutende Wassermengen, sodass der noch heute für das globale Erdklima sehr wichtige Wasserkreislauf (Verdunstung, Wolkenbildung, Kondensation, Niederschlag) in gleichem Maßstab wirken konnte. Durch den Vulkanismus gelangten zusätzlich große Wassermengen in Form von Wasserdampf in die Atmosphäre, der das Klimageschehen deutlich beeinflusste. Diese Tatsache wird bei den Modellrechnungen weitgehend unbeachtet gelassen. Zu dieser Zeit bestand die untere Atmosphäre aus ca. 84 Vol.% N₂, 15 Vol.% CO₂ und nur zu 1 Vol.% freiem O₂ und den genannten Spurengasen. Das erste, sehr einfach organisierte Leben (ca. 3 Milliarden Jahre) hatte sich bereits deutlich weiterentwickelt (Eukarionten sind Zellen mit Zellkern und Organellen). Damit waren zu Beginn der Kambrium-Zeit bereits alle wichtigen Pflanzen- und Tierstämme mit Ausnahme der Wirbeltiere vorhanden. Eine weltweite Eiszeit band größere Wassermengen in Form von Eis, sodass Meeresspiegelschwankungen erfolgten. Diese beeinflussten wiederum die Verteilung von Land und Meer (Paläogeographie). Doch die Entwicklung des Lebens ging weiter und es entstand eine neue Ozean- Flora und -Fauna. Die Landgebiete waren noch unbesiedelt.

CO2-Aufnahme und O2-Produktion durch Photosynthese der Pflanzen

Durch Photosynthese (6 CO₂ + 6 H2₂O Licht --> C₆ H₁₂O₆ (Glukose) + 6 O₂) wurde von den Pflanzen (Algen) immer mehr CO₂ in der photischen Zone (von Sonnenlicht durchlichtete obere Zone des Ozeans bis ca. 80 m Wassertiefe) gebunden und dabei Sauerstoff und Glukose produziert. Dieser entwich in die Atmosphäre und reicherte sich dort an. Das ist sehr deutlich am schnellen steilen Anstieg der Kurve erkennbar. Die gleichzeitige CO₂-Zufuhr durch Vulkanismus konnte die CO₂-Bindung durch Pflanzen (Ozeanflora) aber nicht mehr ausgleichen. Auch die Bindung des CO₂ bei der Karbonatbildung (z.B. CaCO₃ = Kalkstein und Karbonatschalen von Tieren) unterstützte diesen Trend. Der CO₂-Gehalt der Luft nahm weiter ab. Vor 400 Millionen Jahren entstanden die ersten Landpflanzen aus Tang- und Farnpflanzen. Sie mussten sich an das Leben außerhalb des Wassers anpassen und die Organe entsprechend umbilden. Nun wurde CO₂ durch Wasser- und Landpflanzen gebun den, die beide O₂ produzierten (Photosynthese auf dem Festland). Auch die Wirbeltiere hatten sich als Panzerfische im Ozean weiterentwickelt. Einige dieser Formen betraten das Land (Amphibien). Doch war bei noch immer 4–5% CO₂ und entsprechend weniger O₂ in der Luft noch kein ständiges Leben für Lungenatmer auf dem Festland möglich. Eine weitere Verringerung des CO₂-Gehalts der Luft und Erhöhung des Gehalts an freiem Sauerstoff durch Photosynthese erfolgte in der Karbonzeit (300 Millionen Jahre) durch die weltweite Bildung von Wäldern und Torfmooren, aus denen später die Steinkohle entstand. Aus diesen Steinkohlen migrierten dann erhebliche Kohlenstoffmengen in flüssiger und gasförmiger Phase (Erdöl/Erdgas) in jüngere Schichten, die sich inzwischen über ihnen gebildet hatten. Daraus entstanden z.B. die Erdöl-/ Erdgaslagerstätten Norddeutschlands. Eine weitere Eiszeit beendete diesen Zeitabschnitt. Jetzt hatte die Kurve im Diagramm einen weiteren schnellen Anstieg zu verzeichnen. Bei der O₂-Produktion stammten noch 2/3 aus Meerespflanzen (Algen), aber bereits 1/3 von Landpflanzen. Dieses Verhältnis besteht noch heute. In Zeiten starker Akkumulation von Landpflanzen (Karbonund Tertiär-Moore) wurde der Atmosphäre besonders viel CO₂ entzogen, während die O₂-Produktion weiter anstieg.

