Unklarheiten in dekadischen Trends von Methan und Hydroxyl

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Methan ist das zweitstärkste anthropogen induzierte Treibhausgas und die Mehrbelastung für die Atmosphäre hat sich seit 1850 mehr als verdoppelt. Die Konzentrationen haben sich in den frühen Jahren des Millenniums stabilisiert, sind  jedoch seit 2007 wieder angestiegen. Weder die Stabilisierung noch der darauffolgende Wiederanstieg sind bisher vollständig verstanden, was mehrere widersprüchliche Theorien in der kürzlich erschienenen Literatur beweisen.
Vor allem ist es schwierig, den erneuten  Anstieg der Methankonzentrationen einer Quelle zuzuweisen, da die Zuwachsrate bei nur etwa 6 ppb (parts per billion) pro Jahr liegt. Bisherige Arbeiten, die sich mit der Konzentration des atmosphärischen Methans befassten, nutzten entweder die Messung des  Ethans (C2H6) oder das Massenverhältnis von Kohlenstoffisotopen in  Methan (δ13CH4) in Verbindung mit der Messung des Methans, um zusätzliche Beschränkungen der Methanquellen vorzuschreiben. Ethan wird zusammen mit dem Methan aus fossilen Brennstoffen emittiert, welche rund 62% des Gesamtausstoßes an Ethan ausmachen, daher wird es gemessen, um Veränderungen im Methanausstoß aus fossilen Brennstoffen festzustellen. Gleichzeitig wird das δ13CH4-Verhältnis bestimmt, um die Hauptverursacher der Methankonzentrationen zu ermitteln, da unterschiedliche Methanquellen und -senken ganz individuelle Isotopensignaturen aufweisen.
Während Wissenschaftler wie z. B. Kai et al. (1) die Stabilisierung der Methanwerte in einem Rückgang mikrobieller Quellen begründet sehen, sehen Wissenschaftler wie Aydin et al. (2) und Simpson et al. (3) den Grund für die Stabilisierung in einer verringerten Nutzung fossiler Brennstoffe, wobei diese Wissenschaftler ihre Rückschlüsse auf die Ethanüberwachung zurückführen.  Jedoch gibt es auch Wissenschaftler, z. B. Levin et al. (4), die die Isotopenmesswerte bzgl. Methan ziemlich uneindeutig finden und sie somit für wenig brauchbar erachten.  Über die letzten Jahre hinweg gab es zahlreiche wissenschaftliche Studien, die sich mit der Stabilisierung und dem darauffolgenden Anstieg der atmosphärischen Methankonzentration auseinandergesetzt haben und plausible Erklärungen lieferten,  sich jedoch gegenseitig widersprachen: Während die einen proklamieren, fossile Brennstoffe hätten keinen Einfluss auf die Methankonzentration in der Atmosphäre, sind sich andere dabei ziemlich sicher.

Doch weshalb all diese Widersprüche?

Eine mengenmäßige Zuordnung von Methanemissionen zu fossilen Brennstoffen, durch die Messung von Ethan auf globalem Maßstab, wird behindert durch die Variabilität in den Verhältnissen von Methan-zu-Ethan-Emissionen und in jüngster Zeit darüberhinaus durch den Zuwachs an Ethanquellen, die aber nur wenig Methan emittieren. Gleichzeitig gibt es eine große Überschneidung der Isotopensignaturen von Methan aus Quellen fossiler Brennstoffe und Methan, das nicht aus fossilen Brennstoffen entstammt.  Teilweise kommt diese Überschneidung zustande, da fossile Brennstoffe nicht ausschließlich thermogen entstanden sind, rund 20% der natürlichen globalen Gasreserven resultieren aus mikrobieller Aktivität.  Diese Überschneidung erschwert es, quantitative Rückschlüsse über die Methanquelle zu ziehen, wenn man Messungen des δ13CH4 im globalen Maßstab nutzt. Darüberhinaus komplizieren Veränderungen im Hydroxylradikal (OH), die Hauptsenke für atmosphärisches Methan, das Thema. Frühere Arbeiten machten sich Messungen des Methylchloroforms (CH3CCl3), auf globalem Maßstab bzw. auf einer Hemisphäre, zu Nutze, um Beschränkungen des Hydroxylradikals zu liefern, da der Verlust an Methylchloroform durch das OH gesteuert wird. Neuere Forschungen konnten zeigen, wie geringe Zunahmen in der OH-Senke die Methanstabilisierung größtenteils erklären können.

Ein Team aus Wissenschaftlern um Alexander J. Turner, Doktorand der Harvard School of Engineering and Applied Sciences, nutzte jetzt eine Multispezies-Zweikammer-Modellinversion (eine komplexe mathematische Rechenoperation), um die dekadischen Trends der Methankonzentration in der Erdatmosphäre zu erklären.

Schema des Zweikammer-Modells: Eingangswerte sind jährliche OH-Anomalien in den Hemisphären, Emissionen des Methylchloroforms (MCF), Emissionen des Methans und δ13CH4. Ausgangswerte sind die jährlichen Konzentrationen des Methylchloroforms und des Methans in den Hemisphären sowie das δ13CH4 in der Atmosphäre. Die Austauschzeit zwischen den Hemisphären beträgt 1 Jahr.
Abbildung: Turner et al., 2016.

Sie verwendeten die Multispezies-Zweikammer-Modellinversion, um 36y (y: yocto, 10^-24) Methanquellen und Senken unter Verwendung von bodenbasierten Messungen von Methan, Methylchloroform und dem C13/C12-Verhältnis in atmosphärischem Methan13CH4) von 1983 bis 2015 gemeinsam zu verrechnen. Sie gehen davon aus, dass Ergebnisse aus früheren Arbeiten stark von früher herrschenden Annahmen abhängen. Gestützt auf ihre Analysen beinhaltet die mathematisch wahrscheinlichste Begründung für den erneuten Anstieg der atmosphärischen Methankonzentrationen eine 25-Tg (tg: Teragramm, 10^12g) Abnahme der Methanemissionen von 2003 bis 2016 pro Jahr, die durch eine 7%-ige Abnahme der globalen mittleren Hydroxylradikalkonzentrationen im gleichen Zeitraum ausgeglichen wurde. Allerdings sind die Wissenschaftler immer noch in der Lage, die Beobachtungen anzupassen, wenn davon auszugehen ist, dass OH-Konzentrationen zeitinvariant sind (so wie man es in den bisherigen Arbeiten angenommen hat) und werden dann Lösungen finden, die weitgehend mit anderen vorgeschlagenen Hypothesen für das erneute Wachstum von atmosphärischem Methan übereinstimmen. Sie schlussfolgern, dass  derzeitige Oberflächenmesssysteme keine eindeutige Zuordnung der dekadischen Trends in Methan ohne starke Einschränkungen der OH-Variabilität zulassen, die sich derzeit ausschließlich auf Methylchloroformdaten stützen und deren unsichere Emission lediglich abschätzen.

Fußnoten:
(1) Kai et al.: (2011) Reduced methane growth rate explained by decreased northern hemisphere microbial sources. Nature 476:194–197
(2) Aydin et al. (2011) Recent decreases in fossil-fuel emissions of ethane and methane derived from firn air. Nature 476:198–201
(3) Simpson et al. (2012) Long-term decline of global atmospheric ethane concentrations and implications for methane. Nature 488:490–494
(4) Levin et al. (2012) No inter-hemispheric δ13CH4 trend observed. Nature 486:E3–E4

Quelle: PNAS 18.04.2017


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