Entwicklung der Wirbeltiere, Säugetiere und Menschen

Die Wirbeltiere (Fische, Amphibien, Reptilien) als Vorläufer der Säugetiere und des Menschen entwickelten sich weiter. Das gilt auch für die Pflanzen (Gefäßpflanzen), aus denen die Gondwana-Kohlen des Südkontinents (die späteren Kontinente Südamerika, Afrika, Australien, Antarktis, Vorderindien) entstanden. Diese Pflanzen bewirkten eine weitere CO₂-Verringerung und O2-Produktion durch Photosynthese, sodass mit dem ersten Erscheinen der Säugetiere vor ca. 180 Millionen Jahren (mausgroße Tiere) in der Trias/Jura- Zeit die atmosphärischen Bedingungen für Lungenatmer (16–18% O₂) gegeben waren und sich noch verbesserten. Eine letzte weltweite Pflanzenentwicklung (Braunkohlen-Moore und -wälder) in der Tertiär-Zeit (67–1,5 Millionen Jahre) führte dann zum heutigen O₂- und CO₂- Gehalt der Atmosphäre. Die Lungenatmer hatten jetzt beste Entwicklungsbedingungen, obwohl es in der Quartär-Zeit (vor 1,5–1,0 Millionen Jahren) noch zu einer weiteren großen Eiszeit kam und einigen Schwankungen im O₂-/CO₂-Verhältnis. Deshalb zeigt auch die gesamte Diagrammkurve nur die generelle Tendenz auf, da die kurzzeitigen Schwankungen (Eiszeit – Zwischeneiszeit – Eiszeit) bei diesem Maßstab nicht dargestellt werden können. Sehr spät und deshalb im Diagramm ebenfalls kaum darstellbar, erschien vor ca. 5 Millionen Jahren der Mensch. Anfangs noch in sehr geringer Zahl, begann in Ostafrika sein Aufstieg und die Verbreitung über die ganze Erde. Er war als Homo sapiens sapiens (einsichtiger Mensch) das erste Lebewesen, das die natürlichen Vorgänge deuten konnte und wie kein Lebewesen vor ihm mithilfe von Feuer, Geräten, Werkzeugen, Technik und Kultur die Erde umgestaltete. So entstand dann auch das Umweltproblem durch Art und Umfang seines Eingriffs in die drei wichtigen Sphären ( Litho-, Hydro-und Atmosphäre), die das Leben auf der Erde möglich machten. Die von ihm gestaltete Biosphäre hat er nun selbst gefährdet, sodass er gezwungen ist, diese Lebensgrundlage mit den ihm möglichen Aktivitäten und Einsichten zu erhalten [4].

Ergebnisse

Zusammenfassend kann bisher festgestellt werden, dass in den letzten 600 Millionen Jahren ständige Veränderungen erfolgt sind. Die Land-Meer-Verteilung wurde von der Bewegung der Erdplatten gesteuert, durch Vulkanismus und Magmatismus sind alle drei Erdsphären mehrfach deutlich beeinflusst worden. Das Leben hat sich von einfachen zu sehr differenzierten Formen entwickelt. Große Eiszeiten sind erdweit nachzuweisen und zahlreiche größere und kleinere Klimaschwankungen (Klimawandel) erfolgten mit globaler Wirkung. Ursache waren stets extraterrestrische ( Ursachen außerhalb der Erde) Faktoren wie Sonne, Mond und Erdbahnelemente und terrestrische (auf der Erde) Faktoren wie Neigung der Erdachse, Erdplattenbewegungen, Erdmagnetfeld, Magmatismus/ Vulkanismus, Land-Meer-Verteilung, Wolkenbildung und Kreisläufe in Litho-, Hydround Atmosphäre. Es handelte sich hier um ganz normale natürliche Vorgänge als Folge der genannten Faktoren. Diese Einwirkungen erfolgen auch noch heute und werden auch künftig wirken, ohne dass der Mensch sie wesentlich beeinflussen kann. Das gilt besonders für das globale Klima.

Möglichkeiten für Umweltund Klimaschutz

Es kommt deshalb jetzt darauf an, sich auf das „Machbare“ im regionalen Bereich zu konzentrieren, statt auf teuren Konferenzen nicht realisierbare Ziele zu formulieren. Nur so können die Umweltbedingungen ganz konkret erhalten und geschützt werden. In manchen Bereichen sind dann auch überregionale Erfolge im Umweltschutz möglich.

*Machbar sind*:

>> Beschränkung der Waldrodung und
Moorvernichtung (Förderung der
CO2-Aufnahme der Pflanzen durch
Photosynthese)

>> Wiederaufforstung der Wälder und Erhaltung der Moore (O2-Produktion)

>> Reduzierung der Verschmutzung von Flüssen und Meeren (Erhaltung der
Durchlichtung des oberflächennahen Meeresbereiches für die Photosynthese-
O2-Produktion)

>> Reduzierung der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen /Schadstoffemissionen), Kohle ist ein zu wertvoller Rohstoff, um verbrannt zu werden

>> Keine Speicherung von CO2 im Untergrund

>> Umfassende Nutzung aller alternativen Energiequellen

>> Energieeinsparung statt gigantischer Energieverschwendung

>> Ober- und unterirdische Wasserspeicherung vor allem in Mangelgebieten

>> Umweltgerechte Land- und Viehwirtschaft

>> Küstenschutz bei ansteigendem Meeresspiegel

>> Verringerung des Wachstums der Weltbevölkerung

>> Realistischere interdisziplinäre Modellrechnungen zur globalen Klimaentwicklung

>> Mehr Forschungsmittel und -aktivitäten für bessere Kenntnisse über Umweltkreisläufe

Fazit und Ausblick

Es wurde darauf hingewiesen, dass die gegenwärtige CO2- und Klimahysterie sachlich unbegründet ist, da der natürliche globale Klimawandel vom Menschen nicht beeinflusst werden kann. Weiterhin bleibt es offen, ob es sich gegenwärtig überhaupt um einen globalen Klimawandel handelt, weil es große Bereiche gibt (z. B. Antarktis), in denen entsprechende Anzeichen völlig fehlen. Die „überzogenen“ Prognosen sind eher dazu geeignet, die wirklichen Fakten zu verschleiern und die Menschen zu verunsichern. Einige davon sind so absurd, dass in der Öffentlichkeit wenig Verständnis dafür besteht. So könnte man manche Aussagen von zahlreichen „Klimaexperten“ mit der Aufforderung an die Menschheit vergleichen, weniger zu atmen, um das Klima zu schützen. Daten dazu finden sich rechts vom Diagramm neben der Zeitachse. Die sich rechnerisch ergebenden eingesparten anthropogenen CO2-Emissionen (ausgeatmete Luft) haben selbstverständlich keinen Einfluss auf das globale Klima. Die räumlich-zeitlichen Dimensionen lassen das nicht zu. Viel besser sind wahrheitsgemäße Informationen für die Öffentlichkeit (Öffentlichkeitsarbeit), die aufgefordert werden muss, den machbaren Beitrag zum Klimaund Umweltschutz zu leisten. Besonders wichtig ist dabei eine bessere Wissensvermittlung an Schulen und Hochschulen zu Umweltfakten. Ein Pflichtfach „Umweltwissenschaft/ Umweltlehre“ muss schnellstens eingerichtet werden. Ein solches Pflichtfach bietet die Chance, sich das fehlende Wissen über die Umwelt (vor allem auch die globale Umwelt) anzueignen und die generelle Einstellung der Menschen gegenüber Natur und Umwelt durch gesichertes und nachprüfbares Wissen entscheidend zu verbessern [4]. Es ist besonders gut dazu geeignet, die einzelnen Wissens- und Wissenschaftsbereiche (Geo- und Biowissenschaften, Naturwissenschaften, Mathematik, Physik, Chemie-, Ingenieurwissenschaften, Wirtschaftswissenschaften und Geisteswissenschaften) zu integrieren und mithilfe des für die Existenz des gesamten Lebens auf der Erde entscheidenden Umweltthemas zusammenzuführen. Dann besteht die Chance, die vom Menschen nicht beeinflussbaren Vorgänge erdgeschichtlicher Entwicklung besser zu verstehen und sich darauf einzustellen. Dieses umfassende Wissen kann dann auch für die Sicherung der weiteren Existenz des Lebens auf der Erde genutzt werden, soweit das generell möglich ist.

Nur was der Mensch begreift und versteht, ist er bereit zu schützen.

Literatur:
[1] BECKMANN, G., Klopries, B. (1989): CO2-Anstieg in der
Troposphäre – ein Kardinalproblem. – Lichtbogen, 38:
4–13, Marl-Hüls.
[2] LÜNENSCHLOSS,B. (1990): Das CO2 im geologischen
Kreislauf. – Diplomarbeit RWTH Aachen, 180 S., Aachen.
[3] GOTTHARDT,R./KASIG,W. (1996): Karbonatgesteine in
Deutschland – Rohstoff, Nutzung, Umwelt. – 420 S.,
Düsseldorf.
[4] KASIG,W./MEYER,D.E. (1984): Grundlagen, Aufgaben und
Ziele der Umweltgeologie.- Z.dt.Geol.Ges.,135: 383–402,
Hannover.

Stellungnahme zu diesem Artikel - Prof. Dr. Arne Körtzinger

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